CN114014852A - 一类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂染料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂染料、其制备方法及应用,采用二聚体聚集淬灭方式构建一种能够实现局部区域的荧光导向的光疗,改染料的应用包括用于辨别肿瘤/正常组织和作为光纤导入治疗中的荧光指示器,和/或用于超氧增强型光敏剂,和/或用于制备低光剂量的光动力治疗药物,和/或用于制备I型和II型组合的光动力治疗药物。
Description
技术领域
本发明涉及生物化学领域,尤其涉及到光化学在成像和治疗中的应用,具体涉及到一类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂染料、及其制备方法及应用。
背景技术
肿瘤的光激活治疗方式,包括光动力治疗和光热治疗,因其无创性、空间精准性以及可协同作用等突出特点受到广泛研究和具有重要的应用前景。在临床光动力治疗中,为解决光照的穿透性不足的局限性,光纤的引入是一种有效的物理引入方式用于解决肿瘤位置的光照问题。但不同于皮肤表面或直接的光动力治疗,光纤引入的治疗模式需要成像方式作为辅助用于确定和区分肿瘤区域,目前主要以核磁成像和超声成像为主,但也造成了额外的器械和治疗花费。因此,具有荧光导向功能的,可实现肿瘤识别的一体化光敏剂具有其重要意义。
在该治疗模式中,光和药物可直接通过递送的方式到达肿瘤位置,因此要更多的考虑的是在该模式中光敏剂所需要的性质:包括更低的光剂量需求、有效的肿瘤清除能力以及肿瘤识别功能。考虑到光源的递送问题,越小的光剂量意味着更小的递送难度和需要更小的光纤便可达到目的,也因此可以是适用于更多的肿瘤位置。而在光动力治疗过程中,因为光敏剂的治疗能力不足或者因为深层肿瘤的低氧对治疗作用的削弱,往往难以实现一次性的肿瘤清除作用,造成多次复发。肿瘤的识别则是为了解决在该治疗模式中的导向功能,通过光敏剂的作用便可以直接实现荧光导向下的光疗。而目前的识别策略,如分子内电荷转移、光诱导电子转移或荧光共振能量转移,因为其未激活状态对治疗效果的抑制,这与该治疗模式中对光剂量和清除能力的诉求冲突。因此如何针对该治疗中所面临的需求,设计一体化的荧光导向的高效光敏剂具有重要意义。
发明内容
针对于现有技术中的不足,本发明采用二聚体聚集淬灭方式构建一种能够实现局部区域的荧光导向的光疗(肿瘤内的谷胱甘肽可以实现在30分钟内9.3倍以上的荧光增强),尤其是,硫代和硒代尼罗蓝二聚体结构不仅能够提供高效的单线态氧产生能力(商业化光敏剂亚甲基蓝为56%,提高到单线态氧产率到80%),且该二聚体结构能够显著增强超氧产生能力(相比于同当量的硫代和硒代尼罗蓝的叠加,该二聚体结构能提高3倍超氧产生能力)。因此该二聚体光敏剂结构即可以实现肿瘤识别功能,同时高单线态和增强的超氧有效增强治疗作用和降低治疗所需光剂量(小鼠肿瘤的治疗通常不低于100J/cm2的光剂量,本发明可降低至9J/cm2),超氧的有效产生在解决深层次的低氧肿瘤时展现了有效的清除作用。
本发明的技术方案如下:
本申请的第一方面在于保护该类苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂的系列染料结构,通式结构如式(I)所示:
式(I)中
A1,A2选自O、S、Se、Te原子中的至少一种,进一步优选地,在本发明实施例中A1为S,A2为Se。
X选自F、Cl、Br、I原子中的至少一种,进一步优选地,在本发明实施例中X为Cl原子。
n为选自1-9的整数,为链接的碳链长度,进一步优选地,在本发明实施例中n为1,C1烷烃链。
本申请的第二方面在于保护一种基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂的制备方法,包括如下步骤:
S4第三中间体与第四中间体溶解于第三混合溶剂,在惰性气体保护下,向其中依次加入第二催化剂和第二还原剂,常温反应一段时间后得到该类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂。
进一步地,步骤S1中的第一有机溶剂选自乙腈、丙酮、四氢呋喃、乙酸酐、DMF中的至少一种。
进一步地,步骤S1中的第一弱碱选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸铯、醋酸钠、醋酸钾中的至少一种。
进一步地,步骤S2中的第一混合有机溶剂选自水、甲醇、乙醇、DMSO和乙腈中的至少两种组成的混合液;常用的包括:DMSO和甲醇、DMSO和水、DMSO和乙醇、DMSO和乙腈或两种组合。
进一步地,步骤S2中的第一氧化剂选自重铬酸钾、高锰酸钾、高氯酸钾、超氧化钾中的至少一种。
进一步地,步骤S2中的第一强酸选自盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种或多种组合。
进一步地,步骤S3中的第二混合溶剂以及步骤4中的第三混合溶剂分别独立选自DMF、水、氯仿、甲醇和乙醇的至少两种或者单独使用DMF;进一步地,常用的包括:DMF和水、氯仿和水、氯仿和甲醇和水、氯仿和乙醇和水中的一种组合。
进一步地,步骤S3中的第一催化剂以及步骤4中的第二催化剂分别独立选自氯化铜、硫酸铜、五水硫酸铜、氧化铜、氧化亚铜中的至少一种。
进一步地,步骤S3中的第一还原剂选自抗坏血酸、抗坏血酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠中的至少一种。
进一步地,
进一步地,步骤S4中的第二还原剂选自抗坏血酸、抗坏血酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠中的至少一种。
进一步地,步骤S1中的加热反应时间为1-4小时。
进一步地,步骤S2中加入氧化剂后的搅拌时间为0.5-2小时,加入酸后的反应时间为2-12小时。
进一步地,步骤S3和步骤S4中的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种。
进一步地,步骤S3和步骤S4的反应时间为24-48小时。
本申请的第三方面在于保护一种基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂的应用;进一步地,所述应用包括以二聚体淬灭方式调控苯并吩噻嗪的荧光用于辨别肿瘤/正常组织和作为光纤导入治疗中的荧光指示器,和/或用于超氧增强型光敏剂,和/或用于制备低光剂量的光动力治疗药物,在细胞中达到2.4J/cm2以及在肿瘤治疗中仅需9J/cm2,和/或用于制备I型和II型组合的光动力治疗药物,有效清除肿瘤细胞。
有益效果
本发明采用二聚体聚集淬灭方式构建一种能够实现局部区域的荧光导向的光疗(肿瘤内的谷胱甘肽可以实现在30分钟内9.3倍以上的荧光增强),尤其是,硫代和硒代尼罗蓝二聚体结构不仅能够提供高效的单线态氧产生能力(商业化光敏剂亚甲基蓝为56%,提高到单线态氧产率到80%),且该二聚体结构能够显著增强超氧产生能力(相比于同当量的硫代和硒代尼罗蓝的叠加,该二聚体结构能提高3倍超氧产生能力)。因此该二聚体光敏剂结构即可以实现肿瘤识别功能,同时高单线态和增强的超氧有效增强治疗作用和降低治疗所需光剂量(小鼠肿瘤的治疗通常不低于100J/cm2的光剂量,本发明可降低至9J/cm2),超氧的有效产生在解决深层次的低氧肿瘤时展现了有效的清除作用。
附图说明
图1本发明制备的合成路线;
图2实施例与单体的吸收与荧光光谱图;A为吸收光谱图;B为荧光光谱图;
图3实施例的吸收与荧光恢复效果;A为吸收随时间恢复过程;B为荧光随时间增强过程;C为荧光强度与时间在最大发射波长处的曲线图;
图4实施例在不同细胞中的荧光表达;
图5实施例在肿瘤与非肿瘤组织的荧光增强;
图6实施例的超氧增强效果;A为二聚体与单体的超氧产生对比效果;B为二聚体的随时间的超氧产生;
图7实施例的单线态氧产生;A为二聚体与单体的单线态氧产生速率对比;B为二聚体的单线态氧捕获剂DPBF的衰减曲线;
图8实施例的细胞治疗实验;A为常氧下二聚体对不同细胞的光毒性对比(商业化光敏剂Ce 6作为对比);B为低氧下二聚体对不同细胞的光毒性;
图9实施例的小鼠体内肿瘤抑制试验;A为肿瘤治疗过程实际变化图;B为不同条件实验组的肿瘤体积随日期的变化趋势;
图10实施例的高分辨质谱图;
图11实施例的核磁氢谱图;
图12实施例的核磁碳谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。实施例或对比例中未注明具体条件者,按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用仪器或化学、生物试剂未注明者均为可通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例中,化学药品均来自安耐吉或阿拉丁化学试剂公司,商业化染料DPBF和DHR 123购买自上海碧云天生物技术有限公司,生物耗材胎牛血清、胰酶、DMEM购买自Giboca,所用细胞来自ATCC细胞库。
实施例1
本实施例的基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)合成中间体1:N-炔丙基-1-萘胺
合成路线如下:
将1-萘胺(20mmol)与溴丙炔(20mmol)溶解于20mLDMF中,搅拌下向其中加入碳酸钾(20mmol),90℃加热下该反应搅拌反应4h至反应物反应完全,停止反应,使用减压蒸馏除去溶剂后,使用二氯甲烷(50mL)重新溶解并向其中加入100mL水,使用二氯甲烷(200mL x3)萃取,得到有机层溶液。有机溶剂经干燥,减压蒸馏后除去得到粗产品,使用硅胶层析柱提纯,洗脱剂为石油醚:二氯甲烷=6:1(v/v),得到黄色油状中间体1,产率80%。
(2)合成中间体2:(Z)-N-(9-(二乙胺)-5H-苯并吩噻嗪-5-亚基)丙基-2-炔-1-氯化铵盐合成路线如图1,具体如下:
将中间体1(10mmol)和苯特盐(13mmol)溶解于DMSO(20mL)和甲醇(100mL)的混合溶液中,搅拌下向其中加入重铬酸钾(11mmol),常温反应50分钟后,加入2M盐酸(10mL)调节溶液pH至酸性,后搅拌1h反应结束。减压蒸馏下,除去混合溶剂,得到粗产品,使用硅胶层析柱提纯,洗脱剂为二氯甲烷:甲醇=20:1(v/v),得到蓝色固体中间体2,产率50%。
(3)合成中间体3:(Z)-1-(1-(2-((2-叠氮乙基)二硫)乙基)-1H-1,2,3-三唑)-N-(9-(二乙氨基)-5H-苯并吩噻嗪-5-亚基)盐酸铵盐
合成路线如下:
中间体2(1mmol)与(1mmol)溶解于混合溶剂氯仿:乙醇:水=12:1:1mL混合体系,氮气保护下依次向其中加入五水硫酸铜(1.2mmol)和抗坏血酸钠(0.6mmol),暗环境下反应24h结束反应。减压蒸馏除去溶剂后,使用乙酸乙酯(20mL)溶解混合物,向其中加入饱和食盐水(50mL),使用乙酸乙酯(100mL x 3)进行萃取,取有机相,使用无水硫酸钠干燥并除去有机溶剂后,使用硅胶层析柱分离提纯,洗脱剂为二氯甲烷:甲醇=20:1(v/v),得到蓝色固体中间体3,产率80%。
(4)合成基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂:
合成路线如下:
中间体3(0.1mmol)与硒代尼罗蓝的中间体4(0.1mmol)溶解于混合溶剂氯仿:乙醇:水=12:1:1mL混合体系,氮气保护下依次向其中加入五水硫酸铜(0.12mmol)和抗坏血酸钠(0.06mmol),暗环境下反应24h结束反应。减压蒸馏除去溶剂后,使用乙酸乙酯(20mL)溶解混合物,向其中加入饱和食盐水(50mL),使用乙酸乙酯(100mL x 3)进行萃取,取有机相,使用无水硫酸钠干燥并除去有机溶剂后,使用硅胶层析柱分离提纯,洗脱剂为二氯甲烷:甲醇=10:1(v/v),得到蓝色固体的二聚体产物,产率67%。
HRMS(MALDI):m/z C50H51N12S3Se+([M-H]+):计算值995.2681;测试值995.2712.其高分辨质谱图如图10所示。
1H NMR(500MHz,MeOD)δ8.64(t,J=16.5,7.7Hz,2H),8.18(d,J=6.3Hz,2H),8.12(dd,J=14.2,7.3Hz,2H),7.71(d,J=8.1Hz,1H),7.67(dd,J=7.4,4.6Hz,2H),7.64(d,J=8.0Hz,1H),7.59(dd,J=9.6,4.5Hz,2H),7.33(d,J=2.7Hz,1H),7.26(s,1H),7.09(dd,J=9.4,2.6Hz,1H),6.99(d,J=2.5Hz,2H),6.94(s,1H),5.34(t,J=4.8Hz,2H),4.77(t,2H),4.56(s,2H),3.62(q,J=14.6,7.3Hz,5H),3.35(s,2H),3.04(q,J=7.3Hz,3H),2.25(t,2H),2.19(t,2H),2.02(t,6H),1.60(t,6H).其核磁氢谱图如图11所示。
13C NMR(126MHz,MeOD)δ154.11,153.43,152.81,152.45,149.15,140.36,139.96,138.56,135.67,134.49,134.30,133.98,133.49,133.10,131.88,131.72,130.86,130.50,130.14,126.23,125.93,125.61,125.49,125.21,123.23,120.08,119.14,118.51,109.81,107.04,106.40,103.54,50.34,50.16,47.26,39.16,35.91,35.50,33.06,31.82,30.73,30.59,30.45,30.32,30.12,28.11,26.92,23.72,14.42,13.34.其核磁碳谱图如图11所示。
实施例2二聚体与单体的吸收与荧光的淬灭效果对比:
制备二聚体结构实施例1以及单体中间体2和中间体3的3mM起始母液,在乙腈中测试其10μM浓度下的吸收与荧光光谱。如图2A所示,二聚体结构NBS-NBSe展现了仅一倍的吸收强度相比于单体,然而若无二聚体淬灭产生,两分子的结构能产生接近双倍的吸光度,如直接的溶液中的叠加NBS+NBSe所示。同样,荧光谱图显示(图2B),相比于高荧光的硫代尼罗蓝和硒代尼罗蓝结构,二聚体结构NBS-NBSe展示了显著的荧光淬灭效果,而单纯的溶液中的叠加NBS和NBSe则只展现了略微减少的荧光。该实验证实了以二聚体的策略可以实现对苯并吩噻嗪结构的荧光淬灭,因而可以利用可切断键用于调控单体吩噻嗪结构的荧光,根据肿瘤与正常组织的表达差异性的物质,如谷胱甘肽,可以实现对肿瘤组织的快速识别。
实施例3二聚体的吸收与荧光调控效果:
本实施例的二聚体结构以二硫键进行相连,旨在能够实现肿瘤内过表达的谷胱甘肽可调控的荧光指示器功能。如图3A所示,在50当量的谷胱甘肽作用下,二聚体结构展现了随时间的吸收增强(双峰逐渐变为单峰)过程。同时,伴随二聚体的解聚过程,该二聚体结构NBS-NBSe同时展现了明显的荧光恢复过程(如图3B所示),30分钟内可以恢复至约10倍左右(如图3C所示)。证明该结构能够有效实现谷胱甘肽下的荧光调控,达到作为肿瘤荧光识别器的功能。
实施例4肿瘤/正常细胞与组织内的荧光区分
在生物水平,首先检测了该二聚体分子在正常与肿瘤细胞中的荧光表达差距。将不同细胞(肿瘤细胞Hela和正常细胞3T3)培养于37℃、5%CO2恒温细胞培养箱中贴壁培养,培养基为10%的血清、1%双抗的DMEM高糖。将细胞消化并种养在35mm的培养皿中,经12h生长细胞贴壁完成,向其中加入1μM的二聚体分子NBS-NBSe,并培养30分钟,洗涤后在共聚焦显微镜下对其在两种细胞的荧光表达进行成像,如图4所示,该二聚体结构在Hela细胞中的同一时间展现出明显更强的荧光相比于正常细胞,证明了在细胞水平上该结构的荧光鉴别能力。同时,在小鼠水平,对该二聚体结构在肿瘤和正常组织的荧光恢复进行对比,如图5所示,该二聚体结构展现了更强的荧光增强过程在肿瘤组织内,尤其是30分钟左右,证明在生物层面上该结构的荧光识别能力。
实施例5单线态氧和超氧产生以及二聚体的超氧增强效果
该二聚体结构通过结合硒代尼罗蓝和硫代尼罗蓝结构,可同时实现单线态氧和超氧的产生。如图6B所示,使用DHR 123检测水溶液中超氧的产生,在3分钟内荧光显著增强,显示其有效的超氧产生。作为对比的是,单体的硫代尼罗蓝和硒代尼罗蓝远不及其超氧产生能力,在溶液中,直接的叠加硫代和硒代尼罗蓝,同时间的超氧产生也仅为二聚体的1/3左右(图6A)。证明该二聚体策略对于超氧产生的提升能力。同时,使用DPBF检测其在有机溶剂二氯甲烷中的单线态氧产生,如图7所示,该二聚体结构保持了和硒代尼罗蓝近似的高单线态氧产生(约80%),但相比于硫与硒的叠加,并无显著提升。因此,该二聚体展示了有效的超氧增强效果,有利于解决在光疗中的深层次供氧不足的肿瘤细胞,以防肿瘤的复发。
实施例6细胞内光疗效果评价
利用MTT检测细胞存活率是普遍的检测药物对细胞的杀伤能力的方法。如图8A所示,在极低的光剂量(2.4/cm2)作用下,二聚体结构展现了在肿瘤细胞中有效的治疗能力,其半最大致死浓度为0.16μM,而商业化光敏剂Ce6则至少是其40倍以上,证明了该二聚体强力的治疗作用。同时,如图8B所示,该条件下该二聚体结构在低氧条件(<1%O2)下依然能够实现有效的治疗作用。
实施例7小鼠肿瘤抑制效果
在5-6周大小的Balb/C雌鼠构建皮下乳腺癌(4T1)肿瘤模型,待肿瘤大小至100mm3大小时,通过瘤旁注射给药的方式给药,孵育2小时后进行光照治疗。如图9A所示,该二聚体光敏剂治疗一天后肿瘤位置明显大面积结痂,经过14天的饲养后,发现结痂消退,并无肿瘤复发。肿瘤体积的实时观察显示光照后肿瘤大小逐渐减小,而对照组则展现至少10倍的肿瘤体积增加(图9B)。实验结果证明,该结构具有良好的肿瘤抑制能力。
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,本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,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该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的染料的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S4.第三中间体与第四中间体溶解于第三混合溶剂,在惰性气体保护下,向其中依次加入第二催化剂和第二还原剂,常温反应一段时间后得到该类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中的第一有机溶剂选自乙腈、丙酮、四氢呋喃、乙酸酐、DMF中的至少一种;步骤S1中的第一弱碱选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸铯、醋酸钠、醋酸钾中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2中的第一混合有机溶剂选自水、甲醇、乙醇、DMSO和乙腈中的至少两种组成的混合液。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2中的第一氧化剂选自重铬酸钾、高锰酸钾、高氯酸钾、超氧化钾中的至少一种;步骤S2中的第一强酸选自盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中的第二混合溶剂以及步骤S4中的第三混合溶剂分别独立选自DMF、水、氯仿、甲醇和乙醇的至少两种或者单独使用DMF。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中的第一催化剂以及步骤S4中的第二催化剂分别独立选自氯化铜、硫酸铜、五水硫酸铜、氧化铜、氧化亚铜中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中的第一还原剂以及步骤S4中的第二还原剂分别独立选自抗坏血酸、抗坏血酸钠、亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠中的至少一种。
9.如权利要求1所述的一类苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂染料的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于:所述应用包括用于辨别肿瘤/正常组织和作为光纤导入治疗中的荧光指示器,和/或用于超氧增强型光敏剂,和/或用于制备低光剂量的光动力治疗药物,和/或用于制备I型和II型组合的光动力治疗药物。
Priority Applications (1)
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CN202111167858.3A CN114014852B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 一类基于苯并吩噻嗪二聚体的荧光导向型超氧增强光敏剂染料、其制备方法及应用 |
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Title |
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MINGLE LI,等: "Superoxide Radical Photogenerator with Amplification Effect:Surmounting the Achilles’ Heels of Photodynamic Oncotherapy", 《J. AM. CHEM. SOC.》 * |
SUNDUS ERBAS-CAKMAK,等: "Selective photosensitization through an AND logic response: optimization of the pH and glutathione response of activatable photosensitizers", 《CHEM. COMMUN.》 * |
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