在此，我们介绍一种获取 68镓掺杂的氧化铁纳米颗粒 通过 快速微波驱动合成。该方法可制备 PET/(T1)MRI 纳米颗粒，标记效率高于 90%，放射化学纯度达 99%，合成时间仅需 20 分钟。
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本文内容
摘要
摘要
此处，我们描述了一种微波合成方法，用于制备核掺杂的氧化铁纳米颗粒 68微波技术可实现快速且可重复的合成过程。在此情况下，从 FeCl 开始3 以及柠檬酸三钠，通过微波处理10分钟即可获得柠檬酸包覆的氧化铁纳米颗粒。这些纳米颗粒具有较小的核心尺寸，为4.2 ± 1.1 nm，水动力学尺寸为7.5 ± 2.1 nm。此外，它们表现出较高的纵向弛豫率（r111.9 mM 的值-1·s-1 且具有适中的横向弛豫率值（r222.9 mM-1·s-1，这会导致一个较低的 r2/r1 1.9。这些数值能够在磁共振成像（MRI）中实现正性对比增强，而非常规铁氧化物纳米颗粒所常用的负性对比。此外，如果 68GaCl3 洗脱自一个 68Ge/68将镓发生器加入起始材料中，制备掺杂纳米放射性示踪剂 68Ga 获得。产物具有高放射性标记产率（> 90%），无论初始活性如何。此外，仅需一步纯化即可使纳米放射性材料达到使用标准。 体内.
引言
用于医学目的的成像技术组合推动了多种合成多模态探针方法的研究1,2,3。由于正电子发射断层扫描（PET）具有高灵敏度，而磁共振成像（MRI）具有高空间分辨率，因此PET/MRI联合成像似乎是极具吸引力的选择之一，可同时提供解剖结构与功能信息4。在MRI中，可采用T2加权序列，使探针富集区域的组织信号变暗；也可采用T1加权序列，使特定富集部位信号增强而变亮5。其中，正性对比通常是最合适的选择，因为负性对比难以将信号与内源性低信号区域（如肺部等器官常呈现的区域）相区分6。传统上，基于钆（Gd）的分子探针被用于实现正性对比。然而，基于钆的对比剂存在一个主要缺点，即其毒性问题，对肾功能不全患者尤为严重7,8,9。这促使研究人员致力于开发生物相容性材料，用作T1对比剂。一种有前景的方法是使用具有极小核尺寸的氧化铁纳米颗粒（IONPs），其可提供正性对比10。由于其核尺寸极小（约2 nm），大部分Fe3+离子位于表面，每个离子具有5个未成对电子。这提高了纵向弛豫率（r1）值，并使横向/纵向弛豫率比（r2/r1）显著低于传统IONPs，从而产生所需的正性对比效果11。
为了将IONPs与正电子发射体结合用于PET，需考虑两个关键问题：放射性核素的选择和纳米颗粒的放射性标记。关于第一个问题，68Ga是一个极具吸引力的选择。其半衰期相对较短（67.8分钟），与常见肽类在体内的生物分布时间相匹配，因此适用于肽类标记。此外，68Ga可通过发生器生产，可在实验台模块中合成，无需依赖附近的回旋加速器12,13,14。为了实现纳米颗粒的放射性标记，表面标记即放射性核素的表面整合是目前普遍采用的策略。该方法可通过使用能够螯合68Ga的配体，或利用放射性金属对纳米颗粒表面的亲和力来实现。文献中大多数关于IONPs的案例均采用螯合剂。已有报道使用多种杂环配体，如1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸（DOTA）15、1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4,7-三乙酸（NOTA）16,17和1,4,7-三氮杂环壬烷-1-戊二酸-4,7-二乙酸（NODAGA）18，以及四齿配体2,3-二羧基丙烷-1,1-二膦酸（DPD）19。Madru et al.20于2014年开发了一种无螯合剂的标记策略，后续另有研究团队也采用了类似的无螯合剂方法标记IONPs21。
然而，该方法的主要缺点包括较高的风险 体内 转金属反应、放射性标记产率低以及不适合短半衰期同位素的冗长操作流程22,23,24因此，Wong 等25 开发了首例核掺杂纳米颗粒，成功实现了掺入 64使用微波技术在5分钟合成过程中，IONPs核心中的Cu。
本文介绍了一种快速且高效的将放射性核素掺入纳米颗粒核心的方法，克服了传统方法中的诸多缺点。为此，我们提出采用微波驱动合成法（MWS），该方法显著缩短反应时间，提高产率，并增强可重复性，这些均为氧化铁纳米颗粒（IONP）合成中的关键参数。MWS性能的提升源于介电加热机制：分子偶极子试图与交变电场对齐，从而实现样品的快速加热，其中极性溶剂和试剂在此类合成中效率更高。此外，结合柠檬酸作为表面活性剂与微波技术，可制备出尺寸极小的纳米颗粒，产生双重T1加权磁共振成像（MRI）/正电子发射断层扫描（PET）26信号，本文将其命名为68Ga核心掺杂氧化铁纳米颗粒（68Ga-C-IONP）。
该方案结合了微波技术、作为正电子发射体的68GaCl3、氯化铁、柠檬酸钠和水合肼，几乎在短短20分钟内即可制备出兼具T1加权磁共振成像（MRI）与正电子发射断层扫描（PET）功能的纳米颗粒材料。此外，该方法在一系列68Ga放射性活度（37 MBq、111 MBq、370 MBq和1110 MBq）下均能获得稳定一致的结果，且对纳米颗粒的主要理化性质无显著影响。使用高放射性活度68Ga所表现出的方法可重复性，拓展了其潜在应用范围，包括大型动物模型或人体研究。此外，该方法仅需一个纯化步骤，在此过程中，通过凝胶过滤去除过量的游离镓、氯化铁、柠檬酸钠和水合肼。游离同位素的完全清除以及样品的高纯度，确保了材料无毒性，并提高了成像分辨率。此前，我们已在此前的研究中证实了该策略在靶向分子成像中的实用性27,28。
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方案
1. 试剂准备
- 0.05 M HCl
- 将 208 µL 的 37% HCl 加入 50 mL 去离子水中，配制 0.05 M HCl 溶液。
- 高效液相色谱流动相
- 将 6.9 g 一水合磷酸二氢钠、7.1 g 磷酸氢二钠、8.7 g 氯化钠和 0.7 g 叠氮化钠溶于 1 L 水中，配制高效液相色谱（HPLC）流动相。充分混匀后检测 pH 值。使用 0.1-µm 孔径的无菌滤膜过滤流动相，并在使用前进行脱气处理。可接受范围：pH 6.2 - 7.0（若超出范围，用 NaOH [1 M] 或 HCl [5 M] 调节）。
2. 柠檬酸盐包被的氧化铁纳米颗粒的合成
- 将75 mg FeCl3·6H2O 和 80 mg 柠檬酸三钠二水合物溶解于9 mL水中。
注意：上述用量可制备约12 mL纯化后的纳米颗粒溶液（[Fe] ~1.4 mg·mL-1）。可按比例缩小用量以获得2.5 mL终体积。 - 将混合液转移至微波反应专用烧瓶中。
- 在微波反应仪中加载动态程序，设定温度为120 °C，时间为10 min，压力为250 psi，功率为240 W。
- 向反应体系中加入1 mL水合肼。
注意：水合肼可启动铁离子的还原反应，因此可观察到溶液颜色由浅黄色变为棕色。 - 启动微波反应程序。
- 同时，用20 mL蒸馏水冲洗凝胶过滤脱盐柱。
- 程序结束后，将烧瓶于室温下冷却。
- 用移液器将2.5 mL终反应混合液上样至脱盐柱，并弃去穿流液。
注意：微波程序结束时温度自动降至60 °C，纳米颗粒可在60 °C直接上样至凝胶过滤柱。 - 向柱中加入3 mL蒸馏水，收集纳米颗粒至玻璃样品瓶中。
注意：纳米颗粒可在室温下保存1周。超过此时间后，纳米颗粒将发生聚集，导致其流体力学尺寸增大。
3. 68Ga 掺杂铁氧化物纳米颗粒（68Ga-C-IONP）的合成
- 将 75 mg FeCl3·6H2O 和 80 mg 柠檬酸三钠二水合物加入微波反应专用烧瓶中。
- 根据供应商推荐的盐酸体积和浓度对 68Ge/68Ga 发生器进行淋洗（本实验中为 4 mL 的 0.05 M HCl）。向屏蔽式发生器中注入该体积后，可获得 4 mL 的 68GaCl3，无需进一步处理即可直接使用。
注意：请遵循第 3.2–3.12 步相应的放射性安全措施。68Ga 是一种正电子和伽马射线发射同位素，操作人员必须采取适当的安全防护措施以避免辐射暴露，至关重要。研究人员必须遵循 ALARA（合理可行尽量低）原则，并采用常规的屏蔽和放射性核素操作程序。此外，必须使用指环剂量计、全身剂量计和污染检测仪。 - 向微波反应专用烧瓶中加入 4 mL 的 68GaCl3。该体积可根据发生器活度及最终纳米颗粒所需活度适当减小。
- 用移液器向烧瓶中加入 5 mL 蒸馏水，并充分混匀。
- 在微波反应仪中加载动态程序，设定温度为 120 °C，时间为 10 分钟，压力为 250 psi，功率为 240 W。
- 向反应体系中加入 1 mL 水合肼。
注意：水合肼启动铁离子的还原反应，因此可观察到溶液外观由浅黄色变为棕色。 - 启动微波反应程序。
- 同时，用 20 mL 蒸馏水冲洗凝胶过滤脱盐柱。
- 程序结束后，将烧瓶置于室温下冷却。
- 用移液器将 2.5 mL 最终反应混合液上样至层析柱，并弃去穿流液。
注意：微波程序在 60 °C 停止，纳米颗粒可在 60 °C 直接上样至凝胶过滤柱。 - 向柱中加入 3 mL 蒸馏水，收集纳米颗粒至玻璃小瓶中。
- 使用 NaI 井型探测器计算放射标记效率。该参数通常用于测量反应中掺入的 68Ga 放射性活度。在合成与纯化过程完成后，测定纯化样品的放射性活度。由于 68Ga 半衰期较短，初始活度需校正至测量时间（t）。时间归一化遵循标准公式：
NT = N0 · e-λt
其中，
NT：时间（t）时的计数
N0：时间（t）= 0 时的计数
λ：衰变常数
t：经过的时间
注意：放射标记效率应在 90%–95% 之间。
4. 68Ga 掺杂铁氧化物纳米颗粒（68Ga-C-IONP）的分析
- 动态光散射
- 使用动态光散射（DLS）测量水动力学粒径 68Ga-C-IONP。移液 60 µL 将样品转移至比色皿中，对每个样品进行三次粒径测量。为确保可重复性，应使用多批纳米颗粒重复该过程。
- 胶体稳定性
- 评估胶体稳定性 68通过在不同缓冲液（PBS、生理盐水和小鼠血清）中孵育不同时间（0 至 24 小时）后测定样品的流体动力学尺寸，评估 Ga-C-IONP 的稳定性。孵育 500 µL 每种缓冲液中样品的 37 °C在选定的时间点，取60-µL 分装并移液至DLS比色皿中，以测定其流体动力学粒径。
- 电子显微镜技术
- 分析核心尺寸 68使用透射电子显微镜（TEM）和环形暗场成像（STEM-HAADF）对Ga-C-IONP进行表征（参考TEM方案：NIST - NCL联合检测方案，PCC-X，使用透射电子显微镜测量纳米颗粒尺寸）。
- 凝胶过滤放射色谱图
- 将洗脱液分馏为500-µL 在凝胶过滤纯化步骤中收集各等分馏分，并使用活度计测量每份中的放射性，从而得到凝胶过滤色谱图。
- 放射化学稳定性 68Ga-C-IONP
- 孵育 68Ga-C-IONP 在小鼠血清中孵育 30 分钟 37 °C （重复3次）。之后，通过超滤纯化纳米颗粒，并测量纳米颗粒及滤液中的放射性。在不同滤液中不应检测到放射性。
- 弛豫测量学
- 测量纵向（T1）和横向（T2) 在 1.5 T 磁共振弛豫仪中的弛豫时间 37 °C. 四种不同浓度的 68Ga-C-IONP（2 mM、1 mM、0.5 mM 和 0.25 mM）应进行测定。绘制弛豫速率（r1=1/T1, r2=1/T2) 对铁浓度作图。所得曲线的斜率表示 r1 和 r2 值。
- MR 和 PET 模体图像
- 获取 原位 磁共振（MR）1加权序列）以及一系列稀释样本的 PET 模体图像 68Ga-C-IONP（0 mM、1 mM、6.5 mM 和 9.0 mM），以观察信号随PET活性和MRI的增强而增加。
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结果
68Ga-C-IONP 通过将 FeCl3、68GaCl3、柠檬酸、水和水合肼混合制备而成。该混合物在受控压力下，于微波中 120 °C、240 W 条件下反应 10 分钟。待样品冷却至室温后，通过凝胶过滤纯化纳米颗粒，以去除未反应的物质（FeCl3、柠檬酸根、水合肼）以及游离的 68Ga（图 1）。
流体动力学尺寸 68使用动态光散射（DLS）对 Ga-C-IONP 进行了粒径测定，结果显示其粒径分布较窄（PDI 0.2），平均水合粒径为 7.9 nm。对五次不同合成批次的测量结果验证了该方法的可重复性（图2a）。几种物质的zeta电位 68通过测量Ga-C-...
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讨论
氧化铁纳米颗粒是用于T2加权 MRI。然而，由于此类对比在诊断某些病理状况时存在局限性，T1-加权或亮对比度在许多情况下更受青睐。本文介绍的纳米颗粒不仅通过在MRI中提供正性对比克服了这些局限，还能在功能性成像技术（如PET）中产生信号。 通过 68在纳米颗粒核心中掺入镓。微波技术促进了这种可重复的纳米颗粒合成方法，将反应时间显著缩短至约20分钟（包括纯化步骤）。该技术还可一次性将放射性同位素直接掺入纳米颗粒核心，避免了表面标记法所需的额外步骤，而该额外步骤会显著延长反应时间。这一优势在使用半衰期较短的同位素时尤为突出。 68Ga (t1/2 = 68.8 分钟）。此外，本研究获得的放射性标记产率（92%）几乎是首次采用该纳米颗粒-放射性标记方法的先驱研究（Wong）所获产率的三倍。 等25）。这相较于以往的方法也有显著改进，因为可在不到20分钟内获得放射性同位素内标记的纳米颗粒，且标记产率极高，从而消除了 体内 放射性同位素解...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究获得了西班牙经济与竞争力部（MEyC）（资助号：SAF2016-79593-P）和卡洛斯三世健康研究所（资助号：DTS16/00059）的资助。国家心血管研究中心（CNIC）由科学、创新与大学部（Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades）以及Pro CNIC基金会资助，并被授予卓越“塞韦罗·奥乔亚”中心（MEIC奖项编号SEV-2015-0505）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 六水合三氯化铁 | POCH | 2317294 | |
| 柠檬酸三钠二水合物，99% | Acros organics | 227130010 | |
| 水合肼 | Aldrich | 225819 | |
| 盐酸，37% | Fisher Scientific | 10000180 | |
| 一水合磷酸二氢钠 | Aldrich | S9638 | |
| 磷酸氢二钠 | Aldrich | S7907 | |
| 氯化钠 | Aldrich | 746398 | |
| 叠氮化钠 | Aldrich | S2002 | |
| 无水磷酸二氢钠 | POCH | 799200119 | |
| 68Ga 氯化物 | ITG Isotope Technologies Garching GmbH, Germany | 68Ge/68Ga 发生器系统 | |
| 微波反应仪 | Anton Paar | Monowave 300 | |
| 离心机 | Hettich | Universal 320 | |
| 凝胶过滤层析柱 | GE Healthcare | PD-10 |
参考文献
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