一种近红外二区氧杂蒽衍生物及其制备方法和生物应用

本发明涉及光敏剂领域。更具体地，涉及一种近红外二区氧杂蒽衍生物及其制备方法和生物应用。

背景技术：

1、近红外二区(nir-ii，1000-1700nm)荧光探针和光诊疗试剂的研制是分子成像和肿瘤诊疗中一个新兴领域，目前已迅速成为生物成像和肿瘤诊疗领域一个极具吸引力的前沿热点。相比于可见光区(400-700nm)和近红外一区(nir-i，700-900nm)的传统生物成像，nir-ii生物成像具有许多优点，包括更高的空间分辨率、更深的穿透深度、更低的生物组织光学吸收和散射，以及较小的生物组织自发荧光。目前较为常见的nir-ii荧光团主要包括有机分子，稀土掺杂纳米颗粒，量子点和单壁碳纳米管等，从临床应用的角度来说，金属离子可能会对人体带来长期毒性，因此基于有机分子的nir-ii荧光团具有良好的潜在应用价值。基于有机分子的nir-ii荧光团主要包括聚甲基类，苯并噻二唑类和聚合物类，其中苯并噻二唑类和聚合物类由于复杂的化学合成，较低的亮度，以及多个芳香环偶联在一起的分子结构易于在体内堆积滞留，较难代谢出体外，可能会对人体带来长期生物毒性，临床应用的前景较低。聚甲基类具有代表性的化合物是吲哚菁绿(icg)，已被fda批准用于临床生物成像，虽然icg具有较高的荧光量子产率，但icg的吸收/荧光峰位置是780/822nm，仅能用808nm激光激发，且仅有荧光尾峰拖延至1000nm以后，严重限制了其在深层组织高分辨生物成像中的应用。

2、细菌和真菌感染引起的炎症是全球范围内疾病和死亡的主要原因之一，抗生素的滥用加速了细菌和真菌耐药性的发生，并可能会导致无药可用的局面；另外由于人口老龄化、环境污染以及一些不健康行为习惯的出现，全球范围内的癌症发病率也急剧增加。光动力治疗(pdt)和光热治疗(ptt)是一种新兴细菌、真菌感染和无创肿瘤治疗方法，pdt利用光照激发光敏药物将能量传递给周围的氧分子，生成的活性氧能与附近的生物大分子发生氧化反应，产生光毒性进而杀伤细菌、真菌和肿瘤细胞，ptt利用光热试剂将光能转化为热量，通过局部热疗诱导细菌、真菌和肿瘤细胞凋亡和坏死。pdt/ptt具有精确的时空控制、高特异性和高效的炎症或肿瘤破坏能力，已成为一种很有前途的临床细菌、真菌感染和肿瘤治疗技术。此外，pdt/ptt与生物成像技术的结合，可用于炎症和肿瘤的实时可视化和原位诊断，为炎症和肿瘤的精确诊断和有效治疗开辟了一条光明的道路。尽管pdt/ptt具有这些优点，但在临床转化前仍存在一些固有的缺陷，如光的穿透深度有限、肿瘤的耐热性等。目前，大多数pdt/ptt是基于近红外一区生物窗口(nir-i，700-1000nm)，由于光穿透组织的物理限制，基于nir-i区的pdt/ptt在深部炎症和肿瘤组织的治疗中严重受限。为了实现对深部炎症和肿瘤组织的高效pdt/ptt，光穿透生物组织时应具有较小的衰减，与nir-i光源相比，nir-ii(1000-1700nm)是一种较好的光源，具有光散射小、组织穿透深度深、最大允许能高等内在优势。此外，在光致辐照时，同时实现nir-ii荧光成像对深层炎症和肿瘤的可视化，可实现nir-ii区炎症、肿瘤诊断和pdt/ptt的诊疗一体化。因此急需开发吸收和荧光同时位于1000-1700nm的荧光分子探针和光动力/光热试剂。

技术实现思路

1、为改善上述技术问题，本发明提供一种近红外二区氧杂蒽衍生物，具有如式(1)所示的结构：

2、

3、其中，r1和r2相同或不同，彼此独立地选自-h、-c1-8烷基、-卤素、-卤代c1-8烷基、-oh、-o-c1-8烷基、-nh2、-nh-c1-8烷基、-n-(c1-8烷基)2、-no2、-cn、-c1-8烷基-cooh、-cooh、-co-oc1-8烷基、-so3h、-so3-c1-8烷基；

4、r3和r4相同或不同，彼此独立地选自-h、-c1-8烷基或-c6-14芳基；

5、每个x相同或不同，彼此独立地选自-o-、-s-或-se-；

6、y选自阴离子，例如一价阴离子，如clo4-、cl-、br-、i-、pf6-、bf4-、ch3coo-、cf3coo-、ch3so3-或cf3so3-；

7、z选自-nh-、-o-、-s-或-se-；

8、r选自如下式(1-1)或式(1-2)：

9、

10、式(1-1)中，r5、r6、r7相同或不同，彼此独立地选自-h、-c1-8烷基、-卤素、-卤代c1-8烷基、-oh、-o-c1-8烷基、-no2、-cn、-nh2、-nh-c1-8烷基、-n(c1-8烷基)2、-c1-8烷基-cooh、-cooh、-co-oc1-8烷基、-so3h、-so3-c1-8烷基；

11、式(1-2)中，0≤m≤8、0≤n≤100、0≤p≤8；所述m、n、p为零或正整数；连接基团m选自-o-、-nh-、-coo-、-oco-、-conh-、-nhco-；端基t选自-h、-c1-8烷基、-oh、-oc1-8烷基、-sh、-so3h、-c6-14芳基、-cooh、-cooc1-8烷基；

12、根据本发明的实施方案，r1和r2相同或不同，彼此独立地选自-h、-ch3、-c2h5、-f、-cl、-br、-i、-cf3、-oh、-och3、-oc2h5、-n(ch3)2、-n(c2h5)2、-no2、-cn、-cooh、-ch2cooh、-cooch3、-so3h。

13、根据本发明实施方案，r3和r4相同或不同，彼此独立地选自-h、-ch3、-c2h5、苯基。

14、根据本发明的实施方案，y选自clo4-、br-、i-、pf6-、bf4-、cf3coo-、ch3so3-或cf3so3-。

15、根据本发明的实施方案，式(1-1)中，r5、r6、r7相同或不同，彼此独立地选自-h、-ch3、-c2h5、-f、-cl、-br、-i、-cf3、-oh、-och3、-oc2h5、-no2、-cn、-n(ch3)2、-n(c2h5)2、-cooh、-ch2cooh、-cooch3、-cooc2h5、-so3h。

16、根据本发明的实施方案，式(1-2)中，m选自0、1、2、3、4、5、6、7或8；n选自0-80之间的整数；p选自0、1、2、3、4、5、6、7或8；连接基团m选自-o-、-nh-、-coo-、-oco-、-conh-、-nhco-；端基t选自-h、-oh、-oc1-6烷基、-sh、-so3h、-cooh、-cooc1-6烷基、-c6-8芳基；

17、根据本发明的实施方案，式(1-2)中，m选自1、2或3；n选自10-60之间的整数，例如20、30、40、50；p选自1、2或3；连接基团m为-o-、-nh-、-coo-、-oco-、-conh-、-nhco-；端基t选自-h、-oh、-cooh、-so3h、-och3。

18、根据本发明的实施方案，式(1)所示化合物具有以下式(2)或(3)所示的结构：

19、

20、其中，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、x、y、z、m、t、m、p、n独立地具有上文所述的定义。

21、根据本发明的实施方案，式(1)所示化合物具有以下cl1-cl31所示的结构：

22、

23、本发明提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物的合成方法，包括如下步骤：将中间体iv与r-zh反应得到式(1)所示化合物；

24、

25、其中，r、r1、r2、r3、r4、x、y、z彼此独立地具有上文所述的定义；

26、根据本发明的实施方案，所述反应在有机溶剂中进行，例如选自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基苯胺、二甲亚砜、乙腈中的一种或多种；优选为n,n-二甲基甲酰胺或二甲亚砜；

27、根据本发明的实施方案，所述反应在催化剂存在下进行，所述催化剂例如选自碱，具体的，选自三乙胺、吡啶、哌啶、n,n-二异丙基乙胺、碳酸钾、碳酸钠、碳酸铯、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或多种；优选为三乙胺或碳酸钾；

28、根据本发明的实施方案，所述中间体iv和r-zh的摩尔比为1：1～1：10；

29、根据本发明的实施方案，所述催化剂为中间体iv的0.1～10倍当量；

30、根据本发明的实施方案，所述反应温度为10～200℃，例如30-120℃；所述反应时间为0.5-24h，例如1-12h。

31、根据本发明的实施方案，中间体iv的制备方法包括：将中间体i、中间体ii、中间体iii反应得到中间体iv；

32、

33、根据本发明的实施方案，上述反应在有机溶剂下进行，所述有机溶剂例如选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、正丁醇、苯、氯苯、甲苯中的一种或多种；优选地，有机溶剂为乙酸、正丁醇/甲苯混合溶剂；正丁醇/甲苯混合溶剂的体积比0.1～10；

34、根据本发明的实施方案，所述中间体i、中间体ii和中间体iii的摩尔比为1：(0.5-5)：(0.5-5)，例如1：(0.8-3)：(0.8-3)，示例性为1：1：1；

35、根据本发明的实施方案，所述反应温度为10～200℃，例如30-120℃；所述反应时间为0.5-24h，例如1-12h；

36、本发明还提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物的用途，其用作光敏剂。

37、本发明还提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物的用途，其用于生物成像。例如用于血管、器官或肿瘤的成像。所述成像例如为近红外二区的细胞和生物组织的荧光成像、近红外二区血管成像、近红外二区肿瘤血管成像、以及近红外二区器官成像。特别是用于深层肿瘤的血管成像。

38、本发明还提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物的用途，其用于治疗肿瘤或炎症，特别是用于肿瘤和炎症的光动力和光热治疗。

39、本发明还提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物在制备生物成像试剂中的应用，特别是在制备血管成像试剂、肿瘤血管成像试剂、或肿瘤荧光导诊成像试剂中的应用。

40、本发明还提供所述近红外二区氧杂蒽衍生物在制备抗肿瘤、抗细菌、抗真菌或抗炎症的诊疗试剂中的应用。

41、根据本发明的实施方案，在制备生物成像试剂和荧光导诊试剂中的应用，所述应用为近红外二区的细胞和生物组织的荧光成像、近红外二区血管成像、近红外二区肿瘤血管成像、以及近红外二区器官成像。

42、根据本发明的实施方案，在制备荧光导诊试剂和光敏剂中的应用，所述应用为光动力抗肿瘤应用。

43、根据本发明的实施方案，在制备荧光导诊试剂和光热试剂中的应用，所述应用为光热抗肿瘤应用。

44、根据本发明的实施方案，在制备荧光导诊试剂和光动力/光热试剂中的应用，所述应用为光动力/光热抗菌应用，所述菌为细菌或真菌。

45、根据本发明的实施方案，所述细菌例如为革兰氏阳性菌、金黄色葡萄球菌、革兰氏阴性菌、或大肠杆菌。

46、根据本发明的实施方案，所述真菌例如为曲霉菌、白色念珠菌。

47、本发明还提供一种生物成像和/或光动力/光热试剂，其中包括本发明所述的近红外二区氧杂蒽衍生物。

48、本发明还提供一种荧光导诊试剂和/或光动力/光热试剂，其中包括本发明所述的近红外二区氧杂蒽衍生物。

49、根据本发明的实施方案，所述试剂还包括胎牛血清(fbs)。

50、根据本发明的实施方案，所述试剂还包括高分子聚合物f127(pluronic f127)。优选的，所述试剂中，所述高分子聚合物f127包裹氧杂蒽衍生物形成脂质体。

51、可选地，所述试剂的制备包括如下步骤：

52、配制近红外二区氧杂蒽衍生物与二甲基亚砜混合溶液，使其浓度为10-6～10mol/l，加入到相同体积胎牛血清(fbs)溶液中，并加入8倍体积的hepes缓冲溶液(ph＝7.4)，在37℃下孵育30-180min，然后使用透析袋(截留分子量3500kda)透析，然后使用超滤管(截留分子量10kda，30kda或100kda)浓缩，使100μl fbs溶液含有1～1000μg染料，得到所述试剂，最终浓度为0.001～10mm。

53、根据本发明示例性的实施方案，所述试剂的制备包括如下步骤：

54、将近红外二区氧杂蒽衍生物与嵌段高分子聚合物f127溶于氯仿中，并快速注入到去离子水中，超声得到乳化液，旋蒸除去氯仿，然后使用透析袋(截留分子量3500kda)透析，再使用超滤管(截留分子量10kda，30kda或100kda)浓缩，得到所述试剂，最终浓度为0.001～10mg/ml；其中近红外二区氧杂蒽衍生物与嵌段高分子聚合物f127的质量比为1：1～1：100。

55、根据本发明示例性的实施方案，所述试剂的制备包括如下步骤：

56、将近红外二区氧杂蒽衍生物与嵌段高分子聚合物f127溶于氯仿中，超声，旋蒸除去氯仿，真空干燥，加入去离子水，超声，然后使用透析袋(截留分子量3500kda)透析，再使用超滤管(截留分子量10kda，30kda或100kda)浓缩，得到所述试剂，最终浓度为0.001～10mg/ml；其中近红外二区氧杂蒽衍生物与嵌段高分子聚合物f127的质量比为1：1～1：100。

57、有益效果

58、本发明提供一种近红外二区氧杂蒽衍生物，两个氧杂蒽基团用典型的花菁染料的桥融合，并将不稳定的活性位点氯原子用亲核试剂取代，使该近红外二区氧杂蒽衍生物的最大吸收/发射波长显著红移，最大波长达到1200nm以上，尾峰可拖延至1500nm以上，具有较好的光稳定性、ph稳定性和优异地生物相容性以及更高的摩尔消光系数、荧光量子产率、单线态氧量子产率和光热转换效率，同时该衍生物还具有较小的细胞毒性；光敏条件下，可有效产生大量活性氧和热量，可用于深层肿瘤的近红外二区的血管成像、深层肿瘤和炎症的光动力和光热治疗。因此其作为近红外荧光试剂在制备血管成像试剂、肿瘤血管成像试剂、肿瘤荧光导诊成像试剂和在制备抗肿瘤、抗细菌、抗真菌和抗炎症光学治疗生物材料中具有良好的应用潜力。