CN109776587B - 一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼类似物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼类似物，其具有式I所示结构，其中，C^a为S构型或R构型；F为¹⁸F或¹⁹F；n为4‑10的整数。本发明还提供了相应的制备方法和其应用，该化合物可用于制备PET成像剂，当其用于PET成像时，具有稳定性高、背景摄取低、对比度高、肿瘤‑肌肉比高等优点；同时因其毒性小、富集效率高，还可用于制备硼中子俘获治疗药物，具有较高的PET诊断、BNCT治疗一体化应用前景。

Description

一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼类似物

技术领域

本发明属于核医学诊断和治疗领域，具体涉及一种用于肿瘤PET成像诊断和/或BNCT精准医疗的试剂，特别涉及一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼类似物。

背景技术

肿瘤仍然是一种严重威胁人类健康的疾病，及时对肿瘤进行有效的诊断和性质鉴别，在治疗肿瘤的过程中至关重要。正电子发射断层扫描成像(Positron EmissionTomography，PET)是一种依托于放射性分子探针的分子影像学技术。PET技术的基础是正电子湮灭所发出的成对光子的检测，能够对体内放射性的分布进行准确的定位和定量，再经过计算机重建，即可获得三维的人体PET图像。

肿瘤细胞的基本特征是快速的生长分裂，其中需要摄取大量的基础代谢底物，即葡萄糖和氨基酸。作为葡萄糖类似物，¹⁸F-FDG(Fluorodeoxyglucose，氟脱氧葡萄糖)在临床上已经被广泛应用于肿瘤的诊断，在恶性肿瘤诊断、分期、疗效评价和预后评估方面有明显临床价值。然而，对于出现“谷氨酰胺依赖”特征的肿瘤，由于其缺少对葡萄糖的依赖性，利用¹⁸F-FDG进行成像的灵敏性和特异性较低，难以得到较好的诊断结果。

谷氨酰胺是血液中浓度最高的氨基酸，在肿瘤细胞中的摄取显著高于正常细胞，这种现象被称为“谷氨酰胺依赖”。谷氨酰胺在肿瘤细胞的生存、生长、增殖以及迁移过程中都扮演了重要的角色。在肿瘤细胞中，谷氨酰胺不仅参与必需氨基酸的转运，还是细胞内众多非必须氨基酸合成的底物、氨基的供体及重要功能化合物的合成原料。并且，谷氨酰胺可以通过分解代谢进入三羧酸循环，进行功能反应。进一步地，谷氨酰胺的摄取和利用受到原癌基因(Oncogene)c-myc的严密调控，其编码的蛋白Myc是一种转录因子，所以c-myc会上调多个基因的表达水平，从而加快谷氨酰胺的摄取和利用。在多种肿瘤组织中，肿瘤细胞的代谢网络被c-myc的高表达重塑，表现出对谷氨酰胺的依赖。

早在二十世纪六十年代，¹⁴C(t_1/2＝5730a)标记的谷氨酰胺已经用于活体内谷氨酰胺的代谢研究。但由于¹⁴C的β衰变并不适用于活体成像，¹⁴C标记的谷氨酰胺只能用于动物解剖后各器官的生物分布测定。在1975年与2012年，研究者分别实现了¹³N与¹¹C的谷氨酰胺标记并用于肿瘤的PET成像，但由于其过短的半衰期(t_1/2,N＝10min，t_1/2,C＝20min)难以有效地运用于临床研究，同时其也会进入蛋白质合成通路，造成成像难以解析。¹⁸F(t_1/2＝110min)具有小分子PET探针较为合适的半衰期，是理想的标记核素。但是谷氨酰胺中没有保护基保护的氨基、羧基以及酰胺键在传统的¹⁸F标记条件(高温、碱性、无水)下也可能发生副反应，难以实现标记。

2012年Kung等人通过在谷氨酰胺4号位上引入F，首次实现了谷氨酰胺的¹⁸F标记(Lieberman B P,Ploessl K,Wang L,et al.PETImaging of Glutaminolysis in Tumorsby ¹⁸F-(2S,4R)4-Fluoroglutamine[J].The Journal of Nuclear Medicine,2011,52(12):1947.)。其被成功地用于脑瘤的临床诊断，临床前的研究已经正在逐步开展。但是，其成像有显著的骨摄取，暗示了其不稳定性，同时成像结果中骨摄取也将造成影像结果解析的复杂化。

2018年，李聪等通过构建硼氨酸的方式，使用三氟化硼基团取代谷氨酰胺中的羧酸根，构建了BF₃-Gln，实现了谷氨酰胺的标记(Cong Li,et al.Preclinical study of an18F-labeled glutamine derivative for cancer imaging[J].Nuclear Medicine andBiology,2018,64-65,34-40)。通过三氟化硼基团的引入，可以实现温和条件(85℃)水相标记，不需要HPLC纯化，极大简化了谷氨酰胺的¹⁸F标记，易于临床实现。但是由于其结构特点，导致其稳定性欠缺，易发生脱氟现象。实验中，2小时内超过60％分子发生脱氟，在图像中造成严重的骨摄取，严重影响图像解析及肿瘤的摄取。

发明内容

为解决现有技术中存在的谷氨酸探针稳定性不足的问题，提供一种新的用于肿瘤PET成像诊断和/或BNCT精准医疗的试剂，具体提供一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼类似物。

一方面，本发明提供一种分子探针，其为式I所示化合物：

其中，C^a为α碳原子；n为4-10的整数。优选n为4或5，进一步优选n为4。

本发明所述的分子探针，其特征在于，其中C^a为S构型或R构型，F为¹⁸F或¹⁹F。进一步优选地，至少一个F为¹⁸F。

本发明所述的分子探针，其特征在于，其为式II所示化合物：

第二方面，本发明提供所述分子探针的用途。

本发明所述分子探针在制备肿瘤PET成像剂中的应用。

本发明所述分子探针在制备硼中子俘获治疗药物中的应用。

第三方面，本发明提供一种药物组合物，其特征在于，包括：

(1)本发明所述的分子探针，和

(2)药学上可接受的载体。

第四方面，本发明提供所述分子探针的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将二羧酸单酯与有机胺进行酰胺化反应制备酯取代的酰胺衍生物；

(2)将酯取代的酰胺衍生物进行酯还原反应制备羟基取代的酰胺衍生物；

(3)将羟基取代的酰胺衍生物中的羟基氧化为醛基制备醛基取代的酰胺衍生物；

(4)将醛基取代的酰胺衍生物与磺酰胺进行醛氨缩合反应制备相应的亚胺；

(5)将步骤(4)制备的亚胺与硼化合物进行加成反应制备相应的硼酯；

(6)脱保护。

本发明所述分子探针的制备方法，其特征在于步骤(1)中的有机胺为三苯甲胺；步骤(4)中的磺酰胺为R-叔丁基亚磺酰胺；步骤(5)中的硼化合物为联硼酸频哪醇酯。

本发明所述分子探针的制备方法，其特征在于在步骤(6)之后还包括可选的，同位素交换引入¹⁸F的步骤。

本发明所述分子探针的制备方法，其特征在于(1)将二羧酸单甲酯与三苯甲胺，于二氯甲烷中反应，得到ω-甲酯-三苯基甲酰胺化合物；

(2)将ω-甲酯-三苯基甲酰胺化合物于四氢呋喃中用硼氢化锂还原，得到ω-羟基-三苯基甲酰胺化合物；

(3)将ω-羟基-三苯基甲酰胺化合物于二氯甲烷中与戴斯-马丁高价碘化合物(Dess-Martin periodinane，DMP，戴斯-马丁氧化物，也称戴斯-马丁高价碘化合物)反应，得到ω-醛基-三苯基甲酰胺化合物；

(4)将ω-醛基-三苯基甲酰胺化合物与叔丁基亚磺酰胺溶于四氢呋喃中，加入钛酸四异丙酯反应得到相对应的亚胺；

(5)将步骤(4)制备的亚胺和联硼酸频哪醇酯的甲苯溶液混合，加入催化剂，室温反应，得到对应的硼酯；

(6)将步骤(5)制备的硼酯使用KHF₂-HCl的MeOH-水溶液脱保护，再使用三氟乙酸脱保护；

(7)可选的，在水相溶剂中，通过¹⁸F-¹⁹F同位素交换反应得到F同位素标记的分子探针。

本发明所述分子探针的制备方法各步骤的化学反应式如下：

发明人经前期研究发现：(1)谷氨酰胺在多种肿瘤处局部富集，在正常组织器官中快速清除；(2)谷氨酰胺的衍生物与谷氨酰胺具有相同或相似的药物代谢和药物动力学分布，特别是与谷氨酰胺电荷和分子大小相似的衍生物，导致其在正常组织中快速清除；(3)携带BF₃的化合物可通过同位素交换的方式引入¹⁸F；(4)通过构建谷氨酰胺三氟化硼分子，可以实现对肿瘤的成像，但是其稳定相较差，难以取得较好的成像质量。

本发明通过调整谷氨酰胺三氟化硼的碳链长度，一方面，其在体内仍具有与天然谷氨酰胺相同的代谢和分布特征，能够在肿瘤部位特异性富集，另一方面，意料不到地显著提升了其稳定性，无探针不稳定导致的骨摄取及其他器官的特异性摄取，尤其是基于其快速清除代谢的特点，躯干肌肉的非特异性摄取可以快速清除，背景摄取极低，从而实现对躯干肿瘤的高对比度成像，最终在PET/CT上取得出色的肿瘤诊断效果。本发明提供的分子探针，有效解决了本领域长期存在的技术问题，为PET成像提供了优质的分子探针。

同时，该结构中包含硼原子，可以作为诊疗一体化的硼携带剂，用于硼中子捕获治疗，具有极高的临床应用价值。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

(1)本发明的分子探针的理化参数及生物学功能与天然谷氨酰胺高度相似，其在体内具有与谷氨酰胺相同的代谢和分布特征，能够在肿瘤部位特异性富集，并且由于相对于硼谷氨酸增加了碳链长度，因而提高了亲脂性、增加了对肿瘤细胞膜的结合力、延长了药物活性半衰期、改善了药物代谢动力学特征。

(2)本发明的分子探针具有出色的稳定性，在120min时间尺度内无自由的¹⁸F^-产生，从而避免了探针不稳定导致的骨摄取和其他器官的非特异摄取；该分子探针还具有快速清除的优点，躯干肌肉的非特异性摄取可以快速清除；由于其兼具稳定性好与快速清除的优点，用于肿瘤PET成像时，背景摄取极低，可得到高对比度的成像；

(3)本发明的探针制备方法简单，生产效率高，通过同位素置换即可高效率标记¹⁸F，应用于PET成像；

(4)应用本发明的分子探针进行检测，PET成像检测对比度高，其肿瘤-肌肉比显著高于已知的¹⁸F类探针；该分子探针的毒性小，富集效率高，在肿瘤局部满足BNCT所需硼含量，具有较高的PET诊断、BNCT治疗一体化应用前景。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为实施例1制备得到的式I₃化合物的质谱图；

图2为实施例1制备得到的式II化合物的高效液相色谱和放射性高效液相色谱图；

图3为实验例1薄层扫描分析图；

图4为实验例2荷瘤小鼠PET/CT成像图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例提供了一种碳链延长的谷氨酰胺三氟化硼分子探针，其制备的反应流程如下：

具体合成步骤为：

第1步、化合物1的合成：

取己二酸单甲酯(1eq)与三苯甲胺(1qe)、O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸(TBTU，1eq)溶解于二氯甲烷中，室温过夜反应。加水猝灭反应，乙酸乙酯萃取，干燥并减压除去溶剂。柱层析分离，得到相应的三苯甲酰胺化合物，即化合物1。

化合物1的核磁结果：1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ7.35–7.08(m,15H),6.58(s,1H),3.65(s,3H),2.45–2.23(m,4H),1.75–1.44(m,4H)。

第2步、化合物2的合成：

取化合物1(1eq)溶解于四氢呋喃中，加入硼氢化锂(2qe)，室温过夜反应。加入过量乙醇淬灭反应，再加入5％柠檬酸溶液。氯仿稀释并萃取，有机层干燥并减压除去溶剂，得到相应的醇化合物，即化合物2，粗产物直接用于下步反应。

第3步、化合物3的合成

取第2步的产物化合物2(1eq)溶解于二氯甲烷中，加入1.5qeDMP与10eq碳酸氢钠粉末，室温反应2小时。加入碳酸氢钠饱和溶液与硫代硫酸钠饱和溶液淬灭反应，戴斯-马丁氧化剂萃取干燥并减除去溶剂。柱层析分离得到相应的醛化合物，即化合物3。

化合物3的核磁结果：1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ9.73(t,J＝1.6Hz,1H),7.47–7.10(m,15H),6.56(s,1H),2.43(t,J＝6.9Hz,2H),2.30(t,J＝6.8Hz,2H),1.75–1.56(m,4H)。

第4步、化合物4的合成

取化合物3(1eq)与R-叔丁基亚磺酰胺(1.2eq)溶于四氢呋喃中，加入钛酸四异丙酯(2eq)，常温搅拌过夜，加水猝灭反应，过滤，乙酸乙酯干燥，旋转蒸发除去溶剂后柱层析分离，得到相对应的亚胺，即化合物4。

化合物4的核磁结果：1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ8.04(s,1H),7.30–7.15(m,15H),6.55(s,1H),2.50(t,J＝7.2Hz,2H),2.31(t,J＝7.1Hz,2H),1.79–1.61(m,4H),1.18(s,9H)。

第5步、化合物5的合成

取化合物4(1eq)和联硼酸频哪醇酯(2eq)的甲苯溶液，加入预先由三环己基膦氟硼酸盐(5％eq)，硫酸铜(5％eq)，苄胺(20％eq)制得的催化剂中，常温搅拌4h，得到对应的硼酯，即化合物5，粗产物直接用于下步反应。

第6步、化合物6的合成

取第5步的产物化合物5，用乙酸乙酯萃取，分去水相。加入4M盐酸和3M氟氢化钾溶液，并加入甲醇稀释为甲醇：水＝1:1的反应体系，室温搅拌2h。减压蒸发除去溶剂，后柱层析分离纯化，得到化合物6。

化合物6的核磁结果：1H NMR(400MHz,CD3OD,ppm):δ8.55(s,1H),7.32–7.09(m,15H),6.79(s,2H),2.23(t,J＝7.5Hz,2H),1.77(s,1H),1.47–1.21(m,6H)。

第7步、式I₃化合物的合成

取化合物6溶解于二甲硫醚中，加入TFA(5eq)，室温反应2h，减压蒸去溶剂。加入水/乙腈溶解，高效液相色谱分离，得到式I₃化合物。

式I₃化合物的核磁结果：1HNMR(400MHz,d6-DMSO,ppm):6.77(s,3H,NH3)；6.94(d,2H,NH2)；2.00(t,2H,CH2)；1.78(b,1H,CH)；1.18-1.48(m,6H,CH2CH2CH2)。对其进行质谱鉴定，其分子量约为198，与预期相符。化合物I₃的质谱图如图1所示。

第8步、式II化合物的合成

式I₃化合物中与硼结合的氟可以与水溶液中游离的氟离子交换，在放射性同位素¹⁸F离子存在的溶液中，便可以通过同位素的交换完成对分子的放射性标记。将化合物7溶解于5ul N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加入约370MBq的¹⁸F-水溶液，使用浓盐酸调节pH至2，85℃反应15min。反应结束后加入500ul生理盐水，使用QMA树脂纯化，得到150MBq式II化合物。

对式II化合物用高效液相色谱和放射性高效液相色谱进行分析，表明成功制备了式II化合物，其检测结果如图2所示(上图为254nm紫外吸收信号，下图为放射性信号)。

实验例1稳定性检测

为了验证本发明所述分子探针的稳定性，本发明提供了如下实验例：

实验组化合物：实施例1所制备的式II化合物，

对照组化合物：[¹⁸F]Gln-BF₃，即以¹⁸F-BF₃ ^-取代谷氨酰胺的羧基得到的化合物，其结构式如下所示，

[¹⁸F]Gln-BF₃的制备方法见Cong Li,et al.Preclinical study of an 18F-labeled glutamine derivative for cancer imaging[J].Nuclear Medicine andBiology,2018,64-65,34-40。

实验方法：分别取37MBq实验组化合物和对照组化合物，加入1ml PBS中，置于37℃条件下孵育，在特定时间点取出5ul点样于薄层色谱硅胶板上。使用乙醇：醋酸：水＝3:1:1展开。在Miniscan放射性薄层扫描仪上分析，检测结果如图3所示。可见实验组化合物具有出色的稳定性，无自由的¹⁸F^-产生，而对照组化合物在时间尺度内已经严重分解，产生60％的¹⁸F^-。

实验例2荷瘤小鼠PET/CT成像

取约10MBq(约35μL)实施例1所制备的式II化合物，用生理盐水稀释至0.2mL。由尾静脉注射至荷瘤小鼠体内，注射完毕后按压止血1min，随后使其自由活动。注射结束后45min时，使用异氟烷麻醉荷瘤小鼠，进行15min的PET扫描得到PET图像数据，随后作2minCT扫描。结果如图4所示，图4表明式II化合物主要由肾脏膀胱进行代谢，除肾脏，膀胱等主要代谢器官外，其余正常组织均无明显摄取，背景摄取极低；同时骨骼摄取与整体背景摄取相近，说明其活体稳定性良好；且肿瘤部位摄取明显，检测对比度高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于肿瘤PET成像的分子探针，其特征在于，其为式II所示化合物：

2.权利要求1所述分子探针在制备肿瘤PET成像剂中的应用。

3.权利要求1所述分子探针在制备硼中子俘获治疗药物中的应用。

4.一种药物组合物，其特征在于，包括：

(1)权利要求1所述的分子探针，和

(2)药学上可接受的载体。

5.权利要求1所述分子探针的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将二羧酸单酯与有机胺进行酰胺化反应制备酯取代的酰胺衍生物；

(2)将酯取代的酰胺衍生物进行酯还原反应制备羟基取代的酰胺衍生物；

(3)将羟基取代的酰胺衍生物中的羟基氧化为醛基制备醛基取代的酰胺衍生物；

(4)将醛基取代的酰胺衍生物与磺酰胺进行醛氨缩合反应制备相应的亚胺；

(5)将步骤(4)制备的亚胺与硼化合物进行加成反应制备相应的硼酯；

(6)脱保护；

(7)同位素交换引入¹⁸F。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，

(1)将二羧酸单甲酯与三苯甲胺，于二氯甲烷中反应，得到ω-甲酯-三苯基甲酰胺化合物；

(2)将ω-甲酯-三苯基甲酰胺化合物于四氢呋喃中用硼氢化锂还原，得到ω-羟基-三苯基甲酰胺化合物；

(3)将ω-羟基-三苯基甲酰胺化合物于二氯甲烷中与戴斯-马丁高价碘化合物反应，得到ω-醛基-三苯基甲酰胺化合物；

(4)将ω-醛基-三苯基甲酰胺化合物与叔丁基亚磺酰胺溶于四氢呋喃中，加入钛酸四异丙酯反应得到相对应的亚胺；

(5)将步骤(4)制备的亚胺和联硼酸频哪醇酯的甲苯溶液混合，加入催化剂，室温反应，得到对应的硼酯；

(6)将步骤(5)制备的硼酯使用KHF₂-HCl的MeOH-水溶液脱保护，再使用三氟乙酸脱保护；

(7)在水相溶剂中，通过¹⁸F-¹⁹F同位素交换反应得到F同位素标记的分子探针。

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