4，4-二取代环己基桥连七甲川花菁染料及其应用
【专利说明】4, 4-二取代环己基桥连-t甲川花菁染料及其应用
[0001] 与相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/798, 562的利 益和优先权，所述临时申请的内容通过引用并入本文。 发明领域
[0003] 本申请提供了新的巧光染料的组合物和方法，该巧光染料代表包含4, 4-二取代 环己基桥接组成部分的聚甲烘桥。新的组合物通常包含多个使染料具有高亲水性的横酸或 横酸盐基团，能够用于各种医疗、诊断和生物应用。
【背景技术】
[0004] 光学成像方法提供了优于其他成像方法的多个优点。运样的成像通常使用红和近 红外（NIR)范围化00-1200nm)的光，W最大化组织穿透并且最小化来自诸如血红蛋白和水 的自然生物吸收剂的吸收。光学成像可W提供高灵敏度，不需要将检测对象或实验室人员 暴露于电离福射，能够允许同时使用多个可区分的探针（可能在分子成像中非常重要），并 且提供了高的时间和空间分辨率，其分别在功能性成像和体内显微术中非常重要。 阳0化]在巧光成像中，将过滤的光或具有限定带宽的激光用作激发光源。激发光从身体 组织中穿过，并且在遇到报告分子（例如，对比剂或成像探针）时，光被吸收。报告分子然 后发射与激发光具有可检测的不同性质的光。产生的发射光然后能够用于构建图像。大多 数光学成像技术依赖于将有机和无机巧光染料用作报告分子。
[0006] 巧光染料是普遍已知的，并且通过诸如巧光显微术、巧光免疫分析法和流式细胞 术的过程用于各种生物和非生物材料的巧光标记和检测。用巧光染料标记运样的材料的典 型方法是通过染料分子上的适当基团和要标记的材料上的相容基团之间成键的方式构建 巧光复合体。W此方法，诸如细胞、组织、氨基酸、蛋白质、抗体、药物、激素、核巧酸、核酸、月旨 质和多糖等的材料可W被化学标记并且检测或定量，或者可W用作能够与目标物质特异性 结合的巧光探针并且通过巧光检测方法检测。明亮的巧光染料W极高的灵敏度允许被连接 材料的检测或定位。
[0007] 有着对用于生物和生物医学研究的可检测标记物的需求。在用于体内使用的泽灭 探针上应用良好的染料不都在体外应用中有效。在一些情况下，在蛋白质或生物分子上的 多于一个运些巧光团的存在导致干扰检测的显著泽灭。对于染料有着一种需求，即染料允 许体外和体内使用两者，并且不会过度泽灭分子。高度可溶的亲水巧光颜料也可W使追踪 标记细胞、蛋白质和其他感兴趣的生物分子的运动和功能成为可能。在体内或体外不过度 泽灭的新型染料会增加可用于生物学研究的工具。
[0008] 尽管如此，对于能够用于各种医疗、诊断和生物应用的新染料，有着持续的需求。
[0009] 发明概述
[0010] 本发明部分地基于可W生成新的巧光染料的发现，该巧光染料具有包含4, 4-二 取代环己基桥接组成部分的聚甲烘桥。运些染料能够用于各种体外和体内成像应用。
[0011] 在某些实施方式中，本发明的化合物能够由式（II)及其盐表示，
[0012] Z-(PMB)-Z" (II)
[0013] 其中Zi和Z2能够各自独立地选自取代的或未取代的亚吗I噪嘟或苯并亚吗I噪嘟环， 并且PMB表示包含4, 4-二取代环己基桥接组成部分的聚甲烘桥。在其他实施方式中，化合 物具有从约500nm至约llOOnm的范围内，优选为在从约600nm至约900nm的范围内的吸收 和发射波长。在某些实施方式中，染料吸收和/或发射具有在从约600nm至约850nm、从约 650nm至约900nm或从约650nm至约850nm的范围内的波长的光。
[0014] 在一个方面，本发明提供了一族能够由式I通用表示的巧光团化合物。
[0015]
[0016] 在某些实施方式中，本发明是由式III:怔M]"-Fm表示的生物相容的巧光分子，其 中BM是生物分子，并且F是如之前描述的巧光团。在其他实施方式中，本发明是由下列结 构式IVa-IVd的任意一个表示的生物相容的巧光生物分子，其中BM是生物分子。
[0017] 接附有生物分子的巧光团
[0018]
[0019] 在另一个方面，本发明提供了一种体内光学成像方法。该方法包括如下步骤：(a) 向诸如动物或人的对象给予本发明的巧光染料化合物，（b)使该巧光染料化合物在对象体 内分布或者与生物目标接触或互相作用，（C)将对象暴露于具有可被巧光染料化合物吸收 的波长的例如光的电磁福射下，W及（d)通过例如内窥镜、导管、断层成像系统、平面或反 射系统、手持光学成像系统或术中系统和显微镜检测由巧光染料化合物发射的光学信号。 由化合物发射的信号能够用于构建图像，例如成像的区域或结构的断层成像图。应该理解， 巧光染料化合物可W包含化学连接至生物分子的巧光染料染料。
[0020] 前述步骤可预定间隔重复，从而允许在对象体内随时间地评估巧光化合物的 发射信号。在某些实施方式中，可W向对象给予信号性质可区分的两个W上化合物，并且它 们的发射性质可W用于在对象体内成像两个W上的特征。
[0021] 本文公开的方法能够用于检测和/或监控疾病，例如，骨疾病、癌症、屯、血管疾病、 皮肤疾病、环境性疾病、免疫疾病、传染病、炎症、遗传疾病、代谢疾病、神经变性疾病、眼病 和呼吸疾病。
[0022] 在某些实施方式中，用本文中描述的巧光染料化合物标记细胞，并向对象给予标 记的细胞。由巧光染料化合物发射的信号能够用于监控细胞的运输和定位，或者用于评估 细胞疗法的有效性。
[0023] 在另一个方面，本发明提供了一种体外光学成像方法。该方法包括如下步骤：(a) 将例如生物细胞的样品与本发明的巧光染料化合物接触；(b)使巧光染料化合物被生物目 标激活或者与生物目标结合；（C)可选择地去除未结合的巧光染料化合物；(d)将样品暴露 于具有可W被巧光染料化合物吸收的波长的例如光的电磁福射下；并且（e)检测由巧光染 料化合物发射的信号，从而判定巧光染料化合物是否已经被生物目标激活或者已经与生物 目标结合。
【附图说明】
[0024] 图1示出本发明的牛血清蛋白度SA)缀合的染料的巧光光谱和吸收光谱。图1A 是由化合物化的BSA缀合体发射的巧光的图。图1B示出BSA缀合的化合物化的BSA缀 合体的巧光吸收。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供了一类巧光染料化合物（染料），其吸收和/或发射具有在从约500nm 至约llOOnm的范围内，更优选为在从约600nm至约900nm的范围内的波长的光。在某些实 施方式中，染料吸收和/或发射具有在从约600nm至约850nm、从约650nm至约900nm或从 约650nm至约850nm的范围内的波长的光。巧光染料化合物特别适用于各种体外和体内成 像应用。 阳0%] 在某些实施方式中，本发明的巧光染料化合物能够由式Zi-PMB-Z2及其盐表示，其 中Zi和Z2能够各自独立地表示相同或不同的包含杂环组成部分的多环基团，并且PMB表示 包含4, 4-二取代环己基桥接组成部分的聚甲烘桥。在下文中，将更详细描述巧光染料化合 物。然而，在进一步描述本发明之前，在W下部分中，统一汇总了说明书、实施例和附带的权 利要求书中采用的特定术语。
[0027] I.定义
[0028] 应当依照本说明书的其他部分阅读此处列出的定义，并且由本领域技术人员来理 解。除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语都与本发明所属领域普通技术人员 普遍理解的意义相同。
[0029] "化学连接"意指通过原子之间的吸引力连接，所述吸引力强得足W使结合的聚集 体作为一个单位起作用。运包括但不限于化学键诸如共价键，非共价键诸如离子键、金属键 和桥键，疏水相互作用，氨键和范德华相互作用。运也包括交联或掩蔽（caging)。
[0030] 术语"烷基"是本领域公知的，并包括饱和的脂族基团，包括直链烷基基团、支链烧 基基团、环烷基（脂环族）基团、烷基取代的环烷基基团和环烷基取代的烷基基团。在某些 实施方式中，直链或支链烷基在其骨架中具有约30个W下的碳原子（如，直链为Ci-Cw，支 链为C3-CJ，并且可任选地为约20个w下。同样地，环烷基在其环结构中具有从约3至约 10个碳原子，并且可任选地在环结构中具有约5、6或7个碳原子。术语"烷基"也包括面代 烷基。
[0031] 此外，术语"烷基"包括"取代的烷基"，其指代在控类骨架的一个W上的碳上具有 替代氨的取代基的烷基组成部分。运样的取代基可W包括例如径基、幾基（诸如簇基、烧氧 基幾基、甲酯基或酷基）、硫幾基（诸如硫醋、硫乙酸醋或硫甲酸醋）、烷氧基、憐酷基、麟酸 醋、亚麟酸醋、氨基、氨酷基、脉、亚氨基、氯基、硝基、叠氮基、琉基、烷基硫基、硫酸醋、横酸 醋、氨横酷基、横酷胺基、横酷基、杂环基、芳烷基、或芳香族或杂芳族组成部分。本领域技术 人员应该理解，如果适当的话，在控链上取代的组成部分本身可W被取代。例如，取代的烧 基的取代基可W包括取代和未取代形式的氨基、叠氮基、亚氨基、氨酷基、憐酷基（包括麟 酸醋和亚麟酸醋）、横酷基（包括硫酸醋、横酷胺基、氨横酷基和横酸醋）和甲娃烷基，W及 酸、烷基硫基、幾基（包括酬、醒、簇酸盐和醋）、-CN等。W下描述了示例性的取代的烷基。 环烷基可W被烷基、締基、烷氧基、烷基硫基、氨基烷基、幾基取代的烷基、-CN等进一步取 代。在某些实施方式中，烷基是未取代的。在某些实施方式中，烷基是未取代的直链或支链 烷基基团。
[0032] 术语"面代烷基"指代上面定义的烷基基团，除了一个W上的氨原子被面素所替 代。
[0033] 术语"亚烷基"指代未取代的直链或支链烷基基团的双自由基。
[0034] 术语"芳烷基"和"烧芳基"是本领域公知的，并且指代由芳基基团（如芳香族或 杂芳族基团）取代的烷基基团。
[0035] 术语"締基"和"烘基"是本领域公知的，并且指代不饱和脂肪族基团，与上面描述 的烷基长度类似并可W被取代，但是分别包含至少一个双键或Ξ键。
[0036] 术语"杂原子"是本领域公知的，并且指代除碳和氨外任意元素的原子。示意性的 杂原子包括棚、氮、氧、憐、硫和砸。
[0037] 术语"芳基"在本领域中是公知的，并且是指五元、六元和屯元单环芳香族基团，其 可W包括零至四个杂原子，例如苯、化咯、巧喃、嚷吩、咪挫、嗯挫、嚷挫、Ξ挫、化挫、化晚、化 嗦、化嗦和喀晚等。在环结构中具有杂原子的那些芳基也可W称为"杂芳基"或"杂芳族"。 芳香环可W在一个或多个环位置处被如上所述的那些取代基取代，例如面素、叠氮化物、烧 基、芳烷基、締基、烘基、环烷基、径基、烷氧基、氨基、硝基、琉基、亚氨基、氨酷基、麟酸醋、亚 麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、横酷基、横酷胺基、酬、醒、醋、杂环基、芳香族 或杂芳族组成部分、-CF3或-CN等。术语"芳基"还包括具有两个W上环状环的多环状环系 统，其中两个W上碳为两个相邻环所共有（所述环是"稠合环"），其中所述环中的至少一个 是芳香族的，其他的环状环可W是例如环烷基、环締基、环烘基、芳基和/或杂环基。
[003引术语"杂环基"、"杂环基团"或"杂环组成部分"是本领域公知的，并且指代Ξ元至 约十元的环状结构，可任选地指代Ξ元至约屯元的环状结构，其环状结构包括一至四个杂 原子。杂环也可W是多环。杂环基团包括，例如嚷吩、嚷蔥、巧喃、化喃、异苯并巧喃、苯并 化喃、氧杂蔥、苯酪氧杂蔥、化咯、咪挫、化挫、异嚷挫、异嗯挫、化晚、化嗦、喀晚、化嗦、吗I噪 嗦、异吗I噪、吗I噪、吗I挫、嚷岭、哇嗦、异哇嘟、哇嘟、献嗦、糞晚、哇喔嘟、哇挫嘟、增嘟、蝶晚、 巧挫、巧嘟、菲晚、叮晚、喀晚、菲咯嘟、吩嗦、吩化嗦、吩嚷嗦、巧咱、吩嗯嗦、化咯烧、四氨巧 喃（oxolane)、四氨硫杂茂（thiolane)、嗯挫、赃晚、赃嗦、吗嘟、内醋、内酷胺诸如氮杂环下 酬和化咯烧酬、横内酷胺、横内醋等。杂环的环可任选地在一个或多个位置处被如上所述的 那些取代基取代，例如面素、烷基、芳烷基、締基、烘基、环烷基、径基、氨基、硝基、琉基、亚氨 基、氨酷基、麟酸醋、亚麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、横酷基、酬、醒、醋、杂环 基、芳香族或杂芳族组成部分、-CF3或-CN等。
[0039] 术语"多环"、"多环基团"或"多环组成部分"是本领域公知的，并且指代其中两 个W上碳为两个相邻环所共有的两个W上的环（如环烷基、环締基、环烘基、芳基和/或杂 环），如所述环是"稠合环"。通过不相邻的原子结合的环术语称为"桥接"环。多环的每个 环可W被如上所述的那些取代基取代，例如面素、烷基、芳烷基、締基、烘基、环烷基、径基、 氨基、硝基、琉基、亚氨基、氨酷基、麟酸醋、亚麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、 横酷基、酬、醒、醋、杂环基、芳香族或杂芳族组成部分、-CF3或-CN等。 W40] 术语"硝基"是本领域公知的，并且指代-N02;术语"面素"是本领域公知的，并且 指代-F、-C1、化或-I;术语"琉基"是本领域公知的，并且指代-SH;术语"径基"指代-0H;W及术语"横酷基"是本领域公知的，并且指代-S化。"面化物"指代面素的对应阴离子，并 且"类面化物"具有如Cotton和Wilkinson所著"4(1￥日11。6(1111〇1~脚11：[(；01611115付￥"中阐述 的定义。
[0041] 术语"胺"和"氨基"是本领域公知的，并且指代未取代和取代的胺两者，如可W由 下列通式表示的组成部分：
[0042]
阳0创其中Rs。、RsnRs2和Rs3各自独立地表示氨、烷基、締基、-畑2)m-Rei，或者Rso和Rsi与它们附连的N原子合在一起完成在环结构中具有4至8个原子的杂环；Rei表示芳基、环 烷基、环締基、杂环或多环；并且m是0或1至8范围内的整数。在某些实施方式中，Rs。或 起1中只有一个可W是幾基，例如和氮一起不形成酷亚胺。在其他实施方式中，Ra：和 咕1(W及可选择的起2)各自独立地表示氨、烷基、締基或-(CH2)m-Rei。因此，术语"烷基胺" 包括具有接附于其上的取代的或未取代的烷基的如上所述的氨基基团，即Rw和R51的至少 一个是烷基基团。
[0044] 术语"酷胺基"是本领域公知的，并且指代可W由下列通式表示的组成部分：
[0045]
[0046] 其中Rs。如W上定义，并且Rs4代表氨、烷基、締基或-畑2)m-Rei，其中m和Rei如W 上定义。
[0047] 术语"氨酷基"是本领域公知的氨基取代的幾基，并且包括可W由下列通式表示的 组成部分：
[0048]
[0049] 其中咕。和Rw如W上定义。在本发明的酷胺的某些实施方式中，将不包括可能不 稳定的酷亚胺。
[0050] 术语"烷基硫基"指代具有接附于其上的硫自由基的如上所述的烷基基团。在某 些实施方式中，"烷基硫基"组成部分由-S-烷基、-S-締基、-S-烘基和-S-(CH2)m-Rei中的 一个表示，其中m和Rei如W上定义。代表性的烷基硫基基团包括甲硫基、乙硫基等。
[0051] 术语"幾基"是是本领域公知的，并且包括可W由下列通式表示的组成部分：
[0052]
阳05引其中Xs。是键或者表示氧或硫，并且R55和R5康示氨、烷基、締基、-畑2)m-Rei或药 学上可接受的盐，Rse表示氨、烷基、締基或-(CH2)m-Rei，其中m和Rei如W上定义。当X?是 氧并且起5或RW不是氨时，该式表示"醋"。当XW是氧，并且RJraW上定义时，本文中将该 组成部分指称为簇基基团，并且特别地，当是氨时，该式表示"簇酸"。当X5。是氧，并且 Rw是氨时，该式代表"甲酸醋"。一般来说，当上式的氧原子被硫替代时，该式表示"硫代幾 基"基团。当而。是硫并且R55或Rse不是氨时，该式表示"硫醋"。当X5。是硫并且R55是氨 时，该式表示"硫代簇酸"。当而。是硫并且Rw是氨时，该式表示"硫代甲酸醋"。另一方面， 当而。是键，并且R55不是氨时，上式表示"酬"基团。当X5。是键，并且R55是氨时，上式表示 "醒"基团。
[0054] 术语"烷氧基"或"烧氧"是本领域公知的，并且指代具有接附于其上的氧的如W 上定义的烷基。代表性的烷氧基基团包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、叔下氧基等。"酸"是由 氧共价连接的两个控类。因此，使烷基成为醋的烷基的取代基是或类似于烷氧基，诸如可W 由-0-烷基、-0-締基、-0-烘基、-0-(CH2)m-Rei的一个表示，其中m和RΜ如W上所述。 阳化5] 术语"横酸盐"是本领域公知的，并且指代可W由下列通式表示的组成部分：
[0056]
[0057] 其中R"是电子对、氨、烷基、环烷基或芳基。
[0058] 术语"硫酸盐"是本领域公知的，并且包括可W由下列通式表示的组成部分：
[0059]
[0060] 其中Rs7如W上定义。
[0061] 术语"横酷氨基"是本领域公知的，并且包括可W由下列通式表示的组成部分：
[0062]
阳〇6引其中Rs。和R5孤W上定义。 W64] 术语"氨横酷基"是本领域公知的，并且指代可W由下列通式表示的组成部分： 阳0化]
[0066] 其中Rs。和R5劝W上定义。
[0067] 术语"横酷基"是本领域公知的，并且指代可W由下列通式表示的组成部分：
[0068]
[0069] 其中Rss是下列之一：氨、烷基、締基、烘基、环烷基、杂环基、芳基或杂芳基。
[0070] 术语"亚讽基"是本领域