两亲性方酸菁染料、其制备方法及其用途 【技术领域】
本发明涉及在光动力学诊断、生物学、生物化学和工业应用中作为近红外荧光探针的具有如下式(1)的通式的两亲性方酸菁(squaraine)染料及其药物上可接受的衍生物，
式1
其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4-8，或-(CH2)n-CO2X，n＝3-6，X＝H、琥珀酰胺基，和R2＝-CH3或-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4-8。
本发明还涉及制备通式1的方酸菁染料的方法及这种敏化剂用作光动力学、诊断及生物学、生物化学和工业应用中的近红外荧光探针的用途。
本发明还涉及通式1的方酸菁染料或其药物上可接受的衍生物，用于在检测人或动物体内的癌症和其它疾病的光动力学应用中作为近红外荧光探针。
本发明还涉及通式1的方酸菁染料或其药物上可接受的衍生物，用作生物学应用的近红外荧光探针。本研究还涉及能用作蛋白质标记的近红外荧光探针的通式1的方酸菁染料。本研究还涉及能用作免疫分析的近红外荧光探针的通式1的方酸菁染料。本发明还涉及制备用于光动力工业应用如流体和水的灭菌和相关其它应用的通式1的方酸菁染料和/或其衍生物的方法。
背景技术
光动力学疗法(PDT)是用于癌症和各种疾病的诊断和治疗的一种新兴形式，其涉及光和光敏剂的综合作用。可以参考Lane，N.ScientificAmerican 2003，38-45；Bonnett，R.Chem.Soc.Rev.1995，24，19；Dougherty，T.J.Photochem.Photobiol.1987，45，879；Kessel，D.；Dougherty，T.J.Phorphyrin Photosensitization；Plenum Publishing Corp.New York，1983。该方法需要能够被目标组织吸收且在被特定波长的光激发时产生对这些组织有毒性的物质的光敏化剂的存在。光动力学疗法由于光动力学方法的选择性而具有超过许多常规疗法的优势。在肿瘤组织中具有比正常组织更多的光敏剂，这降低了破坏正常组织的可能性。此外，通过利用光纤技术能够将光特别引导到目标细胞和组织上，这进一步增加了该方法的选择性。同样，在光激发前不产生反应的光敏化剂的采用也显著降低了副作用的可能。
在PDT中，肿瘤组织的检测(诊断)与杀死肿瘤细胞(治疗)相比同等重要。近红外(NIR)染料作为癌症检测的荧光探针目前吸引了相当多的关注。可以参考Lin，Y.；Weissleder，R.；and Tung，C.H.Bioconjugate Chem.200213，605-610；Achilefu，S.；Jimenez，H.N.；Dorshow，R.B.；Bugal，J.E.；Webb，E.G.；Wilhelm，R.R.；Rajagopalan，R.；Johler，J.；Erion，J.L.J.Med.Chem.2002 45，2003-2015；Mujumdar，S.R.；Mujumdar，R.B.；Grant，C.M.；Waggoner，A.S.BioconjugateChem.1996，7，356-362。由于组织对于NIR光是相对透明的，NIR荧光成像(NIRF)和PDT能够分别检测和治疗甚至表面下肿瘤(subsurface tumor)。与此相关，本发明旨在开发用于生物学应用的基于方酸菁染料的高效近红外吸收荧光探针。我们已合成了基于方酸菁结构的染料，其呈现近红外区域中的吸收和发射且具有赋予它们两亲性的如羧基和乙二醇基的取代基，从而提高了其溶解度、荧光强度并加速了细胞吸收。
在诊断技术中，如在治疗技术中一样，染料被施用并使其分布在体内。但是，除了肿瘤选择性以外，光敏剂应当在生理条件下表现出显著的荧光量。因此在长波长区域具有强吸收、对正常组织无毒性、可溶解在生理pH的缓冲液中且表现出较高的疗效的光敏化剂的开发仍是迫切需要的。而且由于生物化学和生物医学应用的需要，能够以特定癌细胞作为靶子的功能性分子的设计也是极其重要的。
我们在这一领域中的兴趣源于在光动力学应用中利用方酸菁染料的思想。方酸菁构成了一类在红到近红外区域中具有清晰的强吸收带的染料。它们的光物理和光化学性质已被深入地研究过，因为它们的吸收和光化学特性使它们非常适用于许多的工业应用。可以参考美国专利6,001,523；5,552,253；5,444,463；Law，K.-Y.Chem.Rev.1993，93，449；Piechowski，A P；Bird，G.R.；Morel，D L.；Stogryn，E.L.J.Phy.Chem.1984，88，934。我们的初期研究显示，方酸菁染料以重原子(如溴和碘)取代导致其与母体方酸菁染料相比在水性介质中溶解度增加和系统间跨越效率增强。这些染料根据卤素原子的性质的不同表现出600-620nm范围内的吸收并显示出三重线受激态(ΦT＝0.22-0.5)和单线态氧(Φ(1O2)＝0.22-0.5)的量子产额。使用哺乳动物细胞和细菌株的细胞毒性和致突变性研究显示，这些染料表现出在用可见光线激发时的显著细胞毒性，且其生物活性的机理可能是由于体外单线态氧的产生。可以参考Ramaiah，D.；Arun，K.T.；Das，S.and Epe，B.美国专利6,770,787B2(2004)，Ramaiah，D.；Arun，K.T.；Das，S.and Epe，B.印度专利193540(2004)，Ramaiah，D.；Joy，A.；Chandrasekhar，N；Eldho，N.V.；Das，S.；George，M.V.Photochem.Photobiol.1997，65，783；Arun，K.T.；Ramaiah，D.；Epe，B.J.Phys.Chem.B 2002，107，11622，Ramaiah，D.；Eckert，I；Arun，K.T.；Weidenfeller，L.；Epe，B.Photochem.Photobiol.2002，76，672；Ramaiah，D.；Eckert，I；Arun，K.T.；Weidenfeller，L.；Epe，B.Photochem.Photobiol.2004，79，99。但是，这些重原子取代的染料在水性介质中具有非常低的荧光量子产额(ΦF≤0.0003)，因而限制了其在通过选择性地定位于肿瘤组织的染料的荧光发射检测肿瘤(诊断)中的应用。
在本发明中，新型的基于方酸菁的染料已经被合成，且证明了它们作为生物学、生物化学和工业应用中近红外荧光探针的潜力。
发明目的
本发明的主要目的是提供高效的基于方酸菁的染料和/或其药物上可接受的衍生物，用作光动力学诊断、生物化学和工业应用中的近红外光敏剂。
本发明的另一目的是提供高效的基于方酸菁的染料和/或其药物上可接受的衍生物，用作检测肿瘤的光动力学诊断中的近红外荧光探针。
本发明的另一目的是提供高效的基于方酸菁的染料和/或其药物上可接受的衍生物，用作生物学、生物化学和工业应用的近红外荧光传感器。
本研究的再另一目的是提供能够用作蛋白质标记的近红外荧光探针的基于方酸菁的染料。
本研究的再另一目的是提供能够用作免疫分析中的近红外荧光标记的通式1的方酸菁染料。
附图简要说明
在说明书附图中
图1通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)、通式2(其中R1、R2＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4)和通式3(其中R1＝-(CH2)n-CO2X，n＝3，X＝H和R2＝-CH3)的方酸菁染料在10％v/v乙醇水混合物中的吸收波谱。
图2通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)、通式2(其中R1、R2＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4)和通式3(其中R1＝-(CH2)n-CO2X，n＝3，X＝H和R2＝-CH3)的方酸菁染料在10％v/v乙醇水混合物中的荧光发射光谱。
图3通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在可变浓度的[CTAB]a)0和g)129mM存在下的发射光谱。激发波长600nm。
图4通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在可变浓度的[SDS]a)0和e)21mM存在下的发射光谱。激发波长600nm。
图5通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在可变浓度的[Triton X-100]a)0和g)118mM存在下的发射光谱。激发波长600nm。
图6通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在10％(vol/vol)乙醇-水混合物中的荧光衰减曲线图。(a)10％(vol/vol)乙醇-水，(b)Triton X-100，(c)CTAB，(d)SDS和(L)灯曲线。激发波长635nm。发射波长670nm。
图7通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在可变浓度的[β-CD]a)0和g)25mM存在下的发射光谱。激发波长600nm。
图8通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料10％(vol/vol)乙醇-水混合物中的荧光衰减曲线图。[β-CD]a)0(b)12mM和(L)灯曲线。
【发明内容】
因此，本发明涉及通式1的方酸菁染料及其药物上可接受的衍生物。
式1
其中，R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4-8，或-(CH2)n-CO2X，n＝3-6，X＝H、琥珀酰胺基；和R2＝-CH3或-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4-8。
在本发明的一种实施方式中，N-甲基-N-取代的或N，N-双取代的苯胺与方形酸在苯和正丁醇(1∶1)的混合物中以2∶1的比例在90-100℃回流18-24h的时间。除去溶剂得到残留物，该残留物然后进行硅胶柱层析以得到通式1的化合物。
本发明的另一实施方式是提供高效的基于方酸菁的染料和/或其药物上可接受的衍生物，用作生物学、生物化学和工业应用的近红外荧光传感器。
在本发明的再另一实施方式中，式1的化合物作为诊断癌症的近红外荧光传感器用在光动力治疗中。
本研究的再另一实施方式是提供能够用作蛋白质标记的近红外荧光探针的基于方酸菁的染料。
本研究的另一实施方式是提供能够用作免疫分析中的近红外荧光标记的通式1的方酸菁染料。
再另一实施方式涉及式1的化合物作为流体、水的灭菌及相关的其它工业应用中的光敏剂的用途。
【具体实施方式】
在本研究中，通式1的方酸菁染料已经被合成，并研究了其在膜模拟物(如胶束)(micelles)和药物载体系统(如β-环糊精)存在和不存在的情况下的光物理性质。在通式1的化合物的制备中，苯胺部分的氨基质子被甲基、乙二醇和脂族羧酸基团取代。用乙二醇和羧酸基团修饰预期赋予这些染料两亲性，因而提高了细胞透过性并产生了靶特异性。
下面的实施例以举例说明的方式给出，因此不应构成对本发明范围的限制。
实施例1-3描述了通式1的化合物的典型合成方法，而实施例4和5描述了通式1的化合物在膜模拟物如中性、阴离子和阳离子胶束和药物载体(如β-环糊精)存在和不存在的情况下的光物理性质。
实施例1
通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料的制备。在正丁醇和苯(1∶3)的混合物中的N-甲基-N-(3，6，9，12-四氧杂十三烷基)苯胺(400mg，1.35mmol)和方形酸(77mg，0.67mmol)的溶液通过水的共沸蒸馏回流18h。溶剂被减压蒸馏掉，且所获得的残留物在硅胶上进行层析。用甲醇和氯仿的混合物(1∶49)进行柱洗脱得到100mg(15％)的通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料，mp 100-102℃；1H NMR(300MHz，CDCl3，30℃，TMS)：δ＝3.21(s，6H，-NCH3)，3.37(s，6H，-OCH3)，3.72-3.52(m，32H，-OCH2)，6.81(d，4H，J＝8.96，Ar-H)，8.39(d，4H，J＝8.95Hz，Ar-H)；13C NMR(75MHz，CDCl3，30℃，TMS)：δ＝39.68，52.29，58.97，68.53，70.42，70.52，70.56，70.81，71.83，112.43，119.90，133.17，154.41，183.32，188.58；IR(Neat)：vmax 2877，1610，1584，1140，1098cm-1；元素分析(％)，C36H52N2O10的计算值：C，64.27；H，7.79；N，4.16；实测值：C，64.51；H，7，69；N，3.88。
实施例2
通式2(其中R1、R2＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4)的方酸菁染料的制备。在正丁醇和苯(1∶3)的混合物中的双-(N，N-(3，6，9，12-四氧杂十三烷基))苯胺(350mg，0.74mmol)和方形酸(42mg，0.37mmol)的溶液通过水的共沸蒸馏回流18h。溶剂被减压蒸馏掉，且所获得的残留物在硅胶上进行层析。用甲醇和氯仿的混合物(1∶99)进行柱洗脱得到40mg(5％)的通式2(其中R1、R2＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4)的方酸菁染料，mp 78-80℃；1H NMR(300MHz，CDCl3，30℃，TMS)：δ＝3.37(s，12H，-OCH3)，3.37-3.55(m，64H，-OCH2)，6.84(d，4H，J＝8.96，Ar-H)，8.37(d，4H，J＝8.95Hz，Ar-H)；13C NMR(75MHz，CDCl3，30℃，TMS)：δ＝50.73，58.91，68.31，70.38，70.49，70.53，71.80，111.54，115.85，129.15，147.60，183.32，188.58；IR(Neat)：vmax 2918，2867，1610，1584，1114cm-1；元素分析(％)，C52H84N2O18的计算值：C，60.92；H，8.26；N，2.73；实测值：C，61.20；H，7，98；N，2.49。
实施例3
通式3(其中R1＝-(CH2)n-CO2X，n＝3，X＝H和R2＝-CH3)的方酸菁染料的制备。在正丁醇和苯(1∶3)的混合物中的N-甲基-N-(羧丙基)苯胺(319mg，1.74mmol)和方形酸(100mg，0.87mmol)通过水的共沸蒸馏回流24h。溶剂被减压蒸馏掉，且所获得的残留物在硅胶上进行层析。用甲醇和氯仿的混合物(1∶9)进行柱洗脱得到100mg(13％)的通式3(其中R1＝-(CH2)n-CO2X，n＝3，X＝H和R2＝-CH3)的方酸菁染料，mp 238-240℃(d)；1H NMR(300MHz，[D6]DMSO，30℃，TMS)：δ＝1.91(p，4H，-CH2)，2.40(t，4H，J＝7.2Hz，-CH2)，2.91(s，6H，-NH3)，3.35(t，4H，J＝7.3Hz，-CH2)，6.99(d，4H，J＝9.07Hz，Ar-H)，8.05(d，4H，J＝8.97Hz，Ar-H)；13C NMR(75MHz，[D6]DMSO，30℃，TMS)：δ＝21.82，31.41，38.46，52.03，112.64，116.73，129.17，149.13，179.23；IR(KBr)：vmax 3420，2924，1729，1590，1439，1130cm-1；元素分析(％)，C26H28N2O6计算值：C，67.23；H，6.08；N，6.03；实测值：C，67.50；H，5.81；N，5.80。
实施例4
人们对开发具有在生物生色团不吸收的较长波长区域中的吸收的水溶性近红外探针具有很大兴趣。图1显示了通式1的染料在10％vol/vol乙醇-水混合物中的吸收波谱。从图中可以看出，这些染料在水溶液中显示出吸收最大值在640-645nm附近的尖的吸收峰，而它们显示出在如乙醇的醇溶剂中最大值在640-645nm附近的红移。图2显示了这些染料在10％vol/vol乙醇-水混合物中的发射光谱。这些染料显示出在水溶液中荧光发射最大值在670-676nm的范围内，而在醇溶剂中的发射最大值在660-665nm的范围内。这些染料显示出在水性介质中荧光量子产额在0.007-0.021的范围内，而在乙醇中荧光量子产额在0.18-0.21的范围内。这些染料在水和醇溶剂中的吸收和发射最大值及荧光量子产额列于表1中。在水性介质中的长波区吸收和发射最大值及良好的荧光量子产额使这些染料成为荧光探针的应用的理想候选者。
表1
式 乙醇 10％乙醇/水 水
λmax，nm λmax，nm λmax，nm
吸收 发射 Φf 吸收 发射 Φf 吸收 发射 Φf
1 637 660 0.19 645 674 0.018 644 671 0.013
2 638 662 0.21 646 675 0.026 646 676 0.021
3 636 662 0.18 647 673 0.015 645 673 0.007
实施例5
光敏剂在生理条件下的稳定性和光物理性质的研究在评价其用于各种体外或体内应用中是很重要的。特别是，膜模拟物如溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)和载体系统如β环糊精(β-CD)的影响，将提供有关该光敏剂在生理条件下的行为的信息。另外，这种研究也用于澄清一些要点，如特定染料在这种环境下是否形成聚集体和它是否产生细胞毒性物质。这些介质在其性质方面是独特的，因为β-CD与客分子形成包合复合物，而其它的形成胶束结构，因而同时提供疏水和亲水环境。
图3、4和5显示了通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的染料分别在阳离子胶束CTAB、阴离子胶束SDS和中性胶束Triton X-100存在下的发射光谱。随着胶束浓度的增加，染料的荧光强度增加，显示了胶束和染料之间的有效的相互作用。为更好地理解胶束介质的效应，我们分析了通式1染料的皮秒时间分辨荧光寿命。这些染料在没有胶束存在时显示出单指数衰减，而在有胶束存在时显示出双指数衰减。这种在胶束存在时的双指数衰减表明存在两种光谱学不同的物质，一种来自于包囊的染料分子，而另一种来自于未结合的染料分子。图6显示了通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的方酸菁染料在10％vol/vol乙醇-水混合物中和在阳离子胶束CTAB、阴离子胶束SDS和中性胶束Triton X-100存在下的荧光衰减曲线图。表2、3和4列出了通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)、通式2(其中R1、R2＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4)和通式3(其中R1＝-(CH2)n-CO2X，n＝3，X＝H和R2＝-CH3)的染料在阳离子胶束CTAB、阴离子胶束SDS和中性胶束Triton X-100存在和不存在的情况下的吸收和发射最大值、荧光量子产额和寿命。这些结果表明这些染料是生物学应用中近红外传感器的理想候选者，在这些应用中它们将有效地与细胞膜结构相互作用。
表2
式 在CTAB存在时
吸收 发射 寿命，
λmax，nm λmax，nm Φf ps
1 642 663 0.12 560(45％)
920(55％)
2 644 667 0.096 410(25％)
1140(75％)
3 644 667 0.14 440(4％)
860(96％)
表3
式 在SDS存在时
吸收 发射 寿命，
λmax，nm λmax，nm Φf ps
1 640 663 0.15 590
2 643 668 0.16 690(4％)
1240(96％)
表4
式 在Triton X-100存在时
吸收 发射 寿命，
λmax，nm λmax，nm Φf ps
1 645 669 0.12 130(21％)
1120(90％)
2 646 671 0.14 450(7％)
1450
3 649 672 0.12 430(31％)
1140(69％)
图7显示了通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的染料在β-CD存在下的发射光谱。与在胶束存在时观察到的情况相似，随着β-CD浓度的增加，通式1的方酸菁染料的发射强度增加，且发射最大值显示出蓝移，表明染料与β-CD腔之间的有效相互作用。图8显示了通式1(其中R1＝-(CH2-CH2-O)n-CH3，n＝4和R2＝-CH3)的染料在β-CD存在和不存在的情况下的荧光衰减曲线，其在没有β-CD存在时显示出单指数衰减。在β-CD存在时观察到双指数衰减，表明存在两种类型，一种来自于包囊在β-CD腔内的染料分子，而另一种来自于自由染料分子。表5概括了在β-CD存在的情况下通式1的方酸菁染料的吸收和发射最大值、荧光量子产额和寿命。这些结果清楚地表明这些染料可使用药物输送系统定位在特定的靶上。
表5
式 在β-CD存在时
吸收 发射 寿命，
λmax，nm λmax，nm Φf ps
1 644 663 0.10 380(58％)
1470(42％)
2 645 668 0.07 610(83％)
1920(17％)
3 649 666 0.19 470(34％)
1600(66％)
本发明的方酸菁染料具有令人满意的作为光动力学、诊断及生物学、生物化学和工业应用中的近红外荧光探针的性质。
这些系统的主要优势包括：
1.式1、2和3表示的方酸菁染料是新型的、纯的单一物质。
2.它们的合成方法非常经济。
3.式1、2和3表示的方酸菁染料具有近红外区域(600-700nm)的吸收。
4.式1、2和3表示的方酸菁染料具有近红外区域(620-720nm)的发射。
5.式1、2和3表示的对称方酸菁染料在水性介质中具有0.015-0.03范围的发射量子产额且在膜模拟物和药物载体存在下增加接近10倍(ΦF＝0.09-0.2)。
6.它们可用于光动力学应用，如流体的灭菌等。
7.该方酸菁基染料可用作蛋白质标记的近红外荧光探针。
8.通式1的方酸菁染料可用作免疫分析中的近红外荧光标记。
9.它们可用于在生理条件下检测生物重要金属离子。
10.这些新型染料可以在生物学、生物化学和工业应用中用作近红外荧光传感器。