CN114040962B - 用于细胞器成像的发射红色荧光的化合物 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有聚集诱导发光(AIE)特征的小分子荧光化合物。这些化合物具有红色到近红外固态发射、大的斯托克斯位移、高荧光量子产率和良好的双光子吸收截面。这些化合物可以在活细胞和深部组织中提供特定的细胞器染色。这些化合物还表现出高的生物相容性以及在单光子和双光子持续照射下的高的光稳定性。
Description
技术领域
本主题总体上涉及使用一系列具有聚集诱导发光(AIE)特征的发射红色荧光的化合物进行特定的细胞器染色,尤其是用于线粒体、溶酶体和内质网的成像。
背景技术
细胞是许多活生物体的基本组成部分。人体由数万亿个细胞组成,每个细胞都有自己的特定功能。各细胞由细胞器组成,细胞器是细胞运行和健康必不可少的重要结构。诸如质膜、线粒体、溶酶体、脂质滴、高尔基体和内质网(ER)之类的各细胞器在支持细胞乃至整个身体的正常功能中起着重要作用。质膜是将所有细胞的内部与外部环境分隔开的生物膜。膜控制物质进出细胞和细胞器的运动。因此,膜对离子和有机分子是选择性可渗透的。另外,细胞膜参与多种细胞过程,例如细胞粘附、离子传导和细胞信号转导。
尽管线粒体的主要生理功能是通过氧化磷酸化产生ATP,但其他功能包括活性氧簇的产生和解毒,参与某些形式的细胞凋亡,细胞质和线粒体基质钙的调节、代谢产物的合成和分解以及细胞器本身的运输以调节细胞内的位置。这些过程中的任何异常都会导致线粒体功能障碍。高尔基体是堆叠在一起的大量潴泡(cisternal membrane)膜结构。高尔基体对于多种生物大分子的生物发生、分泌和细胞内分布至关重要。
溶酶体是存在于动物细胞中的膜结合细胞器,并含有酸性水解酶。溶酶体是动态细胞器,其接收并降解来自分泌、内吞、自噬和吞噬膜运输途径的大分子。ER是一个大的膜结合区室(compartment),分布在整个真核细胞的细胞质中,ER由一个完全连续的膜双层组成,并具有单个连续的内腔。ER在细胞代谢、蛋白质合成以及中间体和信号分子的运输中起关键作用。活细胞中ER结构的表征具有挑战性,因为其是由扁平的、膜封闭的袋状物或管状潴泡和具有不同厚度的小管组成的3D互连网络。这些细胞器的功能障碍是许多严重疾病的原因,例如癌症、帕金森氏病、阿尔茨海默氏病和糖尿病。
荧光技术是用于可视化、监控和研究不同的细胞器的功能强大的非侵入性分析工具,具有出色的灵敏度、对比度、信噪比和原位可操作性。有许多用于细胞器染色的商业染料系列,例如尼罗红、BODIPY 493/503、单丹磺酰戊烷、AFN和NPBDP。尽管通常使用这些染料中的许多染料,但仍有改进这些体系的空间,因为这些染料可能有不期望的负面效应,例如小的斯托克斯位移,从而导致自吸收并降低效率。另外,许多这些常规有机荧光团在较高浓度或聚集状态下经历荧光猝灭。
由聚集体形成所引起的荧光猝灭现象称为聚集引起的猝灭(ACQ),并且主要是由于形成π-π堆积相互作用而发生,从而导致发射效率降低。已证明聚集诱导发光(AIE)材料具有能够克服此问题的出色性能。AIEgen在溶液状态下大多是非发射性/弱发射性,而在聚集/固态时变为强发射性。由于这些特性,AIE发光团(AIEgen)在诸如生物传感器、生物成像、治疗诊断试剂、荧光引导的手术等应用中获得了巨大成功。
在过去的十年中,使用烯烃作为主要结构单元以进行有机化学和材料科学中各种官能化结构的合成,已经取得了广泛的进展和重大进步。氰基是最好的吸电子基团之一,因此将氰基引入烯烃的π共轭结构会引起丙烯腈(如下所示)具有明显的性质变化,例如构象、堆积方式、稳定性、溶解性和可加工性。
丙烯腈代表一种常见的结构基序,并且常见于除草剂、药物、农用化学品和天然产品中。近年来,在合成具有各种取代基和官能团的丙烯腈方面已经做出了相当大的努力。Jiao等人报道了由Pd(PPh3)4催化烯丙基卤化物或酯与NaN3或TMSN3反应以形成烯丙基叠氮化物,然后通过后续使用DDQ作为氧化剂的氧化重排过程将烯丙基叠氮化物转化为链烯基腈(或丙烯腈),该过程在以上反应方案中示出。另一方面,烯烃的直接氰化策略也已被用来开发各种丙烯腈。Engle等人报道了使用均相铜催化剂以得到丙烯腈的新型末端和内部烯烃氧化氰化方法。基于上述有机合成方法,已经合成了各种吸引人的丙烯腈。然而,这些途径涉及使用昂贵的过渡金属络合物、危险和有毒的试剂、苛刻的反应条件和低原子经济性。因此,丙烯腈的直接官能化仍然是一项具有挑战性的任务,并且仍有进一步改进的空间。
最近,许多研究小组发现,酮或醛和丙烷腈是使用常规碱(NaOH、t-BuOK等)通过无过渡金属、无害、无毒且原子经济的亲核反应直接生产丙烯腈的反应物。因此,这种亲核反应可以为直接和容易地合成具有多种功能的通用丙烯腈提供巨大的潜力。
先前的研究表明,氰基可使丙烯腈具有扭曲的结构,从而获得AIE性能,并避免了在水性环境中以聚集状态发生聚集引起的猝灭(ACQ)。基于丙烯腈,已经合成了多种颜色明亮发射的AIE荧光团(AIEgen),并已应用于荧光传感以及单光子和双光子生物成像等各个领域。在这些AIEgen中,在生物成像中青睐具有明亮红色发射的丙烯腈,因为其光损伤小、背景自发荧光最小并且能够穿透深部组织。
尽管如此,高度红光发射的AIEgen仍然很少。另外,它们的结构复杂,并且它们的合成涉及多步反应路线,因而需要消耗大量的时间来分离和纯化。
发明内容
本主题涉及具有红色发射的聚集诱导发光(AIE)特征的小分子荧光化合物。这些化合物可以提供在活细胞中的特定细胞器染色。一种或多种荧光化合物可以穿透细胞并选择性地染色选自溶酶体、线粒体和内质网的细胞器。本申请的化合物还表现出高生物相容性以及在单光子和双光子照射下的高光稳定性。
在一个实施方案中,荧光化合物可包括具有选自由下列组成的组中的骨架结构式的化合物:
其中,各Ar1和Ar2独立地为取代或未取代的芳环,该芳环选自由苯基、苯、噻吩、呋喃、吡喃和噻二唑组成的组,并且芳环取代基选自由下列组成的组:氢、烷基、羟基、卤素基团、羧基、氰基以及取代和未取代的芳族基团和杂环基团;
各R1、R2、R3和R4独立地选自由下列组成的组:CnH2n+1、C6H5、C10H7、C12H9、OC6H5、C6H5OH、C6H5OCnH2n+1、OC10H7、OC12H9、CnH2nCOOH、CnH2nNCS、CnH2nN3、CnH2nNH2、CnH2nCl、CnH2nBr、CnH2nI、CN和H;
各Z独立地选自由下列组成的组:F、Cl、Br、I、PF6、BPh4、N(CN)2和BF4;
各Y1独立地选自由下列组成的组:CnH2nC6H5-mXm、CnH2nC10H7-mXm、CnH2nC12H9-mXm、CnH2n、CnH2nCO2H和CnH2nSO3H;
各Y2 -独立地选自由CnH2nSO3 -和CnH2nCO2 -组成的组;
各X为卤素;
各n独立地为在0至20范围内的整数;并且
各m独立地为在0至9范围内的整数。
在一个实施方案中,该化合物包括一种或多种选自由下列组成的组中的化合物:
在一个实施方案中,涉及到一种细胞成像的方法,包括使靶细胞与本申请的化合物接触并使用成像方法识别靶细胞中的目的靶标。成像方法可以包括单光子荧光显微镜检查法或双光子荧光显微镜检查法。在一个实施方案中,识别目的靶标可以包括可视化活细胞中的细胞器。在一个实施方案中,细胞器是线粒体。在一个实施方案中,细胞器是溶酶体。在一个实施方案中,细胞器是内质网。在一个实施方案中,靶细胞是肿瘤细胞。在一个实施方案中,靶细胞是活细胞。在一个实施方案中,活细胞在活组织中。
在一个实施方案中,该化合物具有选自由下列组成的组中的骨架结构式:
其中,各R1、R2、R3和R4独立地选自由下列组成的组:CnH2n+1、C6H5、C10H7、C12H9、OC6H5、C6H5OH、C6H5OCnH2n+1、OC10H7、OC12H9、CnH2nCOOH、CnH2nNCS、CnH2nN3、CnH2nNH2、CnH2nCl、CnH2nBr、CnH2nI、CN和H;
各Z独立地选自由下列组成的组:F、Cl、Br、I、PF6、BPh4、N(CN)2和BF4;
各Y1独立地选自由下列组成的组:CnH2nC6H5-mXm、CnH2nC10H7-mXm、CnH2nC12H9-mXm、CnH2n、CnH2nCO2H和CnH2nSO3H;
各Y2 -独立地选自由CnH2nSO3 -和CnH2nCO2 -组成的组;
各X为卤素;
各n独立地为在0至20范围内的整数;并且
各m独立地为在0至9范围内的整数。
在一个实施方案中,该化合物具有选自由下列组成的组中的骨架结构式:
其中,各Ar1和Ar2独立地为取代或未取代的芳环,该芳环选自由苯基、苯、噻吩、呋喃、吡喃和噻二唑组成的组,并且芳环取代基选自由下列组成的组:氢、烷基、羟基、卤素基团、羧基、氰基以及取代和未取代的芳族基团和杂环基团。
在一个实施方案中,细胞器是内质网,内质网通过与化合物接触而被染色,并且所述化合物包括以下至少一种:
在一个实施方案中,细胞器是线粒体,线粒体通过与化合物接触而被染色,并且所述化合物包括以下至少一种:
在一个实施方案中,细胞器是通过与化合物接触而被染色的溶酶体,并且所述化合物包括以下至少一种:
附图说明
现在将参考附图详细描述各种实施方案。
图1示出了化合物1在CDCl3中的1H NMR谱图。
图2示出了化合物1在CDCl3中的13C NMR谱图。
图3示出了化合物1的HRMS谱图。
图4示出了2TPAT-AN在THF-d8中的1H NMR谱图。
图5示出了2TPAT-AN在CDCl3中的13C NMR谱图。
图6示出了2TPAT-AN的HRMS谱图。
图7示出了TPAT-AN-XF在CDCl3中的1H NMR谱图。
图8示出了TPAT-AN-XF在CDCl3中的13C NMR谱图。
图9示出了TPAT-AN-XF在CDCl3中的19F NMR谱图。
图10示出了TPAT-AN-XF的HRMS谱图。
图11A示出了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF(10μM)在THF中的归一化吸收光谱。
图11B示出了2TPAT-AN的FL光谱。
图11C示出了TPAT-AN-XF(10μM)在THF和具有不同含水率(fW)的THF/水混合物中的FL光谱。
图11D示出了αAIE(荧光强度I/I0)相对于2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的THF/水混合物的组成的曲线图。
图11E示出了固态2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的归一化FL光谱(插图:2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的固体在手持UV灯的365nmUV照射下拍摄的荧光照片)。
图11F示出了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的原始样品的XRD模式。
图11G示出了2TPAT-AN的晶体在不同方向的分子堆积。
图11H示出了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF在THF中的双光子吸收(TPA)截面。1GM≡10- 50cm4 s/光子。
图12示出了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF(10μM)在分别包含30%和5%THF的水中的动态光散射数据(水合直径:399nm(2TPAT-AN,右)和210nm(TPAT-AN-XF,左)。
图13示出了2TPAT-AN晶体中的分子间堆积相互作用。
图14示出了研磨前后2TPAT-AN晶体的归一化荧光光谱。
图15A至图15B示出了(图15A)2TPAT-AN和(图15B)TPAT-AN-XF在不同的极性溶剂中的归一化荧光光谱。
图16A至图16B示出了(图16A)2TPAT-AN和(图16B)TPAT-AN-XF的HOMO和LUMO在B3LYP/6-31G(d、p)能级的优化基态和激发态的空间轨道分布。
图17A至图17B示出了在基态和激发态下(图17A)2TPAT-AN和(图17B)TPAT-AN-XF的DFT优化结构。
图18A至图18F示出了(图18A)使用两亲性嵌段共聚物PEG-PLGA作为包封材料通过纳米沉淀法制备2TPAT-AN NPs的图示;(图18B)2TPAT-AN NPs的TEM图像;(图18C)2TPAT-ANNPs在水中的DLS数据;(图18D)2TPAT-AN NPs在水中的归一化吸收光谱和荧光光谱(插图:在室内光(左)和手持UV灯的365nm UV照射下(右)拍摄的2TPAT-AN NPs在水中的照片);(图18E)与2TPAT-AN NPs(5μg/mL)一同孵育的HeLa细胞的共聚焦激光扫描显微图像。标尺:20μm;(图18F)与2TPAT-AN NPs(5μg/mL)和LysoTraker Green DND-26(200nM)一同孵育的HeLa细胞的共聚焦激光扫描显微图像。标尺:20μm。
图19A至图19B不同时间点的2TPAT-AN NPs在水中的动态光散射数据(图19A)和吸收光谱(图19B)。
图20示出了2TPAT-AN NPs在HeLa细胞中的细胞毒性。
图21示出了与2TPAT-AN NPs一同孵育的肿瘤组织的单光子(λex=488nm)和双光子(λex=880nm)荧光显微图像(标尺:20μm)。
图22A至图22D示出了活的深部组织中的离体双光子和单光子成像。用2TPAT-ANNPs染色的小鼠肿瘤组织在沿z轴的不同穿透深度处的(图22A)单光子(λex=488nm)和(图22C)双光子(λex=880nm)荧光显微图像。标尺:50μm。重建的3D(图22B)单光子和(图22D)双光子荧光显微图像。
图23A至图23B示出了(图23A)在肿瘤内注射2TPAT-AN NPs(2mg/mL,100μL)之后,不同时间点的4T1荷瘤裸鼠的体内成像以及(图22B)来自肿瘤内注射或不注射2TPAT-ANNPs的小鼠的主要器官切片(心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏)的H&E染色。
图24示出了在肿瘤内注射后不同时间点的肿瘤中2TPAT-AN NPs的归一化平均荧光强度(MFI)。
图25A至图25B示出了CDPBr在CDCl3中的(图25A)1H NMR和(图25B)13C NMR谱图。
图26示出了CDPBr的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图27A至图27B示出了CDPP在CDCl3中的(图27A)1H NMR和(图27B)13C NMR谱图。
图28示出了CDPP的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图29A至图29B示出了CDPP-3SO3在d6-DMSO中的(图29A)1H NMR和(图29B)13C NMR谱图。
图30示出了CDPP-3SO3的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图31A至图31B示出了CDPP-4SO3在d6-DMSO中的(图31A)1H NMR和(图31B)13C NMR谱图。
图32示出了CDPP-4SO3的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图33A至图33B示出了CDPP-Bz在CDCl3中的(图33A)1H NMR和(图33B)13C NMR谱图。
图34示出了CDPP-Bz的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图35A至图35B示出了CDPP-BzBr在CDCl3中的(图35A)1HNMR和(图35B)13C NMR谱图。
图36示出了CDPP-BzBr的高分辨率质谱(MALDI-TOF)
图37A至图37B示出了CDPP-MeI在CDCl3中的(图37A)1HNMR和(图37B)13C NMR谱图。
图38示出了CDPP-MeI的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图39A至图39B示出了CDPP-F2Ph在CDCl3中的(图39A)1HNMR和(图39B)13C NMR谱图。
图40示出了CDPP-F2Ph的高分辨率质谱(MALDI-TOF)。
图41A至图41C示出了CDPP-3SO3的(图41A)晶体结构和(图41B)显示了CH···π和π···π相互作用的堆积、以及(图41C)静电相互作用。
图42A至图42B示出了CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr在DMSO中的(图42A)归一化吸收光谱和(图42B)发射光谱;浓度=10μM;λex=480nm。
图43A至图43G示出了(图43A)CDPP衍生物的分子结构和在365nm UV激发下CDPP衍生物的粉末的照片;(图43B)CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的PL光谱;(图43C)CDPP-3SO3在不同含水率(fw)的DMSO/水混合物中的PL光谱;浓度=10μM;(图43D)PL最大值和相对PL强度(αAIE=I/I0)与CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的DMSO/水混合物的组成的关系图,其中I0是fw=0%时的PL强度;浓度=10μM;λex=470nm;fw=0%和90%时的荧光照片以及fw=90%时收集的(图43E)CDPP-3SO3、(图43F)CDPP-4SO3和(图43G)CDPP-BzBr的纳米聚集体的相应SEM图像;浓度=10μM;标尺:1μm(在手持UV灯的365nm UV照射下拍摄的照片[CDPP=(Z)-4-(4-(1-氰基-2-(4-(二苯基氨基)苯基)乙烯基)苯基)吡啶-1-鎓])。
图44示出了CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的双光子吸收截面;条件:DMSO/水(1:9),浓度:100μM。
图45示出了用CDPP-3SO3(1μM)标记的HeLa细胞的共聚焦显微成像及其与(顶部)ER-Tracker Red(1μM)(皮尔逊系数(R)=0.85)和(底部)MitoTracker Deep Red(250nM)(R=0.55)的共定位;标尺=5μm。
图46示出了用CDPP-4SO3(1μM)标记的HeLa细胞的共聚焦显微成像及其与(顶部)ER-Tracker Red(1μM)(R=0.86)和(底部)MitoTracker Deep Red(250nM)(R=0.57)的共定位;标尺=10μm。
图47示出了用CDPP-3SO3(1μM)标记的143B细胞的共聚焦显微成像及其与ER-Tracker Deep Red(250nM)的共定位(R=0.86);标尺=5μm。
图48示出了用CDPP-BzBr(10μM)标记的HeLa细胞的共聚焦显微成像及其与MitoTracker Deep Red(250nM)的共定位,皮尔逊系数(R)=0.89;标尺=10μm。
图49A至图49B示出了与(图49A)CDPP-3SO3(1μM)、CDPP-4SO3(1μM)和ER TrackerRed(250nM)以及(图49B)CDPP-BzBr(1μM)和Mito Tracker Red(250nM)共染的HeLa细胞抵抗通过使用共聚焦激光扫描显微成像(CLSM)增加的激光辐照扫描的荧光信号损失图。
图50A至图50B示出了用CDPP-3SO3染色的HeLa细胞的共聚焦图像,其中(图50A)1PM的λex=480nm,并且(图50B)2PM的λex=820nm;标尺=25μm。
图51A至图51C示出了用CDPP-4SO3染色的HeLa细胞的共聚焦图像,其中(图51A)1PM的λex=480nm,并且(图51B)2PM的λex=820nm以及(图51C)明场;标尺=25μm。
图52A至图52C示出了用CDPP-BzBr染色的HeLa细胞的共聚焦图像,其中(图52A)1PM的λex=480nm;(图52B)2PM的λex=820nm;(图52C)明场;标尺=50μm。
图53A至图53B示出了AIEgen对(图53A)与不同浓度的AIEgen一同孵育的COS-7细胞以及(图53B)与不同浓度的AIEgen一同孵育的HeLa细胞的细胞毒性。
具体实施方式
定义
提供以下定义是为了理解本主题并用于构建所附专利权利要求。
应注意,如在本说明书和所附权利要求书中所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
本文所用的术语“λex”是指激发波长。
本文所用的短语“聚集引起猝灭”或“ACQ”是指其中π-共轭荧光团的聚集显著降低荧光团的荧光强度的现象。这种聚集体形成被称为“猝灭”荧光团的光发射。
本文所用的短语“聚集诱导发光”或“AIE”是指在无定形或结晶(固态)状态下聚集时表现出显著的发光增强的化合物所表现出的现象,而它们在稀溶液中表现出弱或几乎没有发射。
如本文所用,“发射强度”是指通常从荧光光谱仪或荧光显微镜测量获得的荧光/磷光的大小;如本文所用,“荧光团”或“荧光体”是指显示荧光的分子;如本文所用,“发光体”或“发光团”是指显示发光的分子;以及如本文所用,“AIEgen”是指表现出AIE特征的分子。
如本文所用,“卤代”或“卤素”是指氟、氯、溴和碘。
如本文所用,“烷基”是指直链或支链的饱和烃基。烷基的实例包括甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(例如,正丙基和异丙基)、丁基(例如,正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)、戊基(例如,正戊基、异丁基、戊基)、己基等。在各种实施方案中,烷基可具有1至40个碳原子(即,C1-40烷基),例如1至30个碳原子(即,C1-30烷基)。在一些实施方案中,烷基可以具有1至6个碳原子,并且可称为“低级烷基”。低级烷基的实例包括甲基、乙基、丙基(例如,正丙基和异丙基)和丁基(例如,正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基)。在一些实施方案中,烷基可以如本文所述被取代。烷基通常不被另一个烷基、链烯基或炔基取代。
如本文所用,“链烯基”是指具有一个或多个碳-碳双键的直链或支链烷基。链烯基的实例包括乙烯基、丙烯基、丁烯基、戊烯基、己烯基、丁二烯基、戊二烯基、己二烯基等。一个或多个碳-碳双键可以是内部的(例如在2-丁烯中)或末端的(例如在1-丁烯中)。在各种实施方案中,链烯基可具有2至40个碳原子(即,C2-40链烯基),例如,2至20个碳原子(即,C2-20链烯基)。在一些实施方案中,链烯基可如本文所述被取代。链烯基通常不被另一个链烯基、烷基或炔基取代。
如本文所用,“杂原子”是指除碳或氢以外的任何元素的原子,并且包括(例如)氮、氧、硅、硫、磷和硒。
如本文所用,“芳基”是指芳族单环烃环系统或多环环系统,其中两个或更多个芳族烃环稠合(即,具有共同的键)在一起或至少一个芳族单环烃环与一个或多个环烷基和/或环杂烷基环稠合。芳基在其环系中可以具有6至24个碳原子(例如,C6-24芳基),其可以包括多个稠合环。在一些实施方案中,多环芳基可具有8至24个碳原子。芳基的任何合适的环位置可以共价连接至限定的化学结构。仅具有一个或多个芳族碳环的芳基的实例包括苯基、1-萘基(双环)、2-萘基(双环)、蒽基(三环)、菲基(三环)、戊烯基(五环)等基团。其中至少一个芳族碳环与一个或多个环烷基和/或环杂烷基环稠合的多环系统的实例包括环戊烷的苯并衍生物(即,茚满基,其为5,6-双环环烷基/芳环系统)、环己烷的苯并衍生物(即四氢萘基,其为6,6-双环环烷基/芳环系统)、咪唑啉的苯并衍生物(即苯并咪唑啉基,其为5,6-双环杂环烷基/芳环系统)和吡喃的苯并衍生物(即,色烯基,其为6,6-双环杂环烷基/芳环系统)。芳基的其他实例包括苯并二噁烷基、苯并二氧杂环戊烯基、苯并二氢吡喃基、二氢吲哚基等。在一些实施方案中,芳基可如本文所述被取代。在一些实施方案中,芳基可以具有一个或多个卤素取代基,并且可以被称为“卤代芳基”基团。在“卤代芳基”的定义内包括全卤芳基,即其中所有氢原子均被卤素原子取代的芳基(例如,-C6F5)。在某些实施方案中,芳基被另一个芳基取代并且可以被称为联芳基。如本文公开的那样,联芳基中的每个芳基可以被取代。
如本文所用,“杂芳基”是指包含至少一个选自氧(O)、氮(N)、硫(S)、硅(Si)和硒(Se)环杂原子的芳族单环的环系统或多环的环系统,该多环的换系统中存在的至少一个环是芳族的并且包含至少一个环杂原子。多环杂芳基包括那些具有两个或更多个稠合在一起的杂芳基的,以及那些与一个或多个芳族碳环、非芳族碳环和/或非芳族环杂烷基环稠合的具有至少一个单环杂芳基的。整体上,杂芳基可具有(例如)5至24个环原子并且含有1至5个环杂原子(即5元至20元杂芳基)。杂芳基可在任何杂原子或碳原子处连接至所定义的化学结构,从而产生稳定的结构。通常,杂芳基环不包含O-O、S-S或S-O键。然而,杂芳基中的一个或多个N或S原子可以被氧化(例如,吡啶N-氧化物、噻吩S-氧化物、噻吩S,S-二氧化物)。杂芳基的实例包括(例如)如下所示的5元或6元单环和5-6双环系统:其中T为O、S、NH、N-烷基、N-芳基、N-(芳基烷基)(例如,N-苄基)、SiH2、SiH(烷基)、Si(烷基)2、SiH(芳基烷基)、Si(芳基烷基)2或Si(烷基)(芳基烷基)。此类杂芳基环的实例包括吡咯基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、嘧啶基、哒嗪基、吡嗪基、三唑基、四唑基、吡唑基、咪唑基、异噻唑基、噻唑基、噻二唑基、异噁唑基、噁唑基、噁二唑基、吲哚基、异吲哚基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、喹啉基、2-甲基喹啉基、异喹啉基、喹喔啉基、喹唑晽基、苯并三唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、苯并异噻唑基、苯并异噁唑基、苯并噁二唑基、苯并噁唑基、噌啉基、1H-吲唑基、2H-吲唑基、吲哚嗪基、异苯并呋喃基、萘啶基、酞嗪基、蝶啶基、嘌呤基、噁唑并吡啶基、噻唑并吡啶基、咪唑并吡啶基、呋喃并吡啶基、噻吩并吡啶基、吡啶并嘧啶基、吡啶并吡嗪基、吡啶并哒嗪基、噻吩并噻唑基、噻吩并噁唑基、噻吩并咪唑基等。杂芳基的其他实例包括4,5,6,7-四氢吲哚基、四氢喹啉基、苯并噻吩并吡啶基、苯并呋喃并吡啶基等。在一些实施方案中,杂芳基可如本文所述被取代。
如本文所用,“供体”材料是指具有作为主要电流或电荷载流子的空穴的有机材料,例如,有机纳米颗粒材料。
如本文所用,“受体”材料是指具有电子作为主要电流或电荷载流子的有机材料,例如,有机纳米颗粒材料。
除非另有定义,否则本文使用的所有技术和科学术语具有与当前描述的主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
在提供值的范围(例如浓度范围、百分比范围或比率范围)的情况下,应理解,除非上下文另外明确指出,否则在该范围的上限和下限之间的精确至下限单位的十分之一的各中间值以及任何其他规定范围或在该规定范围内的中间值均包括在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小范围中,并且这些实施方案也包括在所描述的主题之内,但要遵守所述范围内的任何明确排除的极限值的限制。在所述范围包括一个或两个极限值的情况下,所描述的主题中还包括排除所包括的极限值中的任一者或两者的范围。
在整个申请中,各种实施方案的描述使用“包括”语言。然而,本领域技术人员将理解,在一些特定情况下,可以使用语言“基本上由......组成”或“由......组成”来替代性地描述实施方案。
为了更好地理解本教导并且决不限制本教导的范围,除非另有说明,否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例以及其他数值的所有数字在所有情况下应理解为被术语“约”修饰。因此,除非有相反的指示,否则在以下说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值,其可以根据试图获得的所需性质而变化。至少,每个数值参数至少应根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。
荧光化合物
本主题涉及具有聚集诱导发光(AIE)特征的小分子荧光化合物。一种或多种荧光化合物表现出独特的性质,例如固态红色发光、大的斯托克斯位移和大的双光子吸收截面。一种或多种荧光化合物可以选择性地染色选自活细胞的线粒体、内质网和溶酶体的细胞器。细胞可以在活组织中,例如活肿瘤组织中。本申请的化合物可以表现出高生物相容性以及在单光子和双光子照射下的高光稳定性。
在一个实施方案中,荧光化合物可以包括一种或多种选自以下的化合物:
其中,各Ar1和Ar2独立地为取代或未取代的芳环,该芳环选自由苯基、苯、噻吩、呋喃、吡喃和噻二唑组成的组,并且芳环取代基选自由下列组成的组:氢、烷基、羟基、卤素基团、羧基、氰基以及取代和未取代的芳族基团和杂环基团;
各R1、R2、R3和R4独立地选自由下列组成的组:CnH2n+1、C6H5、C10H7、C12H9、OC6H5、C6H5OH、C6H5OCnH2n+1、OC10H7、OC12H9、CnH2nCOOH、CnH2nNCS、CnH2nN3、CnH2nNH2、CnH2nCl、CnH2nBr、CnH2nI、CN和H;
各Z独立地选自由下列组成的组:F、Cl、Br、I、PF6、BPh4、N(CN)2和BF4;
各Y1独立地选自由下列组成的组:CnH2nC6H5-mXm、CnH2nC10H7-mXm、CnH2nC12H9-mXm、CnH2n、CnH2nCO2H和CnH2nSO3H;
各Y2 -独立地选自由CnH2nSO3 -和CnH2nCO2 -组成的组;
各X为卤素;
各n独立地为在0至20范围内的整数;并且
各m独立地为在0至9范围内的整数。
在一个实施方案中,该化合物选自由以下组成的组:
荧光化合物可以包括供体-π-受体(D-π-A)结构。一种或多种本申请的化合物可以包括AIE-活性丙烯腈。丙烯腈可通过无过渡金属、无害、无毒且原子经济的合成方法合成。如下图所示,通过简单地改变反应温度,即可产生具有不同功能的丙烯腈:
其中Ar1和Ar2选自取代的芳环和未取代的芳环。芳环可包括(例如)苯、噻吩、呋喃、吡喃和噻二唑。芳环取代基可以选自由下列组成的组:氢、烷基、羟基、卤素基团、羧基、氰基以及取代和未取代的芳族基团和杂环基团;在一个实施方案中,芳环取代基可以选自三氟甲基和N,N-二苯基苯胺。
AIE活性丙烯腈可以显示明亮的固态红色发射,并具有高达约37.6%的高荧光量子产率。由于AIE活性丙烯腈的D-π-A结构和高π共轭,AIE活性丙烯腈还可以显示高达约508GM的大的双光子吸收截面。
在一个实施方案中,荧光化合物可包括一种或多种选自以下的AIE-活性丙烯腈:
TPAT-AN-XF和2TPAT-AN的纳米颗粒(NPs)可以通过纳米沉淀法进行制备。NPs具有生物相容性,并且可以用作双光子成像的造影剂。NPs可在活细胞(例如活HeLa细胞)的溶酶体中提供特定的细胞器染色,并在肿瘤组织中提供高分辨率的双光子深部组织成像。另外,NPs可以实现具有高信噪比的肿瘤的体内长期成像。因此,这些化合物对于双光子深部组织生物成像和肿瘤转移的长期动态跟踪显示出巨大的潜力。应当理解,可以基于本教导来制备具有多种功能和所需特性的其他基于丙烯腈的荧光材料。这些化合物可用于生物医学成像和其他应用,例如发光器件和有机场效应晶体管。
一种或多种化合物可包括作为D单元的螺旋形三苯胺(TPA)链段、作为π桥的AIE活性核(例如α-氰基芪)和作为A单元的电子接受单元(例如吡啶鎓)。AIE活性核可以包括(Z)-4-(4-(1-氰基-2-(4-(二苯基氨基)苯基)乙烯基)苯基)吡啶-1-鎓(CDDP)。包括CDDP核的化合物的UV-vis吸收可以在可见光区域(约470nm)中,发射在约620nm至约690nm的范围内。在一个实施方案中,包括CDDP核的荧光化合物可以基于它们的官能团穿透细胞并靶向细胞器。例如,包括具有磺化官能团和两性离子性质的CDDP核的化合物可以用于内质网成像。包括CDDP核分子的示例性荧光化合物包括选自由下列组成的组中的化合物:
生物成像应用
本申请的荧光化合物可用于体外和离体细胞成像。在一个实施方案中,细胞成像的方法可以包括使靶细胞与一种或多种本申请的化合物接触,并使用成像方法识别靶细胞中的目的靶标。成像方法可以包括单光子荧光显微镜检查法或双光子荧光显微镜检查法。在一个实施方案中,识别目的靶标可以包括可视化活细胞中的细胞器。在一个实施方案中,细胞器是线粒体。在一个实施方案中,细胞器是溶酶体。在一个实施方案中,细胞器是内质网。在一个实施方案中,靶细胞是肿瘤细胞。在一个实施方案中,靶细胞是活细胞。在一个实施方案中,靶细胞在活组织中。
在一个实施方案中,荧光化合物具有选自由下列组成的组中的骨架结构式:
其中,各R1、R2、R3和R4独立选自由下列组成的组:CnH2n+1、C6H5、C10H7、C12H9、OC6H5、C6H5OH、C6H5OCnH2n+1、OC10H7、OC12H9、CnH2nCOOH、CnH2nNCS、CnH2nN3、CnH2nNH2、CnH2nCl、CnH2nBr、CnH2nI、CN和H;
各Z独立地选自由下列组成的组:F、Cl、Br、I、PF6、BPh4、N(CN)2和BF4;
各Y1独立地选自由下列组成的组:CnH2nC6H5-mXm、CnH2nC10H7-mXm、CnH2nC12H9-mXm、CnH2n、CnH2nCO2H和CnH2nSO3H;
各Y2 -独立地选自由CnH2nSO3 -和CnH2nCO2 -组成的组;
各X为卤素;
各n独立地为在0至20范围内的整数;并且
各m独立地为在0至9范围内的整数。
在一个实施方案中,该化合物具有选自由下列组成的组中的骨架结构式:
其中,各Ar1和Ar2独立地为取代或未取代的芳环,该芳环选自由苯基、苯、噻吩、呋喃、吡喃和噻二唑组成的组,并且芳环取代基选自由下列组成的组:氢、烷基、羟基、卤素基团、羧基、氰基以及取代和未取代的芳族基团和杂环基团。
在一个实施方案中,细胞器是通过与化合物接触而被染色的内质网,并且该化合物包括以下至少一种:
在一个实施方案中,细胞器是线粒体,线粒体通过与化合物接触而被染色,并且该化合物包括以下至少一种:
在一个实施方案中,细胞器是通过与化合物接触而被染色的溶酶体,并且该化合物包括以下至少一种:
成像方法可以包括单光子荧光显微镜检查法(共聚焦激光扫描显微镜检查法)或双光子荧光显微镜检查法。单光子荧光显微镜检查法使用单个光子通过使用主要为可见的激发波长(390nm至700nm)来激发荧光染料。双光子荧光成像技术因其具有近红外(NIR)激发的高穿透深度、高空间分辨率和信噪比以及低的光致漂白趋势而被广泛用于生物成像应用。双光子吸收(2PA)截面(δ2PA)用于预测发光剂是否适合2PM。
在一个实施方案中,本申请的化合物可以使活组织中的细胞器以深部组织穿透的方式染色。深部组织穿透可包括活组织中约50μm至约100μm的深度。例如,在双光子激发成像模式下,成功地将2TPAT-AN用于活体肿瘤组织(例如,约60μm的深度)的染色。
通过以下实施例说明本教导。
实施例1
合成(2TPAT-AN和TPAT-AN-XF)
下面提供了用于制备2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的示例性合成路线
如下所示,在催化剂Pd(PPh3)4的存在下,化合物3和4的铃木(Suzuki)偶联反应生成化合物1。
化合物1和2在具有t-BuOK的回流的无水EtOH中的反应生成2TPAT-AN,这已通过单晶结构分析成功确认。TPAT-AN-XF是在室温下、在无水EtOH中,在t-BuOK的存在下,通过化合物1和2的反应制备的。据信这是第一次通过简单地调节反应温度来制备不同的官能化丙烯腈。通过1H NMR、13C NMR、19F NMR和HRMS谱对中间体化合物1和最终产物(2TPAT-AN和TPAT-AN-XF)的结构进行了很好的表征(图1至图10)。
实施例2
光物理性质(2TPAT-AN和TPAT-AN-XF)
研究了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的光物理性质。吸收光谱和荧光(FL)光谱示于图11A至图15B,并且相应数据总结于表1中。在稀THF溶液中,2TPAT-AN在482nm处有红移吸收峰(λabs),其大于TPAT-AN-XF(λabs为439nm)的吸收峰(图11A)。在稀THF溶液中,2TPAT-AN在572nm处表现出最大发射值(λem),并且在向THF溶液中加水后,发射略有红移,而FL强度则先降低,然后随着含水率(fw)超过50%而提高(图11B和图11D)。2TPAT-AN由于聚集体的形成,在fw=70%时表现出较强的FL强度(λabs为610nm),从而证明了聚集增强发光(AEE)特性。进一步将fw增加到90%和99%会导致FL强度略有下降。这种现象通常会在AIEgen中观察到,可能是由于在水性混合物中高含水率时形成的聚集体的形态和大小发生了变化。
需要指出的是,在fw=90%和99%时出现了一个约650nm的肩峰,表明这种水性混合物中确实存在不同的聚集模式。类似地,TPAT-AN-XF也表现出由荧光分析所证明的AEE性质(图11C和图11D)。与THF中的发射相比,水性悬浮液中2TPAT-AN-XF的FL强度仅略有增加,而TPAT-AN-XF的FL强度增强了几倍(图11D),这可能是由于在水性介质中2TPAT-AN的松散聚集体和TPAT-AN-XF的致密聚集体所致。动态光散射数据显示,2TPAT-AN和TPAT-AN-XF在水性悬浮液中的水合直径分别为399nm和210nm,证明了聚集体的存在(图12)。2TPAT-AN和TPAT-AN-XF在THF中表现出较低的发射效率,但在固态时的荧光量子产率却非常高,分别为34.3%和37.6%(表1),这是由于THF中活跃的分子内运动引起的能量损失和固态时分子内运动受限(RIM)。
表1. 2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的光物理性质a。
a缩写:λabs=最大吸收值;λem=最大发射值;ΦF,S=溶液中的荧光量子产率,并且ΦF,P=固体粉末的荧光量子产率;αAIE=ΦF,S/ΦF,P。
显著的是,2TPAT-AN示出了635nm的红移荧光,程度高于TPAT-AN-XF的红移荧光(591nm,图11E),这可能是由于原始样品中存在更强的相互作用(图11F)。进一步研究了2TPAT-AN在晶态下的分子间相互作用和堆积(图13和图11G)。2TPAT-AN表现出很强的分子内π-π相互作用和C-H··π相互作用,以抑制分子运动(图12),从而产生较低的非辐射能量损失和较高的荧光量子产率。由于π-π相互作用的存在,两个相邻分子之间形成了孤立的二聚体(图11G),促进了2TPAT-AN在聚集体(肩峰为~650nm,图11B)和固态(630nm,图11F)中的红移发射。应该注意的是,存在于2TPAT-AN晶体中的π-π相互作用即使在强研磨处理下也特别稳定(图14)。此外,这两个AIEgen由于典型的D-π-A结构和分子内电荷转移效应而表现出典型的正溶剂变色效应,这从不同极性的有机溶剂中逐渐红移的发射得到了证实(图15A至图15B)。
以往的研究表明,基于供体-π-受体(D-π-A)的荧光材料表现出很强的双光子吸收。鉴于2TPAT-AN和2TPAT-AN-XF具有良好的D-π-A共轭结构,利用飞秒脉冲激光作为激发源,通过双光子激发荧光研究了它们在THF中的双光子吸收特性。这两个AIEgen在800nm至980nm处表现出很强的双光子荧光信号。通过使用罗丹明B的甲醇溶液作为标准,测定了双光子吸收截面。如图11H所示,它们特别是在880nm处表现出非常高的双光子吸收截面(2TPAT-AN为508GM并且TPAT-AN-XF为366GM)。有趣的是,2TPAT-AN比TPAT-AN-XF示出了更大的双光子吸收截面,特别是在800nm至880nm处,这可能是因为D-π-A-π-D共轭的2TPAT-AN比基于D-π-A的TPAT-AN-XF具有更好的共轭作用。这些优良的双光子吸收特性和大的双光子吸收截面在生物医学成像方面具有巨大的潜力。
使用通过Gaussian 09程序包在B3LYP/6-31G理论水平上进行的密度泛函理论(DFT)计算,进一步研究了2TPAT-AN和TPAT-AN-XF的光物理性质。图16A至图16B描绘了优化基态和激发态中HOMO和LUMO的空间轨道分布。2TPAT-AN的HOMO轨道基本上离域在整个分子上,而LUMO轨道主要分布在噻吩取代的丙烯腈部分。TPAT-AN-XF的HOMO轨道在基态时一般离域在三苯胺和噻吩的共轭部分,而在激发态时HOMO的轨道主要分布在三苯胺部分。
TPAT-AN-XF的LUMO主要位于三苯胺基团以外的分子部分上。HOMO和LUMO的空间轨道分布表明,由于强烈的分子内电荷转移(ICT)效应,这两个AIEgen,特别是TPAT-AN-XF表现出明显的轨道分离。在基态,2TPAT-AN由于其良好的π共轭作用表现出比TPAT-AN-XF更高的HOMO能级,而TPAT-AN-XF由于其较强的ICT效应而表现出比2TPAT-AN略低的LUMO能级。优化基态下HOMO和LUMO的这种空间轨道分布使得2TPAT-AN的能量带隙比TPAT-AN-XF的能量带隙更窄,从而使得2TPAT-AN的吸收红移。然而,在激发态,由于强烈的ICT效应以及高度扭曲的结构,TPAT-AN-XF的LUMO能级比2TPAT-AN的LUMO能级大大降低(图17A至图17B),从而使得激发态的能隙较窄,因而TPAT-AN-XF在溶液中的发射光红移。这些DFT数据进一步证明,与TPAT-AN-XF相比,2TPAT-AN在溶液中表现出红移的吸收和蓝移的发射,这与在THF中测量的光物理数据非常一致(表1)。
实施例3
生物医学成像(2TPAT-AN和TPAT-AN-XF)
在2TPAT-AN优异的光物理性能的鼓舞下,我们进行了生物成像研究。以两亲性嵌段共聚物PEG-PLGA(Mw:1000至1000)为包裹材料,通过典型的纳米沉淀法制备了水溶性2TPAT-AN纳米颗粒(NPs)(图18A)。图18B中的透射电子显微镜(TEM)数据表明,2TPAT-ANNPs的粒径分布在30nm至65nm的范围内。通过动态光散射(DLS)数据(图18C)证实了2TPAT-AN NPs的水合直径为约102nm。2TPAT-AN NPs的透明溶液在约479nm处有可比的最大吸收值,并且在608nm处有最大发射值以及约650nm的肩峰(图18D),这样的荧光光谱与fW=90%或99%(图11B)的THF中聚集体状态的2TPAT-AN的荧光光谱非常相似,可能是由于形成了不同的堆积模式。此外,2TPAT-AN NPs表现出良好的胶体稳定性,因为DLS的大小和吸光度在七天后几乎没有变化(图19A至图19B)。
在活体细胞中进行生物成像前,用标准的MTT法研究2TPAT-AN NPs在HeLa细胞中的细胞毒性。2TPAT-AN NPs孵育24小时后,即使在80μg/mL的浓度下,细胞存活率仍很高(超过85%)(图20),证实了2TPAT-AN NPs对活细胞的低细胞毒性。然后,将2TPAT-AN NPs应用于通过使用激光共聚焦扫描显微镜检查法的体外活细胞成像。孵育30min后,在HeLa细胞的细胞质中观察到强烈的红色发射,并且z-堆积成像数据进一步证实2TPAT-AN NPs定位于细胞质中,而不是结合或吸附在细胞表面上(图18E)。一般情况下,由于内吞作用,荧光有机NPs倾向于定位在溶酶体中。用商业溶酶体染料LysoTraker Green DND-26进行共染色成像研究,以验证2TPAT-AN NPs在活HeLa细胞中的特异性定位。如图18F所示,2TPAT-AN NPs和LysoTraker Green DND-26表现出非常相似的染色模式,皮尔逊系数为0.89。这一结果证实了2TPAT-AN NPs具有良好的细胞穿透性,并选择性地定位于活细胞的溶酶体中。
与单光子成像相比,近红外脉冲激光激发的双光子成像在更低的光损伤、更高的信噪比和更深的组织穿透方面表现出更好的性能。最近的一些工作也成功地证明了双光子生物成像的深部组织穿透优势。为了进一步证实双光子显微镜检查法的这种优点,在活体肿瘤组织中进行了体外双光子成像。考虑到880nm处具有较大的双光子吸收截面和较强的双光子激发荧光,利用880nm的NIR脉冲激光进行了双光子成像。与单光子成像相比,在活体肿瘤组织中可以明显地看到更高分辨率和更高信噪比的双光子激发荧光(图21)。这种双光子荧光信号与单光子激光激发的荧光信号具有非常相似的分布,表明2TPAT-AN NPs在活组织的双光子成像中具有很大的潜力。然后,在不同深度扫描荧光图像,并沿z轴每隔2μm捕获荧光图像(图22A至图22D)。由488nm光激发的单光子荧光信号只能在低于40μm的深度获得(图22A),这在重建的3D单光子荧光显微图像(图22B)中可以清楚地显示出来。与之形成鲜明对比的是,在高达60μm的深度可以清晰地探测到高信噪比的双光子荧光信号,并且成功地重建了3D双光子荧光显微图像(图22C和图22D)。这一出色的体外成像数据表明,2TPAT-AN NPs在体内双光子深部组织成像以用于癌症诊断方面具有巨大的潜力。
考虑到具有较宽的发射光谱,包括深红色到近红外区域,预期2TPAT-AN NPs可以在活体动物中表现出良好的成像性能。为了证明这一点,通过瘤内注射2TPAT-AN NPs在4T1荷瘤裸鼠身上进行了体内成像,并且还在不同的时间点记录了来自肿瘤的归一化平均荧光强度(图23A至图23B和图24)。注射后30min,可以明显收集到4T1肿瘤中的2TPAT-AN NPs的强的体内荧光,且信噪比非常高。然而,未注射2TPAT-AN NPs的对照组中,仅在整个小鼠上获得一些背景自发荧光信号。
需要注意的是,一些2TPAT-AN NPs已经被小鼠代谢,通过肿瘤周围的荧光略高于背景自发荧光证实了这一点。瘤内注射后,随着时间的延长,来自肿瘤区域的荧光信号逐渐减弱,并且在注射后约12h达到平台,通过归一化平均荧光强度数据明显证实了这一点(图24)。有趣的是,即使在注射后72h,肿瘤荧光也只显示出轻微的减弱(图23A),这表明2TPAT-AN NPs在长期肿瘤跟踪方面有巨大的潜在应用前景。此外,用苏木精和伊红(H&E)染色评价了2TPAT-AN NPs对活体小鼠的细胞毒性,以用于注射后72h的组织学分析。在用2TPAT-ANNPs处理的实验组中,小鼠的主要脏器(心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏)未见明显异常(图23B),从而表明2TPAT-AN NPs在测试条件下具有较高的生物相容性。这些数据表明,生物相容的2TPAT-AN NPs在体内生物成像方面表现出有希望的潜力。
实施例4
合成(CDPP-3SO3、CDPP-4SO3、CDPP-Bz、CDPP-BzBr、CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
诸如螺旋桨形三苯胺(TPA)链段之类的给电子基团被选为供体(D)单元,诸如(Z)-4-(4-(1-氰基-2-(4-(二苯基氨基)苯基)乙烯基)苯基)吡啶-1-鎓(CDPP)之类的AIE活性核被选为π桥,并且诸如吡啶之类的吸电子单元被视为受体(A)单元。通过两步反应合成了D-π-A化合物(如下所示):i)4-(二苯氨基)苯甲醛与2-(4-溴苯基)乙腈的克脑文盖尔(Knoevenagel)缩合反应;随后是ii)与4-吡啶硼酸进行铃木偶联,制得黄色粉末,总产率为73%:
最后,将CDPP分别与1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、苄基溴、4溴苄基溴、碘甲烷和1-(溴甲基)-3,5-二氟苯进行简单反应,合成了目标荧光团CDPP-3SO3、CDPP-4SO3、CDPP-BZ、CDPP-BzBr、CDPPMeI和CDPP-F2Ph。所有合成的化合物的化学结构都通过标准的波谱技术如1H NMR、13C NMR和HRMS进行了表征(图25A至图40)。
实施例5
光物理性质(CDPP-3SO3,CDPP-4SO3,CDPP-Bz,CDPP-BzBr,CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
用单晶X射线衍射(SXRD)对其中一种合成的化合物CDPP-3SO3进行了成功表征(图41A至图41C)。TPA的螺旋桨构象显示三个苯环之间的二面角分别为54.1°、68.1°和74.2°。晶体堆积表现出不同的CH···π、π···π和CH···O相互作用,分别测得为、和/>。测得两个相邻分子间的质心与质心之间的距离为/>。据推测,螺旋桨构象允许分子运动,从而产生溶液状态下的非辐射衰变路径。然而,短相互作用抑制了分子运动,从而抑制了非辐射衰变,并在聚集体/固态下打开了新的辐射通道。/>
这些化合物通常表现为在许多极性溶剂中溶解性较差,并且在非极性溶剂中不溶解。研究了CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr在DMSO中、室温下的光学性能和吸收及发射光谱(图42A至图42B)。CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的吸收光谱在~480nm处表现出相似的最大吸收值(图42A)。在二甲亚砜(DMSO)中,CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的发射光谱在585nm至620nm范围内(图42B)。CDPP-3SO3、CDPP4-SO3和CDPP-BzBr的固态荧光效率分别为39.3%、5.3%和8.3%(图43A至图43G)。CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的固态发射在~620nm处有相似的最大发射值;然而,与CDPP-3SO3和CDPP-4SO3相比,CDPP-BzBr示出了665nm处的红移的发射(图43B)。
此外,还研究了CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr在DMSO/水溶剂混合物中的发射行为,以评价它们的聚集性能。对于CDPP-3SO3,将DMSO/水混合物中的含水率(fw)从0%增加到60%时,PL强度没有明显变化(图43C至图43D)。当fw≥70%时,发射强度随红移(从620nm至640nm)而增强。这标志着纳米聚集体的形成。在fw=90%时观察到最大的PL强度,αAIE或I/I0为~14。在不同的DMSO/水混合物的存在下,对于CDPP-4SO3和CDPP-BzBr观察到相似的AIE行为,并且CDPP-4SO3和CDPP-BzBr的αAIE分别为~17和30(图43D)。此外,进行扫描电子显微镜检查(SEM)以验证当fw=90%时聚集体的形成(图43E至图43G)。SEM表明,CDPP-3SO3和CDPP-4BzBr形成球形纳米聚集体。然而,CDPP-4SO3形成了线状纳米聚集体。CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr纳米聚集体在fw=90%时的荧光衰减测定结果表明,它们的寿命分别为2.1ns、2.0ns和2.0ns。
由于合成的CDPP衍生物具有较强的给电子和吸电子基团,因而合成的CDPP衍生物有望具有较强的双光子吸收(2PA)。使用具有飞秒脉冲激光源的双光子激发荧光(TPEF)技术进行这些化合物的2PA测定,并使用罗丹明6G测量fw=90%处的比较用TPEF强度作为标准。以30nm的间隔在820nm至1000nm之间扫描TPEF强度,并计算相应的δ2PA值。计算得到CDPP-4SO3在820nm处的最大δ2PA值为163GM。还计算了另外两个分子CDPP-3SO3和CDPP-BzBr的δ2PA值,CDPP-3SO3在820nm处为122GM并且CDPP-BzBr在970nm处为71GM(图44)。所获得的2PA值远高于大多数荧光蛋白,如EGFP(39GM)。因此,CDPP衍生物可以用作良好的双光子成像探针。
实施例6
内质网染色(CDPP-3SO3,CDPP-4SO3,CDPP-Bz,CDPP-BzBr,CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
通过与ER-Tracker Red(ER染色的常用探针之一)共染色,证明了CDPP-3SO3和CDPP-4SO3具有特异性的ER靶向能力。CDPP-3SO3和CDPP-4SO3在1μM时均能在1h内有效地对细胞进行染色。荧光区域与ER-Tracker Red的荧光区域匹配良好并具有高的皮尔逊相关系数,CDPP-3SO3为0.85并且CDPP-4SO3为0.86,从而表明这些AIEgen可以选择性地靶向ER(图45至图46)。此外,利用MitoTracker Deep Red研究了CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的亚细胞定位模式,所得的图像清楚地表明了CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的染色区域只与MitoTracker DeepRed部分重叠。MitoTracker Deep Red与CDPP-3SO3的皮尔逊相关系数为0.55,并且MitoTracker Deep Red与CDPP-4SO3的皮尔逊相关系数为0.57,从而表明这些AIEgen不能对HeLa细胞中的线粒体进行染色。此外,将这两种AIEgen用于143B细胞染色时都成功地证明了这两种AIEgen的ER染色特性(图47)。
实施例7
线粒体染色(CDPP-3SO3、CDPP-4SO3、CDPP-Bz、CDPP-BzBr、CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
只含有一个正电荷的CDPP-BzBr被成功地设计成靶向线粒体而不是内质网(图48)。通过与MitoTracker Deep Red共染色,研究了CDPP-BzBr的染色能力。CDPP-BzBr在Hela细胞中表现出与MitoTracker Deep Red出色的重叠共定位模式,皮尔逊相关系数高达0.89。这进一步证明了官能团的两性离子性质对ER成像是至关重要的。
实施例8
光稳定性(CDPP-3SO3、CDPP-4SO3、CDPP-Bz、CDPP-BzBr、CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
在平行、连续激发和共聚焦显微镜连续扫描的条件下,对CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和ER-Tracker Red的光稳定性进行了评估。结果表明,在80次辐照扫描中,CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的发射强度仅略有降低。与之相比,在相同条件下,ER-Tracker Red在照射下的荧光损失非常明显,从而表明CDPP-3SO3和CDPP-4SO3的光稳定性优于ER-Tracker Red的光稳定性(图49A至图49B)。此外,还进行了双光子细胞成像。在单光子和双光子激发下(图50A至图52C),CDPP-3SO3、CDPP-4SO3和CDPP-BzBr都获得了足够的信号,从而表明这两种AIEgen都适合于双光子成像和单光子成像。
实施例9
细胞毒性(CDPP-3SO3、CDPP-4SO3、CDPP-Bz、CDPP-BzBr、CDPP-MeI和CDPP-F2Ph)
通过3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5-二苯基四唑溴化物(MTT)法评估了CDPP系列AIEgen的细胞毒性。如图53A至图53C所示,CDPP系列AIEgen仅在染色浓度为40μM时对COS-7和HeLa细胞表现出显著的毒性。在1μM的细胞成像工作浓度时,染料表现出最小的毒性。因此,CDPP系列AIEgen适用于长期跟踪成像。
对本主题如此进行描述,将显而易见的是,可以以许多方式修改或改变该主题。不将此类修改和改变视为背离本主题的精神和范围,并且所有此类修改和改变均旨在包含在所附权利要求的范围内。
Claims (11)
1.一种荧光化合物,其表现出聚集诱导发光特性,其中所述化合物选自由下列组成的组中的一种或多种化合物:
2.根据权利要求1所述的化合物在制备用于细胞成像的探针中的应用,其中
使靶细胞与根据权利要求1所述的化合物接触;和
使用成像方法识别所述靶细胞中的目的靶标。
3.根据权利要求2所述的应用,其中所述目的靶标是选自由内质网、线粒体和溶酶体组成的组中的细胞器。
4.根据权利要求3所述的应用,其中所述细胞器是通过与所述化合物接触而被染色的内质网,并且所述化合物包括以下至少一种:
5.根据权利要求3所述的应用,其中所述细胞器是通过与所述化合物接触而被染色的线粒体,并且所述化合物包括以下至少一种:
6.根据权利要求3所述的应用,其中所述细胞器是通过与所述化合物接触而被染色的溶酶体,并且所述化合物包括以下至少一种:
7.根据权利要求3所述的应用,其中所述目的靶标在肿瘤细胞中。
8.根据权利要求3所述的应用,其中所述靶细胞是活细胞。
9.根据权利要求3所述的应用,其中所述靶细胞在活组织中。
10.根据权利要求3所述的应用,其中所述成像方法选自由单光子荧光显微镜检查法和双光子荧光显微镜检查法组成的组。
11.根据权利要求10所述的应用,其中所述成像方法是双光子荧光显微镜检查法,并且所述靶细胞在活组织中。
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