[发明专利]在分子诊断试剂的光激活检测中改进选择性的方法

说明书

本发明是在(美国)政府支持下，根据由美国能源部授予洛克希德马丁能源系统公司的第DE-AC05-84OR21400号合同而进行的。洛克希德马丁能源系统以及橡树岭联合大学已经向诸发明人放弃发明权。根据由美国能源部授予的第DE-AC05-84OR21400号合同，政府在此项发明中享有权利。

本发明一般地涉及用于从远方实现一种或多种分子试剂的空间选择光激活以及用于改进由此产生的诸诊断信号的检测的方法与装置。为了实现光激活而讲授的本方法利用非线性光学激发的诸特性，以便以高度的空间的和分子的特异性将一种试剂从一种分子能级推向另一种。本方法的诸特性可用于激活各种内源性和外源性的成像试剂，特别是在人和动物的疾病诊断中提供独特的优点。具体地说，在近红外到红外辐射的波长范围内，使用非线性激发方法有利于在深部组织中诸诊断试剂的受控激活，跟当前使用的各种方法和各种辐射相比，近红外和红外辐射在一个较小范围内被吸收和散射。将这些非线性激发方法与先进的信号编码和处理方法相结合，大大地增加了在诸诊断信号检测中的灵敏度。

在许多领域中，特别是在医学诊断领域中，迫切地需要一种能够选择性地控制各种分子试剂的远方激活，并且在激活过程中产生很少的副作用。在激发方面所期待的改进包括改进对激活部位和深度的空间的和时间的控制，减少对其他处于同一位置的或最接近的分子试剂或结构的不希望有的激活，并且在所希望的分子试剂与不希望的分子试剂的激活中增加前者的优先权。已经研制了各种线性的和非线性的光学方法，用以在非常特殊的条件下对某些这样的试剂提供某些这样的改进。然而，一般来说，这些方法的性能和可用性尚未达到所期望的程度。具体地说，需要这样的几种改进的光激活方法，它们可以被用来对多种分子诊断试剂进行选择性的光激活，并且在这种光激活的应用的控制上提供改进的性能。

将光辐射作为一种对分子探测器进行远方激活的手段来应用已经有很多年的历史了。具体地说，线性的光学激发方法已经作为一种对分子诊断试剂进行半选择性激活的手段而被广泛地应用。当一种目标试剂，例如一种分子诊断试剂，经受一种由单光子提供能量吸收的特定的光化学或光物理过程(例如荧光发射)时，便产生线性的光学激发。在许多情况下，这些过程是非常有效的，并且这些过程的使用对多种应用来说是有吸引力的。不幸的是，这些线性方法并不总是像所希望的那样成功。例如，已经强有力地证明，用紫外辐射来激发某些分子探测器会使人和动物产生疾病，诸如诱发皮肤癌，还有其他不希望的副作用。而且，主要是由于该入射的用于探测的辐射在接近这些试剂的线性吸收波长带的波长时出现光学散射和吸收，其结果是，在分子试剂的线性光学激发中，为了达到所期待的穿透深度，人们已经投入了最大的努力。作为一个例子，Wachter和Fisher(E.A.Wachter和W.G.Fisher，“用于在高分子基质合成物中评估结构弱点的方法与装置”，美国专利5,483,338号)讲授了一种在分子探测器试剂中能够灵敏地进行化学变化成像的快速光学方法；然而，由于该入射探测器辐射的散射和吸收，该方法仅适用于局部分析。Vo-Dinh和他的同事(T.Vo-Dinh,M.Panjehpour,B.F.Overholt,C.Farris,F.P.Buckley Ⅲ和R.Sneed，“在食管癌活体诊断中使用微分归一化荧光(Dnf)指标”，外科和医学中的激光，16(1995)41-47；以及M.Panjehpour,B.F.Overholt,J.L.Schmidhammer,C.Farris,P.F.Buckley，和T.Vo-Dinh，“食管癌的光谱学诊断：新的分类模型，改进的测量系统”，胃肠内窥术，41(1995)577-581)讲授了将类似的线性的光学探测器方法用于检测人体中的患病组织；然而，由于该入射探测器辐射的散射和吸收，这个方案也因为达不到所期望的穿透深度以及局限于检测表面损伤而受到困扰。同样，由于这种类型的激发与激发功率线性相关，这样的方法不能提供沿着该光学路径对探测器激发位置进行限制的有效手段。事实上，由于入射光辐射被周围的基质所散射和吸收，在探测器分子种类的激发中不良的特异性，以及缺乏用以精确地控制激活的范围和深度的适当的物理机制，使得所有使用线性光学激发的实例实质上都受到基本性能限制的困扰。