DE102011054396B4 - Use of broadband absorbing and emitting NIR fluorophores with large Stokes shift as dyes in core-shell nanoparticles for biomarker analysis and as components of FRET systems and method based thereon - Google Patents
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Abstract
Verwendung einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (I)wobei B und B' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Methyl, Ethyl, Phenyl, einem 5,6-R'-Benzoxazol-2 Rest, einem 5,6-R'-Benzimidazol-2 Rest, einem 5,6-R'-Benzthiazol-2 Rest und einem 5,6-R'-Indol-2 Rest; X, X' und X'' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Methyl, Ethyl, Phenyl, einem Propansulfonsäure-Rest und einem Butansulfonsäure-Rest; D ausgewählt ist aus Wasserstoff, SO3 –, COO–, Methyl, Ethyl, Phenyl und Trifluoromethyl; Z gleich Stickstoff ist; R gleich Kohlenstoff oder Wasserstoff ist; K gleich H, Cl, Br,ist; L ausgewählt ist aus Thiol, Amin, Azid, Aldehyd, Carboxyl, Ethyn und Maleimid; n gleich 0 oder eine natürliche Zahl ist; mit der Maßgabe, dass n gleich 0 ist, wenn R gleich Wasserstoff ist; m gleich 0 oder eine natürliche Zahl zwischen 1 und 12 ist; ...Use of a compound of the general formula (I) wherein B and B 'are independently selected from methyl, ethyl, phenyl, a 5,6-R'-benzoxazole-2 radical, a 5,6-R'-benzimidazole-2 Radical, a 5,6-R'-benzothiazole-2 radical and a 5,6-R'-indole-2 radical; X, X 'and X' 'are independently selected from methyl, ethyl, phenyl, a propanesulfonic acid radical and a butanesulfonic acid radical; D is selected from hydrogen, SO3, COO, methyl, ethyl, phenyl and trifluoromethyl; Z is nitrogen; R is carbon or hydrogen; K is H, Cl, Br, is; L is selected from thiol, amine, azide, aldehyde, carboxyl, ethylene and maleimide; n is 0 or a natural number; with the proviso that n is 0 when R is hydrogen; m is 0 or a natural number between 1 and 12; ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Fluoreszenzfarbstoffe für den Nahinfrarotspektralbereich (NIR) und mit ihnen markierte Partikel sowie deren Anwendungen in analytischen und bildgebenden Verfahren.The present invention relates to near-infrared spectral range (NIR) fluorescent dyes and their labeled particles and to their applications in analytical and imaging processes.
Prinzipiell erlaubt die Eindringtiefe von Anregungsstrahlung im NIR den Nachweis der Lokalisation von NIR-Fluorophoren in tieferliegenden Arealen des untersuchten Materials, ohne dass die Oberfläche des untersuchten Materials abgetragen oder verletzt werden muss. Bei geeigneter Adressierung der Fluorophore, sollten mit Hilfe eines angepassten optischen Systems spezifische Ereignisse auf molekularer Ebene nicht-invasiv, beispielsweise unter der Haut, nachgewiesen und beurteilt werden können.In principle, the penetration depth of excitation radiation in the NIR allows detection of the localization of NIR fluorophores in deeper areas of the investigated material, without the surface of the investigated material having to be removed or damaged. With appropriate addressing of the fluorophores, specific events at the molecular level should be able to be detected and assessed non-invasively, for example under the skin, with the aid of an adapted optical system.
Besondere Vorteile der Anwendung von NIR-Fluorophoren können sich ergeben, wenn es gelingt, die hohe Sensitivität der im UV/vis-Spektralbereich analytisch breit genutzten Prinzipien Förster-Resonanzenergietransfer bzw. Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET), Fluoreszenzlebensdauer-Messung und die Messung der Fluoreszenzquantenausbeute für den Nahinfrarotspektralbereich zu erschließen.Particular advantages of using NIR fluorophores may result if the high sensitivity of the principles used extensively analytically in the UV / vis spectral range is achieved: Förster resonance energy transfer or fluorescence resonance energy transfer (FRET), fluorescence lifetime measurement and fluorescence quantum yield measurement for the near-infrared spectral range.
Die bislang bekannten NIR-Farbstoffe zeichnen sich jedoch überwiegend durch einen sehr geringen Stokes shift aus. Das erschwert die spektrale Trennung des emittierten Lichts vom gestreuten Anregungslicht, mindert die Aussagekraft erhobener Befunde und begrenzt die Auflösung fluoreszenzoptischer Aufnahmen.However, the previously known NIR dyes are predominantly characterized by a very small Stokes shift. This complicates the spectral separation of the emitted light from the scattered excitation light, reduces the validity of the findings and limits the resolution of fluorescence-optical images.
Der Einsatz bekannter NIR-Farbstoffe für hochsensitive Analyse- und Nachweismethoden wird insbesondere erschwert durch die teilweise Reabsorption des emittierten Lichts, den sogenannten Crosstalk, bei Verwendung der Farbstoffe in FRET-Paaren und durch die vergleichsweise geringen Fluoreszenzquantenausbeuten. Zudem neigen die bekannten NIR-Fluoreszenzfarbstoffe bereits in verdünnten Lösungen zur Bildung von Aggregaten. Diese Aggregate fluoreszieren zumeist nicht- oder nur minimal, beispielsweise auf Grund von Selbstlöschung.The use of known NIR dyes for highly sensitive analysis and detection methods is particularly complicated by the partial reabsorption of the emitted light, the so-called Crosstalk, when using the dyes in FRET pairs and by the comparatively low fluorescence quantum yields. In addition, the known NIR fluorescent dyes already tend to form aggregates in dilute solutions. These aggregates fluoresce mostly not or only minimally, for example due to self-extinction.
Vor diesem Hintergrund wird gemäß Anspruch 1 die Verwendung einer im NIR fluoreszierenden Verbindung als Marker oder Kontrastmittel in Verfahren der Bildgebung und in der biomedizinischen Analyse, gemäß Anspruch 11 ein spektroskopisches und/oder bildgebendes Verfahren vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen sowie den beigefügten Figuren.Against this background, the use of a NIR fluorescent compound as a marker or contrast agent in imaging and biomedical analysis, according to claim 11 a spectroscopic and / or imaging method is proposed. Further advantageous embodiments, details and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description, the embodiments and the accompanying figures.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst beispielhaft an Hand von Figuren erläutert. Dabei zeigt:The present invention is first explained by way of example with reference to figures. Showing:
Gemäß der vorliegenden Beschreibung wird eine Familie von Verbindungen vorgeschlagenen, die breitbandig im vis-Spektralbereich und im nahen Infrarotspektralbereich absorbieren und im NIR-Spektralbereich emittieren und sich gegenüber bekannten NIR-Chromophoren auszeichnen durch: einen vergleichsweise grollen Stokes shift; eine vergleichsweise geringe Umgebungs-Abhängigkeit der spektralen Lage der Absorptions- und insbesondere der Emissionsspektren; sowie durch eine vergleichsweise hohe Fluoreszenzquantenausbeute auch in polaren Lösungsmitteln und in polarer Umgebung, insbesondere in Matrices, die Wasserstoffbrücken ausbilden können.According to the present description, a family of compounds is proposed which absorb wideband in the vis spectral range and in the near infrared spectral range and emit in the NIR spectral range and are distinguished from known NIR chromophores by: a comparatively displeased Stokes shift; a comparatively small ambient dependence of the spectral position of the absorption and in particular the emission spectra; as well as by a comparatively high fluorescence quantum yield in polar solvents and in a polar environment, in particular in matrices, which can form hydrogen bonds.
Die bezeichneten Meßprinzipien und Nachweisverfahren umfassen die Verwendung der vorgeschlagenen Fluoreszenzfarbstoffe als Markierung, „Marker” bzw. als „label” für Moleküle wie beispielsweise Peptide, Proteine (einschließlich Antikörper, Antikörperfragmente, Enzyme), Nukleinsäuren (einschließlich einzelne Nukleotide bzw. Basen, Oligonukleotide, Plasmide, DNS, RNS), für Dendrimere oder für Nano- und Mikropartikel (insbesondere Nanokristalle, core-shell-Nanopartikel, Atomcluster und Molekülkomplexe, wie beispielsweise für Vesikel, Liposomen, Polymerpartikel) aber auch für Membranen und Filme, sowie für Zellen und Gewebe. Wie andere fluoreszenzoptische Meß- und Nachweisverfahren betreffen die mit Hilfe der vorgeschlagenen Farbstoffe ermöglichten Anwendungen somit unterschiedliche Organsiationsebenen (z. B.: Molekül – Partikel – Zelle – Gewebe – Organ – Organismus) und Fachgebiete (z. B.: analytische Chemie, Molekularbiologie, Biochemie, Zellbiologie, Histologie, Diagnostik).The designated measurement principles and detection methods include the use of the proposed fluorescent dyes as labels, "markers" or "labels" for molecules such as peptides, proteins (including antibodies, antibody fragments, enzymes), nucleic acids (including single nucleotides or bases, oligonucleotides, Plasmids, DNA, RNA), for dendrimers or for nano- and microparticles (especially nanocrystals, core-shell nanoparticles, atom clusters and molecular complexes, such as for vesicles, liposomes, polymer particles) but also for membranes and films, as well as for cells and tissues , Like other fluorescence-optical measuring and detection methods, the applications made possible with the aid of the proposed dyes thus relate to different levels oforganization (for example: molecule-particle-cell-tissue-organ-organism) and specialist fields (for example: analytical chemistry, molecular biology, Biochemistry, cell biology, histology, diagnostics).
Somit wird die Verwendung für die spektroskopische Analyse und Bildgebung einer Familie von Verbindungen vorgeschlagen, die eine allgemeine Grundstruktur gemäß Formel (I) aufweisen. Der Einsatz von an die jeweilige Verwendung angepassten Substituenten erlaubt die Anwendung der resultierenden Verbindungen gemäß Formel (I) für fluoreszenz-optische Analysen in polaren Medien, Materialien und Umgebungen (Matrices), insbesondere in wässriger Umgebung. Die Gesamtheit der umfassten Verbindungen ist im Anspruch 1 und den nachgeordneten Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.Thus, the use is proposed for the spectroscopic analysis and imaging of a family of compounds having a general basic structure according to formula (I). The use of substituents adapted to the particular use permits the use of the resulting compounds according to formula (I) for fluorescence-optical analyzes in polar media, materials and environments (matrices), in particular in an aqueous environment. The entirety of the compounds included is described in claim 1 and the dependent claims 2 to 10.
Besonders vorteilhaft ist für die beschriebenen Verbindungen die Nutzbarkeit von Phänomenen des strahlungslosen Energietransfers, die beispielsweise bei FRET-Messungen oder Fluoreszenzquenching-Messungen zum ultrasensitiven Nachweis molekularer Ereignisse oder Gegebenheiten genutzt werden, im NIR. Genauso vorteilhaft sind Messungen im NIR, die auf der Beeinflussung der Fluoreszenzlebensdauer und der Fluoreszenzquantenausbeute durch die jeweilige Submikro-Umgebung, beispielsweise mit Hilfe potentiometrischer Fluoreszenz-Proben (Indikatorfarbstoffen) basieren.Particularly advantageous for the compounds described the usability of phenomena of radiationless energy transfer, which are used for example in FRET measurements or fluorescence quenching measurements for the ultrasensitive detection of molecular events or circumstances, in the NIR. Equally advantageous are measurements in the NIR which are based on influencing the fluorescence lifetime and the fluorescence quantum yield through the respective submicron environment, for example with the aid of potentiometric fluorescence samples (indicator dyes).
Derartige Meßprinzipien können zum Nachweis eines bestimmten Redox-Potentials, eines elektrostatischen (Membran-)Potentials, zum Nachweis von Ionengradienten oder -Konzentrationen, zur Messung des pH-Wertes, zum Nachweis der Gegenwart oder Abwesenheit bestimmter Reaktionspartner und ähnlichen Ereignissen auf molekularer Ebene (Einzelmolekül-Spektroskopie), sowie auch auf dem Niveau einzelner Zellen (Einzelzell-Spektroskopie), einzelner oder nur weniger Moleküle bzw. Partikeln (beispielsweise diverse Tracer-Techniken) herangezogen werden.Such measuring principles can be used to detect a specific redox potential, an electrostatic (membrane) potential, to detect ion gradients or concentrations, to measure the pH, to detect the presence or absence of certain reactants and similar events at the molecular level (single molecule Spectroscopy), as well as on the level of individual cells (single cell spectroscopy), single or only a few molecules or particles (for example, various tracer techniques) are used.
Die Verwendung der vorgeschlagenen Verbindungen als Marker und/oder molekulare Sonde gestattet somit fluoreszenzoptische Messungen und die fluoreszenzoptische Bildgebung im Nahinfrarotspektralbereich (NIR) unter realen Anwendungsbedingungen, d. h. in wässriger Umgebung, in physiologischen Medien und in polaren Matrices, wie z. B. in Geweben.The use of the proposed compounds as markers and / or molecular probes thus permits fluorescence-optical measurements and fluorescence-optical imaging in the near-infrared spectral range (NIR) under real conditions of use, ie. H. in aqueous environment, in physiological media and in polar matrices such. In tissues.
Um die Verbindungen der jeweiligen Meß-Aufgabe bzw. -Situation anzupassen, kann das in Formel (I) gezeigte Grundgerüst durch den Einbau bestimmter Substituenten an bestimmten Positionen spezifisch modifiziert werden.In order to adapt the compounds to the particular measuring task or situation, the basic skeleton shown in formula (I) can be modified specifically by incorporating certain substituents at specific positions.
Vorteilhafterweise können Verbindungen gemäß Formel (I) beispielsweise mit polaren Substituenten in X-Position, insbesondere mit Säureresten der Propansulfonsäure oder der Butansulfonsäure versehen sein. Genauso und unabhängig vom jeweiligen Substituenten in X-Position oder zusätzlich zu einem der angegebenen Substituenten in X-Position können die Verbindungen in der Position D substituiert sein. Beispielsweise sollen hiermit in Position D sulfonierte (-SO3H) oder carboxylierte (-COOH) Verbindungen gemäß Formel (I) in wässrigem Millieu hiermit als NIR-Fluoreszenzfarbstoff umfasst und benannt sein.Advantageously, compounds of the formula (I) can be provided, for example, with polar substituents in the X position, in particular with acid radicals of propanesulfonic acid or butanesulfonic acid. Likewise and independently of the particular substituent in the X-position or in addition to one of the specified substituents in the X position, the compounds may be substituted in the D-position. For example, hereby in position D sulfonated (-SO 3 H) or carboxylated (-COOH) compounds according to formula (I) in aqueous medium hereby be included and named as NIR fluorescent dye.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bedeuten in Formel (I) B und B' unabhängig voneinander einen Methyl-Rest, einen Ethyl-Rest, einen Phenyl-Rest, einen 5,6-R'-Benzoxazol-2 Rest, einen 5,6-R'-Benzimidazol-2 Rest, einen 5,6-R'-Benzthiazol-2 Rest oder einen 5,6-R'-Indol-2 Rest, wobei jeweils R' einen Wasserstoffrest, SO3 – bzw. -SO3H und/oder COO– bzw. -COOH bedeuten. Die Verwendung dieser Substituenten bietet besondere Vorteile für die Eignung des NIR-Fluorophors in wässrigem Millieu.According to one embodiment of the invention, in formula (I), B and B 'independently of one another are a methyl radical, an ethyl radical, a phenyl radical, a 5,6-R'-benzoxazole-2 radical, a 5,6- R'-benzimidazole-2 radical, a 5,6-R'-benzothiazole-2 radical or a 5,6-R'-indole-2 radical, where in each case R 'is a hydrogen radical, SO 3 - or -SO 3 H , respectively and / or COO - or -COOH. The use of these substituents offers particular advantages for the suitability of the NIR fluorophore in an aqueous environment.
Ausdrücklich ausgenommen von der vorgeschlagenen Familie von Verbindungen gemäß Formel (I) wird die Kombination von Substituenten, bei der für n = 0 der Buchstabe R (Substituent) für einen Wasserstoffrest steht, B für einen Benzoxazol-, bzw. 5,6-R'-Benzoxazol-2-Rest mit R' als Wasserstoffrest steht, bei der K einem Wasserstoffrest entspricht, Z einem Stickstoffatom entspricht, X einem Ethylrest entspricht, X' und X'' beide einem Phenylrest entsprechen und bei der die Substituenten D und B' jeweils für einen Wasserstoffrest stehen oder bei der unter sonst gleicher Besetzung der Substituenten und n = 0 der Buchstabe Z für ein Stickstoffatom, X = X'' für einen Phenylrest stehen und X' für einen Ethylrest steht.Expressly excluded from the proposed family of compounds according to formula (I), the combination of substituents in which, for n = 0, the letter R (substituent) is a hydrogen radical, B is a benzoxazole or 5,6-R ' -Benzoxazol-2 radical with R 'as a hydrogen radical in which K corresponds to a hydrogen radical, Z corresponds to a nitrogen atom, X corresponds to an ethyl radical, X' and X '' both correspond to a phenyl radical and in which the substituents D and B 'respectively stand for a hydrogen radical or in which under otherwise identical occupation of the substituents and n = 0, the letter Z is a nitrogen atom, X = X "is a phenyl radical and X 'is an ethyl radical.
Damit werden Fluorophore für Anwendungen im NIR bereitgestellt, vorzugsweise für Messungen im Bereich 700 nm bis 1400 nm, die sich durch einen ausgeprägten Stokes shift auszeichnen. Auch in hoher Konzentration oberhalb von 5 mM, wie auch in gebundenem Zustand (bis zu 50 nmol auf 1 mg Partikel) auf einer Partikeloberfläche oder einem Trägermolekül zeigen die beschriebenen Fluorophore nicht die eingangs benannten Nachteile der bekannten NIR-Fluorophore.Thus, fluorophores are provided for applications in the NIR, preferably for measurements in the range 700 nm to 1400 nm, which are characterized by a pronounced Stokes shift. Also in high concentration above 5 mM, as well as in the bound state (up to 50 nmol per 1 mg of particles) a particle surface or a carrier molecule, the fluorophores described do not show the disadvantages of the known NIR fluorophores mentioned at the outset.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform tragen die vorstehend bezeichneten Substituenten in ihrer jeweiligen R'-Position ein Dendrimer bzw. ein Dendron wie beispielsweise die nachfolgend gezeigte Verbindung oder Untereinheiten dieses Dendrons, beispielsweise einer niedrigeren oder einer höheren Generation.According to a further embodiment, the abovementioned substituents in their respective R 'position carry a dendrimer or a dendron, for example the compound shown below or subunits of this dendron, for example a lower or a higher generation.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die jeweilige Verbindung in R'-Position mit Polyethylenglykol (PEG):modifiziert sein (PEGyliert sein).According to a further embodiment, the respective compound in R 'position with polyethylene glycol (PEG): be modified (be PEGylated).
Dabei kann die Zahl p eine beliebige nichtnegative natürliche Zahl, beispielsweise 1, 2, 3... sein. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen liegt p im Bereich von 2 bis 150, beispielsweise zwischen 20 und 50, insbesondere bei p = 30.In this case, the number p may be any nonnegative natural number, for example 1, 2, 3.... According to exemplary embodiments, p is in the range of 2 to 150, for example between 20 and 50, in particular at p = 30.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Molekulargewicht der PEG-Reste eines Substituenten beispielsweise im Bereich zwischen 110 und 7000 Dalton liegen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es zwischen 500 und 3000 liegen, insbesondere kann es bei 2 kD liegen.For example, in other embodiments, the molecular weight of the PEG moieties of a substituent may be in the range of 110 to 7,000 daltons. According to another embodiment, it may be between 500 and 3000, in particular it may be 2 kD.
Die Dekoration der Substituenten mit dem gezeigten Dendron oder einem Dendron einer niedrigeren Generation sowie die vorstehend beschriebene PEGylierung erleichtert die Ausbildung einer Hydrathülle und verbessert die Solubilisierung der jeweiligen Derivate in polaren Lösungsmitteln, beispielsweise in wässriger Lösung oder in biologischen Matrices. Vorteilhafterweise ist die Stabilität der Fluorophore im jeweiligen Millieu gesteigert, insbesondere im Blutkreislauf lebender Organismen. Dendrone können auch zur Funktionalisierung der Oberfläche von Mikropartikeln und von Nanopartikeln eingesetzt werden, indem die Partikeln mit dem Fluoreszenzfarbstoff beladen werden und die Hydroxylgruppen der Dendrone zur kovalenten Verankerung einer Target-Funktion genutzt werden. Beispiele für derartige Partikel sind Polymerpartikel. Andere Beispiele für Nanopartikel sind Makromoleküle, Nanokristalle und Atom-Cluster.The decoration of the substituents with the shown lower-generation dendron or dendron, as well as the PEGylation described above, facilitates the formation of a hydrate shell and enhances the solubilization of the respective derivatives in polar solvents, for example in aqueous solution or in biological matrices. Advantageously, the stability of the fluorophores in the respective environment is increased, in particular in the bloodstream of living organisms. Dendrons can also be used to functionalize the surface of microparticles and nanoparticles by loading the particles with the fluorescent dye and using the hydroxyl groups of the dendrons to covalently anchor a target function. Examples of such particles are polymer particles. Other examples of nanoparticles are macromolecules, nanocrystals, and atomic clusters.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Polymerpartikel zunächst mit einem NIR-Fluorophor beladen, dessen Substituenten in B und/oder B'-Position in der jeweiligen R'-Position des betreffenden Substituenten ein Dendron tragen oder die in R'-Position PEGyliert sind. Nachdem der dabei nicht verankerte Anteil der NIR-Fluorophor-Moleküle durch geeignete Waschschritte entfernt wurde, die suspendierten Partikeln also keinen Fluorophor mehr entlassen, wird das Partikel adressiert. Die Adressierung, bzw. die Ausstattung des Partikels mit der Targetfunktion erfolgt, indem beispielsweise eine oder mehrere der Hydroxylgruppen des Dendrons bzw. des PEG zur kovalenten Anbindung der Target-Funktion genutzt werden. Jedoch kann die Ausstattung des Partikels mit der Targetfunktion auch bereits vor der Verankerung des NIR-Fluorophors und/oder unabhängig von dieser erfolgen.According to one embodiment, a polymer particle is first loaded with an NIR fluorophore, whose substituents in B and / or B'-position in the respective R'-position of the relevant substituent carry a dendron or which are PEGylated in R'-position. After the non-anchored portion of the NIR fluorophore molecules has been removed by suitable washing steps, ie the suspended particles no longer release a fluorophore, the particle is addressed. The addressing, or the equipment of the particle with the target function takes place, for example, by one or more of the hydroxyl groups of the dendrone or the PEG be used for covalent attachment of the target function. However, the provision of the particle with the target function can also be carried out prior to the anchoring of the NIR fluorophore and / or independently thereof.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die jeweilige Verbindung, unabhängig von der Art der Substituenten an anderen Positionen, in R'-Position der Substituenten an B und/oder B'-Position mit einer fluororganischen Verbindung, das heißt mit einer F-haltigen organischen Kohlenstoff-Verbindung modifiziert, insbesondere mit einem Trifluoromethyl-Rest in der Position 5 oder 6 des Ringsystems.According to a further embodiment, the respective compound, irrespective of the nature of the substituents at other positions, in the R'-position of the substituents at B and / or B'-position with a fluoroorganic compound, that is modified with an F-containing organic carbon compound, in particular with a trifluoromethyl radical in
Die Verankerung von Fluor-haltigen Substituenten bietet den Vorteil, eine Erhöhung der Photostabilität unter Beibehaltung der für die vorgeschlagene Familie von Verbindungen vorteilhaften spektralen Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften sowie der jeweiligen vergleichsweise hohen Fluoreszenzquantenausbeuten zu bewirken.The anchoring of fluorine-containing substituents offers the advantage of effecting an increase in photostability while maintaining the spectral absorption and fluorescence properties which are advantageous for the proposed family of compounds and the respective comparatively high fluorescence quantum yields.
Eine bevorzugte Fluoreszenzquantenausbeute der gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 11 spezifizierten NIR-Fluorophore liegt in wässriger Lösung bei einem pH-Wert von 7,4 mindestens bei 0,1. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist die Fluoreszenzquantenausbeute ≥ 0,2 und fällt bevorzugt in den Bereich von 0,2 bis 0,5. Die beschriebenen Fluorophore weisen eine ausgeprägte Stokes-Shift, d. h. eine deutliche Differenz der Maxima von Absorptions- und Emissionsspektren im NIR, auf, die beispielsweise oberhalb von 150 nm, insbesondere Bereich von 180 bis 250 nm liegt.A preferred fluorescence quantum yield of the NIR fluorophores specified according to claim 1 and according to
Aus der Verwendung der mit Formel (I) bezeichneten Verbindung und der wie benannt angepassten Substituenten an den bezeichneten Positionen ergibt sich die Einsetzbarkeit der jeweiligen Verbindungen für die NIR-Fluoreszenzspektroskopie und für die optische Bildgebung. Insbesondere sind die vorgeschlagenen Fluorophore für FRET-basierte Nachweis- und Analysemethoden geeignet sowie geeignet für Nachweis- und Analysemethoden, die auf der Messung des Fluoreszenzabklingverhaltens (Kinetik) bzw. der Fluoreszenzzeitlebensdauer und/oder der Fluoreszenzquantenausbeute der als molekulare Sonde verwendeten Verbindung beruhen. Das ermöglicht auch den Einsatz dieser NIR-Fluorophore als Marker bzw. als „Label” für die Detektion mit verschiedenen analytischen Auslesemethoden.From the use of the compound designated by formula (I) and the substituents named as named at the designated positions, the applicability of the respective compounds for NIR fluorescence spectroscopy and for optical imaging results. In particular, the proposed fluorophores are suitable for FRET-based detection and analysis methods and suitable for detection and analysis methods based on the measurement of the fluorescence decay behavior (kinetics) or the fluorescence lifetime and / or the fluorescence quantum yield of the compound used as a molecular probe. This also allows the use of these NIR fluorophores as markers or as "labels" for the detection with different analytical readout methods.
Eine besondere Bedeutung kommt dem Erkennen (Qualifizieren) und Beurteilen bzw. Messen (Quantifizieren) bestimmter Stoffwechselprozesse, molekularer oder zellulärer Ereignisse oder Veränderungen, Infektionszustände, Differenzierungs-, Wachstums- und/oder Gewebsveränderungen zu. Dieses breite Gebiet der Labordiagnostik wird im hier betreffenden Zusammenhang als biomedizinische Analyse bezeichnet.Of particular importance is the recognition (qualifying) and assessment or measurement (quantification) of certain metabolic processes, molecular or cellular events or changes, infection states, differentiation, growth and / or tissue changes. This broad field of laboratory diagnostics is referred to herein as biomedical analysis.
Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Verbindung ergibt sich bei der Verwendung der vorgeschlagenen Verbindung als molekularer Marker. Insbesondere können verschiedene spektroskopische Meßmethoden miteinander kombiniert werden, da die Verbindung bei geeigneter Auswahl der Substituenten gemäß der Spezifikation in Anspruch 1 und gemäß der Spezifikation in Anspruch 11 mit unterschiedlichen spektroskopischen Meßmethoden erfassbare Signale liefert. Besonders aussagekräftige Ergebnisse bieten beispielsweise die Methodenkombinationen Fluoreszenz-NMR (19F-NMR) oder Fluoreszenz-XPS (Erfassung von Heterotaomen wie z. B. F, S oder N) oder Fluoreszenz-NMR-XPS. Die dabei erfassten elementspezifischen Energiespektren ermöglichen den quantitativen Nachweis der Verbindung.A particular advantage of the proposed compound results from the use of the proposed compound as a molecular marker. In particular, various spectroscopic measurement methods can be combined with each other, since the compound with a suitable selection of the substituents according to the specification in claim 1 and according to the specification in
Besondere Vorteile ergeben sich dabei aus der Möglichkeit der Quantifizierung des Farbstoffes, der mit dem Farbstoff versehenen Partikeln, oder von mit Farbstoff markierten oder mit Farbstoffmarkierten Partikeln markierten Analyten (z. B. Makromoleküle, Polymerpartikel, Zellen) mittels unterschiedlicher spektroskopischer Methoden. Insbesondere kann die mittlere Beladungsdichte eines Partikels oder einer Zelle bzw. der Oberfläche des Partikels mit dem NIR-Fluorophor bestimmt werden, wenn die Partikeln eine weitestgehend monodisperse Größenverteilung aufweisen. Einen besonderen Vorteil der gemäß Formel (I) in
Nach einer Ausführungsform wird die Verwendung von Verbindungen gemäß Anspruch 1 als Marker und/oder Kontrastmittel für bildgebende Verfahren und/oder für die quantitative und/oder qualitative Analyse von lebenden Zellen, Geweben, Körperflüssigkeiten oder anderem biologischem Material (beispielsweise von Abstrichen, Gewebeschnitten oder Biopsaten) für die Lösung von Fragestellungen der medizinischen Diagnostik oder der biomedizinischen oder zellbiologischen Forschung vorgeschlagen. Die jeweils adressierten Fragestellungen liefern Zwischenergebnisse, die zur Diagnosestellung herangezogen werden können.In one embodiment, the use of compounds according to claim 1 as markers and / or contrast agents for imaging and / or for the quantitative and / or qualitative analysis of living cells, tissues, body fluids or other biological material (for example, smears, tissue sections or biopsies ) for the solution of medical diagnostic or biomedical or cell biological research questions. The questions addressed provide intermediate results which can be used for the diagnosis.
Dabei weist die Struktur der Verbindung die allgemeine Formel (II) auf: und
B = H, Methyl, Ethyl, Phenyl, 5,6-R'-Benzoxazol-2,5,6-R'-Benzimidazol-2, 5,6-R'-Benzthiazol-2, 5,6-R'-Indol-2;
B' = H, Methyl, Ethyl, Phenyl, 5,6-R'-Benzoxazol-2, 5,6-R'-Benzimidazol-2, 5,6-R'-Benzthiazol-2, 5,6-R'-Indol-2;
X = Methyl, Ethyl, Phenyl, Propanesulfonic acid, Butanesulfonic acid;
X' = Methyl, Ethyl, Phenyl, Propanesulfonic acid, Butanesulfonic acid;
X'' = Methyl, Ethyl, Phenyl, Propanesulfonic acid, Butanesulfonic acid;
D = SO3 –, COO–, Methyl, Ethyl, Phenyl, H, Trifluoromethyl;
R' = H, SO3 –, COO–, Dendrimere und PEG, 5-(trifluoromethyl), 6-trifluoromethyl;
Z = N;
R = H, C;
n = 0, 1, 2, ...;
A– = Anionen wie z. B. ClO4 –, Cl–, Br–, I–, BF4 –, Sulfat, Tosylat;
K = Cl, Br,wobei m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 (bevorzugt liegt m zwischen 1 und 5);
L = Thiol, Amine, Azide, Aldehyde, Carboxyl, Ethyne, Maleimide.In this case, the structure of the compound has the general formula (II): and
B = H, methyl, ethyl, phenyl, 5,6-R'-benzoxazole-2,5,6-R'-benzimidazole-2, 5,6-R'-benzothiazole-2, 5,6-R'- indole-2;
B '= H, methyl, ethyl, phenyl, 5,6-R'-benzoxazole-2, 5,6-R'-benzimidazole-2, 5,6-R'-benzothiazole-2, 5,6-R'indole-2;
X = methyl, ethyl, phenyl, propanesulfonic acid, butanesulfonic acid;
X '= methyl, ethyl, phenyl, propanesulfonic acid, butanesulfonic acid;
X "= methyl, ethyl, phenyl, propanesulfonic acid, butanesulfonic acid;
D = SO 3 - , COO - , methyl, ethyl, phenyl, H, trifluoromethyl;
R '= H, SO 3 -, COO -, dendrimers and PEG, 5- (trifluoromethyl), 6-trifluoromethyl;
Z = N;
R = H, C;
n = 0, 1, 2, ...;
A - = anions such as. B. ClO 4 -, Cl -, Br -, I -, BF 4 -, sulfate, tosylate;
K = Cl, Br, where m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 (preferably m is between 1 and 5);
L = thiol, amines, azides, aldehydes, carboxyl, ethyne, maleimides.
Wie dargestellt, sind B und B' dabei unabhängig voneinander z. B.: ein Wasserstoffrest, ein Methyl, ein Ethyl, ein Phenyl, ein 5,6-R'-Benzoxazol-2 Rest, ein 5,6-R'-Benzimidazol-2 Rest, ein 5,6-R'-Benzthiazol-2 Rest oder ein 5,6-R'-Indol-2 Rest, wobei R' jeweils ein Wasserstoff, SO3-, COO-, ein Dendron, Polyethylenglykol, 5-(trifluoromethyl) oder 6-(trifluoromethyl) sein kann und X, X' und X'' unabhängig voneinander Methyl, Ethyl, Phenyl, oder ein Säurerest der Propansulfonsäure oder der Butansulfonsäure sein können. Der Substituent D ist ausgewählt unter SO3 –, COO–, Methyl, Ethyl, Phenyl oder Trifluoromethyl. Z bedeutet ein Stickstoff- oder ein Kohlenstoffatom. R bedeutet ein Wasserstoffatom oder ein Kohlenstoffatom. In ersterem Fall, wenn R ein Wasserstoffatom bedeutet ist n = 0. Wenn R ein Kohlenstoffatom bedeutet, dann ist n = 1.As shown, B and B 'are independent of each other z. B: a hydrogen radical, a methyl, an ethyl, a phenyl, a 5,6-R'-benzoxazole-2 radical, a 5,6-R'-benzimidazole-2 radical, a 5,6-R'-benzthiazole A radical or a 5,6-R'-indole-2 radical, where R 'can each be a hydrogen, SO 3 , COO, a dendron, polyethylene glycol, 5- (trifluoromethyl) or 6- (trifluoromethyl) and X, X 'and X "independently of one another may be methyl, ethyl, phenyl, or an acid radical of propanesulfonic acid or butanesulfonic acid. The substituent D is selected from SO 3 - , COO - , methyl, ethyl, phenyl or trifluoromethyl. Z represents a nitrogen or a carbon atom. R represents a hydrogen atom or a carbon atom. In the former case, when R is a hydrogen atom, n = 0. If R is a carbon atom, then n = 1.
Der mit K bezeichnete Substituent ist Cl, Br,wobei m jeweils eine beliebige natürliche Zahl 0, 1, 2 ... ist und L jeweils für ein Thiol, für Amin, für Azid, für Aldehyd, für Carboxyl, für Ethyn oder für Maleimid steht. Beispielsweise kann m hier einen Wert zwischen 1 und 12, bevorzugt zwischen 1 und 5 annehmen. Das mit A– bezeichnete Anion kann ausgewählt sein unter Perchlorat, Chlorid, Bromid, Jodid, Tetrafluoroborat, Sulfat und Tosylat oder anderen Anionen mit ähnlichen Eigenschaften (z. B. Solvatationsverhalten, Wertigkeit).The substituent denoted by K is Cl, Br, where m is any natural number 0, 1, 2... and L is in each case a thiol, an amine, an azide, an aldehyde, a carboxyl, an ethylene or a maleimide. For example, m here can assume a value between 1 and 12, preferably between 1 and 5. The anion designated A - may be selected from perchlorate, chloride, bromide, iodide, tetrafluoroborate, sulfate and tosylate or other anions having similar properties (eg, solvation behavior, valence).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Substituent des Moleküls ein Fluoratom auf. Das bedeutet, dass wenigstens einer der Substituenten B oder B' ein 5,6-R'-Benzoxazol-2 Rest, ein 5,6-R'-Benzimidazol-2 Rest, ein 5,6-R'-Benzthiazol-2 Rest oder ein 5,6-R'-Indol-2 Rest mit R' = 5-(trifluoromethyl) oder R' = 6-(trifluoromethyl) ist, oder an der Position D ein Trifluoromethyl mit dem jeweiligen Ring verknüpft ist.According to a preferred embodiment, at least one substituent of the molecule has a fluorine atom. This means that at least one of the substituents B or B 'is a 5,6-R'-benzoxazole-2 radical, a 5,6-R'-benzimidazole-2 radical, a 5,6-R'-benzothiazole-2 radical or a 5,6-R'-indole-2 radical with R '= 5- (trifluoromethyl) or R' = 6- (trifluoromethyl), or at position D a trifluoromethyl is linked to the respective ring.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verbindung mit der vorstehenden Formel (II) benutzt, indem ein Fluoreszenz-Signal, insbesondere ein Emissionssignal mit einem Maximum im Wellenlängenbereich zwischen 750 nm und 850 nm erfasst und/oder analysiert wird. Insbesondere wird die Verwendung der Verbindung gemäß Formel (II) in bildgebenden Verfahren oder in kombinierten Meßverfahren vorgeschlagen, wobei neben der Messung und/oder Erfassung eines Fluoreszenz-Emissionssignals ein Element-spezifisches Energiespektrum erfasst und/oder analysiert wird und das Element ausgewählt ist unter Schwefel (S), Stickstoff (N) und/oder Fluor (F). According to a further embodiment, the compound having the above formula (II) is used by detecting and / or analyzing a fluorescence signal, in particular an emission signal having a maximum in the wavelength range between 750 nm and 850 nm. In particular, the use of the compound according to formula (II) in imaging or in combined measuring methods is proposed, wherein in addition to the measurement and / or detection of a fluorescence emission signal, an element-specific energy spectrum is detected and / or analyzed and the element is selected from sulfur (S), nitrogen (N) and / or fluorine (F).
Der Einbau von Heteroatomen wie Stickstoffatomen, Fluoratomen oder Schwefelatomen in die Verbindung gemäß Formel (II) erleichtert die Quantifizierung der Beladungsdichte von Partikeln, die mit einem oder mehreren verschiedenen Vertretern den beschriebenen Verbindungen gemäß Formel (II) beladen sind. Diese Quantifizierung basiert darauf, dass die mittlere Zahl der Farbstoff-Moleküle pro Partikel mittels verschiedener und voneinander unabhängiger analytischer Methoden ermittelt werden kann. Beispiele dafür stellen optisch-spektroskopische Methoden, wie z. B. die Messung der Absorptionseigenschaften und der Fluoreszenzeigenschaften der beladenen Partikel dar.The incorporation of heteroatoms such as nitrogen atoms, fluorine atoms or sulfur atoms in the compound of formula (II) facilitates the quantification of the loading density of particles which are loaded with one or more different representatives of the described compounds of formula (II). This quantification is based on the fact that the average number of dye molecules per particle can be determined by means of different and independent analytical methods. Examples of this are optical-spectroscopic methods, such as. Example, the measurement of the absorption properties and the fluorescence properties of the loaded particles.
Die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der NIR-Fluorophor-markierten Partikeln können beispielsweise mit einem Ulbrichtkugelaufbau oder mit Hilfe der optisch-spektroskopischen Bestimmung der Farbstoffkonzentration nach Auflösung der farbstoffmarkierten Partikel in Lösung gemessen werden.The absorption and fluorescence properties of the NIR fluorophore-labeled particles can be measured, for example, with an integrating sphere or with the aid of optical spectroscopic determination of the dye concentration after dissolution of the dye-labeled particles in solution.
Besondere Vorteile für die partikelbasierte Analytik werden eröffnet, wenn der wenigstens eine Fluor-haltige Substituent einer Verbindung gemäß Formel II eine Verbindung des 19F ist. Das ermöglicht es, die ermittelten Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der NIR-Fluorophor-markierten Partikeln mit Meßergebnissen der 19F-NMR zu korrelieren, bzw. den Farbstoff über die Elementaranalyse (TOC; z. B. S- oder N-Bestimmung) zu bestimmen.Particular advantages for the particle-based analysis are opened when the at least one fluorine-containing substituent of a compound according to formula II is a compound of 19 F. This makes it possible to correlate the determined absorption and fluorescence properties of the NIR fluorophore-labeled particles with measurement results of 19 F-NMR, or to determine the dye via elemental analysis (TOC, eg S or N determination) ,
Unter Verwendung eines angepassten Meßverfahrens können einem mit dem Farbstoff gemäß Formel (II) beladenen Partikel z. B. eine Chromophoranzahl, ein Absorptionskoeffizient (pro Partikel oder pro mittlerer Chromophorbeladungsdichte) sowie eine Quantenausbeute (pro Fluorophor) zugeordnet werden. Die für die jeweilige praktische Anwendung bevorzugte mittlere Partikel-Beladungsdichte liegt hängt von der konkreten Aufgabe ab. Typischerweise liegt eine bevorzugte Beladungsdichte bei 1–10 nmol pro 1 mg Partikel. Eine derartige Beladungsdichte ist beispielsweise für in vivo Imaging Applikationen mit Hilfe fluoreszenzmarkierter Partikeln geeignet.Using an adapted measurement method can be loaded with the dye according to formula (II) particles z. B. a number of chromophores, an absorption coefficient (per particle or per average chromophore loading density) and a quantum yield (per fluorophore) are assigned. The preferred average particle loading density for the particular practical application depends on the specific task. Typically, a preferred loading density is 1-10 nmoles per 1 mg of particles. Such a loading density is suitable, for example, for in vivo imaging applications using fluorescence-labeled particles.
Für die Quantifizierung der Beladungsdichte von Mikropartikeln und Nanopartikeln gibt es bisher keine verlässlichen Methoden. Gegenwärtig erfolgt lediglich ein Vergleich von Partikel-Farbstofflösungen gemäß dem sogenannten MESF-System, wobei MESF für Molecules of Equivalent Soluble Fluorophores steht. Der hier beschriebene neuartige Ansatz zur Partikelanalytik kann prinzipiell auch zum Aufbau eines neuen MESF-analogen Quantifizierungs- und Rückführungskonzeptes ausgenutzt werden.There are no reliable methods for quantifying the loading density of microparticles and nanoparticles. At present, only a comparison of particle dye solutions according to the so-called MESF system, wherein MESF stands for Molecules of Equivalent Soluble Fluorophore. In principle, the novel approach to particle analysis described here can also be exploited to set up a new MESF-analogue quantification and feedback concept.
Das Quantifizierungs- und Ruckführungskonzept ermöglicht über die Verwendung der beschriebenen Partikelsysteme und z. B. die Messung ihrer absoluten Fluoreszenzquantenausbeuten. Extinktionskoeffizienten und der Farbstoffkonzentration pro Partikel die Anknüpfung (Rückführung) vieler anderer Fluoreszenzmesstechniken an absolute Skalen und spektroskopische Messgrößen und damit die plattformübergreifende Standardisierung. Damit gestatten die im Anspruch 1 beschriebenen Derivate der Verbindung nach Formel (I) einen neuartigen Zugang zur Standardisierung fluoreszenzoptisch erhobener Meßgrößen und die Validierung von Meßmethoden, -geräten und Laboratorien (Ringversuche), die nicht an den NIR-Spektralbereich gebunden ist. Dieses Rückführungskonzept ist auch auf andere beliebige Farbstoff-Systeme übertragbar.The quantification and jerk concept allows the use of the particle systems described and z. Example, the measurement of their absolute fluorescence quantum yields. Extinction coefficients and the dye concentration per particle the attachment (feedback) of many other fluorescence measurement techniques to absolute scales and spectroscopic measures and thus the cross-platform standardization. Thus, the derivatives of the compound of formula (I) described in claim 1 allow a novel approach to the standardization of fluorescence optical measured variables and the validation of measurement methods, equipment and laboratories (ring tests), which is not bound to the NIR spectral range. This recycling concept can also be applied to other dye systems.
Die Möglichkeit der Umsetzung der beschriebenen Quantifizierungs- und Rückführungskonzepte ist für den Bereich der Anwendung der gemäß Anspruch 1 bzw. gemäß Formel (I) beschriebenen NIR-Fluorophore von besonderer Bedeutung für Anwendungen in der pharmazeutischen und zellbiologischen Forschung, der medizinischen Diagnostik und Therapie, der Therapieüberwachung sowie in der praktischen Laboratoriumsdiagnostik.The possibility of implementing the described quantification and recycling concepts is of particular importance for the field of application of the NIR fluorophores described according to claim 1 or according to formula (I) for applications in pharmaceutical and cell biological research, medical diagnostics and therapy Therapy monitoring as well as in practical laboratory diagnostics.
19F-haltige fluoreszente Systeme wie optische Sonden (Marker oder Label), die aus einem 19F-markierten Fluorophor (bzw. einem 19F-markierten molekularen System oder mit dem Fluorophor beladene Partikel) und einem targetspezifischen Liganden aufgebaut sind oder ein weiteres analytspezifisches Chromophorsystem enthalten, ermöglichen dann z. B. auch den Nachweis von verschiedenen Analyten mittels Fluoreszenz und 19F-NMR. 19 F-containing fluorescent systems such as optical probes (markers or labels), which are composed of a 19 F-labeled fluorophore (or a 19 F-labeled molecular system or loaded with the fluorophore particles) and a target-specific ligands or another analyte-specific Chromophore system included, then allow z. As well as the detection of different analytes by fluorescence and 19 F-NMR.
Unabhängig von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen oder zusätzlich zu jenen trägt die Verbindung in der Position des Substituenten D eine Gruppe, die ausgewählt ist unter: SO3 – bzw. -SO3H; COO– bzw. -COOH, Methyl, Ethyl, Phenyl und Trifluoromethyl. Eine Sulpho- oder eine Carboxy-Gruppe erleichtern die Löslichkeit der betreffenden Verbindung in polarer Umgebung und haben eine vorteilhafte Wirkung auf Fluoreszenzquantenausbeuten, Extinktionskoeffizienten und maximale Markierungsdichte, da Farbstoffaggregatbildung verhindert wird. Regardless of or in addition to the above-described embodiments, the compound in the position of the substituent D carries a group selected from: SO 3 - and -SO 3 H, respectively; COO - or -COOH, methyl, ethyl, phenyl and trifluoromethyl. A sulpho or a carboxy group facilitates the solubility of the subject compound in a polar environment and has a beneficial effect on fluorescence quantum yields, extinction coefficients and maximum label density since dye aggregation is prevented.
Dahingegen weist die wie angezeigt mit Trifluoromethyl modifizierte Verbindung vorteilhafte Eigenschaften für Anwendungen des Fluorophors in der Kernspintomographie und/oder Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) auf. Als Überbegriff der auf Magnetresonanz beruhenden Bildgebungsverfahren soll hier der Begriff MRI (magnetic resonance imaging) verwendet werden. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Fluor-Atom beispielsweise ein 19F Fluoratom oder ein 18F Fluoratom ist. Weitere Isotope sind bekannt und ebenso geeignet. Diese Isotope werden beispielsweise bevorzugt in der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR bzw. 19F-NMR) und darauf aufbauenden bildgebenden Verfahren des MRI eingesetzt. Unterschiedliche Kernspin-Relaxationszeiten in verschiedenen biologischen Geweben bilden auch die Basis für die in der Medizin als bildgebendes diagnostisches Verfahren genutzte Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie).In contrast, the trifluoromethyl-modified compound as indicated has advantageous properties for fluorophore applications in magnetic resonance imaging and / or magnetic resonance imaging (MRI). As an umbrella term for magnetic resonance imaging, the term MRI (magnetic resonance imaging) should be used here. Particular advantages result when the fluorine atom, for example a 19 F fluorine atom or a fluorine atom 18 F. Other isotopes are known and suitable. These isotopes are preferably used, for example, in nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR or 19 F-NMR) and MRI imaging methods based thereon. Different nuclear spin relaxation times in different biological tissues also form the basis for magnetic resonance imaging (magnetic resonance tomography) used in medicine as an imaging diagnostic method.
Ebenso können andere Isotope von Heteroelementen, beispielsweise von Schwefel oder Stickstoff in der beschriebenen Verbindung eingesetzt werden. Derartige Farbstoffe oder mit ihnen markierte Nano- oder Mikropartikel können als Kontrastmittel (Tracer) beispielsweise für die Erzeugung räumlichen Abbilder eines Meßobjektes, beispielsweise von Zellen, Zellverbänden, Geweben, Organen oder Organismen mittels MRI-Techniken herangezogen werden.Likewise, other isotopes of hetero elements, for example, sulfur or nitrogen may be used in the described compound. Such dyes or nanoparticles or microparticles labeled with them can be used as contrast media (tracers), for example for the production of spatial images of a test object, for example cells, cell aggregates, tissues, organs or organisms by means of MRI techniques.
Aus der Verwendung von Heteroelementen und deren Isotopen, beispielsweise aus der Verwendung von 19F ergibt sich der Vorteil, das zwei voneinander unabhängige bildgebende Verfahren mit ein und derselben molekularen Sonde oder mit ein und denselben nanometer- oder mikrometerskaligen Partikeln, die mit einer Verbindung gemäß Anspruch 1 markiert sind, durchgeführt werden können. Das erhöht die Sicherheit erhobener Befunde. Dazu können die Partikeln oder andere mit der Verbindung markierte Objekte elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche bzw. Spektralbereiche (Energien) ausgesetzt bzw. exponiert werden. Beispiele der nutzbaren Strahlung sind UV-Strahlung, UV/vis-Strahlung, vis-Strahlung, NIR-Strahlung, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung.From the use of hetero elements and their isotopes, for example from the use of 19 F, there is the advantage of using two independent imaging methods with one and the same molecular probe or one and the same nanometer- or micrometer-scale particles containing a compound according to claim 1 are marked can be performed. This increases the safety of collected findings. For this purpose, the particles or other objects marked with the compound can be exposed or exposed to electromagnetic radiation of different wavelength ranges or spectral ranges (energies). Examples of useful radiation are UV radiation, UV / vis radiation, vis radiation, NIR radiation, X-radiation or gamma radiation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Substituent Z unabhängig von den anderen Substituenten B und B', R', X, D, R, K, L, der Größe von n und unabhängig vom Anion A– im Formelbild (I) ein Stickstoffatom bedeuten.According to a further embodiment, the substituent Z can independently of the other substituents B and B ', R', X, D, R, K, L, the size of n and independently of the anion A - in the formula (I) represent a nitrogen atom.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Substituent R unabhängig von den anderen Substituenten B und B', R', X, D, Z, K, L, der Größe von n, und unabhängig vom Anion A– im Formelbild (I) ein Wasserstoff- oder ein Kohlenstoffatom bedeuten.According to a further embodiment, the substituent R may independently of the other substituents B and B ', R', X, D, Z, K, L, the size of n, and independently of the anion A - in the formula image (I) a hydrogen or a carbon atom.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Substituent K unabhängig von den anderen Substituenten B und B', R', X, D, Z, R, L und unabhängig von dem Anion A– im Formelbild (I) Cl, Br,bedeuten, wobei m jeweils eine beliebige natürliche Zahl 0, 1, 2 ... bedeutet und L jeweils für ein Thiol, für Amin, für Azid, für Aldehyd, für Carboxyl, für Ethyn oder für Maleimid steht. Beispielsweise kann m hier einen Wert zwischen 1 und 12, bevorzugt zwischen 1 und 5 annehmen.In a further embodiment, the substituent K independently of the other substituents B and B ', R', X, D, Z, R, L and independently of the anion A - in the formula (I) Cl, Br, where m is any natural number 0, 1, 2... and L is in each case a thiol, an amine, an azide, an aldehyde, a carboxyl, an ethyl or a maleimide. For example, m here can assume a value between 1 and 12, preferably between 1 and 5.
Gemäß typischer Ausführungsformen kann das Anion A– unabhängig von den Substituenten B und B', R, R', R'', X, D, Z, K, L und dem Wert von n und in im Formelbild (I) ein beliebiges Anion sein, insbesondere kann es ein Perchlorat-Ion, ein Chlorid-Anion, ein Bromid-Anion, ein Tetrafluorborat-Anion, ein Sulfat-Anion, oder ein Tosylat-Anion sein.According to typical embodiments, the anion A - irrespective of substituents B and B ', R, R', R '', X, D, Z, K, L and the value of n and in the Formula image (I) is any anion in particular, it may be a perchlorate ion, a chloride anion, a bromide anion, a tetrafluoroborate anion, a sulfate anion, or a tosylate anion.
Besonders vorteilhafte spektrale Charakteristika und eine ausgesprochen hohe Photostabilität zeigt die Verbindung gemäß Formel (II) (vgl.
Die hier vorgeschlagene Verwendung zur Bildgebung und biomedizinischen Analyse betrifft Verbindungen gemäß den Formeln (I) bzw. (II) die frei in, kovalent gebunden an oder assoziiert mit (beispielsweise über die Bildung von Ionenpaaren oder über ionische Wechselwirkung) Nano- und/oder Mikropartikeln vorliegen. Die Verbindungen stellen eine breitbandig im vis-Spektralbereich und im NIR-Spektralbereich absorbierende Familie von Fluoreszenzfarbstoffen dar, die sich durch einen für einen NIR-Chromophor vergleichsweise großen Stokes shift, durch eine vergleichsweise geringe Umgebungsabhängigkeit der spektralen Lage der Absorptions- und insbesondere der Emissionsspektren auszeichnet sowie durch eine vergleichsweise hohe Fluoreszenzquantenausbeute gekennzeichnet ist, die auch in polaren Matrices und in Matrices vorliegt, welche Wasserstoffbrücken ausbilden können. The use for imaging and biomedical analysis proposed herein relates to compounds according to formulas (I) and (II), respectively, which are freely covalently bound to or associated with (for example through the formation of ion pairs or via ionic interaction) nano- and / or microparticles available. The compounds represent a broad band in the vis spectral range and in the NIR spectral range absorbing family of fluorescent dyes, which is characterized by a comparatively large for a NIR chromophore Stokes shift, by a relatively low environmental dependence of the spectral position of the absorption and in particular the emission spectra and characterized by a comparatively high fluorescence quantum yield, which is also present in polar matrices and in matrices which can form hydrogen bonds.
Daraus ergibt sich die Möglichkeit, erhobene Befunde weitestgehend methodenunabhängig und wesentlich besser, als das bisher möglich ist, abzusichern. Eine derartige Absicherung ist besonders für die Anwendung der benannten Meßmethoden in der Analytik, Labordiagnostik, der klinischen Diagnostik, z. B. für Zwecke der Therapiekontrolle bedeutsam. Die dafür herangezogenen Methoden müssen einem sogenannten Validierungsverfahren unterzogen werden. Die vorgeschlagene Gruppe von Verbindungen ermöglicht die Validierung der mit diesen Verbindungen angepassten und neu entwickelten fluoreszenzspektroskopischen Meßmethoden und Bildgebungstechniken im Nahinfrarotspektralbereich (NIR).This results in the possibility of hedging collected findings largely method-independent and much better than was previously possible. Such a hedge is particularly for the application of the named measuring methods in analytics, laboratory diagnostics, clinical diagnostics, z. B. important for purposes of therapy control. The methods used for this must be subjected to a so-called validation procedure. The proposed group of compounds enables validation of the newly adapted and newly developed fluorescence spectroscopy and near-infrared spectral imaging (NIR) imaging techniques.
In
Herkömmliche Fluorophore mit Charge Transfer Charakter (und daher entsprechend großem Stokes shift) emittieren entweder überhaupt nicht in wasserhaltigen Lösungsmittelmischungen, oder es liegen nur Angaben zu den Fluoreszenzquantenausbeuten in Methanol vor, nicht aber für wässrige Lösungen. Insgesamt sind die bekannten Fluorophore durch schmalbandige Absorptions- und Emissionsspektren mit einer vibronischen Feinstruktur gekennzeichnet. Die Differenz der Maxima von Absorptions- und Emissionsspektren (Stokes shift) ist gering und beträgt nur wenige 10 nm. Daraus ergibt sich eine deutliche Überlappung von Absorption und Emission und insgesamt eine geringere Fluoreszenzquantenausbeute bei höheren Beladungsgraden z. B. durch Reabsorption oder durch Aggregation.Conventional fluorophores with charge transfer character (and therefore correspondingly large Stokes shift) emit either not at all in aqueous solvent mixtures, or there are only information on the fluorescence quantum yields in methanol, but not for aqueous solutions. Overall, the known fluorophores are characterized by narrow-band absorption and emission spectra with a vibronic fine structure. The difference between the maxima of absorption and emission spectra (Stokes shift) is low and is only a few 10 nm. This results in a significant overlap of absorption and emission and overall lower fluorescence quantum yield at higher loading levels z. B. by reabsorption or by aggregation.
Die sich durch eine in Anspruch 1 bzw. Anspruch 11 und deren Unteransprüchen beschriebene Grundstruktur auszeichnenden Verbindungen weisen hingegen einen wesentlich größeren Stokes shift auf und sind daher frei von den Nachteilen der bisher bekannten Farbstoffe. Daraus ergeben sich die nachfolgend beispielhaft beschriebenen Anwendungen:By contrast, the compounds characterized by a basic structure described in claim 1 or claim 11 and its subclaims have a significantly larger Stokes shift and are therefore free of the disadvantages of the previously known dyes. This results in the applications described below by way of example:
a) Einsatz als multichromophore Fluoreszenzsonde ohne und mit Targetfunktion:a) Use as multichromophore fluorescence probe without and with target function:
Gemäß einem Applikationsbeispiel wird die ausgewählte Verbindung in nanometer- bis mikrometergroße Polymerpartikel eingebaut. Unter Polymerpartikeln werden in diesem Zusammenhang mehr oder weniger sphärische Partikeln verstanden, die durch Vernetzung der Ketten eines synthetischen Polymers hergestellt werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die Fluoreszenzsonde beispielsweise an den Polymerketten vor deren Vernetzung gebunden. Die Matrix des Polymerpartikels ist dann vollständig mit dem NIR-Fluorophor markiert.According to an application example, the selected compound is incorporated into nanometer- to micrometer-sized polymer particles. In this context, polymer particles are understood as meaning more or less spherical particles which are produced by crosslinking the chains of a synthetic polymer. According to a first embodiment, the fluorescent probe is bound, for example, to the polymer chains prior to their crosslinking. The matrix of the polymer particle is then completely labeled with the NIR fluorophore.
Nach einer zweiten Ausführungsform können bereits vorliegende, beispielsweise kommerziell erhältliche, nanometer- bis mikrometergroße Polymerpartikeln in einem geeigneten Lösungsmittel inkubiert und dabei gequollen werden. Werden die gequollenen Polymerpartikel mit einer Lösung des NIR-Fluorophoren in Kontakt gebracht, oder unmittelbar in Gegenwart des NIR-Fluorophoren gequollen, so kann der NIR-Fluorophor durch Diffusion in das Innere des Partikels vordringen und adsorptiv, chemisch oder mechanisch fixiert oder gebunden werden, wenn das zur Quellung des Polymerpartikels verwendete Lösungsmittel durch ein anderes Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch ersetzt wird und das Partikel erneut geschrumpft ist und seine für ein wässriges Millieu typischen Dimensionen angenommen hat. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass ein Aspekt der hier beschriebenen Anwendungen der NIR-Fluorophore auf die Verwendung in polaren Medien und Matrices, wie beispielsweise wässrige Lösungen, physiologischen Puffer- oder Salzlösungen, Zellkulturmedien bzw. auf die Zellkultur und auf die Gewebekultur sowie auf die intrakorporale Verwendung im lebenden Organismus bzw. am Patienten gerichtet ist. Nachdem der nicht gebundene NIR-Fluorophor durch Waschen entfernt wurde, stehen Polymerpartikel zur Verfügung, deren Matrix mit dem NIR-Fluorophoren dort markiert ist, wohin der NIR-Fluorophor vordringen konnte. Bei geeigneter Wahl der Polymerpartikel (Polymer-Art, Kettenlänge, Vernetzungsgrad bzw. Porosität...) und des Lösungsmittels bzw. einer Lösungsmittelmischung können mehrfach markierte Partikel erhalten werden, die ungebundenen Farbstoff freisetzen, bzw. die kein Ausbluten (leaking) zeigen.According to a second embodiment, already present, for example commercially available, nanometer to micrometer-sized polymer particles can be incubated in a suitable solvent and swollen during this process. If the swollen polymer particles are brought into contact with a solution of the NIR fluorophore or swelled directly in the presence of the NIR fluorophore, the NIR fluorophore can penetrate into the interior of the particle by diffusion and be adsorptively, chemically or mechanically fixed or bound, when the solvent used for the swelling of the polymer particle is replaced by another solvent or a solvent mixture and the particle has shrunk again and assumed its dimensions typical for an aqueous medium. In this regard, it should be recalled that one aspect of the NIR fluorophore applications described herein is for use in polar media and matrices, such as aqueous solutions, physiological buffer or saline solutions, cell culture media and culture, and tissue culture the intracorporeal use is directed in the living organism or on the patient. After the unbound NIR fluorophore has been removed by washing, polymer particles are available whose matrix is marked with the NIR fluorophore where the NIR fluorophore could penetrate. With a suitable choice of polymer particles (polymer type, chain length, degree of crosslinking or porosity ...) and the solvent or a Solvent mixture can be obtained multiply labeled particles that release unbound dye, or show no leaking (leaking).
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird der jeweilige Fluorophor in Tetrahydrofuran (THF) oder in Dimethylformamid (DMF) bei einer Farbstoffkonzentration von 5 × 10–3 mol/L bis 5 × 10–5 mol/L gelöst. Beispielsweise werden Polystyren-Partikel unabhängig vom Partikeldurchmesser mit dem jeweiligen Fluorophor beladen, indem 100 μL der Farbstoff-Lösung mit 600 μL einer wässrigen Dispersion der Partikel (0,5 Gewichtsprozent (w%)) vermischt werden. Partikel einer Größe von < 100 nm werden dann 30 Minuten, größere Partikeln 1 h inkubiert. Danach werden weitere 800 μL Wasser zugesetzt und die gelegentlich geschüttelte Partikeldispersion wird zentrifugiert. Das kann beispielsweise mit einer Eppendorf-Zentrifuge 5415D erfolgen. Polystyren-Partikel von 100 nm Durchmesser werden bei 15000 g während 40 Minuten, Poystyren-Partikel mit einem Durchmesser von 1 μm bei 5000 g während 10 Minuten, und Polystyren-Partikel eines Durchmessers von 8 μm bei 4000 g während 10 Minuten abgetrennt. Für kleinere Partikel können angepasste Rotoren oder andere Zentrifugen verwendet werden, beispielsweise eine Beckman Coulter Zentrifuge Avanti J-20 XP. Hierbei erwiesen sich für Polystyren-Partikel eines Durchmessers von 50 nm 45000 g während 45 Minuten Zentrifugationsdauer als geeignet. Für Polystyren-Partikel eines Durchmessers von 25 nm wurde bei 75000 g während 45 Minuten zentrifugiert. Die abgetrennten Partikel werden zweimal mit destilliertem Wasser gewaschen und im Ultraschallbad in doppelt destilliertem Wasser resuspendiert. In Abhängigkeit von den gewählten Substituenten oder dem Quellverhalten der jeweiligen Polymerpartikel kann THF oder DMF für den Inkubationsschritt auch durch Dichlormethan oder Trichlormethan ersetzt werden. Ebenso sind andere organische Lösungsmittel oder deren Mischungen einsetzbar. Wird Dichlormethan, Trichlormethan oder Tetrachlormethan verwendet, so werden die Partikel zuvor in iso-Propanol überführt, zur Entfernung des Wassers zweimal mit iso-Propanol gewaschen und jeweils zentrifugiert. Andere Kombinationen von Lösungsmitteln in denen das Partikel zumindest an seiner Oberfläche quillt sind möglich. Insbesondere können Lösungsmittelmischungen verwendet werden, die an die jeweilige Partikelmatrix angepasst sind, d. h. die an das Polymer oder die Polymere und/oder deren Linker angepasst sind, aus dem/denen das Partikel besteht.According to an exemplary embodiment, the respective fluorophore is dissolved in tetrahydrofuran (THF) or in dimethylformamide (DMF) at a dye concentration of 5 × 10 -3 mol / L to 5 × 10 -5 mol / L. For example, regardless of particle diameter, polystyrene particles are loaded with the respective fluorophore by mixing 100 μL of the dye solution with 600 μL of an aqueous dispersion of the particles (0.5 percent by weight (w%)). Particles of size <100 nm are then incubated for 30 minutes, larger particles for 1 h. Thereafter, another 800 μL of water are added and the occasionally shaken particle dispersion is centrifuged. This can be done, for example, with an Eppendorf 5415D centrifuge. 100 nm diameter polystyrene particles are separated at 15,000 g for 40 minutes, 1 μm diameter poystyrene particles at 5,000 g for 10 minutes, and 8 μm diameter polystyrene particles at 4,000 g for 10 minutes. For smaller particles, adapted rotors or other centrifuges may be used, for example a Beckman Coulter centrifuge Avanti J-20 XP. This proved to be suitable for polystyrene particles of a diameter of 50 nm 45000 g during 45 minutes of centrifugation. For polystyrene particles of 25 nm diameter, centrifugation was carried out at 75,000 g for 45 minutes. The separated particles are washed twice with distilled water and resuspended in double-distilled water in an ultrasonic bath. Depending on the substituents chosen or the swelling behavior of the respective polymer particles, THF or DMF for the incubation step can also be replaced by dichloromethane or trichloromethane. Likewise, other organic solvents or mixtures thereof can be used. If dichloromethane, trichloromethane or tetrachloromethane is used, the particles are first converted into isopropanol, washed twice with isopropanol to remove the water and each centrifuged. Other combinations of solvents in which the particle swells at least on its surface are possible. In particular, it is possible to use solvent mixtures which are adapted to the particular particle matrix, ie which are adapted to the polymer or polymers and / or their linkers from which the particle is composed.
Nach einer weiteren Ausführungsform können durch die Kombination der vorstehend beschriebenen Verfahren Partikel mit unterschiedlichen Fluorophoren markiert werden. Beispielsweise kann ein Partikel in seinem Inneren eine Verbindung gemäß Formel (I) oder (II) enthalten und an seiner Oberfläche mit einem anderen Fluorophor markiert sein.In a further embodiment, the combination of the methods described above may be used to label particles with different fluorophores. For example, a particle may contain in its interior a compound according to formula (I) or (II) and be labeled on its surface with another fluorophore.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann ein Fluorophor gemäß den Formeln (I) oder (II) ausschließlich oder vorrangig an der Oberfläche eines Polymerpartikels verankert werden. Gemäß weiterer Ausführungsform können auch Atomcluster, Partikel paramagnetischer Verbindungen, beispielsweise Eisenoxide, oder Nanokristalle mit dem NIR-Fluorophor markiert werden. Das bietet den Vorteil, dass der Nachweis der Partikeln über den eingebauten Farbstoff im NIR mit dem Nachweis der spezifischen Wechselwirkung der Partikel-Matrix mit elektromagnetischer Strahlung eines anderen Energiespektrums kombiniert werden kann. Beispiele dafür sind UV-Strahlung, UV/vis-Strahlung, vis-Strahlung, NIR-Strahlung, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung.According to a further embodiment, a fluorophore according to the formulas (I) or (II) can be anchored exclusively or predominantly on the surface of a polymer particle. According to another embodiment, atom clusters, particles of paramagnetic compounds, for example iron oxides, or nanocrystals can also be labeled with the NIR fluorophore. This offers the advantage that the detection of the particles via the incorporated dye in the NIR can be combined with the detection of the specific interaction of the particle matrix with electromagnetic radiation of another energy spectrum. Examples are UV radiation, UV / vis radiation, vis radiation, NIR radiation, X-radiation or gamma radiation.
Daraus ergeben sich Vorteile bezüglich der Entwicklung standardisierter Meßverfahren. Weiterhin können sowohl verschiedene NIR-Fluorophore miteinander, als auch mit anderen Fluorophoren oder mit anderen herkömmlichen Nachweisreagenzien für andere Nachweisverfahren kombiniert werden.This results in advantages with regard to the development of standardized measuring methods. Furthermore, both different NIR fluorophores can be combined with each other as well as with other fluorophores or with other conventional detection reagents for other detection methods.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die NIR-Flurophore in umhüllte oder mehrschalige Systeme (core-shell-Systeme) eingebaut werden. Mehrschalige Systeme stellen beispielsweise dendritische Materialien, d. h. unterschiedlich funktionalisierte Dendrimer-Systeme verschiedener Generationen dar. Andere core-shell-Systeme stellen in einer Polymerhülle verkapselte Nanopartikel oder Atomcluster dar.According to a further embodiment, the NIR flurophore can be incorporated into enveloped or multi-shell systems (core-shell systems). Multi-shell systems provide, for example, dendritic materials, i. H. different functionalized dendrimer systems of different generations. Other core-shell systems are encapsulated nanoparticles or atomic clusters in a polymer shell.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die NIR-Fluorophore in Liposom-Systeme oder Vesikel oder in micellare Strukturen eingebaut werden. Der Farbstoff liegt dabei in den hydrophilen Teilen der Liposomen bzw. Mizellen vor. Dies kann sowohl das Innere als auch die Hülle sein. Anschließend kann die Oberfläche des jeweiligen Partikels, des core/shell-Systems, des Vesikels, des Liposoms, der Micelle, oder der dendritischen Struktur mit Hilfe geeigneter Liganden, beispielsweise einem Peptid, einem Nukleinsäure-Strang, einem Rezeptor, mit sogenannten small molecules oder mit einem Antikörper oder einem Antikörperfragment etc. oder mit einem Antigen oder nach anderen in der Histochemie, Cytochemie, Zellbiologie oder der medizinischen Diagnostik üblichen Verfahren modifiziert werden. Diese Modifizierung bestimmt die Spezifität des mit dem Fluoreszenzfarbstoff ausgerüsteten Partikels für das jeweilige Target (Targetfunktion), d. h. das Vermögen des Partikels an einem spezifischen Zielort bzw. der „Adresse” zu binden oder gebunden zu werden. Die Vorteile der einzelnen aufgeführten Markierungen bzw. Targetfunktion sind dem Fachmann bekannt. Sie ergeben sich aus der jeweiligen Aufgabenstellung und können beispielsweise auf dem Gebiet der Therapie einer Erkrankung oder deren Überwachung oder auf dem Gebiet der Zellbiologie bzw. dem Gebiet medizinischer und/oder pharmazeutischer Forschung liegen.In another embodiment, the NIR fluorophores can be incorporated into liposome systems or vesicles or into micellar structures. The dye is present in the hydrophilic parts of the liposomes or micelles. This can be both the inside and the shell. Subsequently, the surface of the respective particle, the core / shell system, the vesicle, the liposome, the micelle, or the dendritic structure with the aid of suitable ligands, for example a peptide, a nucleic acid strand, a receptor, with so-called small molecules or with an antibody or antibody fragment, etc. or with an antigen or other methods customary in histochemistry, cytochemistry, cell biology or medical diagnostics. This modification determines the specificity of the fluorescent dye-equipped particle for the respective target (target function), ie, to bind or bind the ability of the particle at a specific target site or "address". The advantages of the individual listed markers or target function are known to the person skilled in the art. she arise from the respective task and can be, for example, in the field of therapy of a disease or its monitoring or in the field of cell biology or the field of medical and / or pharmaceutical research.
Als Target kommt beispielsweise ein spezifisches Molekül, ein spezifischer Molekülkomplex, eine spezifische Oberflächenstruktur einer Zelle, eines Gewebes eines Mikroorganismus oder eines Virus in Betracht. Im beschriebenen Zusammenhang können die benannten oder ihnen entsprechende Oberflächenstrukturen beispielsweise auch in Form eines CD-Antigens, oder einer anderen gewebsspezifischen oder für ein bestimmtes Krankheitsgeschehen typischen molekularen Struktur vorliegen. Der Nachweis derartiger Strukturen mit Hilfe der NIR-Fluorophore kann Hinweise auf einen bestimmten Differenzierungszustand von Zellen oder Geweben, auf ein bestimmtes Stoffwechselgeschehen, auf eine Infektion, auf eine Gewebsentartung oder auf die Wirksamkeit einer Therapie, oder auf ein bestimmtes Krankheitsgeschehen geben. Der Nachweis eines Targets kann in situ oder ex situ, bzw. in vivo oder ex vivo geführt werden. Beispiele für die Anwendung ex vivo stellen die Untersuchung von Proben von Körperflüssigkeiten, beispielsweise von Plasmaproben, oder Biopsie-Proben (Biopsaten) dar.As a target, for example, a specific molecule, a specific molecular complex, a specific surface structure of a cell, a tissue of a microorganism or a virus come into consideration. In the context described, the surface structures named or corresponding to them can also be present, for example, in the form of a CD antigen or another tissue-specific or specific molecular structure for a particular disease process. The detection of such structures by means of the NIR fluorophores can give indications of a particular state of differentiation of cells or tissues, to a specific metabolic process, to an infection, to a tissue degeneration or to the effectiveness of a therapy, or to a specific course of disease. The detection of a target can be performed in situ or ex situ, or in vivo or ex vivo. Examples of the ex vivo application are the examination of samples of body fluids, for example of plasma samples, or biopsy samples (biopsies).
Die Anwendung der beschriebenen hochfluoreszenten Moleküle oder der mit ihnen hergestellten Partikel bzw. der genannten Sonden kann dabei in unterschiedlichen Meß-Formaten oder mit Hilfe unterschiedlicher Geräte-Plattformen erfolgen. Die Anwendungen richten sich nach der jeweiligen Fragestellung und umfassen Applikationen für die optische Bildgebung und Anwendungen als Biomarker-spezifische Sonden in verschiedenen Fluoreszenzassays. Beispiele sind Partikel-basierte Fluoreszenzassays, die mittels Mikrotiterplattenauslesegerät, Fluoreszenzmikroskop, Durchflußzytometer oder Mikroarrayscanner ausgelesen werden.The application of the described highly fluorescent molecules or the particles or the probes produced with them can be carried out in different measuring formats or with the aid of different device platforms. The applications address specific questions and include applications for optical imaging and applications as biomarker-specific probes in various fluorescence assays. Examples are particle-based fluorescence assays that are read by microtiter plate reader, fluorescence microscope, flow cytometer or microarray scanner.
Abhängig von ihrer Größe und Oberflächenfunktionalisierung können die mit einer Verbindung gemäß Anspruch 1 oder mit einem ähnlichen Chromophor mit denselben vorteilhaften spektralen Eigenschaften beladene Partikel für eine Vielzahl von (bio)analytischen und medizinisch-diagnostischen Fragestellungen und Problemlösungen eingesetzt werden. Von besonderem Interesse ist die Applikation von mit diesem Farbstoff oder ähnlichen Chromophoren beladenen nanometergroßen Partikeln, versehen z. B. mit verschiedenen Biomarker-spezifischen Liganden in Form von Antikörpern, antigenbindenden (fab-)Antikörper-Fragmenten, Peptiden, „small molecules” etc.Depending on their size and surface functionalization, the particles loaded with a compound according to claim 1 or with a similar chromophore having the same advantageous spectral properties can be used for a variety of (bio) analytical and medical diagnostic issues and problem solutions. Of particular interest is the application of loaded with this dye or similar chromophores nanometer-sized particles, provided for. B. with different biomarker-specific ligands in the form of antibodies, antigen-binding (fab) antibody fragments, peptides, "small molecules" etc.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden die NIR-Chromophoren gemäß Anspruch 1 oder die mit ihnen markierte Partikel verwendet, beispielsweise in Form von Partikeln, die kleiner als 1 μm sind, indem die Partikeln in vivo oder ex vivo durch lebende Zellen internalisiert werden, beispielsweise durch Makrophagen oder durch Stammzellen auf dem Wege der Endozytose. Die Aufnahme der NIR-Fluorophor-markierten Partikeln kann beispielsweise in der Zellkultur erfolgen.According to a further embodiment, the NIR chromophores according to claim 1 or the particles marked with them are used, for example in the form of particles smaller than 1 μm, by internalizing the particles in vivo or ex vivo by living cells, for example by macrophages or by stem cells by way of endocytosis. The uptake of the NIR-fluorophore-labeled particles can take place, for example, in cell culture.
Ebenso ist es möglich den in Anspruch 1 spezifizierten NIR-Fluorophor an ein Medikament oder einen Wirkstoff oder an Wirkstoff-Partikel zu binden und den mit dem NIR-Fluorophor gemäß Anspruch 1 markierten Wirkstoff in lebende Zellen einzubringen, anderweitig einzuschleusen oder von lebenden Zellen internalisieren zu lassen. Danach können die markierten Zellen zur Darstellung, Überwachung bzw. zum Monitoring einer Therapie und der Wirkstoff-Aufnahme und Verteilung (Biodistribution von Wirkstoffen) als targetspezifische Sonden in der optischen Bildgebung (sogenanntes in vivo imaging) für den hochsensitiven und selektiven Nachweis von pathologischen Veränderungen auf molekularer Ebene in vivo verwendet werden.It is likewise possible to bind the NIR fluorophore specified in claim 1 to a drug or an active substance or to active ingredient particles and to introduce the active substance labeled with the NIR fluorophore according to claim 1 into living cells, to infiltrate it elsewhere or to internalize it from living cells to let. Thereafter, the labeled cells for presentation, monitoring or monitoring of a therapy and the drug uptake and distribution (biodistribution of drugs) as target-specific probes in optical imaging (so-called in vivo imaging) for the highly sensitive and selective detection of pathological changes on molecular level in vivo.
Gemäß weiteren Ausführungsformen werden die mit dem NIR-Fluorophor markierten Partikeln oder Zellen für präklinische pharmakokinetische Studien zur Darstellung der Verteilung von therapeutischen Substanzen im Organismus verwendet. Wird die Verbindung gemäß Anspruch 1 beispielsweise in Makrophagen eingebracht, so können die derartig markierten Zellen zur Darstellung von entzündlichen Veränderungen in verschiedenen Organen (beispielsweise in der Lunge) oder, ex vivo aufgenommen in Stammzellen, zur Verfolgung der Wanderung von Stammzellen im Organismus in vivo verwendet werden.According to further embodiments, the particles or cells labeled with the NIR fluorophore are used for preclinical pharmacokinetic studies to represent the distribution of therapeutic substances in the organism. For example, when the compound of claim 1 is introduced into macrophages, the cells so labeled can be used to display inflammatory changes in various organs (e.g., in the lung) or, ex vivo, in stem cells, to track the migration of stem cells in the organism in vivo become.
Vom Standpunkt der Vermeidung von Artefakten ist die effektive Markierung lebender Zellen mit einer Verbindung wie der in Anspruch 1 beschriebenen besonders vorteilhaft, da auch von geringsten absoluten Mengen ein starkes Fluoreszenzsignal geliefert wird.From the point of view of avoiding artifacts, the effective labeling of living cells with a compound as described in claim 1 is particularly advantageous, since a strong fluorescent signal is delivered even from the lowest absolute amounts.
Die Bildung von emissiven Dimeren ermöglichen für die vorgeschlagenen Chromophore die Herstellung besonders hochfluoreszenter Partikel mit ausgeprägter NIR-Emission, die zudem vom Beladungsgrad weitestgehend unabhängig ist. Im Gegensatz dazu gelangen gängige NIR-Farbstoffe, die an Partikel gebunden oder in Partikel eingebaut sind, oberhalb von 1 nmol pro 1 mg Partikel durch die Bildung nicht emissiver oder nur sehr gering fluoreszierender Molekülaggregate schnell in Bereiche der Selbstlöschung.The formation of emissive dimers allows for the proposed chromophores, the production of highly highly fluorescent particles with pronounced NIR emission, which is also largely independent of the degree of loading. In contrast, common NIR dyes that adhere to particles are bound or incorporated into particles, above 1 nmol per 1 mg of particles, by the formation of non-emissive or only very low fluorescent molecular aggregates rapidly into areas of self-quenching.
Wie vorstehend erläutert, zeigen andere Farbstoffe bereits bei geringeren Beladungskonzentrationen oberhalb von 1 nmol pro 1 mg Partikel bereits die Bildung nicht-emissiver oder nur sehr gering fluoreszierender Aggregate. Außerdem erschwert der deutlich geringere Stokes shift die Separation von Anregungs- und Emissionslicht. Daraus ergeben sich Nachteile bei nahezu allen Anwendungen eines Fluoreszenzfarbstoffs.As explained above, even at lower loading concentrations above 1 nmol per 1 mg of particles, other dyes already show the formation of non-emissive or only very low-fluorescent aggregates. In addition, the significantly lower Stokes shift makes the separation of excitation and emission light more difficult. This results in disadvantages in almost all applications of a fluorescent dye.
Gemäß einer weiteren Anwendungsform der beschriebenen NIR-Fluorophore können Biomarker z. B. in Körperflüssigkeiten von Versuchstieren nachgewiesen werden. Eine beispielhafte Anwendung in der Onkologie betrifft z. B. den sicheren Nachweis bereits einer sehr geringen Zahl von Krebszellen im Blut, in Aszites- oder in Pleuraflüssigkeit, in Urin, in Biopsien oder in Abstrichpräparaten. Dabei werden über einen Mikrotiterplatten-basierten Fluoreszenzassay unter Verwendung von mit diesen Fluorophoren beladenen und mit Biomarker-spezifischen Liganden funktionalisierten Partikeln die Krebszellen spezifisch mittels Fluoreszenz-Mikroskopie detektiert. Ebenso können die betreffenden Krebszellen spezifisch markiert und danach individuell (Einzel-Zell-Analytik) nachgewiesen werden.According to another embodiment of the described NIR fluorophores biomarkers z. B. be detected in body fluids from experimental animals. An exemplary application in oncology concerns z. B. the safe detection of even a very small number of cancer cells in the blood, in ascites or in pleural fluid, in urine, in biopsies or in smear preparations. Here, the cancer cells are specifically detected by fluorescence microscopy using a microtiter plate-based fluorescence assay using loaded with these fluorophores and functionalized with biomarker-specific ligands particles. Likewise, the relevant cancer cells can be specifically labeled and then detected individually (single-cell analysis).
Alternativ ist ein Auslesen eines solchen Assays auch über fluoreszenzmikroskopische Verfahren möglich oder die Verwendung von mit diesen Fluorophoren und magnetischen Materialien beladenen, Biomarker-funktionalisierten Partikeln zur Abtrennung der Analyte von der Probe durch ein externes Magnetfeld und den anschließenden Nachweis mittels Fluoreszenz.Alternatively, reading such an assay is also possible by fluorescence microscopy or the use of biomarker-functionalized particles loaded with these fluorophores and magnetic materials to separate the analytes from the sample by an external magnetic field and then fluorescence detection.
b) Einsatz als Komponente in einem bi- oder multichromophoren FRET-System:b) Use as a component in a bi or multichromophore FRET system:
Nach einer zugehörigen Ausführungsform kann der NIR-Fluorophor dabei auch die Funktion eines Sensors erfüllen. Die optischen Eigenschaften des FRET-Systems können schaltbar oder nicht schaltbar ausgestaltet sein. Unter einer schaltbaren Ausgestaltung des FRET-Systems wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass in Reaktion auf ein Bindungsereignis an einem spezifischen Liganden oder in Reaktion auf ein spezifisches Millieu oder in Reaktion auf einen anderen externen Trigger ein FRET-Signal generiert wird. Ebenso kann der NIR-Fluorophor als Komponente eines oder mehrerer FRET-Systeme eingesetzt werden oder in Kombination mit magnetischen, paramagnetischen und superparamagnetischen Materialien verwendet werden.According to an associated embodiment, the NIR fluorophore can also fulfill the function of a sensor. The optical properties of the FRET system can be designed switchable or non-switchable. A switchable embodiment of the FRET system in this context means that a FRET signal is generated in response to a binding event on a specific ligand or in response to a specific environment or in response to another external trigger. Similarly, the NIR fluorophore can be used as a component of one or more FRET systems or used in combination with magnetic, paramagnetic and superparamagnetic materials.
Die NIR-Fluorophore können dazu entweder direkt verwendet werden oder sie liegen, wie bereits erläutert, eingebaut oder als oberflächliche Markierung vor. Beispiele für das Vorliegen der Farbstoffe im eingebauten Zustand sind z. B. das Vorliegen der NIR-Fluorophore in Polymer-Partikeln wie Polystyren-Partikeln mit oder ohne funktionellen Oberflächen-Gruppen (wie -COOH, -NH2); mit kovalent oder nicht kovalent gebundenen Polymeren – wie z. B. PEG, mit Zuckern – wie z. B. Sorbitol oder Dextran. Andere Beispiele sind die Bindung an oder die Assoziation mit verschiedenen Lipiden oder Dendronen, mit dendritischen Carrier-Systemen, als core-shell-Systeme, als Layer-by-Layer Polyelektrolyt-shell-Systeme (Vgl. LbL-Technik). Ebenso können die NIR-Fluorophore in Liposomen und in Micellen eingeschlossen vorliegen oder in und an Block-co-Polymer Partikeln gebunden sein.The NIR fluorophores can either be used directly or they are, as already explained, incorporated or as superficial marking. Examples of the presence of the dyes in the installed state are, for. For example, the presence of the NIR fluorophores in polymer particles such as polystyrene particles with or without functional surface groups (such as -COOH, -NH 2 ); with covalently or non-covalently bound polymers - such. B. PEG, with sugars - such. As sorbitol or dextran. Other examples are the binding to or association with various lipids or dendrons, with dendritic carrier systems, as core-shell systems, as layer-by-layer polyelectrolyte shell systems (cf. LbL technique). Likewise, the NIR fluorophores may be entrapped in liposomes and micelles or bound in and to block co-polymer particles.
Beispiele für derartige Polymerpartikeln sind hydophile Co-Polymere z. B. basierend auf N-(2-Hydroxypropyl)-methacrylamid (HPMA) oder Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) oder andere synthetische Polymere. Ebenso können auf biologischen Komponenten basierende Partikel Verwendung finden, beispielsweise humanes Serumalbumin (HSA) oder Chitosan. Ebenso können hydrophobe Polymerpartikel markiert werden.Examples of such polymer particles are hydrophilic co-polymers z. Based on N- (2-hydroxypropyl) -methacrylamide (HPMA) or poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) or other synthetic polymers. Likewise, it is possible to use particles based on biological components, for example human serum albumin (HSA) or chitosan. Likewise, hydrophobic polymer particles can be marked.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die aufgeführten Komponenten als filmbildende Komponenten in einem FRET-System fungieren. Auch Polymere wie PMMA mit verschiedenen Oberflächenfunktionalisierungen sind einsetzbar.In another embodiment, the listed components may function as film forming components in a FRET system. It is also possible to use polymers such as PMMA with different surface functionalizations.
Von besonderem Interesse für die Verwendung der beschriebenen NIR-Fluorophore in FRET-Systemen ist die Applikation der NIR-Fluorophore als breitbandig emittierender NIR-Donor. Anwendungsbeispiele liegen in der optischen Bildgebung. Zugehörige Anwendungen umfassen targetspezifische Sonden mit Sensorfunktion basierend auf einem vom Analyt schaltbaren FRET-Signal.Of particular interest for the use of the described NIR fluorophores in FRET systems is the application of the NIR fluorophores as a broadband emitting NIR donor. Application examples are in optical imaging. Related applications include target-specific probes with sensor function based on an analyte switchable FRET signal.
Die Analyt-Schaltbarkeit kann beispielsweise auf einem molekularen Linker beruhen, der in Gegenwart des Analyten gespalten wird, dessen Spaltung entweder den Energietransfer (FRET-Signal) auslöst oder dessen Erlöschen bewirkt. Beispiele für die Spaltbarkeit des Linkers umfassen eine Spaltbarkeit bei oder ab einem bestimmten pH-Wert, enzymatisch, beispielsweise in Gegenwart einer Protease, durch eine reduktive Umgebung, unter Einfluß von Licht einer bestimmten Wellenlänge (photospaltbare Linker) oder andere dem Fachmann bekannte Prinzipien (Temperaturschaltbarkeit, z. B. in Kombination mit Schiffschen Basen).For example, analyte switchability may be based on a molecular linker that is cleaved in the presence of the analyte, which cleavage either triggers energy transfer (FRET signal) or causes it to go out. Examples of the cleavability of the linker include cleavage at or from a certain pH, enzymatically, for example in the presence of a protease, through a reductive environment, under the influence of light of a certain wavelength (photocleavable linkers) or other principles known to those skilled in the art (temperature switchability, eg in combination with Schiff's bases).
Vorteilhaft gegenüber konventionell eingesetzten NIR-Chromphoren ist hier der aufgrund des großen Stokes shiftes nur sehr gering ausgeprägte spektrale Crosstalk zwischen Donor und Akzeptor. Das ermöglicht die Anregung des Donors ohne eine gleichzeitige Anregung des Akzeptors. Bei üblicherweise eingesetzten NIR-FRET-Paaren ist dies nicht möglich, da herkömmliche NIR-FRET-Paare aus schmalbandig absorbierenden und emittierenden NIR-Farbstoffen mit geringem Stokes shift aufgebaut sind. Dabei ist eine ungewollte Akzeptordirektanregung nicht zu vermeiden. Das wirkt sich wiederum nachteilig auf die Spezifität und/oder auf das Signal/Rausch-Verhältnis des jeweiligen Assays aus.Advantageous compared to conventionally used NIR chromophores here is due to the large Stokes shift only very small pronounced spectral crosstalk between donor and acceptor. This allows excitation of the donor without simultaneous excitation of the acceptor. This is not possible with commonly used NIR-FRET pairs, since conventional NIR-FRET pairs are composed of narrow-band absorbing and emitting NIR dyes with a low Stokes shift. In this case, an unintentional acceptor direct excitation can not be avoided. This, in turn, adversely affects the specificity and / or the signal-to-noise ratio of the particular assay.
Üblicherweise werden Korrekturen vorgenommen, um bei der Signalauswertung den Anteil der Direktanregung des Akzeptors am Zustandekommen des Signals zu berücksichtigen. Diese Korrekturen erschweren die Durchführung von FRET-Experimenten im NIR ohnehin, sind aber gerade bei der in vivo-FRET kaum durchführbar, da keine Blindmessung und keine Messung von Einzelkomponenten möglich ist.Usually, corrections are made to take into account in the signal evaluation, the proportion of direct excitation of the acceptor at the conclusion of the signal. These corrections complicate the implementation of FRET experiments in the NIR anyway, but are hardly feasible, especially in the in-vivo FRET, since no blank measurement and no measurement of individual components is possible.
Als FRET-Akzeptoren, die z. B. über Analyt-spezifisch spaltbare Linker angebunden werden können oder die selbst analytspezifische Änderungen in ihren optischen Eigenschaften zeigen, kommen NIR-Farbstoffe in Betracht, die entweder nur absorbieren oder absorbieren und emittieren. Besonders vorteilhafte Beispiele für geeignete FRET-Akzeptoren sind die Farbstoffe DY-78x (DY-78D, DY-781, DY-782) und ICG-analoge Farbstoffe (auch Cypate).As FRET acceptors, the z. B. can be bound via analyte-specific cleavable linker or show the self-analyte-specific changes in their optical properties, come NIR dyes into consideration that either absorb only or absorb and emit. Particularly advantageous examples of suitable FRET acceptors are the dyes DY-78x (DY-78D, DY-781, DY-782) and ICG-analogous dyes (also Cypate).
Die beschriebenen NIR-Fluorophore gemäß Anspruch 1 fungieren dabei als FRET-Donatoren. Vorteilhaft ist in diesem Fall die Tatsache, dass der Farbstoff ICG als NIR-Fluorophor für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik zugelassen ist.The described NIR fluorophores according to claim 1 act as FRET donors. It is advantageous in this case that the dye ICG is approved as NIR fluorophore for applications in medical diagnostics.
Gemäß einer weiteren Anwendungsform werden die Absorptions- und die Fluoreszenzeigenschaften der benannten FRET-Akzeptoren durch Aggregation gesteuert. So kann beispielsweise die Fluoreszenzintensität der gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen NIR-Fluorophore geschaltet werden. Auch für diese Anwendung können beispielsweise oberflächenfunktionalisierte Partikel oder core-shell Systeme wie Dendrimere mit unpolaren Kernen, die im unpolaren Teil die gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen NIR-Farbstoffe enthalten und außen an der Peripherie die entsprechenden, nicht-aggregierten oder aggregierten FRET-Akzeptoren tragen. In aggregiertem Zustand wird die Fluoreszenz gelöscht, bei De-Aggregation erfolgt ein „Anschalten” der Fluoreszenz, d. h. der Akzeptor wird emissiv.In another embodiment, the absorption and fluorescence properties of the named FRET acceptors are controlled by aggregation. For example, the fluorescence intensity of the proposed according to claim 1 NIR fluorophores can be switched. Also for this application, for example, surface-functionalized particles or core-shell systems such as dendrimers with nonpolar cores containing in the non-polar part proposed according to claim 1 NIR dyes and outside at the periphery carry the corresponding, non-aggregated or aggregated FRET acceptors. In the aggregated state, the fluorescence is quenched, with de-aggregation, a "turn on" the fluorescence, d. H. the acceptor becomes emissive.
Nach weiteren Ausführungsformen können die gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen NIR-Fluorophore auch als FRET-Akzeptor fungieren. Ein Beispiel für die Funktion der vorgeschlagenen NIR-Fluorophore stellt die Kombination mit der Polaritätssonde Nilrot dar. Vorteilhaft ist auch hier der vergleichsweise geringe spektrale Crosstalk.According to further embodiments, the proposed according to claim 1 NIR fluorophores can also act as a FRET acceptor. An example of the function of the proposed NIR fluorophores is the combination with the polarity probe Nile Red. The comparatively low spectral crosstalk is also advantageous here.
c) Kombination mit (super)paramagnetischen und im UV/vis-Spektralbereich stark absorbierenden Systemen:c) Combination with (super) paramagnetic and strongly UV absorbing systems in the UV / vis spectral range:
Aufgrund der vergleichsweise hohen Fluoreszenzquantenausbeute, der langwelligen Absorption und der langwelligen Emission zeigen die gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen NIR-Fluorophore auch in Kombinationen mit (super)paramagnetischen und im UV/vis-Spektralbereich stark absorbierenden Systemen, wie beispielsweise mit Eisenoxid-Partikeln oder anderen Kontrastmitteln wie Iod, Mn(II)-Systemen oder Gd-haltigen Verbindungen, noch eine intensive Fluoreszenz, selbst wenn sie wie beschrieben, gekapselt d. h. in eingebautem Zustand vorliegen. Die Mehrzahl der im visuellen Spektralbereich emittierende Verbindungen (vis-Emitter) kann dieses Kriterium nicht erfüllen.Because of the comparatively high fluorescence quantum yield, the long-wave absorption and the long-wave emission, the NIR fluorophores proposed according to claim 1 also exhibit combinations in (super) paramagnetic and in the UV / vis spectral range strongly absorbing systems, for example with iron oxide particles or other contrast media such as iodine, Mn (II) systems or Gd-containing compounds, nor an intense fluorescence, even if encapsulated as described d. H. in the installed state. The majority of vis-emitter compounds in the visual spectrum can not fulfill this criterion.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen Verbindungen in Kombination mit Kontrastmitteln für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt.According to a further embodiment, the compounds proposed according to claim 1 are used in combination with contrast agents for positron emission tomography (PET).
Die hier beschriebenen Verbindungen können in kombinierten Verfahren der Bildgebung zur Hybridbildgebung (multimodalen Bildgebung) verwendet werden. Beispielsweise kann die Visualisierung eines NIR-Fluoreszenz-Signals mit der Visualisierung eines XPS-Signals der Verbindung überlagert werden. Ebenso sind Kombinationen mit Kontrastmitteln für andere Nachweistechniken und Bildgebungsverfahren denkbar.The compounds described herein can be used in combined methods of hybrid imaging (multimodal imaging). For example, the visualization of an NIR fluorescence signal can be overlaid with the visualization of an XPS signal of the connection. Likewise, combinations with contrast agents are conceivable for other detection techniques and imaging methods.
d) Einsatz als Fluoreszenzmarker für das Lebensdauer-Multiplexing: d) Use as a Fluorescence Marker for Lifetime Multiplexing:
Die wie vorstehend beschrieben gekapselten NIR-Fluorophore können als biospezifische Marker für Fluoreszenzlebensdauer-Messungen verwendet werden. Das bietet den Vorteil, äußerst empfindliche Nachweissysteme aufbauen zu können, da die NIR-Fluorophore wie gezeigt in verschieden funktionalisierbaren Trägermaterialien verkapselt werden können. Für Fluoreszenzlebensdauer-Messung werden Chromophore benötigt, die bei ein und derselben Wellenlänge angeregt und detektiert werden können, sich aber hinsichtlich ihres Fluoreszenzabklingverhaltens deutlich unterscheiden. Dies ist im NIR-Spektralbereich sehr schwer zu realisieren, da die Fluoreszenzlebensdauer der meisten Farbstoffe recht ähnlich ist. Bei Verwendung der vorgeschlagenen Fluorophore lässt sich ein variierender Partikelanteil oder unterschiedlich beladene Partikel durch die resultierenden unterschiedlichen Abklingkurven einer Probe unterscheiden und ermöglicht so das unterschiedliche Markieren unter Verwendung von sonst identischen Fluorophoren.The NIR fluorophores encapsulated as described above can be used as biospecific markers for fluorescence lifetime measurements. This offers the advantage of being able to build extremely sensitive detection systems, since the NIR fluorophores can be encapsulated in differently functionalizable support materials as shown. Fluorescence lifetime measurement requires chromophores that can be excited and detected at one and the same wavelength, but that differ significantly in their fluorescence decay behavior. This is very difficult to achieve in the NIR spectral range because the fluorescence lifetime of most dyes is quite similar. Using the proposed fluorophores, a varying particle fraction or differently charged particles can be distinguished by the resulting different decay curves of a sample, thus allowing for differential labeling using otherwise identical fluorophores.
Vorteilhafterweise können die PS-NPs für das Fluoreszenzlebensdauer-Multiplexing, sowohl in freier Lösung als auch im lebenden Gewebe bzw. in Zellen eingesetzt werden. Die jeweils unterschiedliche Oberflächenfunktionalisierung solcher Lebensdauer-Label, z. B. die Anbindung an verschiedene Liganden und damit die Wechselwirkung mit verschiedenen Biomarkern oder der Einbau in Partikel unterschiedlicher Größe oder unterschiedlicher Oberflächenchemie, erlaubt den Nachweis unterschiedlicher Analyte. Die jeweilige Oberflächenchemie der Partikeln kann dazu genutzt werden, deren spezifische Anreicherung in unterschiedlichen Bereichen z. B. in Zellen oder im Gewebe vorzugeben bzw. nachzuweisen.Advantageously, the PS-NPs can be used for fluorescence lifetime multiplexing, both in free solution and in living tissue or in cells. The respective different surface functionalization such lifetime label, z. As the connection to different ligands and thus the interaction with different biomarkers or the incorporation into particles of different sizes or different surface chemistry, allows the detection of different analytes. The respective surface chemistry of the particles can be used to their specific enrichment in different areas z. B. in cells or in the tissue pretend or prove.
e) Einsatz als externer oder integrierter spektraler Fluoreszenzstandard und als Fluoreszenzintensitätsstandard:e) Use as external or integrated spectral fluorescence standard and as fluorescence intensity standard:
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung des Fluorophors gemäß Anspruch 1 als integrierter Fluoreszenzstandard und als Fluoreszenzintensitätsstandard für verschiedene Fluoreszenzmethoden wie Fluoreszenz-Imaging-Verfahren vorgeschlagen. Einsatzgebiete betreffen die Fluoreszenz-Tomographie, das fluorescence reflectance imaging, die Fluoreszenzmikroskopie und die Durchflusszytometrie.According to a further embodiment, the use of the fluorophore according to claim 1 as integrated fluorescence standard and as fluorescence intensity standard for various fluorescence methods such as fluorescence imaging method is proposed. Applications include fluorescence tomography, fluorescence reflectance imaging, fluorescence microscopy and flow cytometry.
Vorteilhaft ist hier, dass die Verbindung simultan als optische Sonde und als Standard zur Gerätekalibrierung und -charakterisierung eingesetzt werden kann. Insbesondere werden die Verbindungen gemäß Anspruch 1 für den simultanen Einsatz als optische Sonde oder Sensorsystem und als interner bzw. integrierter NIR-Emissionsstandard oder NIR-Intensitätsstandard eingesetzt. Das erschließt die Vorteile einer internen Kalibrierung. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sich die zur Kalibrierung eingesetzte Probe exakt am gleichen Meßort befindet. Beim Abgleich des Meßsignals mit dem Kontrollsignal kann ohne umfangreichen technischen Aufwand die Verlässlichkeit des Meßsignals und der daraus abgeleiteten Aussagen erhöht werden.It is advantageous here that the connection can be used simultaneously as optical probe and as standard for device calibration and characterization. In particular, the compounds according to claim 1 are used for simultaneous use as an optical probe or sensor system and as an internal or integrated NIR emission standard or NIR intensity standard. This opens up the benefits of internal calibration. It is particularly advantageous that the sample used for calibration is located exactly at the same measuring location. When calibrating the measurement signal with the control signal, the reliability of the measurement signal and the statements derived from it can be increased without extensive technical effort.
f) Einsatz als Referenzfarbstoff für ratiometrische Messungen:f) Use as reference dye for ratiometric measurements:
Nach weiteren Ausführungsformen wird eine Verbindung gemäß Anspruch 1 als Referenzfarbstoff in ratiometrischen analytspezifischen molekularen Sonden und Sensoren eingesetzt. Beispielsweise kann durch Kombination des NIR-Fluorophors mit einem sauerstoffsensitiven Farbstoff, z. B. einem Rutheniumkomplex wie Tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)ruthenium(II)dichlorid (Ru(dpp)3), eine von der Sauerstoffkonzentration abhängige Photolumineszenzquantenausbeute und/oder -lebensdauer gemessen werden. Ru(dpp)3 kann bei vielen relevanten Laser(dioden)wellenlängen und LED-Wellenlängen angeregt werden und ist daher von besonderer praktischer Bedeutung für die Nutzung mit Hilfe jeweils vorhandener Gerätetechnik.According to further embodiments, a compound according to claim 1 is used as a reference dye in ratiometric analyte-specific molecular probes and sensors. For example, by combining the NIR fluorophore with an oxygen-sensitive dye, e.g. As a ruthenium complex such as tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (II) dichloride (Ru (dpp) 3 ), an oxygen concentration-dependent photoluminescence quantum yield and / or life can be measured. Ru (dpp) 3 can be excited at many relevant laser (diode) wavelengths and LED wavelengths, and is therefore of particular practical importance for use with existing device technology.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der NIR-Fluorophor gemäß Anspruch 1 mit einem pH-sensitiven Farbstoff kombiniert. Beispielsweise werden dabei Sensormoleküle verwendet, die bei einer Wellenlänge von 488 nm angeregt werden können und deren analytspezifische Emission dann bezogen auf die unter diesen Bedingungen beobachtete Emissionsintensität des NIR-Fluorophoren gemäß Anspruch 1 ermittelt wird. Voraussetzung hierfür sind so breitbandig und langwellig absorbierende Farbstoffe, wie die gemäß Anspruch 1 beschriebenen sowie deren charakteristisch große Stokes Verschiebung um typischerweise mehr als 180 nm im NIR. Diese Eigenschaften sind bei bisher bekannten NIR-Chromophoren äußerst selten anzutreffen.According to a further embodiment, the NIR fluorophore according to claim 1 is combined with a pH-sensitive dye. For example, sensor molecules are used which can be excited at a wavelength of 488 nm and whose analyte-specific emission is then determined based on the observed under these conditions emission intensity of the NIR fluorophore according to claim 1. The prerequisite for this are broadband and long-wave absorbing dyes, such as those described in claim 1 and their characteristic large Stokes shift by typically more than 180 nm in the NIR. These properties are extremely rare in previously known NIR chromophores.
g) Wasserlösliche Label und Sonden basierend auf den vorstehend gemäß der Applikationen a)–e) beschriebenen Farbstoffsystemen:g) Water-soluble labels and probes based on the dye systems described above in accordance with the applications a) -e):
Basierend auf den vorstehend unter a)–e) beschriebenen Anwendungen können NIR-Fluorophore als wasserlösliche Label und molekulare Fluoreszenzsonden ohne und mit Target- und Sensorfunktion, als Label für das Fluoreszenzlebensdauer-Multiplexing und als Fluoreszenzstandard und als Referenzfarbstoff verwendet werden.Based on the applications described under a) -e) above, NIR fluorophores can be used as water-soluble labels and molecular fluorescence probes without and with target and sensor function, as a label for fluorescence lifetime multiplexing and as a fluorescence standard and as a reference dye.
Nach einer typischen Ausführungsform kann der NIR-Fluorophor gemäß Anspruch 1 über zumindest einen Liganden B oder B' mit einem Dendron gekoppelt sein. Ein Beispiel für ein in Betracht kommendes Dendron ist vorstehend gezeigt. An der Verbindung gemäß Formel (I) unmittelbar gebundene oder über die Substituenten B oder B' gebundene Dendrone können das Farbstoffmolekül umhüllen und insbesondere zur Ausbildung einer vorteilhaften Hydrathülle beitragen.In a typical embodiment, the NIR fluorophore of claim 1 may be coupled to a dendron via at least one ligand B or B '. An example of a candidate dendron is shown above. Dendrons which are directly bonded to the compound of the formula (I) or bonded via the substituents B or B 'can envelop the dye molecule and in particular contribute to the formation of an advantageous hydrate coat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden funktionelle Gruppen des Dendrons, beispielsweise Hydroxylgruppen, Amino-Gruppen oder Carboxylgruppen zur Oberflächenfunktionalisierung und damit zur Adressierung des NIR-Fluorophoren eingesetzt.According to a further embodiment, functional groups of the dendron, for example hydroxyl groups, amino groups or carboxyl groups, are used for surface functionalization and thus for addressing the NIR fluorophore.
Die Wasserlöslichkeit und/oder Bioverträglichkeit des NIR-Fluorophors gemäß Formel (I) kann verbessert werden, wenn die Struktur mit einem oder mehreren Dendronen modifiziert ist, ohne dass sich durch diese Modifikation die spektralen oder andere Fluoreszenzeigenschaften verändern. Bevorzugte Wasserlöslichkeiten der NIR-Fluorophore liegen bei 37°C im Bereich zwischen 10 bis 100 μmol/L oder darüber. Die Löslichkeit und/oder Bioverträglichkeit einer Lösung, die sowohl ein mit zumindest einer dendritischen Struktur modifiziertes NIR-Fluorophor als auch ein NIR-Fluorophor ohne Dendron aufweist, kann – bezogen auf eine Lösung, die keine mit Dendronen modifizierten NIR-Fluorophore aufweist – gesteigert bzw. verbessert sein. Ebensolche Vorteile bietet eine PEGylierung des NIR-Fluorophoren gemäß den Ansprüchen 1, 7, 11 bzw.
h) Einbau von Fluor(F)-haltigen Substituenten:h) incorporation of fluorine (F) -containing substituents:
Zur Erhöhung der Photostabilität des NIR-Fluorophoren können unter Beibehaltung der vorteilhaften spektralen Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften und der vergleichsweise hohen Fluoreszenzquantenausbeute Fluor-haltige Substituenten in die Struktur gemäß Formel (I) eingebracht werden. Vorteilhafterweise werden dazu F-haltige organische Kohlenstoff-Verbindungen, wie beispielsweise 5-(trifluoromethyl)- oder 6-(trifluoromethyl)-Reste in der R'-Position der Substituenten an B und/oder B'-Position gebunden. Beispiele für mit Fluorhaltigen organischen Resten R' ausgestattete Substituenten in B und/oder B'-Position der Formel (I) umfassen: 5,6-R'-Benzoxazol-2 Reste, 5,6-R'-Benzimidazol-2 Reste, 5,6-R'-Benzthiazol-2 Reste und 5,6-R'-Indol-2 Reste.To increase the photostability of the NIR fluorophores, while retaining the advantageous spectral absorption and fluorescence properties and the comparatively high fluorescence quantum yield, fluorine-containing substituents can be introduced into the structure of the formula (I). Advantageously, F-containing organic carbon compounds such as 5- (trifluoromethyl) - or 6- (trifluoromethyl) radicals are attached in the R 'position of the substituents at B and / or B' position. Examples of substituents in the B and / or B 'position of the formula (I) which are provided with fluorine-containing organic radicals R' include: 5,6-R'-benzoxazole-2 radicals, 5,6-R'-benzimidazole-2 radicals, 5,6-R'-benzothiazole-2 radicals and 5,6-R'-indole-2 radicals.
Besondere Vorteile bietet somit eine Verbindung, die gemäß der in
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen können unter Verwendung der Fluor-haltigen Verbindung gemäß Formel (II) verschiedene spektroskopische Meßmethoden miteinander kombiniert werden. Insbesondere können NIR-Fluoreszenzmessungen mit der 19F-NMR kombiniert werden. Ebenso kann zumindest die Messung der Fluoreszenzemission der Verbindung im NIR mit einer Erfassung elementspezifischer Signale von Fluor, Schwefel oder Stickstoff mittels XPS kombiniert werden. Ebenso können auch Fluoreszenzmessungen mit der Kernresonanz-Spektroskopie oder -Tomographie und der Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) kombiniert werden. Dabei ist die Analyse und Verrechnung der Meßdaten sowohl zur zweidimensionalen Darstellung des untersuchten Objekts, beispielsweise mittels Mikroskopie, oder zur Darstellung räumlicher Abbilder des oder der Meßobjekte mittels Schnittbildaufnahmen (Tomographie) möglich.According to one or more embodiments, using the fluorine-containing compound of the formula (II), various spectroscopic measurement methods can be combined with each other. In particular, NIR fluorescence measurements can be combined with 19 F NMR. Likewise, at least the measurement of the fluorescence emission of the compound in the NIR can be combined with detection of element-specific signals of fluorine, sulfur or nitrogen by means of XPS. Likewise, fluorescence measurements can also be combined with nuclear magnetic resonance spectroscopy or tomography and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this case, the analysis and billing of the measured data both for two-dimensional representation of the examined object, for example by means of microscopy, or for displaying spatial images of the test object or objects by means of tomographic imaging is possible.
Einen besonderen Vorteil stellt die Erhebung von Aussagen zur spezifischen Beladungsdichte von Partikeln, beispielsweise von Polymerpartikeln, Nanokristallen oder Zellen mit dem Farbstoff gemäß Formel (II) dar. Mit den wie vorstehend beschrieben substituierten Verbindungen gemäß den Formeln (I) oder (II) können insbesondere Nanopartikel, Submikro-Partikel und Mikropartikel vorteilhaft markiert werden, da diese Partikeln bei Verwendung einer geeigneten Verankerung des Farbstoffs im oder am Partikel auch bei der Ansicht in einer Schnittebene, deren Tiefe (z-Richtung) unterhalb von 100 nm (Nanoskale) liegt, fluoreszenzoptisch (NIR) noch auswertbare Meßsignale liefert. Insbesondere Objekte wie z. B. lebende Zellen, die in zumindest einer Raumausdehnungsrichtung nanoskalige Dimensionen aufweisen, können unter Verwendung der beschriebenen Verbindungen oder unter Verwendung von Partikeln, die mit der beschriebenen Verbindung markiert sind, hochaufgelöst dargestellt, gezählt oder vermessen werden, ohne dabei die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen.A particular advantage is the collection of information on the specific loading density of particles, such as polymer particles, nanocrystals or cells with the dye of formula (II). With the above-described substituted compounds of the formulas (I) or (II) can in particular Nanoparticles, submicron particles and microparticles are advantageously labeled, since these particles fluorescence optically when using a suitable anchorage of the dye in or on the particle even when viewed in a sectional plane whose depth (z-direction) is below 100 nm (nanoscale) (NIR) still provides evaluable measuring signals. In particular, objects such. For example, living cells that have nanoscale dimensions in at least one spatial extension direction can be displayed, counted or measured in high resolution using the compounds described or using particles labeled with the described compound, without compromising the viability of the cells ,
Ebenso können andere nanoskalige oder mikroskalige Partikeln mit dem Farbstoff gemäß den Formeln (I) oder (II) bzw. gemäß den Ansprüchen 1 und/oder 11 markiert werden.Likewise, other nanoscale or microscale particles can be labeled with the dye according to the formulas (I) or (II) or according to claims 1 and / or 11.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mit einem Farbstoff gemäß den Formeln (I) oder (II) markierte Moleküle, wie beispielsweise DNS- oder RNS-Stränge, Oligonukleotide, Peptide, Proteine, Rezeptor-Ligand-Paare; Nanokristalle; Atomcluster; Vesikel; Liposomen; Mikroorganismen oder einzelne Zellen oder Gewebe entweder fluoreszenzoptisch verfolgt, abgebildet, vermessen und/oder gezählt. According to another embodiment, molecules labeled with a dye of formulas (I) or (II), such as DNA or RNA strands, oligonucleotides, peptides, proteins, receptor-ligand pairs; Nanocrystals; Atom clusters; vesicles; liposomes; Microorganisms or individual cells or tissue are either followed by fluorescence optics, imaged, measured and / or counted.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mit einem Farbstoff gemäß den Formeln (I) oder (II) markierte sphärische Polymerpartikeln entweder fluoreszenzoptisch verfolgt, vermessen und/oder gezählt oder abgebildet.According to a further embodiment, spherical polymer particles labeled with a dye according to the formulas (I) or (II) are either traced, measured and / or counted or imaged by fluorescence optics.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Zellen und Gewebe, die zumindest teilweise mit einem Farbstoff gemäß den Formeln (I) oder (II) markierte sphärische Polymerpartikeln aufweisen, tragen oder enthalten und in einem physiologischen Medium vorliegen oder in Matrices vorliegen, die Wasserstoffbrücken ausbilden können, fluoreszenzoptisch abgebildet, beurteilt, vermessen und/oder gezählt.According to a further embodiment, cells and tissues which at least partially comprise, bear or contain spherical polymer particles labeled with a dye according to formulas (I) or (II) and are present in a physiological medium or are present in matrices which can form hydrogen bonds are fluorescence optically mapped, assessed, measured and / or counted.
Die Grundlage für die unter a) bis h) beschriebenen Applikationen bilden:
- – die für bekannte NIR-Fluorophoren ungewöhnlich breiten und unstrukturierten Absorptions- und Emissionsspektren der im Anspruch 1 beschriebenen Verbindungen in Lösungsmitteln und festen Matrices verschiedener Polarität (auch in Matrices relativ geringer Polarität wie z. B. in Polystyren (PS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA)),
- – die geringe Polaritätssensitivität der optischen Eigenschaften des Farbstoffes, insbesondere bezüglich der Form und spektralen Lage der Emissionsbande,
- – der für einen NIR-Fluorophor relativ große Stokes Shift und
- – die vergleichsweise hohe Fluoreszenzquantenausbeute in polaren Lösungsmittel wie Ethanol, in Lösungsmittelgemischen aus einem organischen Lösungsmittel und Wasser und in festen Matrices,
- – die Bildung von emissiven Aggregaten sowie
- – die vergleichsweise hohe Stabilität der beschriebenen NIR-Fluorophore in luftgesättigter Lösung und in festen Matrices.
- The unusually broad and unstructured absorption and emission spectra of the known NIR fluorophores of the compounds described in claim 1 in solvents and solid matrices of different polarity (also in matrices of relatively low polarity such as in polystyrene (PS) or polymethyl methacrylate (PMMA) )
- The low polarity sensitivity of the optical properties of the dye, in particular with regard to the shape and spectral position of the emission band,
- - The relatively large Stokes shift for a NIR fluorophore and
- The comparatively high fluorescence quantum yield in polar solvents such as ethanol, in solvent mixtures of an organic solvent and water and in solid matrices,
- - the formation of emissive aggregates as well
- The comparatively high stability of the described NIR fluorophores in air-saturated solution and in solid matrices.
Besondere Vorteile der Verwendung gemäß Anspruch 1, des Verfahren gemäß Anspruch 11 und der Partikel ergeben sich insgesamt aus den für die vorgeschlagene Verbindungsklasse typischen, für einen herkömmlichen NIR-Fluorophor jedoch relativ ungewöhnlichen spektralen Eigenschaften. Die deutliche Trennung des Maximums der Absorptionsbande vom Maximum der Emissionsbande und die lediglich geringfügige spektrale Überlappung – insgesamt also die große Stokes-Verschiebung – ermöglichen die Anregung des Farbstoffes und von mit diesem Farbstoff beladenen Partikeln mit verschiedenen konventionellen Laserdioden (z. B. 570 nm, 633 und 635 nm, 670 nm), die in vielen Messgeräten in der medizinischen Diagnostik und Bioanalytik routinemäßig als Anregungslichtquellen eingesetzt werden bzw. vorhanden sind.Particular advantages of the use according to claim 1, of the method according to
Der große Stokes Shift ermöglicht die einfache Trennung von Anregungslicht und Emissionslicht und ermöglicht so, gemeinsam mit der für einen NIR-Chromophor relativ hohen Fluoreszenzquantenausbeute, eine niedrige Nachweisgrenze.The large Stokes shift allows the easy separation of excitation light and emission light and, together with the relatively high fluorescence quantum yield for an NIR chromophore, enables a low detection limit.
Die wie oben beschrieben erreichbare homogene Beladung z. B. von Polystyren(PS)-Partikeln verschiedener Oberflächenfunktionalisierung ermöglicht die Herstellung von NIR-fluoreszenten Partikeln versehiedener Größe und Oberflächenchemie, die sich in ihren Absorptions- und insbesondere in ihren Emissionseigenschaften nur vergleichsweise wenig vom Chromophor in freier Lösung unterscheiden. Je nach Beladungsdichte zeigen die mit dem hier vorgestellten Farbstoff beladenen fluoreszierenden Partikel z. B. bei einer Anregungswellenlänge von 633 nm eine 5- bis 10-fach erhöhte Brillanz im Vergleich zu kommerziellen NIR-Systemen. Ein Beispiel eines typischen kommerziellen NIR-Systems stellt der Farbstoff Alexa 750 dar. Er zeigt bei einer Anregungswellenlänge von 543 nm sogar eine 30- bis 60-fach erhöhte Brillanz.The achievable as described above homogeneous loading z. B. of polystyrene (PS) particles of different surface functionalization allows the production of NIR fluorescent particles of various size and surface chemistry, which differ in their absorption and in particular their emission properties only comparatively little from the chromophore in free solution. Depending on the loading density, the fluorescent particles loaded with the dye presented here show z. Example, at an excitation wavelength of 633 nm, a 5- to 10-fold increased brilliance compared to commercial NIR systems. An example of a typical commercial NIR system is the dye Alexa 750. It even shows a 30- to 60-fold increased brilliance at an excitation wavelength of 543 nm.
Verwendungen gemäß Anspruch 1 und 11 bzw. Partikel erwiesen sich in Leaking-Experimenten unter applikationsrelevanten Bedingungen sowie in Zytotoxizitätuntersuchungen in vitro (Zellkultur – 3T3 Mausfibroblasten) und in vivo (Mausmodell) als geeignet und zeigten für applikationsrelevanten Dosen bzw. Partikelkonzentrationen eine ausgezeichnete kolloidale und Photostabilität.Uses according to
Somit können mit dem vorgeschlagenen Farbstoff beladene Polystyrenpartikel(PS-Partikel) mit unterschiedlicher Oberflächenchemie (z. B. unfunktionalisierte Partikel, PS-COOH, PS-NH2; PEGylierte Systeme, PEGylierte und mit einem Biomarker-spezifischen Antikörper wie Trastuzumab (Herceptin®) versehene Systeme) unter in vitro und in vivo Bedingungen zur Bewertung und Beurteilung der jeweiligen molekularen Situation verwendet werden.Thus, loaded with the proposed dye polystyrene particles (PS) particles (with different surface chemistry e.g. unfunctionalized particles, PS-COOH, PS-NH 2;. PEGylated systems PEGylated and a biomarker-specific antibodies such as trastuzumab (Herceptin ®) provided systems) under in vitro and in vivo conditions for evaluating and assessing the particular molecular situation.
Darüber hinaus können diese Partikel und alle anderen mit diesem Chromophor oder ähnlichen Chromophorsystemen beladenen oder dotierten Objekte für die Bestimmung der Emissionskorrektur für den Spektralbereich von ca. 650 nm bis Ca. 950 nm und zur Bestimmung der Anregungskorrektur für den Spektralbereich von ca. 450 nm bis ca. 800 nm eingesetzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass die in Anspruch 1 und 11 und den jeweiligen Unteransprüchen verwendeten Verbindungen als Quantenausbeutestandards und als interne Standards z. B. für Sensorsysteme einsetzbar sind. In addition, these particles and all other objects loaded or doped with this chromophore or similar chromophore systems can be used to determine the emission correction for the spectral range from about 650 nm to approx. 950 nm and to determine the excitation correction for the spectral range from about 450 nm to about 800 nm. Further advantages result from the fact that the compounds used in
Besonders vorteilhaft ist die Einsetzbarkeit der Vertreter der vorgeschlagenen Familie von NIR-Fluoreszenzfarsbstoffen für ratiometrische Messungen (ratiometrisches Sensing) mit Partikeln, die mit diesem Farbstoff innen als Referenz beladen sind und die auf ihrer Außenseite einen anderen Analyt-sensitiven Chromophor tragen oder die zusammen z. B. ein FRET-Paar bilden.Particularly advantageous is the applicability of the representatives of the proposed family of NIR fluorescence dyes for ratiometric measurements (ratiometric sensing) with particles that are loaded inside with this dye as a reference and carry on their outer side another analyte-sensitive chromophore or together z. B. form a FRET pair.
Besondere Vorteile der vorstehend beschriebenen Verbindungen und ihrer Anwendungen ergeben sich somit ausgehend von benannten Anwendungen aus der Eignung dieser Farbstoffe allein als molekulare optische Sonde und/oder in Kombination mit anderen Farbstoffen in komplexen Sensorsystemen.Particular advantages of the compounds described above and their applications thus result from named applications from the suitability of these dyes alone as a molecular optical probe and / or in combination with other dyes in complex sensor systems.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Eignung der beschriebenen Farbstoffe zur simultanen Verwendung als NIR-Emissionsstandard und NIR-Intensitätsstandard in wässrigem Millieu bzw. in lebenden Zellen.Another advantage is the suitability of the described dyes for simultaneous use as NIR emission standard and NIR intensity standard in aqueous medium or in living cells.
Weitere Vorteile der vorstehend beschriebenen Verbindungen und ihrer besonderen spektralen Charakteristika ergeben sich für klinische Anwendungen, beispielsweise für:
- – den hochsensitiven Nachweis von Analyten wie von krankheitsrelevanten Biomarkern in der klinischen Anwendung zu diagnostischen Zwecken in Körperflüssigkeiten wie beispielsweise in Blut, Urin, Liquor, in Aszites oder Pleuraerguß, in Biopsaten und Knochenmark oder Abstrichen von Zellen (Zervix, Blutausstrichen);
- – den hochsensitiven Nachweis von Zellen im Blut beispielsweise Stammzellen ex-vivo, in der klinischen Anwendung beispielsweise zum Nachweis des Anteils von Zellanteilen im Blut von Patienten;
- – den hochsensitiven Nachweis von beispielsweise Tumorzellen in vivo, in der klinischen Anwendung beispielsweise in Verbindung mit endoskopischen Systemen oder während chirurgischer Eingriffe, beispielsweise in der Onkologie zur frühen Diagnose und zum Nachweis der Ausbreitung der Tumorerkrankung im Organismus.
- - the highly sensitive detection of analytes such as disease-relevant biomarkers in clinical use for diagnostic purposes in body fluids such as in blood, urine, cerebrospinal fluid, in ascites or pleural effusion, in biopsies and bone marrow or smears of cells (cervix, blood smears);
- - The highly sensitive detection of cells in the blood, for example, stem cells ex-vivo, in clinical use, for example, to detect the proportion of cell portions in the blood of patients;
- - The highly sensitive detection of, for example, tumor cells in vivo, in clinical use, for example, in connection with endoscopic systems or during surgical procedures, for example in oncology for early diagnosis and to detect the spread of the tumor disease in the organism.
Typische Vorteile für die Anwendung der vorstehend beschriebenen Verbindungen gemäß Anspruch 1 ergeben sich ebenso für Anwendungen in zellbasierten Systemen, beispielsweise für:
- – den hochsensitiven Nachweis der Expression und der Lokalisation von Analyten wie von krankheitsassoziierten Biomarkern in Zellen in Abhängigkeit bestimmter Versuchsbedingungen und über die Zeit in Zell-basierten Assays;
- – den hochsensitiven Nachweis und die Verfolgung von NIR-fluoreszenzmarkierten Zellen wie beispielsweise Makrophagen in Zellsystemen in Abhängigkeit von der Zeit.
- The highly sensitive detection of the expression and localization of analytes such as disease-associated biomarkers in cells as a function of specific experimental conditions and over time in cell-based assays;
- The highly sensitive detection and tracking of NIR-fluorescently labeled cells such as macrophages in cell systems as a function of time.
Typische Vorteile für die Anwendung der vorstehend beschriebenen Verbindungen gemäß Anspruch 1 ergeben sich auch für präklinische Anwendungen, beispielsweise für:
- – den hochsensitiven Nachweis von Analyten wie von krankheitsrelevanten Biomarkern in der präklinischen Forschung in in vivo Modellen über die Zeit, beispielsweise in verschiedenen krankheitsrelevanten Tiermodellen, wie beispielsweise in der Onkologie in Tumor-Tiermodellen;
- – die hochsensitive Darstellung von mit NIR-Fluoreszenzfarbstoffen beladenen Zellen, beispielsweise von Stammzellen oder Makrophagen (ex vivo beladen) in Tiermodellen zur Darstellung der Wanderung und Lokalisationen dieser Zellen in vivo und nicht-invasiv über die Zeit;
- – die Entwicklung von Strategien zum Therapie-Monitoring und zur Bestimmung der Therapieeffizienz in der präklinischen Evaluation in krankheitsrelevanten Tiermodellen.
- The highly sensitive detection of analytes as well as of disease-relevant biomarkers in preclinical research in in vivo models over time, for example in various disease-relevant animal models, such as in oncology in tumor animal models;
- The highly sensitive imaging of NIR fluorescent dye-loaded cells, for example, stem cells or macrophages (ex vivo loaded) in animal models to represent the migration and localization of these cells in vivo and non-invasively over time;
- - the development of therapy monitoring strategies and the determination of therapeutic efficacy in preclinical evaluation in disease-relevant animal models.
Die vorstehend beschriebenen Anwendungen erfordern durchgehend NIR-emissive Sonden und Sensormoleküle die möglichst hochfluoreszent sind, die ihr Target spezifisch erkennen, die multiplexfähig für den parallelen Nachweis verschiedener Analyte sind, die sich leicht mit vorhandenen Geräteplattformen anregen und nachweisen lassen, die eine geringe Zytotoxizität zeigen und daher für in-vivo Anwendungen geeignet sind und die sich für die Umsetzung von Konzepten zur rückführbaren Kalibrierung eignen. Wie dargelegt, werden diese Forderungen von den vorgeschlagenen Verbindungen erfüllt.The applications described above require NIR emissive probes and sensor molecules that are as highly fluorescent as possible, that specifically recognize their target, that are multiplexable for the parallel detection of various analytes that are easily stimulated and detected with existing device platforms that exhibit low cytotoxicity Therefore, they are suitable for in vivo applications and are suitable for the implementation of concepts for traceable calibration. As stated, these requirements are met by the proposed compounds.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.The present invention has been explained with reference to exemplary embodiments. These embodiments should by no means be construed as limiting the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.
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