微波驱动合成氧化铁纳米颗粒用于快速检测动脉粥样硬化

摘要

微波技术可实现用于动脉粥样硬化斑块表征的氧化铁纳米颗粒的极快速合成。在纳米颗粒外侧使用氨基双膦酸盐可促进其在动脉粥样硬化区域的快速富集。

摘要

一种快速且可重复的微波驱动法已被开发用于合成尼瑞膦酸功能化的纳米颗粒。该方法从疏水性纳米颗粒的合成为起点，基于将热分解法改进为微波驱动合成法。与传统方法相比，新方法显著缩短了反应时间。此外，微波技术的应用提高了反应的可重复性，这对于临床应用具有重要意义。该氧化铁纳米颗粒的创新之处在于连接了尼瑞膦酸（Neridronate）。该分子的使用使双膦酸基团朝向纳米颗粒外侧，从而提供对钙²⁺ 结合特性 体外 和选择性富集 体内 在动脉粥样硬化斑块中。该方案自有机前体开始合成至斑块检测完成，全程约需3小时。其在动脉粥样硬化区域的积累时间少于1小时，可提供一种特别适用于临床应用的对比剂。

引言

动脉粥样硬化是一种多因素的慢性炎症性疾病，由脂质代谢失调和炎症反应异常引起，累及动脉壁。由于该疾病及相关心血管疾病的高发病率及其带来的巨大经济和社会负担，人们日益关注利用新型工具来应对这一病理过程，其中纳米技术是最具前景的方向之一^1-3。然而，目前能够快速制备并表征探针的实例仍十分有限，而此类能力是实现临床转化的基础⁴。在本实验方案中，我们采用微波法合成氧化铁纳米颗粒，并在1小时内完成其与双膦酸盐的进一步功能化，用于ApoE^-/-小鼠体内动脉粥样硬化的in vivo检测⁵ 。氧化铁纳米颗粒（IONP）是一种广为人知的纳米材料，近年来已被确立作为磁共振成像（MRI）的对比剂，用于多种疾病的检测^6-8。

微波合成法（MWS）能够在极短时间内合成纳米颗粒，具有高重复性和高产率的优势。^9,10 在本实验方案中，我们通过三个步骤获得具有斑块靶向能力的氧化铁纳米颗粒（IONP）。最后一步是连接氨基双膦酸盐——奈瑞德隆酸（Neridronate），这一步在我们的策略中至关重要，因其具有结合钙离子的特性。由于奈瑞德隆酸与天然类似物焦磷酸盐（PPi）结构相似，且对骨矿物质具有高亲和力，已被用于治疗成骨不全症（OI）和骨Paget病（PDB）。^11-13

该实验....

方案

1. 试剂的准备

1. 将 23.8 mg HEPES 溶解于 100 ml 蒸馏水中，配制 1 mM HEPES 缓冲液。调节 pH 至 7。
2. 将 10 g NaHSO₃ 溶解于 100 ml 蒸馏水中，配制 10% NaHSO₃ 溶液。搅拌混合物 15 分钟。
3. 将 1 g NaOH 溶解于 100 ml 水中，配制 NaOH 溶液。搅拌 10 分钟。
4. 将 600 mg NaH₂PO₄ 溶解于 1 L 水中，配制 10 mM 磷酸盐缓冲液。小心加入 0.34 ml 磷酸，搅拌 30 分钟。调节 pH 至 2.9（可接受范围为 2.7–3.0）。
5. 将 269 mg NaH₂PO₄ 和 1.09 g Na₂HPO₄ 溶解于蒸馏水中，定容至 1 L，配制 10 mM 磷酸盐缓冲液。调节 pH 至 7.2。

2. 油酸包覆纳米颗粒（OA-IONP）的合成

1. 在适用于微波反应的烧瓶中加入 0.5 g Fe(acac)₃、1.4 ml 油酸、0.6 ml 油胺和 1.19 g 1,2-十二烷二醇。使用刻度移液管沿烧瓶壁小心加入 10 ml 苯基醚。
....

结果

本方案描述了三种不同IONP的合成方法。以疏水性的OA-IONP为起始材料，在微波驱动合成的帮助下获得水相稳定的纳米颗粒。所有纳米颗粒均呈现超小的流体动力学尺寸（Dh <50 nm），且尺寸分布极为均一（图1c）。微波技术的使用使得纳米颗粒的核尺寸达到超小水平。由于微波能够实现快速加热，相较于其他方法，其成核速率更快，从而获得更小的纳米颗粒核尺寸。然而，颗粒仍保持优异的结晶性，透射电镜（TEM）图像中可清晰观察到Fe₃O₄核的晶格条纹（图1a, b）。该方法的另一个重要特点是可重复性。在重复四次壬二酸-IONP的合成后，所得流体动力学尺寸及分布结果一致（图1d）。

功能化后，通过将含尼瑞膦酸的纳米颗粒与不同量的 Ca²⁺ 孵育，检测其因双膦酸盐而具有的 Ca²⁺

讨论

氧化铁纳米颗粒（IONP）是最重要的纳米材料之一，长期以来已被用于多种应用。这些材料作为磁共振成像（MRI）对比剂的使用已是一个成熟的研究领域。然而，传统的合成路线通常耗时较长，且操作过程复杂。为了显著缩短反应时间并提高可重复性，采用微波驱动的合成方法似乎是制备高质量纳米颗粒的一种良好替代方案。在上述方案中，微波技术已被用于合成两种不同的纳米颗粒。微波法能够精确调控影响颗粒最终特性的主要参数。需要注意的是，若改变任一所述条件，纳米颗粒的物理性质均会发生变化。由于合成过程中使用了一些化学试剂，纯化步骤对于获得高质量纳米颗粒至关重要。

在OA-IONP的制备过程中，需使用过量的表面活性剂以确保纳米颗粒具有足够的稳定性。合成后，必须经过三个纯化步骤以彻底去除表面活性剂。对于壬二酸-IONP的合成，需要两个不同的微波反应阶段。在第二阶段中，可通过调节反应条件将最终颗粒尺寸调控至超小尺寸IONP（D_h <50 nm）使用 pH = 2.9 得到较大的流体动力学尺寸（D_h >50 nm）时使用生理p.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
微波反应仪 Explorer/Discover Hybrid-12	CEM Corporation, USA		任何可用于化学合成的微波反应仪均可使用
一次性 PD-10 脱盐柱	GE Healthcare life sciences	17-0851-01	任何尺寸排阻色谱柱均可使用
Amicon®Ultra-0.5 ml	Merck Millipore Ltd
校准过的 pH 计	SI analytics	285105127
钕磁铁	Aiman Gz	ND010B
Vortex Genius 3	IKA	3340000
ZetaSizer Nano ZS	Malvern Instruments
标准（大容量）光学玻璃池	Labbox	11718
Zetasizer 纳米系列一次性折叠毛细管池 DTS1070	Malvern
Bruker Minispec mq60	Bruker