一种基于双能量CT成像对肿瘤进行检测的酸环境响应对比剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及医疗检查试剂技术领域，尤其涉及一种基于双能量ct成像对肿瘤进行检测的酸环境响应对比剂及其制备方法和应用。

背景技术：

随着x射线探测器和成像系统的发展，双能量ct得到了广泛的应用。相比于传统的单能ct，双能量ct可利用物质分离成像对组织中碘或钙进行精确定量，低kev、高kev单能谱图像可分别提高图像的对比度及有效降低金属及硬化伪影，增加病灶显示率。因此，双能量ct在临床医学诊断领域具有重要意义。其中物质分离成像可以将组织中碘成分有效提取出来并配以伪彩得到碘图，可直观反映病变内碘浓度值评价肿瘤的血管化程度。因此，双能量ct作为一种ct的高级形式，其不仅能提供肿瘤的形态学信息，而且能根据良恶性肿瘤增强后含碘量不同对一些病变进行诊断及鉴别诊断。然而，由于受检者个体差异较大，对比剂注射速率及总量不同等客观因素存在，仅仅根据形态学和含碘量不同对良恶性肿瘤进行诊断仍然存在重叠交叉。况且，碘对比剂普遍存在排泄快，肿瘤区域滞留率低，用量大，容易产生碘过敏及造成慢性肾脏疾病，甲状腺功能亢进等缺点。因此，基于双能量ct开发精准的新型造影剂，对ct成像提高恶性肿瘤的诊断及鉴别诊断具有重要的临床意义。

然而目前未见基于双能量ct，能显著提高恶性肿瘤诊断及鉴别诊断的精准性的造影剂。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于双能量ct的新型造影剂。

第一方面，本发明提供了一种基于双能量ct成像的酸环境检测对比剂，所述酸环境检测对比剂由hf-mof装载含碘ct造影剂，再由酸环境响应嵌段共聚物封装而成。

作为本发明的一个优选例，所述酸环境响应嵌段共聚物能响应的酸环境为ph<6.8。

作为本发明的另一优选例，所述hf-mof与含碘ct造影剂的质量比为1:(3～6.5)。

作为本发明的另一优选例，所述含碘ct造影剂选自碘海醇、碘帕醇、碘氟醇、碘曲仑、碘狄醇中的一种或几种。

作为本发明的另一优选例，所述酸环境响应嵌段共聚物由大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体，丙烯酸单体与引发剂偶氮二异丁腈制备而成。

优选地，所述酸环境响应嵌段共聚物制备方法为：将称量好的大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体，丙烯酸单体与引发剂偶氮二异丁腈溶解在二甲基亚砜中。抽真空1-20min，通氮气1-10min，如此循环1-10次，密封体系，随后将体系升温至50-80℃，在此温度下反应12-48h。反应结束后，在冰乙醚中沉淀，收集沉淀，放入真空干燥箱烘干(20-50℃)，得到酸环境响应嵌段共聚物。

第二方面，本发明提供了所述的酸环境检测对比剂在制备基于双能量ct成像的造影剂或酸环境检测试剂中的应用。

第三方面，本发明提供了所述的酸环境检测对比剂的制备方法。

第四方面，本发明提供了一种非诊断和治疗目的的双能量ct成像方法，所述的酸环境检测对比剂作为造影剂，检测被检对象的酸环境。

其中的实例包括，检测同一物种或个体不同组织的酸环境，检测不同物种相同组织的酸环境，通过大量检测得出某一种疾病组织的酸环境特点，检测不同病灶组织的酸环境差异，等。

第五方面，本发明提供了一种基于双能量ct成像的肿瘤检测系统，包括：

所述的酸环境检测对比剂：用于注入被检对象，在被检对象的酸环境满足其响应条件时酸环境响应嵌段共聚物发生分解，hf-mof和含碘ct造影剂发生分离；

双能量ct设备：用于进行高低能量的数据采集，采集被检对象不同时间点的碘值及ct值；

数据处理模块：用于根据双能量ct设备所采集的数据，判断得出被检对象的酸环境情况，如不同时间点的碘值发生显著的降低，碘和hf-mof在肿瘤部位出现不同的滞留率，提示被检对象可能存在肿瘤；反之，则提示被检对象可能不存在肿瘤。

作为本发明的一个优选例，所述数据处理模块还对不同时间点的碘值和ct值、病灶图像进行综合分析，得出被检对象的酸环境检测结论，提示是否存在肿瘤的结论。

本发明优点在于：

1、本申请发明人基于深入的分析和丰富的经验，认识到恶性肿瘤通过无氧酵解在细胞外液中产生大量的乳酸和h⁺离子，实体肿瘤可形成一种酸性微环境(ph为5.5～6.8)，而正常组织的细胞外微环境ph为7.35～7.45之间，并基于此首次提出利用双能量ct对肿瘤的酸性微环境进行检测，以帮助肿瘤的诊断及鉴别诊断。进一步地，利用铪基金属有机骨架(hf-mof)材料具有较高的孔隙率与比表面积，可高效装载碘海醇的特点，再用具有酸环境响应的嵌段共聚物封堵hf-mof孔隙，合成了响应酸性微环境的hf-hof-碘海醇-共聚物对比剂。本发明的对比剂可在肿瘤酸环境下实现嵌段共聚物的分解，在肿瘤部位特异性释放碘海醇，实现碘海醇和hf-mof的分离。由于小分子化合物碘海醇代谢率快，而具有金属有机框架结构的hf-mof代谢率慢，两者在肿瘤部位具有不同滞留率。采用双能量ct基物质对成像模式可识别两者在肿瘤部位的代谢率差异，从而反映肿瘤酸环境，实现肿瘤的敏感检测，对于提高肿瘤诊断的精准性具有重要意义。

2、双能量ct传统的造影剂(碘对比剂)既可进入肿瘤组织，也可进入正常组织，使两种组织均出现强化，缺乏组织选择特异性，易出现假阳性结果。同时，当肿瘤组织与正常组织均强化后，肿瘤与周围正常组织的对比度下降，对于强化程度低的肿瘤组织，易引起误诊和漏诊，出现假阴性结果。而且，双能量ct传统的造影剂在进入肿瘤组织内后，强化程度处于常开的状态，无法针对肿瘤内特定的生理条件(如酸性微环境)等进行成像。本发明的对比剂在肿瘤特异性的信号刺激下，实现碘海醇和和hf-mof的分离，在肿瘤部位出现不同的滞留率，从而反映肿瘤特异性的酸环境，实现更加精准的诊断肿瘤，同时更好地避免假阳性和假阴性结果。

3、本发明制备对比剂所使用的表面封堵剂种类、金属-有机框架种类以及金属-有机框架与碘海醇底物含量的比例是发明人根据经验得出，研究过程中发现，所采用的金属-有机框架具有合适的孔隙率和比表面积，可高效装载碘海醇，在响应酸性微环境后，利于碘海醇快速释放；所采用的表面封堵剂对于酸性微环境响应快，分解速度快；金属-有机框架与碘海醇底物的含量的比例合理，碘海醇的装载量恰当，能更好的反映出两者的代谢率差异，从而反映肿瘤酸环境，提高诊断的精准性。

4、本发明合成的对比剂在肿瘤部位滞留时间长，可减少对比剂的用量，有效降低碘过敏及慢性肾脏疾病的发生，在肿瘤部位特异性释放碘海醇也可减少甲状腺组织吸收碘，减少碘过量相关疾病的发生。

5、本发明采用的hf-mof具有非常高的化学和热稳定性，毒性小，现已用作光敏剂进入临床实验阶段。碘海醇是临床上常用的ct成像对比剂，其生物相容性良好。因此，本发明合成的对比剂具有良好的生物相容性。

附图说明

图1为实施例1制备的双能量ct对比剂的透射电镜图。

图2为实施例1制备的双能量ct对比剂的粉末x射线衍射图。

图3为实施例1制备的双能量ct对比剂在ph5.0和ph7.4下反应不同时间点后，离心分离后碘的定量图像。

图4为实施例1制备的双能量ct对比剂在裸鼠皮下瘤内不同时间点的ct图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

实施例1本发明对比剂的制备(一)

1)hf-mof的合成：将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(bpydc，50mg，0.2mmol)与hfcl4(64mg，0.2mmol)置于盛有20mldmf的高压反应釜中，再向其中加入0.93ml的冰醋酸，将混合液超声约10min后，将其置于120℃的烘箱中加热3d，冷却至室温后析出白色固体粉末，将其用dmf离心洗涤两次后，再用乙醇离心交换洗涤五次，得到hf-mof材料。材料最终分散于20ml的乙醇中密封保存。

2)嵌段共聚物的合成：将称量好的大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯poegma(0.5g，0.1mmol)，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体(1.50g，9.5mmol)，丙烯酸单体(0.23g，3.2mmol)与引发剂偶氮二异丁腈(1.64mg，0.01mmol)溶解在10ml二甲基亚砜中。抽真空5min，通氮气3min，如此循环三次，密封体系，随后将体系升温至65℃，在此温度下反应24h。反应结束后，在150ml冰乙醚中沉淀三次，收集沉淀，放入真空干燥箱烘干(35℃)，得到酸响应的嵌段共聚物。

3)碘海醇的吸附与封装：取10ml上述hf-mof乙醇溶液，加入300mg碘海醇后室温搅拌24小时。然后将其用乙醇溶液离心洗涤三次后，材料再次分散于10ml的乙醇中。向该溶液中加入20mg酸响应的嵌段共聚物后再次搅拌24小时。搅拌结束后，用乙醇离心洗涤三次后，得到hf-mof-碘海醇-共聚物材料，最终材料分散于10ml的乙醇中密封保存。

实施例2本发明对比剂的制备(二)

1)hf-mof的合成：将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(bpydc，50mg，0.2mmol)与hfcl4(64mg，0.2mmol)置于盛有20mldmf的高压反应釜中，再向其中加入0.93ml的冰醋酸，将混合液超声约10min后，将其置于120℃的烘箱中加热3d，冷却至室温后析出白色固体粉末，将其用dmf离心洗涤两次后，再用乙醇离心交换洗涤五次，得到hf-mof材料。材料最终分散于20ml的乙醇中密封保存。

2)嵌段共聚物的合成：将称量好的大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯poegma(0.5g，0.1mmol)，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体(1.50g，9.5mmol)，丙烯酸单体(0.23g，3.2mmol)与引发剂偶氮二异丁腈(1.64mg，0.01mmol)溶解在10ml二甲基亚砜中。抽真空5min，通氮气3min，如此循环三次，密封体系，随后将体系升温至65℃，在此温度下反应24h。反应结束后，在150ml冰乙醚中沉淀三次，收集沉淀，放入真空干燥箱烘干(35℃)，得到酸响应的嵌段共聚物。

3)碘海醇的吸附与封装：取10ml上述hf-mof乙醇溶液，加入200mg碘海醇后室温搅拌24小时。然后将其用乙醇溶液离心洗涤三次后，材料再次分散于10ml的乙醇中。向该溶液中加入20mg酸响应的嵌段共聚物后再次搅拌24小时。搅拌结束后，用乙醇离心洗涤三次后，得到hf-mof-碘海醇-共聚物材料，最终材料分散于10ml的乙醇中密封保存。

实施例3本发明对比剂的制备(三)

1)hf-mof的合成：将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(bpydc，50mg，0.2mmol)与hfcl4(64mg，0.2mmol)置于盛有20mldmf的高压反应釜中，再向其中加入0.93ml的冰醋酸，将混合液超声约10min后，将其置于120℃的烘箱中加热3d，冷却至室温后析出白色固体粉末，将其用dmf离心洗涤两次后，再用乙醇离心交换洗涤五次，得到hf-mof材料。材料最终分散于20ml的乙醇中密封保存。

2)嵌段共聚物的合成：将称量好的大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯poegma(0.5g，0.1mmol)，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体(1.50g，9.5mmol)，丙烯酸单体(0.23g，3.2mmol)与引发剂偶氮二异丁腈(1.64mg，0.01mmol)溶解在10ml二甲基亚砜中。抽真空5min，通氮气3min，如此循环三次，密封体系，随后将体系升温至65℃，在此温度下反应24h。反应结束后，在150ml冰乙醚中沉淀三次，收集沉淀，放入真空干燥箱烘干(35℃)，得到酸响应的嵌段共聚物。

3)碘海醇的吸附与封装：取10ml上述hf-mof乙醇溶液，加入400mg碘海醇后室温搅拌24小时。然后将其用乙醇溶液离心洗涤三次后，材料再次分散于10ml的乙醇中。向该溶液中加入20mg酸响应的嵌段共聚物后再次搅拌24小时。搅拌结束后，用乙醇离心洗涤三次后，得到hf-mof-碘海醇-共聚物材料，最终材料分散于10ml的乙醇中密封保存。

实施例4水溶液实验

将实施例1制备的铪浓度为10mg/ml的hf-mof-碘海醇-共聚物对比剂分别与ph为5.5、7.4溶液反应0h，4h，8h，24h后，离心(12000r，10min)，取上清液，各组分别取1ml装于ep管中，按各反应时间点从低到高排列，置于ep管架固定，采用德国sienmemsdefinition双能量ct进行横断面扫描。dect扫描参数如下：管电压：140/80kvp，电流：600ma，层厚/层间距：0.625mm/0.625mm，转速：0.5s，螺距：0.516，探测器覆盖范围：40cm，fov：25*25cm，矩阵：512*512，窗口/窗位：40/400。

图3显示了mof-碘海醇-共聚物对比剂在ph＝5.5和ph＝7.4条件下不同时间点的离心后上清液和沉淀物的碘图及碘浓度值：对比剂在ph＝5.5条件下，反应4h后离心后上清液碘值开始增加，24h后达到最大值，说明此对比剂的共聚物在此ph条件下分解，碘海醇与hf-mof实现分离；但对比剂在ph＝7.4的条件下，反应24h后上清液的碘值仍未增加；因此，mof-碘海醇-共聚物对比剂能响应酸环境，为进一步实现体内肿瘤酸环境检测提供了依据。

实施例5动物实验

将实施例1制备的铪浓度为10mg/ml的hf-mof-碘海醇-共聚物对比剂20μl缓慢注射至4t1皮下瘤内，注射0h，4h，8h后，采用德国sienmemsdefinition双能量ct进行横断面扫描。dect扫描参数如下：管电压：140/80kvp，电流：600ma，层厚/层间距：0.625mm/0.625mm，转速：0.5s，螺距：0.516，探测器覆盖范围：40cm，fov：25*25cm，矩阵：512*512，窗口/窗位：40/400。

图4显示了mof-碘海醇-共聚物对比剂在裸鼠皮下瘤内不同时间点的碘值及单能量70kev值：裸鼠4t1皮下瘤内注射对比剂后，4h后开始显示碘值下降，8h后碘值完全消失，而在8h后ct值显示有下降，但并未完全消失，说明hf-mof在肿瘤内有滞留。因此，此对比剂在4t1皮下瘤内共聚物响应了酸环境后出现了分解，hf-mof与碘海醇实现了分离，实现了肿瘤酸环境的检测。

实施例6对比剂制备的优化

在研究过程中，对于酸环境响应对比剂的制备基于发明人的经验结合大量的实验进行了优化，以下为其中的几个实验组：

实验组1：按照实施例2的方法制备对比剂；

实验组2：按照实施例3的方法制备对比剂；

实验组3：按照实施例1的方法制备对比剂，不同之处在于表面包裹为酸响应的zif-8；

1)hf-mof的合成：将2,2’-联吡啶-5,5’-二甲酸(bpydc，50mg，0.2mmol)与hfcl4(64mg，0.2mmol)置于盛有20mldmf的高压反应釜中，再向其中加入0.93ml的冰醋酸，将混合液超声约10min后，将其置于120℃的烘箱中加热3d，冷却至室温后析出白色固体粉末，将其用dmf离心洗涤两次后，再用乙醇离心交换洗涤五次，得到hf-mof材料。材料最终分散于20ml的乙醇中密封保存。

2)hf-mof对碘海醇的吸附：取10ml上述hf-mof乙醇溶液，加入300mg碘海醇后室温搅拌24小时。然后将其用乙醇溶液离心洗涤三次后，材料再次分散于10ml的乙醇中密封保存。

3)酸响应的zif-8包裹hf-mof：取10ml上述hf-mof乙醇溶液，离心后，将所分离固体hf-mof分散于10ml甲醇中。然后向该甲醇溶液中加入150mgzn(no3)2·6h2o，室温搅拌30分钟。随后350mg2-甲基咪唑溶解于10ml甲醇，在搅拌条件下，快速加入上述hf-mof分散液中，室温反应30分钟。最终所得粉末分别用甲醇和乙醇洗涤三次后，分散于10ml乙醇中密封保存。

实验组4：按照实施例1的方法制备对比剂，不同之处在于框架为fe-mof；

1)fe-mof(mil-53-nh2)的合成：fecl3·6h2o(108.12mg，0.4mmol)与2-氨基对苯二甲酸(72.46mg，0.4mmol)混合于10ml乙醇中，40℃下反应2小时。反应结束后，所得粉末用乙醇洗涤三次后，分散于10ml乙醇中密封保存。

2)嵌段共聚物的合成：将称量好的大分子聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯poegma(0.5g，0.1mmol)，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体(1.50g，9.5mmol)，丙烯酸单体(0.23g，3.2mmol)与引发剂偶氮二异丁腈(1.64mg，0.01mmol)溶解在10ml二甲基亚砜中。抽真空5min，通氮气3min，如此循环三次，密封体系，随后将体系升温至65℃，在此温度下反应24h。反应结束后，在150ml冰乙醚中沉淀三次，收集沉淀，放入真空干燥箱烘干(35℃)，得到酸响应的嵌段共聚物。

3)碘海醇的吸附与封装：取10ml上述fe-mof乙醇溶液，加入300mg碘海醇后室温搅拌24小时。然后将其用乙醇溶液离心洗涤三次后，材料再次分散于10ml的乙醇中。向该溶液中加入20mg酸响应的嵌段共聚物后再次搅拌24小时。搅拌结束后，用乙醇离心洗涤三次后，得到fe-mof-碘海醇-共聚物材料，最终材料分散于10ml的乙醇中密封保存。

按照实施例5的方法使用各以上实验组的对比剂行双能量ct，记录裸鼠皮下瘤内不同时间点的碘值，结果见表1，表明采用本发明的表面封堵剂和金属-有机框架所制备的酸环境响应对比剂在体内酸环境下响应速度更快，可以迅速释放碘海醇，显著优于实验组3和4的对比剂，更有利于被检对象酸环境的准确判断。

表1实验组1-4裸鼠皮下瘤内不同时间点的碘值(mg/ml)

实施例7本发明基于双能量ct成像的肿瘤检测系统

本实施例提供一种基于双能量ct成像的肿瘤检测系统，包括：

酸环境检测对比剂：优选按照实施例1-3任一所述的方法制备。所述酸环境检测对比剂用于注入被检对象，在被检对象的酸环境满足其响应条件时酸环境响应嵌段共聚物发生分解，hf-mof和含碘ct造影剂发生分离。

双能量ct设备：用于进行高低能量的数据采集，采集被检对象不同时间点的碘值及ct值。

数据处理模块：用于根据双能量ct设备所采集的数据，判断得出被检对象的酸环境情况，如不同时间点的碘值发生显著的降低，碘和hf-mof在肿瘤部位出现不同的滞留率，提示被检对象可能存在肿瘤；反之，则提示被检对象可能不存在肿瘤。优选地，所述数据处理模块还对被检对象的酸环境检测结论、不同时间点的碘值和ct值、病灶图像进行综合分析，得出是否存在肿瘤的结论。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。