DE69817360T2

DE69817360T2 - Verfahren zur photoakustische bilderzeugung

Info

Publication number: DE69817360T2
Application number: DE69817360T
Authority: DE
Inventors: Mark Paul HENRICHS; Morten Eriksen; Pal Rongved; Hans Wolfgang GUNTHER; Allen Robert SNOW; Robert Kenneth HOLLISTER; Lynn Gregory MCINTIRE
Original assignee: Amersham Health AS
Current assignee: GE Healthcare AS
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: ES2206951T3; US6662040B1; JP4436461B2; WO1998057667A1; EP0996469B1; EP0996469A1; AU8115898A; DE69817360D1; ATE247491T1; GB9712524D0; JP2002508760A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Kontrastmitteln zur Erzielung einer Kontrastverstärkung bei der photoakustischen In-vivo-Bilderzeugung von menschlichen oder nicht-menschlichen tierischen Testsubjekten.
Auf bestimmte Materialien einfallende energetische Strahlung wird absorbiert. Wenn die Absorption zu einer Wärmeabgabe führt, kommt es zu einem lokalen Temperaturanstieg. Die Temperatur kehrt zu der Umgebungstemperatur zurück, nachdem die Bestrahlung aufgehört hat. Wenn die einfallende Strahlung ein scharfer Impuls ist, breitet sich Wärme von der Absorptionsstelle als eine thermische Welle aus, die in einen Druckimpuls bei Kontakt mit einem sich in geeigneter Weise ausdehnenden Medium umgewandelt werden kann (zum Beispiel einem Gas an der Oberfläche der Probe). Wenn die einfallende Strahlung bei einer charakteristischen Frequenz eine unterschiedliche Stärke besitzt, kommt es zu einer periodischen Erwärmung und Abkühlung an der Absorptionsstelle, die sich in eine periodische Erwärmung und Abkühlung an der Oberfläche, einhergehend mit periodischen Druckveränderungen an der Oberfläche, überträgt. Diese können als ein Schall nachgewiesen werden, welcher eine Grundfrequenz besitzt, die derjenigen der Intensitätsschwankung der einfallenden Strahlung entspricht.
Ob die thermische Welle die Oberfläche nach einem Lichtimpuls erreicht, wird durch das thermische Diffusionsvermögen und die Dicke der Probe bestimmt. Der Nachweis von Schallwellen, die tatsächlich an der Probenoberfläche erzeugt wurden, ist daher allgemein nur für sehr dünne Proben geeignet. Wenn jedoch die Absorptionsstelle sich ausreichend ausdehnt im Anschluss an die Lichtabsorption, kann Schall auch direkt an der Grenzfläche zwischen der Absorptionsstelle und dem umgebenden Medium erzeugt werden. Wenn die einfallende Strahlung ein scharfer Impuls ist, ist der durch die Ausdehnung der Absorptionsstelle erzeugte Druckanstieg nur vorübergehend, doch nichtsdestotrotz pflanzt sich eine Druckstörung mit der Geschwindigkeit von Schall von der Absorptionsstelle im Anschluss an den Impuls fort. Dies kann mit einem Messwertumformer in einiger Entfernung von der Absorptionsstelle als zeitabhängige Veränderung des Drucks nachgewiesen werden. Die verstrichene Zeit zwischen der anfänglichen Bestrahlung und dem Ankommen der Druckstörung am Detektor bzw. Nachweisinstrument gibt einen Hinweis auf die Entfernung der Absorptionsstelle von dem Messwertumformer. Die Form der nachgewiesenen Druckstörung liefert Informationen über die Form des einfallenden Impulses und die Gestalt der Absorptionsstelle. Das Zeitbereichssignal entspricht der Verteilung von Schallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen im Frequenzbereich. Die Form der Verteilung und die Phasen der einzelnen Frequenzen bei der Verteilung werden durch die Länge des Strahlungsimpulses, die Gestalt der Absorptionsstelle, deren Entfernung von dem Nachweispunkt und den Schalleigenschaften des Mediums bestimmt.
Wenn die Intensität der einfallenden Strahlung periodisch mit einer charatkeristischen Frequenz schwankt, kommt es zu einem entsprechenden Anstieg und Abfall des durch die Absorptionsstelle auf das umgebende Medium ausgeübten Drucks. Die Druckveränderungen strahlen durch die Probe als ein Schall mit Grund- und harmonischen Frequenzen, die denjenigen der einfallenden Strahlung entsprechen. Die Detektion bei der Frequenz, bei welcher die einfallende Strahlung variiert, erlaubt die direkte Bestimmung eines Punkts im Frequenzbereich. Im Prinzip kann die gesamte Verteilung im Frequenzbereich durch Durchführung von Messungen bei vielen unterschiedlichen Frequenzen festgestellt werden.
Die Erzeugung von Schallwellen durch einfallende Strahlung ist als "photoakustische" oder "optoakustische" Wirkung bekannt und wird von Tam (Reviews of Modern Physics, 1986, 58(2), S. 381–431) untersucht. Wir verwenden die zwei Wörter beliebig austauschbar zur Bezeichnung dieses Phänomens.
Die einfallende Strahlung kann jegliche Art von energetischer Strahlung sein, darin eingeschlossen elektromagnetische Strahlung von Radiofrequenz bis zu Röntgenstrahlung, Elektronen, Protonen, Ionen und andere Teilchen. Der Einfachheit halber wird all das oben stehend Gesagte hierin als "Strahlung" bezeichnet. Das Wort "Licht" wird insbesondere zur Bezeichnung einer elektromagnetischen Strahlung jeder beliebigen Wellenlänge oder Frequenz verwendet.
Die thermoakustische Bilderzeugung von Menschen und Tieren, welche die Anwendung verschiedener Arten von Strahlung beinhaltet, wird in dem US-Patent-Nr. 4 385 634 offenbart. Die WO 97/27801, eine Patentschrift, die unter den Artikel 54(3) E-PÜ fällt, offenbart ein laseroptoakustisches Bilderzeugungssystem.
Die photoakustische Spektroskopie wurde als empfindliches Mittel zum Detektieren von Spurenverunreinigungen in Gasen angewandt und entwickelte sich zu einem nützlichen Analysentool für die empfindliche Detektion von chemischen Spezies in Flüssigkeiten und Festsubstanzen innerhalb von Pulvern oder in überaus trüben Flüssigkeiten, wo eine starke Lichtstreuung die direkten Verfahren der Spektroskopie stören würde (siehe zum Beispiel Rosencwaig, 1975, Anal. Chem., 47(6), S. 592A–604A; Karabutov et al., 1995, SPIE, 2389, S. 209–216).
Die photoakustischen Verfahren können für die Bestimmung sowohl der optischen als auch der physikalischen Eigenschaften von Materialien eingesetzt werden. Die Effizienz, mit welcher Strahlung in Wärme und Druck innerhalb des Materials umgewandelt wird, hängt von dessen optischen Eigenschaften ab. Die Ausbreitung von Wärme-, Druck- oder Schallwellen hängt von den mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab. Mithin tragen die photoakustischen Signale Informationen über die Elastizität, Dichte, Dicke von Komponentenregionen, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme, sowie die optischen Eigenschaften des Materials, in welchem sie erzeugt werden. Diese können auch Daten über die Kristallinität von festen und halbfesten Proben liefern und können zum Detektieren von Phasenübergängen und -diskontinuitäten verwendet werden. Wenn der Lichtstrahl fokussiert wird, können einige dieser Eigenschaften lokal gemessen werden. Die Lokalisierung von Eigenschaften in einer Querebene über eine Probe ist die Basis der photoakustischen Mikroskopie.
Die photoakustische Tiefenprofilierung kann erfolgen, wenn die gemessene Schallwelle bezüglich der Übergangszeit von der Stelle der Lichtabsorption zurück zu dem Detektor analysiert wird. Signale von tief innerhalb einer Probe brauchen länger, um den Detektor zu erreichen, als jene von Regionen nahe der Oberfläche. Für die gepulste Strahlung wird die längere Übergangszeit in eine größere Trennung zwischen der Ankunftszeit des Impulses und der Ankunft des Signals beim Detektor umgesetzt. Für die Amplituden modulierte Strahlung setzt sich die längere Übergangszeit in eine Phasenveränderung bei der detektierten Schallwelle um. Zusammen machen die photoakustische Mikroskopie und die photoakustische Tiefenprofilierung die photoakustische Bilderzeugung aus.
Die Verwendung von kurzen Lichtausbrüchen (bursts) (gepulstes Licht) im Gegensatz zu kontinuierlich angewandtem Licht ist besonders hilfreich für die photoakustische Tiefenprofilierung. In diesem Fall erzeugt die Absorption jedes Lichtimpulses und die nachfolgende Erwärmung der verschiedenen Regionen der Probe eine oder mehrere positive oder negative Druckwellen, die sich radial von der Absorptionsstelle nach jedem Impuls ausbreiten. Für sehr kurze Lichtimpulse wird die Form der durch die Lichtimpulse erzeugten Druckimpulse durch die optischen und thermischen Eigenschaften, Größen und Formen der unterschiedlichen Regionen der Probe sowie durch die Geschwindigkeit des Schalls innerhalb der Stellen und das umgebende Medium bestimmt (siehe zum Beispiel Karabutov et al., 1996, Appl. Phys., 63, S. 545–563; Hutchins, 1986, Can. J. Phys., 64, S. 1247–1264).
Zum Beispiel hält bei einer absorbierenden Probe von 5 mm das Druck-(Druckwellen-)signal am Detektor mehrere Sekunden lang an. Mathematisch kann ein einziger scharfer Impuls, der mehrere Mikrosekunden breit ist bezüglich des Zeitraums, durch eine Fourier-Transformation in eine kontinuierliche Verteilung von mehrfachen Sinuswellen im Frequenzbereich von 0 bis Megahertz zerlegt werden. Obwohl Schall in der Form einer sinusförmigen zeitabhängigen Druckwelle nicht vorliegt, erfordert die Detektion der Druckimpulse dennoch Ultraschall-Messwertumformer. Die Bezeichnung "photoakustisch" und ihr Synonym "optoakustisch" sind dennoch geeignet, weil die detektierten Signale ein Verbund aus normalen Schallwellen sind.
Die photoakustische Spektroskopie wurde auch auf die klinische und biologische Analyse angewandt. Zum Beispiel wurden Krebszellen in Urin nachgewiesen (Huang et al., 1990, J. Biomed. Eng., 12, S. 425–428). Eine Tiefenprofilierung wurde ebenfalls durchgeführt. Zum Beispiel wurden Untersuchungen der Retina (Boucher et al., 1986, Applied Opties, 25(4), S. 515–520), der Haut (Giese et al., 1986, Can. J. Phys., 64, S. 1139– 1141), des Hahnenkamms eines Hahns (Oraevsky et al., 1995, SPIE, 2389, S. 198–208), von Blättern (Nery et al., 1987, Analyst, 112, S. 1487–1490; Kirkbright et al., 1984, Analyst, 109, S. 1443–1447), von Flechte (O'Hara et al., 1983, Photochemistry & Photobiolo gy, 38(6), S. 709–715) und auf Gewebeäquivalenten (Kruger & Liu, 1994, Am. Assoc. Phys. Med., 21(7), S. 1179–1184; Esanaliev et al., 1996, SPIE, 2676, S. 84–90; Oraevsky et al., 1996, SPIE, 2676, S. 22–31) vorgenommen. In jedem Fall wurde das Vorliegen von Bereichen der Probe, die Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen absorbierten oder effizienter als der Hintergrund absorbierten, mit unterschiedlichen Werten innerhalb der Proben detektiert. Die Allgemeingültigkeit dieser Verfahren war jedoch nur auf dünne Proben beschränkt (in der Größenordnung von wenigen cm) aufgrund der Tiefenbegrenzung von Strahlung und der Dämpfung der Schallwellen, wenn sie durch die Probe zu dem Detektor hindurchgehen.
Mithin müssen innerhalb einer Probe, z. B. eines Körpers erzeugte Schallwellen eine ausreichende Amplitude aufweisen, um an der Oberfläche der Probe detektiert zu werden, nachdem sie durch irgendwelche Bereiche der Probe, die nicht zu der Erzeugung der Welle beitragen, hindurchgegangen sind.
Die Anwendung der photoakustischen Spektroskopie für die medizinische Bilderzeugung hatte bisher mehrere Einschränkungen. Es war nicht nur die Detektion von strahlungsabsorbierenden Gegenständen normalerweise nur bei sehr dünnen Proben möglich, sondern das Verfahren war auch auf die Detektion von Gegenständen oder Materialien innerhalb von Proben beschränkt, die Strahlung absorbierten und die thermische Wellen erzeugten, die für die photoakustische Wirkung erforderlich sind. Diese strahlungsabsorbierenden Regionen mussten notwendigerweise vom Hintergrund unterscheidbar sein, so dass das Signal: Rausch-Verhältnis für die Detektion ausreichend hoch war.
Es wurde nun herausgefunden, dass Kontrastmittel eingesetzt werden können, um die oben genannten Probleme zu überwinden. Zum Beispiel erlauben Kontrastmittel die Lichtabsorption und die Schallerzeugung in Regionen, die andernfalls nicht möglich sind. Kontrastmittel können auch das Signal. Rausch-Verhältnis durch Vergrößern der Amplitude der Schallwelle verbessern. Eine Vergrößerung der Schallwellenamplitude ermöglicht eine Erhöhung der möglichen maximalen Tiefe der Detektion und ermöglicht dadurch die Bilderzeugung von Objekten, die weiter unterhalb der Oberfläche des Körpers liegen.
Der Einsatz von Kontrastmitteln ist für den Erfolg der photoakustischen Bilderzeugung entscheidend. Ein solches Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung wirkt entweder durch (i) Erhöhen der zuvor bestehenden photoakustischen Wirkung oder (ii) Erzeugen einer photoakustischen Wirkung, wo dies früher nicht möglich war. Dies kann durch selektiv absorbierende Strahlung in bestimmten Organen oder gesunden oder erkrankten körperlichen Strukturen oder Teilen davon und/oder durch wirksame Umwandlung der Strahlung in Wärme und/oder durch Erleichtern oder Verbessern der Wärme-Druck-Umwandlung und/oder durch Streuung und Eindringenlassen des einfallenden Lichts, so dass es gleichmäßiger die Zielorgane ausleuchtet bzw. belichtet, erreicht werden.
Früher nicht detektierbare oder schlecht detektierbare Objekte können identifiziert werden, wenn Kontrastmittel auf spezielle Bereiche von Interesse targetiert bzw. gerichtet werden. Eine solche Targetierung kann spezielle Krankheitsformen, z. B. Krebs, identifizieren und diagnostizieren oder die Detektion oder die Ermittlung von speziellen körperlichen Strukturen oder Organen, z. B. des Nahrungskanals, des peripheren Blutsystems, ermöglichen.
Mithin stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Verfahren zur Erzeugung eines Bilds eines lebenden menschlichen oder nicht-menschlichen tierischen Körpers oder eines Teils davon, welchem vorausgehend ein physiologisch tolerierbares Kontrastmittel, das eine druckinduzierende Komponente umfasst, verabreicht worden ist, wobei das Verfahren das Aussetzen des Körpers gegenüber Strahlung, Detektieren von Druckwellen, welche in dem Körper durch die Strahlung erzeugt worden sind, und Erzeugen eines optoakustischen Bildes daraus mindestens eines Teils des Körpers, welcher das Kontrastmittel enthält, umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung die Anwendung eines physiologisch annehmbaren Kontrastmittels, das eine druckinduzierende Komponente umfasst, für die Herstellung eines Kontrastmediums für die Verabreichung an einen lebenden menschlichen oder nicht-menschlichen tierischen Körper in einem Verfahren zur Behandlung oder Diagnose des Tieres oder eines Teils davon vor, wobei das Verfahren die Erzeugung eines photoakustischen Bildes des Körpers beinhaltet.
Dieses Verfahren repräsentiert eine überlegene Bildgebungstechnik gegenüber der rein optischen Bildgebung des Körpers, die durch Lichtstreuung stark behindert wird, selbst wenn Licht im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 600 und 1300 nm zur Minimierung der Absorption von Licht durch natürlich vorkommende Substanzen innerhalb des Körpers angewandt wird. Die photoakustische Wirkung liefert die gleichen Vorteile für die Bilderzeugung, die sie für die Spelctroskopie liefert: das Verfahren ist immer noch empfindlich gegenüber den optischen Eigenschaften der Probe, doch ist das Detektionsverfahren unempfindlich gegenüber Lichtstreuung. De facto kann die Lichtstreuung die vorteilhafte Wirkung des Badens der inneren Organe bei annähernd isotroper Beleuchtung vorsehen.
Die Selektivität kann durch Targetieren des Kontrastmittels auf ein spezielles Organ/eine spezielle Struktur durch den Einschluss einer Targetingkomponente oder durch geeignete Abgabe durch die Wahl der Verabreichungsroute erreicht werden.
Die Verabreichung kann parenteral (z. B. intravenös, intraarteriell, intramuskulär, interstitiell, subkutan, transdermal oder intrasternal) oder in eine nach außen führende Körperhöhle (z. B. den Magen-Darm-Trakt, die Blase, den Uterus, die Vagina, die Nase, Ohren oder Lungen) bei einem lebenden menschlichen oder nicht-menschlichen (z. B. Säuger, Reptilie oder Vogel) Körper erfolgen.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Anwendungen sind besonders nützlich für die Abbildung von flüssigen oder luftgefüllten Organen oder bluthaltigen Strukturen, z. B. Tumore, erkranktes Gewebe oder spezielle Organe unter Verwendung von Kontrastmitteln mit einer Spezifität für diese Region/Struktur, z. B. unter Verwendung von biologischen Erkennungsmitteln mit der gewünschten Spezifität.
"Strahlung", wie hierin beschrieben, kann elektromagnetische Strahlung jeder beliebigen Wellenlänge oder Frequenz sein. Vorzugsweise fällt elektromagnetische Strahlung in den nahen Infrarotbereich und besitzt eine Wellenlänge im Bereich von 600 bis 1300 nm. Stärker bevorzugt besitzt elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge zwischen 625 und 1200 nm. Am meisten bevorzugt besitzt sie eine Wellenlänge im Bereich von 650 bis 1000 nm. Alternativ kann elektromagnetische Strahlung in den Röntgenstrahlen- oder Gammastrahlungsbereich des elektromagnetischen Spektrums fallen und eine Wellenlänge von weniger als 0,1 μm aufweisen oder kann in den Mikrowellenbereich fallen und eine Frequenz zwischen 0,3 und 30 GHz aufweisen.
Wie zuvor erwähnt, kann eine kontinuierliche Wellenstrahlung bei einer modulierten Amplitude oder Frequenz angewandt werden. Wenn eine kontinuierliche Wellenstrahlung angewandt wird, können die photoakustischen Wirkungen im Frequenzbereich durch Messen der Amplitude und Phase von einer oder mehreren Fourier-Komponenten analysiert werden. Alternativ, und vorzugsweise, werden kurze Pulsierungen (Impulse) von Strahlung eingesetzt, die eine Druckbegrenzung ermöglichen. Impulse mit einer Dauer von ≤1 μs, z. B. ns, sind bevorzugt. Wenn Impulse angewandt werden, kann die Analyse in dem Zeitspannenbereich erfolgen, d. h. auf Basis der Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um den Detektor zu erreichen, womit die Analyse vereinfacht wird und die Tiefenprofilierung unterstützt wird.
Wie hierin verwendet, ist eine "strahlungsabsorbierende Komponente" eine chemische Verbindung, ein Komplex oder eine Struktur, die Strahlung der betreffenden Wellenlänge absorbieren und diese Strahlung effizient in Wärme umwandeln.
Eine Farbstoffverbindung kann die strahlungsabsorbierende Komponente bilden oder kann ein Teil davon sein. Eine Farbstoffverbindung oder Zusammensetzung ist eine Substanz, die elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 300 bis 1300 nm, allgemein mit einer Veränderung der Populationen der elektronischen Energiewerte der Substanz absorbiert. Eine Farbstoffverbindung ist besonders nützlich, wenn die einfallende Strahlung elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 600 und 1300 nm ist. Ein Verständnis der molekularen Anforderungen an einen Farbstoff, welcher in dieser Komponente eingesetzt wird, erfordert eine Würdigung der Vorgänge, die während und nach der Absorption von Strahlung beteiligt sind.
Die meisten Moleküle weisen einen Singulett-Elektronengrundzustand auf. Die Absorption eines Photons von Strahlung erhebt ein Molekül zuerst in einen angeregten Singulett-Zustand. Allgemein ist dies auch ein angeregter Schwingungszustand. Für Farbstoffe im Festzustand kann es auch ungünstige intermolekulare Wechselwirkungen geben. Für Moleküle in Lösung kann eine ungünstige Anordnung der Lösungsmittelmoleküle um den angeregten Farbstoff vorliegen. Eine rasche Neuanordnung des Farbstoffmoleküls selbst und der Molelüle um dieses herum im Anschluss an die Strahlungsabsorption liefert ein Molekül in einem angeregten Elektronenzustand und einem Schwingungsgrundzustand. Eine geringe Menge an Wärme wird freigesetzt.
Das Molekül kann danach einem von mehreren Verläufen folgen. Es kann ohne Strahlung zu dem Grundzustand unter Erzeugung einer relativ großen Menge an Wärme durch den Prozess der inneren Umwandlung zurückkehren. Es kann strahlend in den Grundzustand unter der Erzeugung eines Strahlenphotons durch den Prozess der Fluoreszenz zurückkehren. Schließlich kann es sich zu einem langlebigen angeregten Triplettzustand durch den Prozess eines Zwischensystemübergangs, bzw. strahlungslosen Singulett-Triplett-Übergangs umwandeln. Übergänge vom angeregten Triplettzustand zum Grundzustand sind symmetrisch nicht zulässig, und der Triplettzustand ist viel langlebiger als der angeregte Singulettzustand. Nichtsdestotrotz ist die Rückkehr in den Grundzustand am Ende unter Abgabe eines Strahlungsphotons durch den Prozess der Phosphoreszenz möglich.
Eine effiziente Erzeugung von Wärme, wie dies allgemein für die photoakustische Wirkung erforderlich ist, verlangt, dass Verfahren, die mit der internen Umwandlung konkurrieren, minimiert werden. Mithin wird ein in der strahlungsabsorbierenden Komponente zu verwendender Farbstoff schwach fluoreszieren und schwach phosphoreszieren. Günstigerweise sind die Phosphoreszenz und die Fluoreszenz von sich aus schwach für viele Farbstoffe, die Wellenlängen von Licht im Bereich von 600–1300 nm absorbieren, dem bevorzugten Bereich, für den Absorption durch natürlich vorkommende Substanzen des Körpers niedrig ist.
Alternativ kann das Kontrastmittel Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung unter Erzeugung von Wärme aufnehmen. Die molekularen Anforderungen für ein solches Mittel sind etwas anders als jene für ein Mittel, das Licht im nahen Infrarotbereich absorbiert. Allgemein ist jedes Element mit einer Atomzahl von größer als 20 zum Absorbieren von Röntgenstrahlung fähig, je nach der Röntgenstrahlungsquelle und der Wellenlänge oder dem K-Randbereich des Elements. Selbst Gase wie Xenon sind dafür bekannt, dass sie Röntgenstrahlen absorbieren, und wurden für die röngtendiagnostische Bilderzeugung durch CT des Gehirns und anderer Gewebe innerhalb des Körpers eingesetzt. Ein passend gewähltes Röntgenphoton trägt ausreichend Energie, um Elektronen von den Atomen, die das Kontrastmittel bilden, freizusetzen. Die Energieübertragung von diesen Elektronen in Gitterschwingungen erzeugt dann Wärme. Somit sollte ein Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung mit Röntgenstrahlen Elektronen aufweisen, die leicht durch Röntgenstrahlen ionisiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von iodierten aromatischen Verbindungen, wie den bereits in breitem Umfang eingesetzten, um den Kontrast in Röntgenbildern zu verstärken, als Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung. Die Zahl der Iodatome pro Molekül kann von 1 bis 6 reichen (z. B. wie bei "Dimer"-Kontrastmitteln wie Iodixanol, Iodipamid etc.), mit einer größeren Anzahl an Iodatomen, die ein verstärktes Signal liefern. Polymere Kontrastmittel mit zahlreichen Iodatomen pro Molekül wären die logische Erweiterung eines solchen Kontrastmittelpräparats. Diese würden sowohl herkömmliche verzweigte als auch lineare Polymere sowie dendrimere Materialien einschließen. Diese gleichen Materialien sind besonders geeignet für die photoakustische Röntgenstrahlen-Bilderzeugung, wenn therapeutische Dosierungen der Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen verwendet werden, da es bekannt ist, dass mit hohen Röntenstrahlungsdosierungen diese Verbindungen Elektronen abgeben (siehe R. S. Mello, H. Callisen, J. Winter, R. Kagan und A. Norman, "Radiation dose enhancement in tumors with iodine" (Steigerung der Strahlendosis bei Tumoren mit Iod), Med. Phys 1983, 10, 75; und K. S. Iwamoto, A. Norman, A. R. Kagan, M. Wollin, A. Olch, Imgram M. Bellotti und R. G. Skillen, "The CT scanner as a therapy machine" (Der CT-Scanner als ein Therapiegerät), Radiother. Oncol. 1990, 19, 337). Da die Elektronenproduktion möglicherweise zu einem Zellschaden führen kann, kann die photoakustische Bilderzeugung mit Röntgenstrahlung in Verbindung mit der Strahlentherapie höchst nützlich sein.
Noch allgemeiner ist jedwede Verbindung, die schwere Atome enthält, insbesondere Iod, Wolfram oder Barium, als Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung mit Röntgenstrahlung nützlich. Diese können lösliche Flüssigkeiten oder Festsubstanzen sein oder können Suspensionen von festen Teilchen in einer physiologisch annehmbaren Flüssigkeit sein. Alternativ können dies feste oder flüssige Materialien sein, die in Liposomen eingekapselt sind.
Alternativ kann das Kontrastmittel Mikrowellen absorbieren und Wärme erzeugen. Wenn Mikrowellen in einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder Gas eindringen, induzieren die schwingenden elektrischen Felder der Strahlung eine periodische Translationsbewegung bei geladenen Teilchen und Ionen und eine periodische Drehbewegung bei dipolaren Spezies. Den Translations- und Drehbewegungen wirken die frequenzabhängigen trägen, elastischen und Reibungskräfte entgegen, und Wärme wird unter einer damit einhergehenden Zerstreuung des schwingenden elektrischen Feldes aufgebaut. Wenn die Substanz Spezies mit einem Netto-Magnetmoment enthält, wie Magnetit-Teilchen, führt die Wechselwirkung dieser Teilchen mit dem schwingenden Magnetfeld der Strahlung auch zu der Erzeugung von Wärme.
Die Effizienz, mit welcher eine bestimmte Substanz Mikrowellen in Wärme umwandelt, wird allgemein durch den dielektrischen Verlustfaktor bei der Mikrowellenfrequenz bestimmt. Jede Substanz mit einem hohen Verlustfaktor bei der Mikrowellenfrequenz, vorzugsweise mit einem höheren Verlustfaktor als derjenige von Wasser, ist möglicherweise als Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung mit Mikrowellen nützlich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von Suspensionen von superparamagnetischen Teilchen als Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung. Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von suspendierten Teilchen von bestimmten Keramiken, insbesondere von Co₂O₃, MnO₂, NiO und CuO, als Kontrastmittel für die photoakustische Bilderzeugung mit Mikrowellen.
Strahlungsabsorbierende Komponenten der Erfindung können aus festen Teilchen, flüssigen Lösungen, Feststoffen, die in Lösung gehen nach Einführug in den Körper, oder Gasbläschen, oder einer Kombination von zwei oder mehreren der verschiedenen Phasen bestehen, wo die Komponenten der verschiedenen Phasen chemisch gleich oder verschieden sein können. Der Klarheit halber wird das Wort "Teilchen" verwendet, um ein physiologisch annehmbares Teilchenmaterial zu bezeichnen. Solche Teilchen können fest (z. B. beschichtete oder unbeschichtete kristalline Materialien) oder fluid (z. B. flüssige Teilchen in einer Emulsion) sein oder können Anhäufungen sein (z. B. fluidhaltige Liposomen). Wenn teilchenförmige Substanz verwendet wird, kann diese Strahlung zerstreuen, so dass sie gleichmäßiger innerhalb der Zielorgane verteilt wird und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besitzt, absorbiert zu werden als eine Folge der erhöhten mittleren Bahnlänge, gefolgt von häufig zerstreuten Photonen.
"Gas", "Flüssigkeit" und "Feststoff', wie hierin verwendet, beziehen sich auf den physikalischen Zustand des Kontrastmittels oder von einer oder mehreren Komponenten bei der normalen Körpertemperatur des Tieres, welchem das Kontrastmittel z. B. bei 37°C für Menschen verabreicht werden soll.
Eine "druckinduzierende Komponente" ist eine Verbindung, ein Komplex oder eine Struktur, die bei Erwärmen oder bei Bestrahlung bei der betreffenden Wellenlänge Druck in ihrer unmittelbaren Umgebung induziert, welcher als Schallwelle nachweisbar wäre. Vorzugsweise ist die druckinduzierende Komponente thermisch ausdehnbar und dehnt sich aus, wenn sie durch die von einer strahlungsabsorbierenden Komponente (die natürlich vorkommend sein kann) abgegebene Wärme ausreichend erwärmt wird, um eine Druckwelle zu erzeugen, die detektierbar wäre. Eine solche druckinduzierende Komponente kann aus Feststoffen, Flüssigkeiten oder vorzugsweise einem Gas, zum Beispiel in der Form von Bläschen, oder einer Mischung davon bestehen, bei welchen die Feststoff-, Flüssigkeits- oder Gasmoleküle gleich oder verschieden sein können. Die druckinduzierende Komponente kann auch Emulsionströpfehen umfassen. Eingeschlossen innerhalb des Umfangs solcher Komponenten sind Mittel, die Druck durch die Initiierung von chemischen Reaktionen erzeugen. Mithin schließen in der Erfindung verwendete Komponenten Vorläufer, d. h. Verbindungen, Komplexe oder Strukturen ein, die bei Bestrahlung oder Erwärmung (wie oben stehend beschrieben) eine druckinduzierende Komponente, wie eine thermisch ausdehnbare Komponente oder Moleküle, die ein größeres Volumen einnehmen, erzeugen. Ein Beispiel für einen solchen Vorläufer ist Graphit, der bei Erwärmung mit Wasser, oder als eine Folge von Strahlungsabsorption, CO und H₂ bildet, die beide thermisch ausdehnbar sind. Dies sorgt so sowohl für eine Zunahme des Volumens infolge der Bildung von Gasen und eine weitere Ausdehnung infolge der Erwärmung dieser Gase, was zu einer Druckwelle führt. Andere Beispiele von Gasvorläufern schließen Aminomalonat, Carbonate und Bicarbonate, physiologisch annehmbare Diazoniumverbindungen, Carbonatester, die Gruppierungen des Typs -CO-O-CR¹R²-O-CO-OR³ und β-Ketosäuren enthalten, ein. Diese können auf eine Vielzahl von Wegen unter Erzeugung von Gas reagieren. Somit können beispielsweise in Gegenwart von photochemischen Reaktionen, die H⁺-Ionen er zeugen, Carbonate und Bicarbonate Kohlendioxid in vivo im Anschluss an die Verabreichung erzeugen; Diazoniumverbindungen können Stickstoff bei Bestrahlung erzeugen, wenn UV-Licht angewandt wird; Carbonatester, die durch photochemische Reaktionen freigesetzt werden, wechselwirken mit nicht-spezifischer Esterase in vivo, was zu der Eliminierung von Kohlendioxid führt; und β-Ketosäuren decarboxylieren. Die druckinduzierende Komponente kann im Verlauf der oben stehend beschriebenen chemischen Reaktion unter Erzeugung einer Druckwelle aufgebraucht werden oder kann einfach als ein Katalysator fungieren.
Es wird ersichtlich, dass strahlungsabsorbierende Komponenten, die Strahlung wirksam in Wärme umwandeln, an sich druckinduzierende Eigenschaften besitzen (wenn die lokale Umgebung bereits für eine Druckveränderung bei Erwärmung empfänglich ist). Jedoch kann eine druckinduzierende Komponente zusätzlich (oder alternativ) hinzugefügt werden, welche die Umwandlung der erzeugten Wärme in Druck unterstützt oder zulässt (oder Strahlung direkt in Druck durch chemische Reaktion umwandelt). In ähnlicher Weise wird ersichtlich, dass eine druckinduzierende Komponente auch an sich strahlungsabsorbierende Merkmale aufweisen kann, z. B. Gase, die Strahlung der betreffenden Wellenlänge absorbieren, oder Graphit, der Strahlung absorbiert und Gas als eine druckinduzierende Komponente bilden kann. Mithin kann in einigen Fällen die gleiche physikalische Einheit (z. B. eine Verbindung oder ein Komplex) oder der physikalische Zustand (z. B. Gas) sowohl eine strahlungsabsorbierende Komponente als auch eine druckinduzierende Komponente aufweisen.
Wenn sowohl eine strahlungsabsorbierende als auch eine druckinduzierende, vorzugsweise thermisch ausdehnbare Komponente verwendet werden, können diese getrennt, gleichzeitig oder nacheinander verabreicht werden. Optional können diese in der gleichen Verbindung, dem gleichen Komplex oder der gleichen Struktur enthalten sein. Zum Beispiel können Gasbläschen oder Mikroballons erzeugt werden, in welchen das Gas von einer Membran umgeben wird, die eine geeignete strahlungsabsorbierende Komponente enthält oder aus dieser besteht, so dass aus der Strahlungsabsorption resultierende Wärme leicht zu dem Gas übertragen werden kann. Ein Kit von Teilen, die für die getrennte, gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Verabreichung von Komponenten von Kontrastmitteln für die Verwendung gemäß der Erfindung geeignet sind, ist ein weiterer Aspekt der Erfindung.
Das Kontrastmittel, welches eine druckinduzierende Komponente und wahlweise eine strahlungsabsorbierende Komponente umfasst (welche selbst aus unterschiedlichen Phasen und verschiedenen Molekülen innerhalb dieser Phasen aufgebaut sein können, wobei die Moleküle hierin als die "Elemente" jeder Komponente bezeichnet werden), kann als Ganzes aus festen Teilchen, Emulsionströpfchen, Feststoffen, die nach Einführung in den Körper in Lösung gehen, flüssigen Lösungen oder Gas oder einer Kombination von zwei oder mehreren davon bestehen.
Wahlweise können die Absorptionswellenlängen oder andere optische Eigenschaften von einem oder mehreren Elementen des Kontrastmittels gegenüber den biochemischen, oder biophysikalischen Eigenschaften der Organe, in welchen sie sich befinden oder aufgenommen werden oder lokalisiert werden, empfindlich sein. Zum Beispiel können die Absorptionswellenlängen von Elementen der strahlungsabsorbierenden Komponente, wie Farbstoffe, gegenüber dem lokalen pH-Wert empfindlich sein.
Feste Kontrastmittel können einen lichtabsorbierenden Farbstoff umfassen oder sie können einen Kern aus einem farblosen Material, z. B. Gas, und eine aus einem lichtabsorbierenden Farbstoff zusammengesetzte Hülle umfassen. Alternativ können sie Substanzen umfassen, die Röntgenstrahlung oder Mikrowellen absorbieren, oder sie können einen Kern einer nicht-absorbierenden Substanz umfassen und eine Hülle aus einer Substanz, die Röntgenstrahlung oder Mikrowellen absorbiert. Vorzugsweise absorbiert der Farbstoff im Wellenlängenbereich von 300–1300 nm, stärker bevorzugt im Wellenlängenbereich von 600–1300 nm.
Allgemein sollten feste Kontrastmittel als Teilchen mit Durchmessergrößen zwischen 5 und 10.000 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 2000 nm, die in wässriger Lösung suspendiert sind, formuliert sein. Vorzugsweise sollten zur Sicherstellung einer optimalen Absorption von Licht (anderes als Mikrowellenstrahlung) und der Teilchenerwärmung die Teilchen Durchmesser von 100 bis 500 nm haben. Allerdings haben superparamagnetische Teilchen für die Absorption von Mikrowellen vorzugsweise Durchmesser von 5 bis 30 nm, stärker bevorzugt von 5 bis 20 nm, am meisten bevorzugt von 5 bis 15 nm. Solche Teilchen können ausschließlich aus den strahlungsabsorbierenden Komponenten und/oder der druckinduzierenden Komponente aufgebaut sein oder können auch andere Komponenten einschließen, die gleichmäßig oder inhomogen über die Teilchen verteilt sein können, etwa in einer Mehrkompartmentstruktur, oder können beispielsweise einen zentralen Kern oder einen Bereich bilden, an welchen Komponenten des Kontrastmittels gebunden sind, oder umgekehrt.
Vorzugsweise werden feste Teilchen beschichtet oder können bis zu 100 Gew.-% Teilchen mit einem Tensid vermischt werden, um eine Anhäufung während der Autoklavierung und Lagerung zu verhindern.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein bevorzugtes physiologisch tolerierbares Kontrastmittel dieser Erfindung mindestens eine chromophore Gruppe, die an ein Tensidmolekül gebunden ist.
In dieser Erfindung ist ein Tensidmolekül definiert als Emulgator oder Detergens, wie bei McCutcheon's Directories, Bd. 1: Emulsifiers and Detergents (1994), aufgelistet, und welches mindestens eine chemische funktionelle Gruppe gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Alkohol (OH), einer Nitrilgruppe einschließlich eines primären Amins (NH₂) und eines sekundären Amins (NH), einer Carbonsäure (COOH), einem Sulfhydryl (SH), einer Phosphorsäuregruppe, Phosphonsäuregruppe, einer Phenolgruppe, einer Sulfonsäuregruppe, einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung und einem Keton, enthält.
Chemische funktionelle Gruppen in den Tensidmolekülen können durch chemische Reaktionen, die Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt sind, untereinander umgewandelt werden. Zum Beispiel kann eine Hydroxylgruppe zu einem Methansulfonsäureester umgewandelt werden, welcher mit Natriumazid behandelt werden kann und reduziert werden kann unter Bildung einer Amingruppe. Carbonsäuregruppen und Ketone können unter Bildung von Alkoholen reduziert werden, und Alkohole können unter Bildung von Ketonen, Aldehyden und Carbonsäuregruppen oxidiert werden.
Nützliche Tensidmolelcüle sind Emulgatoren oder Detergenzien, die als Dispergiermittel, Benetzungsmittel, Adsorbentien, als das Zusammenbacken verhindernde Mittel, Schmutz-Antiwiederablagerungsmittel, Antistatika, Bindemittel, Träger, perlmuttglanzverleihende Mittel, Konditioniermittel, Hydrotrope, Entschäumungsmittel, Erweichungsmittel, Flockungsmittel, Anfeuchtungsmittel, Gleitmittel, Trübungsmittel, Plastifizie rungsmittel, Konservierungsmittel, Trennmittel, Belaginhibitoren, Stabilisatoren, Suspendiermittel, Verdickungsmittel, UV-Absorber, wasserabwesende Mittel, Wachse und Glanzmittel fungieren können und welche mindestens eine chemische funktionelle Gruppe gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Alkohol (OH), einer Nitrilgruppe einschließlich eines primären Amins (NH₂) und eines sekundären Amins (NH), einer Carbonsäure (COOH), einem Sulfhydryl (SH), einer Phosphorsäuregruppe, Phosphonsäuregruppe, einer Phenolgruppe, einer Sulfonsäuregruppe, einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung und einem Keton, enthält.
Vorzugsweise umfasst das Tensidmolekül eine Polyalkylenoxideinheit, gegebenenfalls enthaltend eine Verzweigungsgruppe wie hierin definiert; stärker bevorzugt eine Polyalkylenoxid-Blockcopolymereinheit, wahlweise enthaltend eine Verzweigungsgruppe wie hierin definiert; und am meisten bevorzugt eine Polyalkylenoxid-Blockcopolymereinheit, die wahlweise eine Verzweigungsgruppe wie hierin definiert enthält und einen Polypropylenoxidblock und einen Polyethylenoxidblock umfasst. Beispiele für nützliche Tensidmoleküle schließen Blockcopolymere, wie AL 2070, verfügbar von ICI Surfactants, Antarox-Blockcopolymere, verfügbar von Rhone-Poulenc, Delonic-Blockcopolymere, verfügbar von DeForest, Inc., Hartopol-Blockcopolymere, verfügbar von Texaco Chemical Canada, Macol-Blockcopolymere, verfügbar von PPG Industries, Marlox-Blockcopolymere, verfügbar von Huls America, Pluronic-Blockcopolymere, einschließlich Pluronic F, L, P und R, verfügbar von BASF Corp., Poly-Tergent-Blockcopolymere, verfügbar von Olin Corp., und Tetronic und Tetronic R-Blockcopolymere, verfügbar von BASF Corp., ein. Derzeit bevorzugte Tensidmoleküle schließen Tetronic und Pluronic-Blockcopolymere ein, und derzeit am meisten bevorzugt sind Tetronic-Blockcopolymere.
Wenn die Mittel für die Injektion in das Blutgefäßsystem bestimmt sind, können sie beschichtet werden oder mit bis zu 100 Gew.-% der Teilchen mit einer polymerhaltigen Substanz, wie Poly(ethylenglykol) vermischt werden, um die Entfernung aus dem Blutstrom zu verlangsamen. Gegebenenfalls kann die Lösung, in welcher feste Teilchen suspendiert sind, Puffermittel und andere Exzipienzien bzw. Arzneimittelträger enthalten zur Regulierung des pH-Wertes und der Osmolalität.
Wenn flüssige strahlungsabsorbierende Elemente enthaltende Kontrastmittel verwendet werden, können dies Lösungen von stabilisierten Farbstoffen oder Lösungen von hochlöslichen Farbstoffen sein, die im voraus formuliert werden oder die unmittelbar vor dem Gebrauch hergestellt werden. Vorzugsweise werden die Farbstoffe wegen der optimalen Wirksamkeit bei der Umwandlung von absorbierter Strahlung in Wärme gemäß den oben stehend beschriebenen Prinzipien gewählt und weisen ein Maximum der Absorptionsfähigkeit von Licht zwischen Wellenlängen von 300 und 1300 nm, stärker bevorzugt zwischen Wellenlängen von 600 und 1300 nm auf. Die Farbstoffe können in ein Polymer eingebracht werden, wie ein verzweigtes oder lineares Polymer, das Poly(ethylenglkyol) enthält, und können Gruppen, wie hydroxylhaltige Alkylgruppen oder daran gebundenes Sulfonat zur Verstärkung ihrer Stabilität oder Löslichkeit in Wasser aufweisen. Geeignete Materialien sind in den internationalen Patentveröffentlichungen Nr. WO 96/17628 (Schering) und WO 96/23522 (Daiichi) offenbart.
Allgemein werden lipophile Kontrastmittel als Öl-in-Wasser-Emulsionen mit Öl-tröpfchengrößen zwischen 5 und 10.000 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 2000 nm, suspendiert in einer pharmazeutisch annehmbaren wässrigen Phase, formuliert. Vorzugsweise sollten die Tröpfchen zur Sicherstellung der optimalen Lichtabsorption und der Teilchenerwärmung Durchmesser von 50 bis 500 nm haben. Solche Öltröpfchen können ausschließlich aus der/den strahlungsabsorbierenden Komponente(n) zusammengesetzt sein oder können andere lipophile Substanzen, die über das Tröpfchen verteilt sind, einschließen. Das Tröpfchen selbst ist die "druckinduzierende Komponente" des Kontrastmittels, wobei die Druckwelle, die für die akustische Detektion erforderlich ist, an der Grenzfläche zwischen den Öl- und Wasserphasen initiiert wird. Diese Emulsionen enthalten vermutlich pharmazeutisch annehmbare Arzneimittelträger, wie sie im Fachbereich bekannt sind, darin eingeschlossen Lecithin, andere Phospholipide, Tenside, wie die Tetronics und Pluronics, lipophile Additive, wie Sesamöl, und herkömmlicherweise verwendete Komponenten für die Isotonizität, die pH- und Osmolalitätsregulierung.
Wenn lösliche Farbstoffe in wässrige Lösungen eingebracht werden sollen, können die Lösungen wahlweise Stabilisierungsmittel enthalten, wie in der WO94/23646 gelehrt. Die Lösungen können auch Arzneimittelträger zur Regulierung des pH-Wertes und der Osmolalität enthalten.
Lösliche Farbstoffe können wahlweise in Mizellen oder Liposomen eingeschlossen werden, wie in der WO96/23424 gelehrt wird. Liposomale Formulierungen können wahlweise Substanzen zur Stabilisierung der Farbstoffe gegenüber Oxidation oder anderen Zersetzungsprozessen enthalten.
Alternativ können die Kontrastmittel lösliche Verbindungen enthalten, welche schwere Atome, wie Iod, umfassen. Lösungen von iodierten Verbindungen können vorweg formuliert werden oder können unmittelbar vor dem Gebrauch hergestellt werden. Vorzugsweise werden die iodierten Verbindungen für die optimale Wirksamkeit bei der Umwandlung von absorbierten Röntgenstrahlen und Gammastrahlen in Wärme gemäß den oben stehend beschriebenen Prinzipien gewählt und besitzen ein maximales Absorptionsvermögen von Röntgenstrahlen und Gammastrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 1,0 μm. Die iodierten Verbindungen können in ein Polymer, wie ein lineares Polymer, das Poly(ethylenglykol) enthält, eingebracht werden und können daran gebundene Gruppen aufweisen, um deren Löslichkeit in Wasser zu verbessern. Wenn iodierte Verbindungen in wässrigen Lösungen zur Verfügung gestellt werden sollen, können die Lösungen wahlweise Arzneimittelträger zur Regulierung des pH-Wertes oder der Osmolalität enthalten. Geeignete iodierte Verbindungen können wahlweise in Mizellen oder Liposomen eingeschlossen werden.
Wenn ein Gas ein Element eines Kontrastmittels ist, liegt das Kontrastmittel vorzugsweise in der Form einer gashaltigen Struktur vor, z. B. eines Vesikels (z. B. Liposom, Mizelle, Mikroballon etc.), oder das Gas liegt in einer oder mehreren Kammern einer Mehrkompartmentstruktur vor. Solche gashaltigen Strukturen haben vorzugsweise einen Durchmesser von 1000–6000 nm. Solche gashaltigen Strukturen können mit den als Kontrastmittel für die Ultraschall-Bilderzeugung verwendeten ähnlich oder identisch sein. Die Herstellung von gasgefüllten Mikropartikeln oder Mikroballons für die Verwendung in der Ultraschall-Bilderzeugung ist in der WO/95/06518 beschrieben.
Vorzugsweise sollte zur weiteren Vorsehung einer strahlungsabsorbierenden Komponente für die photoakustische Bilderzeugung entweder das Gas selbst oder zumindest eine Komponente der umschließenden Hülle stark Strahlung absorbieren, welche vorzugsweise eine Wellenlänge zwischen 300 und 1300 nm, stärker bevorzugt zwischen 600 und 1300 nm aufweist. Dies kann durch die Verwendung von einem Farbstoff oder mehreren Farbstoffen oder farbstoffhaltigen Verbindungen, die Strahlung bei der entsprechenden Wellenlänge absorbieren, als Komponente der umschließenden Hülle erreicht werden.
Geeignete Gase oder Mischungen davon schließen die gewöhnlichen Blutgase CO₂, O₂, N₂ ein, gleichwohl sollten vorzugsweise in biologischen Geweben vorkommende Gase vermieden werden, um das Signal: Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Gas kann mit einem Edelgas als einem Verdünnungsmittel, wie Argon, Helium, Neon oder Xenon vermischt werden, welche den Energieübergang zu der Translationsenergie des Absorptionsgases, das verdünnt wird, maximieren, da diese Gase keine inneren (die Rotation und Schwingung betreffend) Freiheitsgrade aufweisen (siehe Putterman, Febr. 1995, Scientific American, S. 32–37, was die Wirkung von Edelgasen auf die photoakustische Wirkung betrifft).
Wenn das Kontrastmittel eine gas- oder flüssigkeitshaltige Struktur ist, kann die Stabilität der umgebenden Hülle niedrig genug sein, so dass die Erwärmung als eine Folge der Bestrahlung zu einer Zerstörung der Struktur und einer Freisetzung des Inhalts führt. Dies kann selbst eine Druckwelle erzeugen, was eine Signaturwirkung für das Kontrastmittel erzeugt, und/oder kann zur gleichzeitigen Freisetzung der erforderlichen Moleküle in die lokale Umgebung, z. B. therapeutisch aktive Verbindungen, verwendet werden.
Um Selektivität zu erzielen, kann das Kontrastmittel passiv oder aktiv auf Regionen von diagnostischem Interesse, wie Organe, Gefäße, erkrankte Stellen, Tumorgewebe oder einen spezifischen Organismus in einem Patienten targetiert bzw. gerichtet werden. Beim aktiven Targeting können die Kontrastmittel an biologische Erkennungsmittel gebunden sein, um dessen Ansammlung in bestimmten Teilen des Körpers, wie spezifischen Organen, Teilen von Organen, körperlichen Strukturen und Krankheitsstrukturen und Verletzungen, deren selektive Zurückhaltung durch diese oder deren Eliminierung aus diesen zu ermöglichen. Die Erkennungsmittel können an Elemente der strahlungsabsorbierenden und druckinduzierenden Komponenten gebunden sein oder können an andere Komponenten der Kontrastmittel gebunden sein, wie strukturelle Komponenten, die verwendet werden könnten, zum Beispiel bei der Herstellung von Kontrastmittelteilchen oder Mikroballons. Das aktive Targeting ist definiert als eine Modifizierung der Bioverteilung unter Verwendung chemischer Gruppen, die sich mit in dem gewünschten Gewebe oder Organismus vorhandenen Spezies verbinden, um die Verlustrate von Kontrastmittel aus einem spezifischen Gewebe oder Organismus wirksam zu verringern.
Aktives Targeting eines Kontrastmittels kann als eine Lokalisierung durch Modifizierung der Bioverteilung des Kontrastmittels mittels einer chemischen Targetinggruppe oder eines Liganden, der an das Kontrastmitel gebunden ist oder in dieses eingebracht ist, angesehen werden. Der Ligand oder die Targetinggruppe kann sich mit einer oder mehreren Rezeptorspezies, die in dem Gewebe oder Organismus von diagnostischem Interesse vorhanden sind, assoziieren oder verbinden. Diese Bindung wird die Rate des Verlusts an Kontrastmittel aus dem spezifischen Gewebe oder Organismus von diagnostischem Interesse effektiv vermindern. In solchen Fällen kann das Kontrastmittel synthetisch modifiziert werden, um den Targeting-Liganden oder Targetingvektor einzubringen. Targetierte Kontrastmittel können aufgrund der Bindung zwischen dem Liganden und dem targetierten Rezeptor lokalisieren. Alternativ können Kontrastmittel durch passive Bioverteilung, d. h. durch passives Targeting, sich in erkrankte Gewebe von Interesse, wie Tumoren, verteilen. Somit können selbst ohne eine synthetische Manipulierung zur Einbringung eines Targeting-Liganden oder -Vektors, die an eine Rezeptorstelle anbinden können, passiv targetierte Kontrastmittel sich in einem erkrankten Gewebe oder an speziellen Orten im Patienten, wie der Leber, ansammeln. Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung eines Kontrastmittels, das mit einem Targetingvektor verknüpft ist (auch als Ligand bezeichnet), der eine Affinität zur Anbindung an einen Rezeptor besitzt. Vorzugsweise befindet sich der Rezeptor auf der Oberfläche einer erkrankten oder krankheitsverursachenden Zelle bei einem menschlichen oder tierischen Patienten.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Rezeptor ein Dihydrofolat-Reduktase-Enzym (auch als DHFR-Rezeptor bezeichnet). DHFR-Rezeptoren liegen in bestimmten krankheitsverursachenden Bakterien vor und werden in relativ großen Zahlen auf bestimmten Tumorzellen exprimiert. Geeignete Liganden, die an diese DHFR-Rezeptoren anbinden können, schließen Folsäure und Folsäurederivate, einschließlich 7,8-Dihydrofolatderivate, Antifolat-Arzneistoffe, DHFR-Antagonisten und Agonisten und Inhibitoren, Trimethoprim und Trimethoprimanaloga ein, die an DHFR-Stellen in Bakterien anbinden können, Methotrexat und Methotrexatanaloga, die an DHFR-Stellen auf Tumorzellen anbinden können, Pyrimethamin und Tetroxoprim. Beschreibungen geeigneter Liganden, die an DHFR-Rezeptoren anbinden können, sind in der WO 94/13327 kurz beschrieben. Liganden, die am meisten bevorzugt sind, umfassen Derivate der Antifolat-Arzneistoffe, Methotrexat und Trimethoprim.
Gemäß einem Aspekt sind in dieser Erfindung nützliche Kontrastmittel strahlungsabsorbierende und druckinduzierende Komponenten, die Liganden, wie Derivate von Trimethoprim und Methotrexat, umfassen, die chemisch mit Chromophoren oder Farbstoffen verknüpft sind unter Bildung von targetierten Ligand-Farbstoff-Konjugaten. Bevorzugte Farbstoffe absorbieren im Bereich von 300 bis 1300, und stärker bevorzugt von 600 bis 1300, wie Cyanin-Farbstoffe. Ein Ligand oder mehrere Liganden können mit einem Farbstoff oder mehreren Farbstoffen verknüpft sein, zum Beispiel mit Hilfe eines Peptids als Verbindungsgruppe zwischen dem Farbstoff und dem Liganden. Nützliche Trimethoprim- und Methotrexatderivate, die eine reaktive primäre Amingruppe umfassen, sind in der WO 94/13327 beschrieben. Solche primären Aminderivate können mit Farbstoffen reagieren, die reaktive funktionelle Gruppen enthalten, wie zum Beispiel Isothiocyanat-(NCS)-Gruppen, (und somit können nützliche Cyanin-Farbstoffe hierin als DYE-NCS beschrieben werden und sind unten stehend weiter erläutert), Cyanatgruppen, Vinylchloridgruppen, aktive Estergruppen wie N-Hydroxysuccinimid-(NHS)-Gruppen und Nitrophenylestergruppen. Repräsentative nicht-einschränkende Beispiele von Cyanin-Farbstoffen, die nützliche reaktive, funktionelle Gruppen enthalten, schließen zum Beispiel CY^TM-Farbstoffe, verfügbar von Amersham Inc., Farbstoffe, die in der europäischen Patentanmeldung 0 670 374 Al offenbart sind, und Farbstoffe, die von N. Narayanan und G. Patonay im Journal of Organic Chemistry (1995), 60, 2391–2395, offenbart sind, ein. Beispiele für die Herstellung von strahlungsabsorbierenden und druckinduzierenden Komponenten, die in dieser Erfindung nützlich sind, welche aktiv DHFR-Rezeptoren targetieren können, sind in den Schemata 1 und 2 unten erläutert. Die Schemata wenden die Isothiocyanat-Verknüpfungschemie als ein nicht-einschränkendes Beispiel an.
Schema 1. Trimethoprim-Farbstoffderivate, die in dieser Erfindung nützlich sind, können wie folgt hergestellt werden:
Schema 2: Methotrexat-Farbstoffderivate, die in dieser Erfindung nützlich sind, können wie folgt hergestellt werden:
Ein Beispiel für einen nützlichen reaktiven Farbstoff (DYE-NCS) in dem obigen Schema ist:
Ein Beispiel für einen nützlichen reaktiven Farbstoff, welcher die aktive Esterchemie anwendet (DYE-NHS, worin NHS sich auf N-Hydroxysuccinimid bezieht) an Stelle von Isothiocyanat-Chemie (DYE-NCS), um targetierte Ligand-Farbstoff-Konjugate durch eine Amid- (-NH-C(=O)-DYE)-Bindung statt durch eine Thioharnstoffbindung (NH-C(=S)-NH-DYE) in den Schemata 1 und 2 weiter oben zu bilden, ist reaktiver Cy5^TM-Farbstoff von Amersham Incorporated:
Die Anzahl der strahlungsabsorbierenden und druckinduzierenden Farbstoffe, die an den Liganden gebunden sind, welcher den DHFR-Rezeptor targetiert, kann von 1 bis etwa 100, vorzugsweise von 1 bis etwa 10, und stärker bevorzugt von 1 bis etwa 3 schwanken. Variationen in der Anzahl der an die DHFR-Liganden gebundenen Farbstoffe in den Schemata 1 und 2 können durch Verändern der Anzahl an Lysingruppen, die synthetisch in die in den Schemata 1 und 2 gezeigten Peptide eingebracht sind, und anschließendes Behandeln mit ausreichend reaktivem Farbstoff, um mit jedem Lysinamin zu reagieren, bewerkstelligt werden.
Auf diese Weise gebildete, targetierte Ligand-Farbstoff-Konjugate können in einem pharmazeutisch annehmbaren Medium, wie zum Beispiel in einer sterilen Phosphatgepufferten Kochsalzlösung, formuliert werden und danach an einen Patienten zum Beispiel durch intravenöse Injektion verabreicht werden.
Liganden in diesen targetierten Ligand-Farbstoff Konjugat-Konstrastmitteln werden an DHFR-Rezeptoren binden, wie zum Beispiel an DHFR-Rezeptoren in Bakterien in Zusammenhang mit einer Infektion bei dem Patienten im Falle eines Trimethoprimtargetierten Ligand-Farbstoff-Konjugatderivats und an die DHFR-Rezeptoren in Krebszellen im Falle eines Methotrexat-targetierten Ligand-Farbstoff-Konjugatderivats. Kontrastmittel, das nicht an DHFR-Rezeptor anbindet, wird aus dem Patienten mit einer schnelleren Geschwindigkeit als Rezeptor-gebundenes Kontrastmittel durch üblicherweise verfügbare Arzneistoff-Eliminierungsmechanismen, wie über die Leber oder Niere, entfernt werden, während Kontrastmittel, das an DHFR-Rezeptoren in erkrankten Bereichen beim Patienten anbindet, mit den erkrankten Bereichen über eine längere Zeit bezüglich der Menge an ungebundenem Ligand-Farbstoff-Konjugat assoziiert bleibt. Wenn der Patient oder ein Teil des Patienten danach einem photoakustischen Bilderzeugungsverfahren unterworfen wird, nachdem eine Menge an nicht Rezeptor-gebundenem Kontrastmittel aus dem Patienten eliminieren gelassen wurde, werden sich Bereiche mit verstärkter Signalstärke von Stellen ableiten, wo Kontrastmittel gebunden ist, d. h. von Stellen, die DHFR-Rezeptor enthalten, an welchen das targetierte strahlungsabsorbierende und druckinduzierende Ligand-Farbstoff-Konjugat gebunden ist.
Andere Verfahren der Anbindung von geeigneten Farbstoffen an Liganden werden für einen Fachmann auf dem Gebiet leicht offensichtlich.
Die Verwendung von biologischen Erkennungsmitteln (oder "Vektoren") für die Targetierung von Kontrastmitteln wurde ausführlich in der US-Patentanmeldungs-Serien-Nr. 08/848 586 unter dem Titel "Method of Tumor treatment" (Verfahren zur Tumorbehandlung), eingereicht am 29. April 1997 im Namen von William Anthony Sanderson, und in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB98/01245 beschrieben. Geeignete biologische Erkennungsmittel schließen Aminosäuren, Peptide, Antigene, Haptene, Enzymsubstrate, Enzymcofaktoren, Enzyminhibitoren, Biotin, Hormone, Neurohormone, Neutrotransmitter, Wachstumsfaktoren, Lymphokine, Lectine, Toxine, Carbohydrate, Oligosaccharide, Polysaccharide, Dextrane, Oligonukleotide, die gegen Nukleasen stabilisiert wurden, an Rezeptoren anbindende Arzneistoffe und Liganden, Antikörper und funktionelle Fragmente davon ein. Es wird ersichtlich, dass die geeignete Wahl eines biologischen Erkennungsmmittels von dem zu targetierenden Organ und der Verabreichungsroute ab hängt, aber allgemein auf dem Anbinden an eine Oberfläche oder mehrere Oberflächen von Körperorganen, Strukturen oder biologischen Organismen, insbesondere an die Zellen dieser Oberflächen beruht, die eindeutig durch das Vorhandensein von einzigartigen Oberflächencharakteristika, z. B. die Zahl oder den Typ des Rezeptors oder die Antigen-Exprimierung, erkannt werden können.
Geeignete Farbstoffe und farbstoffhaltige Molelküle, wie Polyethylenglykolderivate von Farbstoffen für die Verwendung in den in der Erfindung eingesetzten Kontrastmitteln, insbesondere für die Herstellung von Kontrastmitteln, bei welchen nicht-feste Teilchen mit einer einen Farbstoff beinhaltenden Hülle verwendet werden, wobei die Hülle Gasmoleküle umgibt, sollten ein Absorptionsmaximum im Bereich von 300 bis 1300 nm, stärker bevorzugt von 600 bis 1300 nm, aufweisen. Farbstoffe für die Verwendung in der Erfindung schließen Verbindungen mit einem ausgedehnten delokalisierten Elektronensystem ein, z. B. Cyanine, Merocyanine, Phthalocyanine, Naphthalocyanine, Triphenylmethine, Porphyrine, Pyrilium-Farbstoffe, Thiapyrilium-Farbstoffe, Squarylium-Farbstoffe, Croconium-Farbstoffe, Azulenium-Farbstoffe, Indoaniline, Benzophenoxazinium-Farbstoffe, Benzothiaphenothiazinium-Farbstoffe, Anthrachinone, Naphthochinone, Indathrene, Phthaloylacridone, Trisphenochinone, Azo-Farbstoffe, intramolekulare und intermolekulare ladungsübertragende Farbstoffe und Farbstoffkomplexe, Tropone, Tetrazine, Bis(dithiolen)-Komplexe, Bis(benzoldithiolat)-komplexe, Iodoanilin-Farbstoffe, Bis(S,O-dithiolen)-Komplexe etc. Beispiele für geeignete organische oder metallierte Farbstoffverbindungen sind bei "Topics in Applied Chemistry: Infrared absorbing dyes", Hrsg. M. Matsuoka, Plenum, NY 1990, "Topics in Applied Chemistry: The Chemistry and Application of Dyes", Waring et al., Plenum, NY, 1990, "Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals" Haugland, Molecular Probes Inc., 1996, DE-A-4445065, DE-A-4326466, JP-A-3/228046, Narayanan et al., J. Org. Chem. 60: 2391–2395 (1995), Lipowska et al., Heterocyclic Comm. 1: 427–430 (1995), Fabian et al., Chem. Rev. 92: 1197 (1992), WO96/23525, Strekowska et al., J. Ort. Chem: 57: 4578–4580 (1992) und WO96/17628.
Wenn nicht anders angegeben, kann eine Alkylgruppe wie hierin definiert linear oder verzweigt, gesättigt oder ungesättigt sein, kann eine Ethersauerstoffgruppe enthalten und kann einen Ring oder mehrere Ringe enthalten, die 3 bis 6 Kohlenstoffatome umfassen, wie Cyclopropyl, Spirocyclopropyl, Cyclopropyliden, Cyclobutyl, Spiro-1,1- cyclobutyl, 1,2-Cyclobutyliden, 1,3-Cyclobutyliden, Cyclopentyl, 1,2-Cyclopentyliden, Cyclopenten-3-yl, Cyclohexyl, 1,4-Cyclohexyliden, 2,3-Bicylo[2.2.1.]-heptyliden, 1-Decalin, Phenyl, 1,4-Phenylen und dergleichen, und kann durch einen oder mehrere Substituenten, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxyl, 1,2-Dihydroxyethyl, 1,2-Dihydroxy-propyloxy, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), substituiert sein, deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können.
Bevorzugte Farbstoffe der Formel I können verwendet werden:
worin
jedes Z₁ unabhängig gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Wasserstoff;
einer Methylgruppe, wahlweise substituiert mit einem Substituenten gewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können;
einer Ethylgruppe, wahlweise substituiert mit einem oder zwei Substituenten gewählt aus der Gruppe bestehend Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können;
einer Ethylengruppe, wahlweise substituiert mit einem oder zwei Substituenten gewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können;
einer C_3-16-Alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Alkoxylethergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer- C_1-16-Carboxyalkylestergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Oxycarbonylalkylestergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Carbonylaminoalkylamidgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Aminocarbonylalkylamidgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer Carbonsäuregruppe, welche eine Carboxylatgruppe sein kann,;
einer Sulfonatgruppe;
einer Hydroxylgruppe;
einer Phosphatgruppe;
einer C_1-16-Sulfonamidoalkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Aminosulfonylalkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Aminocarbonylaminoalkylharnstoffgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Aminothiocarbonylaminoalkylthioharnstoffgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer Phenyl-C_1-16-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer Phenoxy-C_1-16-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer C_1-16-Phenyloxyalkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer Oxyphenoxy-C_1-6-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben stehend definiert;
einer Poly(alkylenoxidyl)-gruppe, wie Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und Methoxypoly(ethylenoxidyl) mit einem Molekulargewicht bis zu etwa 50.000;
und einem ringförmigen aromatischen Ring, umfassend einen Benz[e]-aromatischen Ring, einen Benz[f]-aromatischen Ring oder einen Benz[g)-aromatischen Ring, worin e, f und g mit Bezug auf die Indolstruktur als ein Templat defniert sind, und wobei jeder Ring sub stituiert sein kann durch C_1-16-Alkyl, C_1-16-Alkoxyl, Carboxyl, Sulfonat, Sulfonamido, Phenyl, Poly(alkylenoxidyl) oder Phenoxylgrppen, wie oben definiert;
jedes R₁' unabhängig gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methyl und einer C_2-16-Alkylgruppe, einschließlich einer substituierten Alkylgruppe, worin Alkyl wahlweise substituiert ist, wie oben definiert;
jedes X unabhängig gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus O, N-R₁', S, Se, Te, CH=CH und (CH₃)-C; und
Q₁ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus:
(CH=CH)_n, worin n einen Wert von 1 bis 6 besitzt;
worin Z₂ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus H, Chlor, O-Alkyl, S-Alkyl, worin Alkyl wahlweise substituiert ist, wie oben definiert; O-Poly(alkylenoxidyl), S-Poly(alkylenoxidyl), worin Poly(alkylenoxidyl) wie oben definiert ist und ebenso Poly(alkylenoxid)-gruppen beinhaltet, an welche ein anderer Farbstoff am ω-Ende gebunden ist, O-Phenyl, S-Phenyl, worin die Phenylgruppen substituiert sein können mit Alkylgruppen, wahlweise substituiert, wie oben definiert, O-Alkylgruppen, wie oben definiert, S-Alkylgruppen, wie oben definiert, Aminothiocarbonylaminoalkylgruppen und Aminothiocarbonylaminophenylgruppen;
und
Z₃ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus H, Carboxylat, und Carboxyalkyl, worin Alkyl wie oben definiert ist, Carbonylaminoalkyl, worin Alkyl wie oben definiert ist, und Carbonylaminophenyl, worin Phenyl wie oben definiert ist; und
und
Z^– ein physiologisch tolerierbares Gegenion ist, vorzugsweise I, Br, Cl oder OAc.
Stärker bevorzugte Farbstoffe der Formel II können verwendet werden:
worin
n eine ganze Zahl mit einem Wert von 1 bis 6 ist; jedes R₁, welches gleich oder verschieden sein kann, für ein Wasserstoffatom oder eine solubilisierende Gruppe steht oder wobei benachbarte R₁-Substituenten zusammen mit den Ringkohlenstoffen, an welche sie gebunden sind, eine Ringstruktur bilden können, vorzugsweise einen 5- oder 6-gliedrigen Ring;
jedes R₂, welches gleich oder verschieden sein kann, für ein Wasserstoffatom oder eine lipophile Gruppe steht, z. B. eine wahlweise ungesättigte C_1-24-Alkylgruppe, vorzugsweise eine C_6-18-Gruppe, insbesondere wenn der Farbstoff als Teil eines gashaltigen nicht-festen Teilchens verwendet werden soll, alternativ jedes R₂ eine wahlweise ungesättigte C_2-8-Alkylgruppe sein kann, welche an eine oder mehrere solubilisierende Gruppen gebunden ist;
jedes X, welches gleich oder verschieden sein kann, jeweils O, S, -CH=CH- oder C(R₃)₂ bedeutet, worin jedes R₃, welches gleich oder verschieden sein kann, ein Wasserstoffatom oder stärker bevorzugt eine Methyl- oder Ethylgruppe bedeutet;
Z ein physiologisch tolerierbares Gegenion, vorzugsweise I, Br oder Cl bedeutet.
Beispiele für geeignete solubilisierende Gruppen schließen Sulfat-, Carboxylat-, Phosphat-, Hydroxy-, Oxysäure- und Thiolgruppen sowie C_1-6-Alkylgruppen, substituiert durch eine solche Gruppe oder mehrere solche Gruppen, ein.
Kontrastmedien für die Verwendung gemäß der Erfindung, die das Kontrastmittel enthalten, können andere Komponenten, zum Beispiel herkömmliche pharmazeutische Formulierungshilfsstoffe, wie Benetzungsmittel, Puffermittel, Abbaumittel, Bindemittel, Füllstoffe, Aroma- bzw. Geschmacksstoffe und flüssige Trägermedien, wie steriles Wasser, Wasser/Ethanol etc., einschließen. Das Kontrastmittel sollte für die Verabreichung entweder durch Injektion oder Inhalation oder Katheterisierung oder Eintröpfelung oder transdermale Einführung in jedweden der verschiedenen Körperhohlräume, einschließlich des Ernährungskanals, der Vagina, des Rektums, der Blase, des Harnleiters, der Harnröhre, des Mundes etc. geeignet sein.
Für die orale Verabreichung liegt der pH-Wert der Zusammensetzung vorzugsweise im sauren Bereich, z. B. von 2 bis 7, und Puffermittel oder pH-Einstellungsmittel können verwendet werden.
Die Kontrastmedien können in herkömmlichen pharmazeutischen Verabreichungsformen, wie Tabletten, Kapseln, Pulvern, Lösungen, Dispersion, Sirups, Zäpfchen etc. formuliert werden.
Die bevorzugte Dosis der Kontrastmedien variiert in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, wie der Verabreichungsroute, dem Alter, dem Gewicht und der Spezies des Testteilnehmers, doch diese enthalten im Allgemeinen Kontrastmittel in der Größenordnung von 1 pMol/kg bis 1 mMol/kg Körpergewicht.
Die Bilderzeugung des gewünschten Bereichs erfolgt durch Detektion und die entsprechende Analyse der aus der Bestrahlung resultierenden Schallwellen. Die Detektion kann auf der gleichen Oberfläche der Probe erfolgen wie der Quelle der einfallenden Strahlung (Reflexion) oder alternativ auf einer anderen Oberfläche, wie der Oberfläche, die dem einfallenden Licht diametral gegenüberliegt, d. h. der rückwärtigen Oberfläche der Probe (Transmission). Geeignete Verfahren zur Detektion schließen den Einsatz eines Mikrophons, eines piezoelektrischen Messwertumwandlers, eines Kapazitäts-Messwertumwandlers, eines faseroptischen Sensors oder alternativ von Nicht-Kontaktverfahren ein (siehe Tam, 1986 weiter oben, zu einer Übersicht). Techniken und Gerätschaft, die bei der Ultraschall-Bilderzeugung eingesetzt werden, können zur Anwendung kommen.
Die 1a ist eine Grafik der Bioverteilungs-Vergleichsdaten von Kontrastmittel NC100448 versus Indocyaningrün als Kontrolle bei weiblichen Mäusen mit Immunschwäche, die HAT-29-Tumore haben, eine Stunde nach der intravenösen Injektion von phosphat-gepufferten Kochsalzlösungen von jedem. NC100448 wird in dem Tumor detektiert; die Kontrollverbindung wird in vernachlässigbarer Weise detektiert.
Die 1b ist eine Grafik der Vergleichs-Bioverteilungsdaten des Kontrastmittels NC100448 versus Indocyaningrün als Kontrolle bei weiblichen Mäusen mit Immunschwäche, die HT-29-Tumore haben, drei Stunden nach der intravenösen Injektion von phosphatgepufferten Kochsalzlösungen von jedem. NC100448 wird im Tumor detektiert; die Kontrollverbindung wird in vernachlässigbarer Weise detektiert. Bezüglich der 1a hat die Konzentration des Kontrastmittels in dem Tumor zugenommen, während die Konzentration im Blut abgenommen hat.
Die 2 zeigt eindimensionale Bilder, die von einer haarlosen, immunkompetenten Maus vor und nach der Injektion einer Lösung von NC100448 in die Schwanzvene erhalten werden (siehe Beispiel 7 weiter unten).
Die 3 zeigt eindimensionale Bilder, die von einer haarlosen, immunkompetenten Maus vor und nach der Injektion einer Liposomen-Suspension von Indocyaningrün in die Schwanzvene erhalten werden (siehe Beispiel 18 weiter unten).
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele beschrieben:
Beispiel 1
Suspendierte Farbstoffpartikel
Der schlecht lösliche Farbstoff 3,3'-Diethylthiatricarbocyaniniodid (Fisher) wird einer braunen 1,5-Unzen(ca. 45 ml)-Glasflasche, die ungefähr 12 ml Zirkoniumsulfat-Kügelchen von 1,1 mm Durchmesser in einer Menge enthält, die ausreicht, um 15% (Gew./Vol.) der Endsuspension auszumachen, hinzu gegeben. Die Lösung in der Flasche wird auch auf 3% Pluronic F-68 und 10% PEG-400 (Shearwater) eingestellt. Sie wird mit etwa 150 U/min bis zu insgesamt 9 Tage lang vermahlen, während welcher Zeit die Teilchengröße durch Lichtstreuung oder andere Analysenverfahren überwacht wird. Der Prozess wird gestoppt, wenn die durchschnittliche Teilchengröße 100–400 nm Durchmesser beträgt. Das erhaltene Produkt weist ein Absorptionsmaximum um eine Wellenlänge von 772 nm herum auf und kann ohne Veränderung der Teilchengröße autoklaviert werden.
Beispiel 2
Suspendierte Graphit-Teilchen
Pulverförmiger Graphit wird durch das Verfahren von Beispiel 1 verarbeitet.
Beispiel 3
Herstellung von 2-[2-[2-(4-isothiocyano)phenoxy-3-[[1,3-dihydro-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-2H-benz(e]-indol-2-yliden]ethyliden]-1-cyclohexen-1-yl]-ethenyl]-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-benz[e]indolium, inneres Salz, Natriumsalz, Reaktionsprodukt mit PEG 3400 α,ω-Diamin
Das nachstehende Reaktionsschema wurde zur Herstellung der Titelverbindung verwendet:
worin X NH-CS-NH(CH₂CH₂O)_nCH₂CH₂NH-CS-NH) ist.
Beispiel 4
Herstellung von 2-[2-[2-(4-isothiocyano)phenoxy-3-[[1,3-dihydro-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-2H-benz[e]-indol-2-yliden]ethyliden]-1-cyclohexen-1-yl]-ethenyl]-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-benz[e]indolium, inneres Salz, Natriumsalz, Reaktionsprodukt mit PEG 3400 α,ω-Diamin
Das Titelprodukt wurde analog zu demjenigen von Beispiel 3 unter Verwendung von PEG 10.000 α,ω-Diamin hergestellt.
Beispiel 5 Herstellung des Bis(thioether)-2 : 1-Farbstoff : Polymer-Reaktionsprodukts zwischen 2-[2-[2-Chlor-3-[[1,3-dihydro-1,1,-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-2H-benz[e]-indol-2-yliden]ethyliden]-5-(ethoxycarbonyl)-1-cyclohexen-1-yl]-ethenyl]-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-benz[e]indolium, inneres Salz, Natriumsalz und Hinatrium-PEG 3400-α,ω-Dithiolat, (NC 100448).
Eine Lösung von 1,9 g Poly(ethylenglykol)-α,ω-Dithiol mit einem Molekulargewicht von 3400 von Shearwater Polymers, Inc. in 8,5 ml trockenem und mit Stickstoff gespültem Dimethylformamid wurde mit 0,1 g 50%igem Natriumhydrid behandelt und danach tropfenweise unter Stickstoff bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 15 Mi nuten einer gerührten Lösung von 0,89 g 2-[2-[2-Chlor-3-[[1,3-dihydro-1,1,-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-2H-benz[e]-indol-2-yliden]ethyliden]-5-(ethoxycarbonyl)-1-cyclohexen-1-yl]-ethenyl]-1,1-dimethyl-3-(3-sulfopropyl)-1H-benz[e]-indolium in 9 ml Stickstoffgespültem wasserfreiem Dimethylformamid hinzugegeben. Nach zweieinhalb Stunden wurde die Reaktionsmischung mit überschüssigem Kohlendioxid behandelt, das Lösungsmittel wurde verdampft, und das gewünschte 2 : 1-Farbstoff-Polymer-Addukt wurde durch Säulenchromatographie (SiO₂: 15% Methanol in Chloroform) isoliert.
Die Bioverteilungsresultate sind in den 1a (1 Stunde nach der Dosierung) und 1b (3 Stunden nach der Dosierung) aufgeführt.
Beispiel 6
In eine lichtabsorbierende Hülle eingekapselte Gasbläschen
Ein Cyanin-Farbstoff der allgemeinen Struktur der Formel II mit n = 3, X = C(CH₃)₂, R₁ = H, R₂ = C₁₈H₂₀ und Z = Cl^– wird durch allgemein im Fachbereich bekannte Verfahren hergestellt (Southwick et al., 1990, Cytometry, 11, SS. 418–430; Mujumdar, S. R. et al., 1996, Bioconjugate Chem., 7, SS. 356–363). Einer Aufschlämmung von 20 μg des Farbstoffs in 1 ml 5%iger Lösung von Propylenglykol-Glycerol in Wasser werden 5 mg Phosphatidylserin (90–99,9 Mol-%) zugegeben. Die Dispersion wird auf nicht mehr als 80°C 5 Minuten lang erwärmt, danach auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Dispersion (0,8 ml) wird in eine Phiole (1 ml) übertragen und der Headspace wird mit Perfluorbutan gespült. Die Phiole wird in einem Deckelmixer 45 Sekunden lang geschüttelt, danach wird die Probe auf einen Rollertisch gestellt. Nach einer Zentrifugierung wird der Unterstand (Infranatant) mit Wasser ausgetauscht und das Waschen bzw. Reinigen wird wiederholt.
Beispiel 7
Photoakustische Bilderzeugung mit Infrarotstrahlung und NC100448
Das trockene Kontrastmittel (4,6 mg) wurde unmittelbar vor der Verwendung in 1 ml phosphatgepufferter Kochsalzlösung gelöst (Delbecco-Puffermittel). Die Lösung wurde doppelt filtriert durch einen Spritzenfilter mit einer Porengröße von 0,45 μm und danach im Dunkeln vor der Injektion aufbewahrt.
Die Testtiere waren haarlose, immunkompetente Mäuse mit einem Gewicht von etwa 23 g, die vor den Messungen i. m. anaesthesiert wurden mit 5 μl Xylazin (Rompun) und 10 μl Ketamin.
Das Bestrahlungslicht wurde durch einen Alexandrit-Laser, welcher mit einer Frequenz von 750 nm betrieben wurde, geliefert. Der Lichtstrahl wurde mit einem Filter von neutraler Dichte abgeschwächt, so dass die von jedem Impuls auf die Haut der Mäuse übertragene Energie weniger als 50 Millijoules betrug.
Für die Bilderzeugung ruhte die Maus auf dem akustischen Lithiumniobat-Messwertumformer. Das photoakustische Signal wurde detektiert, nachdem es auf die von der einfallenden Strahlung gegenüberliegende Seite der Maus geleitet wurde. Das Signal wurde detektiert, nachdem es durch den Körper der Maus hindurch auf die gegenüberliegende Seite vom Bestrahlungspunkt aus geleitet wurde.
Vor der Injektion des Kontrastmittels wurde die erste Maus auf dem Rücken auf den Messwertumformer gelegt, um so das interne Signal zu maximieren, wenn die Haut oberhalb der Leber bestrahlt wurde. Der Lichtstrahl war viel kleiner als die Leber selbst, und das detektierte Signal stammte vermutlich von Blutgefäßen innerhalb der Leber.
Die injizierte Dosis betrug 100 μl, injiziert intravenös in die Schwanzvene mit einer 26-kalibrigen(Gauge)-Nadel. Unmittelbar im Anschluss an die Injektion wurde die Maus erneut für ein maximales Signal positioniert. Das detektierte Maximalsignal von den Blutgefäßen der Leber war 5- bis 10-mal größer als das vor der Injektion des Mittels erhaltene, wie in 2 gezeigt ist.
Die 2 zeigt eindimensionale Bilder, die von einer haarlosen, immunkompetenten Maus vor und nach der Injektion einer Lösung von NC100448 in die Schwanzvene erhalten wurden. Der rechte Rand jeder Spur entspricht dem Punkt, an welchem die Haut bestrahlt wurde. Das absorbierte Licht erzeugte eine Druckwelle, die durch den Körper der Maus hindurchging und mit einem Messwertumformer, der ein in Millivolt gemessenes elektrisches Signal erzeugt, detektiert. Die Bodenachse (Abszisse) zeigt die Zeit im Anschluss an den Strahlungsimpuls. Die Komponenten der Druckwelle, die innerhalb des Körpers der Maus erzeugt wurden, waren diejenigen, die zuerst detektiert wurden und auf der linken Seite der Spur erscheinen. Die Komponente der auf der Haut erzeugten Spur wurde später detektiert und erscheint auf der rechten Seite. Die Tiefe innerhalb der Maus des Ausgangspunkts der Druckwelle ist proportional zu der Ankunftszeit des entsprechenden Druckimpulses. Die Skala ist im oberen Teil der Figur gezeigt.
Beispiel 8
Photoakustische Bilderzeugung mit Röntgenstrahlen und Bariumsulfat
Monochromatische Röntgenstrahlen mit einer Photonenenergie von 20 bis 30 keV werden mit einem Doppelkristallmonochromator unter Anwendung von weißer Röntgenstrahlung von einem Synchrotron erhalten. Die Strahlungsintensität wird durch einen rotierenden Bleiplattenchopper mit einer Frequenz von 10 Hz moduliert. Die Probenkammer ist eine zylindrische Zelle mit einem Volumen von etwa 0,5 ml in einem Kochsalzlösungsbad, welches zwei Berylliumfenster aufweist. Der Photonenfluss in die Probenkammer wird mit einer davor platzierten Ionisierungskammer gemessen.
Die Amplitude des photoakustischen Signals, normalisiert auf den Photonenfluss, wird gemessen, wenn die Probenkammer die Kochsalzlösung enthält und wenn sie eine Bariumsulfat-Suspension enthält. Solche Suspensionen sind leicht als Kontrastmittel für die Bilderzeugung des Magen-Darm-Trakts verfügbar. Andere Suspensionen von Schwermetalle enthaltenden Teilchen sind ebenfalls geeignet. Das Signal ist größer, wenn die Kammer das Kontrastmittel enthält.
Beispiel 9
Photoakustische Bilderzeugung mit Röntgenstrahlen und Iodixanol
Monochromatische Röntgenstrahlen mit einer Photonenenergie von 20 bis 30 keV werden mit einem Doppelkristallmonochromator unter Anwendung von weißer Röntgenstrahlung von einem Synchrotron erhalten. Die Strahlungsintensität wird durch einen rotierenden Bleiplattenchopper mit einer Frequenz von 10 Hz moduliert. Die Probenkammer ist eine zylindrische Zelle mit einem Volumen von etwa 0,5 ml in einem Kochsalzlösungsbad, welches zwei Berylliumfenster aufweist. Der Photonenfluss in die Probenkammer wird mit einer davor platzierten Ionisierungskammer gemessen.
Die Amplitude des photoakustischen Signals, normalisiert auf den Photonenfluss, wird gemessen, wenn die Probenkammer die Kochsalzlösung enthält und wenn sie eine Lösung von Iodixanol in PBS enthält. Iodixanol ist ein bekanntes lösliches Kontrastmitel. Andere lösliche Kontrastmittel, die Iod enthalten, können ebenfalls verwendet werden. Das Signal ist größer, wenn die Kammer das Kontrastmittel enthält.
Beispiel 10
Photoakustische Bilderzeugung mit Mikrowellen und suspendierten superparamagnetischen Teilchen
Mikrowellenstrahlung wird durch ein gepulstes Klystron, das mit 2,45 GHz betrieben wird, erzeugt. Das Klystron ist mit einem Wellenleiter gekoppelt, der in einer Hornantenne in 30 cm Entfernung von dem Probenbehälter endet, welcher aus Teflon besteht. Der Probenbehälter hat einen Durchmesser von 1 cm und wird in ein Bad von Liposyn eingetaucht.
Das akustische Signal, das jedem Strahlungsimpuls folgt, wird mit einem akustischen Lithiumniobat-Messwertumformer, der auf der Wand des Bades platziert ist, detektiert. Die Übertragungszeit des akustischen Signals von der Probe zu der Wand des Bades ist proportional zu dem Abstand der Probe von der Wand des Bades.
Die Amplitude des erhaltenen Signals, wenn der Probenbehälter die flüssige Suspension von superparamagnetischen Teilchen enthält, ist größer als jene, die erhalten wird, wenn der Probenbehälter PBS-Puffer enthält.
Beispiel 11
Formulierung von Indocyaningrün in einem Liposom
Indocyaningrün (ICG) wurde einer Liposomen-Suspension, die aus 8,2% Lecithin (Phosphatidylcholin), 0,8% Dimyristalphosphatidylglycerol und 0,1% eines nichtionischen polymeren Tensids, P-79, gebildet war, zugegeben, die so ausgelegt ist, um dem Liposom eine verlängerte Blutpoolverweildauer zu verleihen. Die Phospholipide und das Tensid wurden in Wasser mit Hilfe von Ultraschallenergie von einem Probenbeschaller vermischt (Bransonic Sonifier 450, 90% Betriebszyklus, Ausgangsleistung 10). Liposomen wurden unter Verwendung eines Microfluidics M110S-Mikrofluidizers bei 14.000 PSI und 4 Durchläufen der Phospholipidmischung durch die Interaktions- bzw. Wechselwirkungskammer hergestellt. Die erhaltenen Liposomen hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 100 nm, wie durch Lichtstreuung bestimmt, und blieben von gleicher Größe nach der Autoklaven-Sterilisation. Ferner waren diese Liposomen in der Lage, durch einen Steril-Filter zu passieren (d. h. 0,2 μm Porengröße). Die Zugabe von ICG in einer ausreichenden Menge, um die Suspension etwa 7 mg/ml bzgl. ICG werden zu lassen, veränderte die physikalischen Charakteristika der liposomalen Suspensionen nicht. Nach der Sterilisierung unter einer Stickstoffatmosphäre waren diese ICG-Liposomen für mindestens 6 Wochen bei Raumtemperatur stabil.
Die Bewertung der spektralen Eigenschaften des liposomalen ICG im Verhältnis zu in Wasser oder Kochsalzlösung gelöstem ICG zeigte den Einfluss der liposomalen Umgebung Sowohl die maximale Anregungswellenlänge als auch die Emissionswellenlänge wurden auf niedrigere Energien (d. h. höhere Wellenlängen) verändert im Verhältnis zu den homogenen Wasserlösungen. Zudem zeigen sorgfältige Messungen der Quantenausbeute mindestens eine 4fache Zunahme der Quantenausbeute des Liposom-ICGs im Verhältnis zu den wässrigen ICG-Lösungen. Nichtsdestotrotz wird erwartet, dass Strahlung mit Licht des Absorptionsmaximums von ICG zu der Erzeugung von Druckwellen führt, ausgehend von der Grenzfläche zwischen dem Liposom und dem wässrigen Hauptmilieu, die durch ein akustisches Signal für Bilderzeugungsanwendungen detektierbar sind.
Beispiel 12
Liposomale Suspension von röntgenstrahlenabsorbierendem Farbstoff für die photoakustische Bilderzeugung
Liposomen (CTP-10) von Phosphatidylcholin und Phosphatidylserin in einem Molverhältnis von 10 zu 1 wurden durch Extrusion durch Etagenfilter von 1 μm Porengröße unter Druck hergestellt. Diese Liposomen wurden in einer Lösung, die 400 mg/ml Iodixanol, ein iodiertes lösliches Röntgenstrahl-Kontrastmittel, enthielt, hergestellt. Somit enthielt jedes Liposom eine signifikante Menge an iodiertem Kontrastmittel innerhalb des inneren wässrigen Pools des Liposoms. Diese Formulierung von Liposom-verkapseltem CT-Röntgenstrahlungs-Kontrastmittel (d. h. Iodixanol) wurde an Kaninchen als einzelner Bolus von 150 mg Iod/kg, ein geteilter Bolus von 2 × 75 mg Iod/kg und eine 10-Minuten-Infusion von 80 mg l/Minute (Gesamtdosis = 800 mg l oder etwa 265 mg Iod/kg mit 1 ml/min) verabreicht. Eine Röntgenstrahl-Bilderzeugung wurde mit einem GE-Spiral-CT-Scanner am Palo Alto Veterans Hospital, Palo Alto, Kalifornien, durchgeführt. Weder der einzelne Bolus noch der geteilte Bolus sorgten für eine signifikante Bluttrübung über 1 Minute hinaus nach der Verabreichung. Die Infusion sorgt jedoch für eine nützliche Trübung des Bluts während der Infusion sowie eine Lebervergrößerung. Selbst nach 5 Minuten während der Infusion liegt der Kontrast der Aorta ungefähr 125 HU, mindestens 50 HU oberhalb der Hintergrund-Trübungswerte.
Bezüglich der photoakustischen Bilderzeugung zeigen die CT-Daten klar die Anteile des innerhalb der verschiedenen Strukturen (d. h. Leber, Blut) vorhandenen Kontrastmittels. Die derzeitige Annahme auf dem Gebiet ist die, dass alle 30 HU angenähert 1 mg/g Iod oder noch angenäherter 2 mg Kontrastmittel/g Gewebe entspricht. Auf diese Weise werden Kontrastmittelwerte von bis zu 8–10 mg/g Gewebe in den oben genannten Dosierungsregimen erzielt. Es wird erwartet, dass auf oder in der Nähe des Körpers des Kaninchens befindliche Detektoren die durch die Ausdehnung des Liposoms selbst nach Aussetzen an diagnostische Röntgenstrahlung erzeugten Signale infolge der Wärme innerhalb des Liposoms von der Absorption der Röntgenstrahlung durch die Röntgenstrahlen-Konstrastmittel aufnehmen würden. Wenn der Röntgenstrahl entweder elektronisch oder mittels eines Verschlusses moduliert werden könnte, könnte das photoakustische Signal für die Tiefenprofilierung sowie die planare Bilderzeugung verwendet werden.
Beispiel 13
Herstellung einer stabilen Emulsion von Sudan III
Sudan III (auch als D&C Rot Nr. 17, Lösungsmittel Rot, Cerasin Rot bekannt) ist überaus wasserunlöslich, aber löslich in Sesamöl, einem allgemein bekannten Öl für parenterale Öl-in-Wasser-Emulsionen (z. B. Intralipid Liposyn etc.), und besitzt eine maximale Wellenlänge der Lichtabsorption von 507 nm. Mithin wurde eine Emulsion von Sudan III wie folgt hergestellt: Eine gesättigte Lösung von Sudan III in Sesamöl wurde durch sanftes Rotieren lassen des Behälters über das Wochenende (etwa 72 h) hergestellt. Die Öllösung wurde danach durch einen 5-μm-Spritzenfilter, gefolgt von einem 0,8-μm-Filter, filtriert, um ungelöstes festes Sudan III zu entfernen. Die resultierende gesättigte Lösung wurde danach in Wasser in einem Verhältnis von 10% „Öl" zu 90% wässrige Tensidlösung unter Anwendung von Ultraschallenergie, gefolgt von Milkrofluidifizierung bei etwa 14.000 PSI, emulgiert, bis eine konstante Tröpfchengröße erreicht wurde. Die Tröpfchengröße wurde durch Lichtstreuung mit Hilfe einer Horiba 910-Lichtstreuungsvorrichtung und eines volumengewichteten Durchnittswerts bestimmt. Die sich ergebenden Emulsionen wurden auch durch herkömmliche Dampfsterilisation sterilisiert, und die Tröpfchengröße wurde wiederum mit den folgenden Resultaten gemessen:
P79, beschrieben in Beispiel 2k der internationalen Patentveröffentlichung WO 96/07434, ist ein PEG-Doppelester mit einem Molekulargewicht von etwa 10.000 und der Formel: CH₃(CH₂)₁₃COO(CH₂)₁₅COO((CH₂)-O)_nCH₃. P79 ist ein polymeres Tensid, welches beträchtlich zu der Fähigkeit zur Bildung eines kleinen Emulsionströpfchens von mit Sudan III gesättigtem Sesamöl beizutragen scheint. Die resultierende, rosa gefärbte Emulsion ist im Regal stabil.
Es wird erwartet, dass nach der Bestrahlung mit Licht von 507 nm diese Öltröpfchen sich ausbreiten und eine Druckwelle von ihrer Wassergrenzfläche erzeugen infolge der Freisetzung von Wärme von dem nach der Lichtabsorption angeregten Farbstoff. Somit liefert eine modulierte Lichtquelle eine Tiefenprofilierung durch akustische Detektion, während eine kontinuierliche Bestrahlung eine photoakustische Mikroskopie ermöglicht.
Beispiel 14
Liposomen wurden wie in Beispiel 11 weiter oben unter Zugabe des wasserlöslichen absorbierenden Farbstoffs, wie des in der US-Patentanmeldungs-Serien-Nr. 08/848 586 unter dem Titel „Method of tumor treatment" (Verfahren zur Tumorbehandlung), eingereicht am 29. April 1997 im Namen von William Anthony Sanderson und in der internationalen Patentanmeldungs-Serien-Nr. PCT/GB98/01245, beschriebenen, hergestellt. Wiederum erzeugten die Liposomen selbst eine Druckwelle als eine Folge der Lichtabsorption bei der geeigneten Wellenlänge des innerhalb des wässrigen Pools des Liposoms eingekapselten Farbstoffs. Diese Druckwelle wäre für die akustische Bilderzeugung nützlich, womit das photoakustische Bilderzeugungsparadigma vollendet wird.
Beispiel 15
Herstellung einer superparamagnetischen Teilchensuspension
Eine Teilchensuspension wurde gemäß dem in Beispiel 1 der WO 97/25073 beschriebenen Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte hergestellt:
A. Herstellung-einer Stärkelösung

1. 50 g lösliche Kartoffelstärke (CAS Nr. 9005-84-9) in 850 g siedendem entionisiertem Wasser suspendieren und mischen.
2. Zum Sieden bringen und unmittelbar nach dem Sieden die Stärkelösung in ein Wasserbad von 55°C geben.

B. Zusetzung von Eisen und Ammoniumhydroxid zu Stärke

1. 9,0 g FeCl₃·6H₂O und 3,3 g FeCl₂·4H₂O (2 : 1-Molverhältnis FeIII zu FeII) in einem Gesamtvolumen von 50 ml entionisiertem Wasser lösen.
2. Nachdem die Stärkelösung auf beständige 55°C abgekühlt ist, die Eisenlösung in die Stärkelösung schütten, gründlich mischen und 50 ml eines 30%igen (konz.) NH₄OH hinzugeben.
3. Die erhaltene Lösung erwärmen, um die Temperatur auf 89°C über einen Zeitraum von 2 Stunden zu erhöhen und auf 89°C über einen Zeitraum von 50 Minuten halten.
4. Nach einer 170-minütigen Erwärmung auf dem Wasserbad, über Nacht bei 4°C abkühlen lassen.

C. Waschprozedur
Waschen durch Pumpen von kaltem, entionisiertem Wasser durch die abgesetzte bzw. geklärte Suspension, bis der pH-Wert weniger als 8,5 beträgt.
D. Oxidative Aufspaltung mit Natriumhypochlorit
Eine Dosistitration der Menge an Natriumhypochlorit (Hypo) pro Gramm Gel erfolgt bei einer neuen Charge, um die Produktion zu optimieren. Die Erzeugung von magnetischen Teilchen wird durch Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) bezüglich der Größe und dem Dispersionsgrad und durch Bestimmung der Wasserprotonen-Relaxationsraten bewertet.

a. 1,8 ml 5%iges Hypochlorit pro 12,5 mg Fe/5 g Suspension behandeln. Volumen von Hypochlorit auf die Konzentration von verfügbarem Chlor und die mg an Fe in 5 Gramm Suspension einstellen.
b. Suspension auswiegen, Hypochlorit zusetzen und im Wasserbad bei 70°C 45 Minuten lang erwärmen.
c: 8M Harnstoff (0,8 ml/5 g Suspension) nach der Erwärmung zugeben. Harnstoff desaktiviert überschüssiges Hypochlorit.
d. Diafiltrieren mit Hilfe einer Membran (MG-Cutoff < 100 kD), bis das gesamte freie Fe und CHO entfernt sind.

Eine schwarze Suspension wurde erhalten, die, wie sich herausstellte, ungefähr 8% Eisen enthielt (bestmmt durch ICP).
Beispiel 16
Temperaturanstiegsrate einer superparamagnetischen Teilchensuspension infolge Mikrowellenstrahlung
Ein Experiment wurde durchgeführt, um zu zeigen, dass eine superparamagnetische Teilchensuspension ein erhöhtes Ansprechen auf Mikrowellenstrahlung im Vergleich zu Wasser zeigt. Ein 125-ml-Erlenmayer-Glaskolben wurde mit 100 ml einer superparamagnetischen Teilchensuspension, die wie in Beispiel 15 weiter oben hergestellt wurde, befüllt. Ein identischer Kolben wurde mit 100 ml destilliertem Wasser befüllt. Die zwei Kolben wurden auf eine drehbare Karussellarbeitsbühne innerhalb eines Sharp-Karussell-Haushaltsmikrowellenofens (Modell R-5A97) platziert. Der Mikrowellenofen wurde danach mit einem Leistungswert von 5 (50% der Maximalleistung) während 20-Sekunden-Intervallen betrieben, während welcher Zeit die Karusselarbeitsbühne sich drehte. Zwischen den 20-Sekunden-Betriebsintervallen wurde die Temperatur jeder Probe durch rasches Entnehmen der Probe, wobei die Temperatur mit einem Thermometer gemessen wurde, und durch rasches Zurückstellen von dieser in den Mikrowellenofen gemessen. Die Temperaturen wurden aufgezeichnet und der 20-Sekunden-Betriebszyklus wurde rasch wiederholt. Nach einer Reihe von Wiederholungen dieses Vorgangs wurde das Experiment beendet. Um den Trend, der bei den Resultaten festzustellen war, zu bestätigen, wurde das gesamte Experiment mit einer zweiten Probe der superparamagnetischen Teilchensuspension und einer zweiten Probe von destilliertem Wasser wiederholt. Die Resultate sind unten stehend aufgeführt:
Beispiel 17
Herstellung von liposomverkapseltem Indocyaningrün
Die Lösung A enthielt 435,06 mg/ml Iohexol, 10,88 mg/ml P79 und 6,44 mg/ml ICG in 25 ml NanoPure-Wasser.
Die Lösung B bestand aus 4,1% Tris-HCl und 0,41% EDTA in NanoPure-Wasser.
23,56 ml Lösung A wurden 1,44 g einer 10 : 1-Mischung von Phosphatidylcholin und Phosphatidylserin hinzugegeben. Die resultierende Lösung wurde unter Rühren auf 80°C erwärmt, bis die Phospholipide sich vom festen in den Gelzustand umwandelten. Die Mischung wurde dann erwärmt und 20 Minuten lang gerührt. Es gab ein beträchtliches Aufschäumen. Das durch Verdampfung verlorene Wasser wurde ersetzt. Die heiße Lösung wurde 20 Sekunden lang (24.000 U/min) homogenisiert und wurde danach unmittelbar bei 80°C durch sieben 1-μm-Polycarbonat-Etagenmembranen bei 100–150 psi extrudiert. Etwas grüne Farbe blieb auf den Filtern zurück. Das Endprodukt wurde durch Hinzufügen von 1 Teil Lösung B zu 40 Teilen der extrudierten Mischung hergestellt. Es wurde gefroren bzw. fest werden gelassen und 4 Tage lang aufbewahrt, bevor es 4 Stunden lang bei Raumtemperatur aufgetaut wurde.
Beispiel 18
Photoakustische Bilderzeugung mit Infrarotstrahlung und liposomverkapseltem Indocyaningrün
Die Bilderzeugungsverfahrensweise war die gleiche wie die in Beispiel 7 beschriebene. Nachdem die maximalen Signale vom Bereich der Lebern und der Flanken gefunden waren, wurden zwei Mäuse jeweils mit 100 μl liposomalem Indocyaningrün injiziert. Eine Massage wurde angewandt, um die viskose Lösung von der Schwanzvene in das Blutgefäßsystem als Ganzes zu befördern. Die maximalen Signale von den Lebern und Flanken wurden erneut aufgezeichnet. Die durch das Kontrastmittel erzeugte Signalverstärkung war das 5- bis 6fache, wie in 3 gezeigt.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Bildes eines lebenden menschlichen oder nicht-menschlichen, tierischen Körpers oder eines Teils hiervon, welchem vorausgehend ein physiologisch tolerierbares Kontrastmittel, das eine druckinduzierende Komponente umfaßt, verabreicht worden ist, wobei das Verfahren das Aussetzen des Körpers gegenüber Strahlung, Detektieren von Druckwellen, welche in dem Körper durch die Strahlung erzeugt worden sind, und Erzeugen eines optoakustischen Bildes daraus mindestens eines Teils des Körpers, welcher das Kontrastmittel enthält, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontrastmittel zusätzlich eine strahlungsabsorbierende Komponente umfaßt.
Verwendung eines physiologisch tolerierbaren Kontrastmittels, umfassend eine druckindizierende Komponente, zur Herstellung eines Kontrastmediums zur Verabreichung an einen lebenden menschlichen oder nicht-menschlichen, tierischen Körper zur Behandlung oder Diagnose des Tieres oder eines Teils hiervon, einschließlich Erzeugung eines photoakustischen Bildes des Körpers.
Verwendung nach Anspruch 3, wobei das Kontrastmittel zusätzlich eine strahlungsabsorbierende Komponente umfaßt.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Strahlung mit einer Wellenlänge von 300–1300 nm verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 5, wobei Strahlung mit einer Wellenlänge von 600–1300 nm verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 5, wobei Strahlung mit einer Wellenlänge von 625–1200 nm verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 5, wobei Strahlung mit einer Wellenlänge von 650–1000 nm verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Röntgen- oder Gammastrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 0,1 μm verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 0,3 GHz bis 30 GHz verwendet wird.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei kurze Impulse an Strahlung verwendet werden.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 2 und 4 bis 8, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente eine Farbstoffverbindung beinhaltet.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Farbstoffverbindung aus der Gruppe gewählt ist, umfassend Cyaninfarbstoffe, Squaryliumfarbstoffe, Croconium, Phthaiocyaninfarbstoffe, Naphthalocyaninfarbstoffe, Xanthenfarbstoffe, Dibenzxanthenfarbstoffe, Merocyaninfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe oder Porphyrine.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Farbstoffverbindung die Formel I besitzt:
worin bedeuten jedes Z₁ unabhängig gewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Wasserstoff, Methylgruppe, wahlweise substituiert mit einem Substituenten, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat, und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxy poly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können, Ethylgruppe, wahlweise substituiert mit einem oder zwei Substituenten, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl), wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können, Ethylengruppe, wahlweise substituiert mit einem oder zwei Substituenten, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxyl, Carboxyl, Sulfonat, Phosphonat und Poly(alkylenoxidyl) wie ω-Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und ω-Methoxypoly(ethylenoxidyl), deren Molekulargewichte bis zu etwa 50.000 betragen können, C_3-16-Alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Alkoxylethergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Carboxyalkylestergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Oxycarbonylalkylestergruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Carbonylaminoalkylamidgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Aminocarbonylalkylamidgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, Carbonsäuregruppe, welche eine Carboxylatgruppe sein kann, Sulfonatgruppe, Hydroxylgruppe, Phosphatgruppe, C_1-16-Sulfonamidoalkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Aminosulfonylalkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Aminocarbonylaminoalkylharnstoffgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Aminothiocarbonylaminoalkylthioharnstoffgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, Phenyl-C_1-16-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, Phenoxy-C_1-16-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, C_1-16-Phenyloxyalkylgruppe, deren Alkylteil wie oben definiert ist, Oxyphenoxy-C_1-16-alkylgruppe, deren Alkylteil wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, Poly(alkylenoxidyl)-gruppe, wie Hydroxypoly(ethylenoxidyl) und Methoxypoly(ethylenoxidyl) mit einem Molekulargewicht bis zu etwa 50.000, und ringförmiger aromatischer Ring, umfassend einen Benz[e]-aromatischen Ring, einen Benz[f]-aromatischen Ring oder einen Benz[g]-aromatischen Ring, worin e, f und g mit Bezug auf die Indolstruktur als ein Templat definiert sind, und wobei jeder Ring substituiert sein kann durch C_1-16-Alkyl, C_1-16-Alkoxyl, Carboxyl, Sulfonat, Sulfonamido, Phenyl, Poly(alkylenoxidyl) oder Phenoxylgruppen, wie oben definiert; jedes R₁' unabhängig gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Methyl und einer C_2-16-Alkylgruppe, einschließlich einer substituierten Alkylgruppe, worin Alkyl wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, jedes X unabhängig gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus O, N-R₁', S, Se, Te, CH=CH und (CH₃)₂C; und Q₁ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus: (CH=CH)_n, worin n einen Wert von 1 bis 6 besitzt,
worin Z₂ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus H, Chlor, O-Alkyl, S-Alkyl, worin Alkyl wahlweise substituiert ist, wie oben definiert, O-Poly(alkylenoxidyl), S-Poly(alkylenoxidyl), worin Poly(alkylenoxidyl) wie oben definiert ist und ebenso Poly(alkylenoxid)-gruppen beinhaltet, an welche ein anderer Farbstoff am ω-Ende gebunden ist, O-Phenyl, S-Phenyl, worin die Phenylgruppen substituiert sein können mit Alkylgruppen, wahlweise substituiert, wie oben definiert, O-Alkylgruppen, wie oben definiert, S-Alkylgruppen, wie oben definiert, Aminothiocarbonylaminoalkylgruppen und Aminothiocarbonylaminophenylgruppen, und Z₃ aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus H, Carboxyiat und Carboxyalkyl, worin Alkyl wie oben definiert ist, Carbonylaminoalkyl, worin Alkyl wie oben definiert ist, und Carbonylaminophenyl, worin Phenyl wie oben definiert ist, und
und Z^– ein physiologisch tolerierbares Gegenion ist, vorzugsweise I, Br, Cl, oder OAc.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Farbstoffverbindung die Formel II besitzt:
worin bedeuten: n eine ganze Zahl mit einem Wert von 1 bis 6; jedes R₁, welche gleich oder verschieden sein können, ein Wasserstoffatom oder eine solubilisierende Gruppe oder wobei benachbarte R₁-Substituenten zusammen mit den Ringkohlenstoffen, an welche sie gebunden sind, eine Ringstruktur bilden können, vorzugsweise einen 5- oder 6-gliedrigen Ring; jedes R₂, welche gleich oder verschieden sein können, ein Wasserstoffatom oder eine lipophile Gruppe, alternativ jedes R₂ eine wahlweise ungesättigte C_2-8-Alkylgruppe sein kann, welche an eine oder mehrere solubilsierende Gruppen gebunden ist; jedes X, welche gleich oder verschieden sein können, jeweils O, S, -CH=CHoder C(R₃)₂, worin jedes R₃, welche gleich oder verschieden sein können, ein Wasserstoffatom oder weiter vorzugsweise eine Methyl- oder Ethylgruppe bedeutet; Z ein physiologisch tolerierbares Gegenion, vorzugsweise I, Br oder Cl; jede solubilisierende Gruppe, welche gleich oder verschieden sein können, ist eine Sulfat-, Carboxylat-, Phosphat-, Hydroxy-, Oxysäure- oder Thiolgruppe, oder eine C_1-8-Alkylgruppe, welche mit einer oder mehreren solcher Gruppen substituiert ist.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente ein Element mit einer Atomzahl von größer als 20 umfaßt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 16, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente ein Element umfaßt, gewählt aus Barium, Wolfram, Iod, Brom, Wismut und Lanthanidenelementen.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente eine iodierte Verbindung beinhaltet, enthaltend mindestens ein Atom Iod pro Molekül, vorzugsweise mindestens drei Atome Iod pro Molekül, weiter vorzugsweise mindestens sechs Atome Iod pro Molekül.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 16, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente eine hochiodierte aromatische Verbindung beinhaltet.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente in Form einer Suspension fester Teilchen in einer physiologisch akzeptierbaren Flüssigkeit vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei die strahlungsabsorbierende Komponente in Form eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines gasförmigen Materials, eingekapselt in Mizellen oder Liposome, vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 21, wobei das gasförmige Material Xenon ist.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Kontrastmittel in Form einer Suspension fester oder flüssiger Teilchen in einer physiologisch annehmbaren Flüssigkeit vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 20 oder Anspruch 23, wobei die Teilchen Durchmesser von 100 bis 500 nm besitzen.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Kontrastmittel in Form eines Feststoffs oder eines flüssigen Materials, eingekapselt in Mizellen oder Liposome, vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Kontrastmittel in Form einer Suspension superparamagnetischer Teilchen in einer physiologisch annehmbaren Flüssigkeit vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 26, wobei die Teilchen Durchmesser von 5 bis 30 nm besitzen.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Kontrastmittel in Form einer Suspension von Teilchen eines keramischen Materials, gewählt aus CO₂O₃, MnO₂, NiO und CuO, in einer physiologisch annehmbaren Flüssigkeit vorliegt.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kontrastmittel einen aktiven Zielliganden umfaßt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 29, wobei der aktive Zielligand in der Lage ist, an einen Dihydrofolat-Reduktase-Rezeptor zu binden.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die druckinduzierende Komponente ein Gas ist.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 31, wobei das Gas Xenon oder ein Perfluorkohlenstoff ist.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei die druckinduzierende Komponente ein Gasvorläufer ist.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 33, wobei der Gasvorläufer gewählt ist aus Graphit, Aminomalonaten, Carbonaten, Bicarbonaten, physiologisch annehmbaren Diazoniumverbindungen, Carbonatestern, enthaltend Gruppen des Typs -CO-O-CR¹R²-O-CO-OR³, und β-Ketosäuren.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei die druckinduzierende Komponente ein Öl-in-Wasser-Emulsionströpfchen ist.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 35, wobei das Emulsionströpfchen einen lichtabsorbierenden, liphophilen Farbstoff umfaßt.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 35, wobei das Emulsionströpfchen hydrophobe, lichtabsorbierende Teilchen enthält.
Verfahren oder Verwendung nach Anspruch 36, wobei die lichtabsorbierenden Teilchen Teilchen aus Graphit und/oder oberflächenmodifizierte Pigmentteilchen umfassen.
Kit aus Teilen für ein Verfahren oder die Verwendung nach Anspruch 2 oder 4, umfassend sowohl eine strahlungsabsorbierende Komponente nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22 als auch eine druckinduzierende Komponente nach mindestens einem der Ansprüche 31 bis 36, wobei die Komponenten geeignet sind für die separate, gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Verabreichung an einen lebenden Menschen oder ein nicht-menschliches Tier.
Verfahren oder Verwendung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kontrastmittel mindestens eine chromophore Gruppe umfaßt, gebunden an ein Tensidmolekül.