CN114315880A - 一类基于氟硼配合物的近红外二区荧光和光声双模态成像试剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一类基于氟硼配合物的小分子近红外二区成像试剂及其制备方法和应用，小分子成像试剂的结构式为：

本发明通过简便的合成方法和低成本原料合成了近红外二区吸收/发射的分子成像试剂，同时在小鼠体内近红外二区荧光/光声双模态成像中表现出理想的效果。

Description

一类基于氟硼配合物的近红外二区荧光和光声双模态成像 试剂

技术领域

本发明涉及一种基于氟硼配合物的小分子近红外二区成像试剂及其制备方法和应用，属于生物医药材料合成和应用技术领域。

背景技术

在分子层次对生理过程进行表征和跟踪的分子成像技术为精准诊断和个性化治疗带来了希望。其中，荧光成像在灵敏度和空间分辨率等方面显示了自身优势；而光声成像具有优于荧光成像的组织成像深度，可弥补光学成像的不足。因此荧光/光声双模态分子成像技术有望在灵敏度、时空分辨率和成像深度等方面实现优势互补，这也将成为活体精准诊断领域的一个必然趋势。到目前为止，所报的大多数荧光/光声分子成像试剂的吸收和发射波长相对较短(通常为400-900nm)，限制了其在深层组织成像中的进一步应用。而近红外二区(NIR-II，1000-1700nm)分子成像试剂可以有效的解决上述弊端。NIR-II荧光染料由于激发态电子非辐射跃迁占主导，导致其具有较低的荧光量子产率；但是这一特性也使得这类染料具有可调节的荧光和光声信号。因此NIR-II染料在荧光/光声双模态成像领域具有巨大的应用潜力。目前，由于存在合成方面的挑战和缺乏合适的分子骨架，开发同时具有NIR-II吸收和发射的分子成像试剂以及在荧光/光声双模态成像领域的应用仍然是一个挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：(1)现有的小分子成像试剂难以同时实现NIR-II吸收/发射；(2)生物医学中单一成像模式在精准诊断领域存在缺陷。为此，提供一种基于氟硼配合物的小分子成像试剂及其制备方法和生物应用。通过简便的制备方法和低成本原料合成了一类具有NIR-II荧光/光声双模态成像试剂。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于氟硼配合物的小分子成像试剂，所述小分子成像试剂的结构式为：

其中，R₁分别独立地选自为氢、甲基、苯基、取代苯基、酯基、三氟甲基、氰基；

R₂、R₃分别独立地选自苯环、取代苯环、噻吩、取代噻吩、萘、取代萘、取代咔唑、蒽、菲、芘。

优选地，所述小分子成像试剂的结构式为：

其中，其中，R₂、R₃为选自氢、苯环、取代苯环、噻吩、取代噻吩、萘、取代萘、取代咔唑、蒽、菲、芘。

优选地，所述小分子成像试剂的结构式为：

本发明还提供了一种基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，包括如下反应过程：

优选地，所述基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将化合物(I)、2-甲基吡咯或2，4-二甲基吡咯、三氯氧磷、三乙胺，三氟化硼乙醚加入到第一溶剂中，0℃反应得到化合物(II或III)；

(2)将化合物(II或III)、醛类、哌啶、乙酸加入到第二溶剂中，90～120℃下反应10～30min得到所需小分子成像试剂化合物(IV或V)；

(3)将化合物(IV)、1-Boc-吡咯-2-硼酸，碳酸钾，四三苯基膦钯加入到第三溶剂中，90～120℃下反应4～8h反应得到化合物(VII)；

(4)将化合物(VII)、甲醇钠于第四溶剂中，70℃～90℃反应3～5h后得到化合物(VIII)；

(5)将化合物(VIII)、三氯苯基硅烷，三氟乙酸，三乙胺，三氟化硼乙醚于第五溶剂中，20～35℃反应后得到所需小分子成像试剂化合物(IX)。

优选地，所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将化合物2-三氟乙酰基-3，5-二甲基吡咯或2-三氟乙酰基-5-甲基吡咯、2，4-二甲基吡咯或2-甲基吡咯、三氯氧磷、三乙胺，三氟化硼乙醚加入到第一溶剂中，0℃反应得到化合物1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY；

(2)将化合物1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY、醛类、哌啶、乙酸加入到第二溶剂中，90～120℃下反应10～30min得到所需小分子成像试剂化合物；

(3)将溴代苯衍生物、1-Boc-吡咯-2-硼酸，碳酸钾，四三苯基膦钯加入到第三溶剂中，90～120℃下反应4～8h反应得到1-Boc-吡咯衍生物；

(4)将1-Boc-吡咯衍生物、甲醇钠于第四溶剂中，70℃～90℃反应3～5h后得到吡咯衍生物；

(5)将吡咯衍生物、三氯苯基硅烷，三氟乙酸，三乙胺，三氟化硼乙醚于第五溶剂中，20～35℃反应后得到所需小分子成像试剂化合物。

反应过程为：

优选地，所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，其特征是，所述第一溶剂为二氯甲烷，所述第二溶剂为甲苯或乙腈中的至少一种；所述第三溶剂为甲苯/乙醇/水混合溶剂或甲苯/水混合溶剂中的至少一种，所述第四溶剂为无水甲醇、乙醇或四氢呋喃中的至少一种，所述第五溶剂为无水二氯甲烷。

优选地，以摩尔比计，所述2-三氟乙酰基-3，5-二甲基吡咯或2-三氟乙酰基-5-甲基吡咯∶2，4-二甲基吡咯或2-甲基吡咯∶三氯氧磷∶三乙胺∶三氟化硼乙醚＝1.0∶1.1～1.5∶1.0～1.2∶5～6∶6～7，所述1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY∶苯甲醛衍生物＝1.0∶2.2～2.5。

优选地，以摩尔比计，所述溴代苯衍生物∶1-Boc-吡咯-2-硼酸∶碳酸钾，四三苯基膦钯＝1.0∶1.1～1.5∶3.0～4.0∶0.06～0.1，以体积比计，所述第二溶剂为甲苯∶乙醇∶水＝7∶1～2∶1～2或甲苯∶水＝1∶1～2，所述1-Boc-吡咯衍生物∶甲醇钠＝1.0∶6.0～9.0，所述吡咯衍生物∶三氯苯基硅烷∶三氟乙酸∶三乙胺∶三氟化硼乙醚＝1.0∶0.5∶0.5∶1～1.2∶1.2～1.4。

进一步地，本发明的具体反应过程为：

同时，本发明还提供了一种权利要求1～3任一项所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂或根据权利要求4～9任一项所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法制备得到的小分子成像试剂在在小鼠血管中NIR-II荧光/光声双模态成像中的应用。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明提供的基于氟硼配合物的小分子成像试剂，是一类具有D-π-A或D-A骨架的有机小分子，结构简单，通过官能团调控，在有机溶剂和PBS缓冲溶液中都实现了NIR-II吸收和发射。

2、本发明提供的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，合成方法简单、原料成本低、作用条件温和，通过三步工艺得到的成像试剂表现出高摩尔消光系数、良好的稳定性和水溶性。

3、本发明提供的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的应用，将上述制备得到基于NIR-II吸收/发射的有机小分子作为造影剂应用于小鼠体内，荧光成像和光声成像都表现出理想的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中CF₃-BDP1g的核磁谱图；

图2为本发明中CF₃-BDP1g的质谱；

图3为本发明中CF₃-BDP2g的核磁谱图；

图4为本发明中CF₃-BDP2g的质谱；

图5为本发明中CF₃-BDP3g的核磁谱图；

图6为本发明中CF₃-BDP3g的质谱；

图7为本发明中CF₃-BDP1-3g在PBS缓冲溶液中的紫外吸收谱图；

图8为本发明中CF₃-BDP1-3g在PBS缓冲溶液中的发射谱图；

图9为本发明中CF₃-BDP3g在小鼠体内荧光成像谱图；

图10为本发明中CF₃-BDP3g在小鼠体内三维光声成像；

图11为本发明中CF₃-BDP3g在小鼠脑部三维光声成像；

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

CF₃-BDP1-2g的一般合成方法：在反应器中加入3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY(1mmol)，苯甲醛衍生物(2.2mmol)，无水甲苯溶解，再加入哌啶(0.6mmol)，乙酸(0.6mmol)。反应加热回流30分钟。待反应结束，二氯甲烷萃取，分别用水和盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，抽滤，旋干。用体积比3∶1的二氯甲烷/石油醚的展开剂进行硅胶柱层析分离，得到相应的化合物CF₃-BDP1-2g。产率以此为69％和65％。

如图1所示的化合物CF₃-BDP1g核磁图，从图中可知，¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ/ppm＝7.53(d，J＝23.3Hz，2H)，7.29(d，J＝24.1Hz，2H)，7.17(s，2H)，7.05(d，J＝10.7Hz，2H)，6.96(d，J＝5.2Hz，2H)，6.79(s，2H)，6.55(d，J＝12.4Hz，2H)，3.78-3.06(m，16H)，1.26-1.18(m，12H).

如图2所示的化合物CF₃-BDP1g高分辨质谱图，从图中可知，HRMS(ESI⁺)：calcd.forC₃₈H₄₂BF₅N₆：[M]⁺＝688.3479，found：[M]⁺＝688.3471.

如图3所示的化合物CF₃-BDP2g核磁图，从图中可知，¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ/ppm＝7.53(d，J＝15.9Hz，2H)，7.22(d，J＝15.9Hz，2H)，7.02(dd，J＝8.2，1.0Hz，2H)，6.80-6.77(m，4H)，6.54(d，J＝8.4Hz，2H)，3.45(s，4H)，3.41-3.39(m，8H)，3.30-3.29(m，4H)，2.34(d，J＝2.7Hz，6H)，1.23(t，J＝7.1Hz，6H)，1.19(t，J＝7.1Hz，6H).

如图4所示的化合物CF₃-BDP1g高分辨质谱图，从图中可知，HRMS(ESI⁺)：calcd.forC₄₀H₄₆BF₅N₆：[M]⁺＝716.3792，found：[M]⁺＝716.3779.

实施例2

5g的合成方法：氮气保护下，在反应器中加入溴代衍生物(1mmol)，1-Boc-吡咯-2-硼酸(1.2mmol)，四三苯基膦钯(0.06mmol)和碳酸钾(4mmol)，在90mL甲苯/水/乙醇混合溶剂(甲苯∶乙醇∶水＝7∶1∶1)中加热回流，搅拌10小时。待反应结束，二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，抽滤，旋干。用体积比1∶3的二氯甲烷/石油醚的展开剂进行硅胶柱层析分离，得到相应的化合物5g。

实施例3

6g的合成方法：氮气保护下，在反应器中加入5g(1mmol)，三氟乙酸(6.0mmol)，无水二氯甲烷(40mL)溶解，室温下搅拌6小时。待反应结束后，二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，抽滤，旋干。所得粗产物直接用于下一步反应。

实施例4

CF₃-BDP3g的合成方法：氮气保护下，在反应器中加入6g(1mmol)，三氟乙酸(0.49mmol)，三氯苯基硅烷(0.48mmol)。无水二氯甲烷(20mL)溶解，室温下搅拌10分钟后，加入三乙胺(1.1mmol)，室温搅拌10分钟后，加入三氟化硼乙醚(1.1mmol)，室温下搅拌6小时。待反应结束后，二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，抽滤，旋干。用体积比2∶1的二氯甲烷/石油醚的展开剂进行硅胶柱层析分离，得到相应的化合物CF₃-BDP3g。产率以此为20％。

如图5所示的化合物CF₃-BDP3g核磁图，从图中可知，¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ/ppm＝7.39(s，2H)，7.34(s，2H)，7.23(s，2H)，6.75(s，2H)，6.52(d，J＝8.4Hz，2H)，3.49-3.30(m，18H)，1.19(dd，J＝10.8，6.8Hz，12H).

如图6所示的化合物CF₃-BDP3g高分辨质谱图，从图中可知，HRMS(ESI⁺)：calcd.forC₃₄H₃₈BF₅N₆：[M]⁺＝636.3166，found：[M]⁺＝636.3129.

应用实施例1

将实施例4得到的基于氟硼配合物的小分子成像试剂溶于PBS缓冲溶液中(含5％DMSO)，通过正常裸鼠的尾静脉注射，10秒钟后对小鼠进行全身、脑部和后肢进行荧光成像，。

应用实施例2

将实施例4得到的基于氟硼配合物的小分子成像试剂溶于PBS缓冲溶液中(含5％DMSO)，通过正常裸鼠的尾静脉注射，10秒钟后对对小鼠进行全身、脑部和后肢进行三维光声成像。

如图7所示，根据紫外吸收光谱，可以得知，化合物CF₃-BDP1-3g在PBS缓冲溶液中的吸收波长从可见光区逐渐红移至近红外二区，吸收波长范围为300-1200nm。

如图8所示，根据荧光光谱，可以得知，化合物CF₃-BDP1-3g在PBS缓冲溶液中的发射光谱范围为1000-1400nm。

如图9所示，CF₃-BDP3g作为荧光成像试剂在活体小鼠中表现出较好的效果，另外，化合物CF₃-BDP3g通过尾静脉注入小鼠体内以后主要在肝脏部位富集。

如图10所示，与对照组相比，化合物CF₃-BDP3g通过尾静脉注入小鼠体内以后在全身血管中表现出明显的光声信号。

如图11所示，与对照组相比，化合物CF₃-BDP3g通过尾静脉注入小鼠体内以后脑部的光声信号更明显，说明化合物可有效通过血脑屏障(BBB)。

本发明制备得到的基于氟硼配合物的有机小分子CF₃-BDP1a-g，CF₃-BDP2a-g和CF₃-BDP3a-g，通过不同的给电子能力官能团调控可以使其吸收/发射波长从可见光区红移至近红外一区进而到近红外二区。将化合物CF₃-BDP3g作为分子成像试剂，研究了其在小鼠体内近红外二区荧光/光声成像的能力，都表现出较好的成像效果。并且通过三维光声对小鼠脑部成像表明，化合物CF₃-BDP3g可有效地通过血脑屏障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于氟硼配合物的小分子成像试剂，其特征是，所述小分子成像试剂的结构式为：

其中，R₁分别独立地选自为氢、甲基、苯基、取代苯基、酯基、三氟甲基、氰基；

R₂、R₃分别独立地选自苯环、取代苯环、噻吩、取代噻吩、萘、取代萘、取代咔唑、蒽、菲、芘。

2.根据权利要求1所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂，其特征是，所述小分子成像试剂的结构式为：

其中，R₂、R₃为选自氢、苯环、取代苯环、噻吩、取代噻吩、萘、取代萘、取代咔唑、蒽、菲、芘。

3.根据权利要求2所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂，所述小分子成像试剂的结构式为：

4.根据权利要求2所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，其特征是，包括如下反应过程：

5.根据权利要求2或4所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)将化合物(I)、2-甲基吡咯或2，4-二甲基吡咯、三氯氧磷、三乙胺，三氟化硼乙醚加入到第一溶剂中，0℃反应得到化合物(II或III)；

(2)将化合物(II或III)、醛类、哌啶、乙酸加入到第二溶剂中，90～120℃下反应10～30min得到所需小分子成像试剂化合物(IV或V)；

(3)将化合物(IV)、1-Boc-吡咯-2-硼酸，碳酸钾，四三苯基膦钯加入到第三溶剂中，90～120℃下反应4～8h反应得到化合物(VII)；

(4)将化合物(VII)、甲醇钠于第四溶剂中，70℃～90℃反应3～5h后得到化合物(VIII)；

(5)将化合物(VIII)、三氯苯基硅烷，三氟乙酸，三乙胺，三氟化硼乙醚于第五溶剂中，20～35℃反应后得到所需小分子成像试剂化合物(IX)。

6.根据权利要求2或3所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法或根据权利要求5所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)将化合物2-三氟乙酰基-3，5-二甲基吡咯或2-三氟乙酰基-5-甲基吡咯、2，4-二甲基吡咯或2-甲基吡咯、三氯氧磷、三乙胺，三氟化硼乙醚加入到第一溶剂中，0℃反应得到化合物1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY；

(2)将化合物1，3，5，7-四甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY或3，5-二甲基-8-三氟乙酰基取代的BODIPY、醛类、哌啶、乙酸加入到第二溶剂中，90～120℃下反应10～30min得到所需小分子成像试剂化合物；

(3)将溴代苯衍生物、1-Boc-吡咯-2-硼酸，碳酸钾，四三苯基膦钯加入到第三溶剂中，90～120℃下反应4～8h反应得到1-Boc-吡咯衍生物；

(4)将1-Boc-吡咯衍生物、甲醇钠于第四溶剂中，70℃～90℃反应3～5h后得到吡咯衍生物；

(5)将吡咯衍生物、三氯苯基硅烷，三氟乙酸，三乙胺，三氟化硼乙醚于第五溶剂中，20～35℃反应后得到所需小分子成像试剂化合物。

反应过程为：

7.根据权利要求1～3任一项所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂或根据权利要求4～6任一项所述的基于氟硼配合物的小分子成像试剂的制备方法制备得到的小分子成像试剂在小鼠血管中近红外二区荧光/光声双模态成像中的应用。

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