基于甲基醌结构的半乳糖苷酶响应双模态探针Gal-Cy-Gd-1及其合成方法和应用

本发明属于磁共振成像，具体涉及一种基于甲基醌结构的半乳糖苷酶响应双模态探针gal-cy-gd-1及其合成方法和应用。

背景技术：

1、癌症诊断和影像学检查在预后、分期、治疗计划和治疗反应评估中起着重要作用。临床上常采用非侵入性成像技术来进行诊断，例如磁共振成像(mri)、x射线成像、电子计算机断层扫描(ct)成像、单光子发射计算机断层扫描(spect)成像、正电子发射计算机断层扫描(pet)成像、超声成像及光学成像等。这些成像技术中的每一种都具有其特性以及适用的使用场景。如图表1所示，总结了每种成像技术的优缺点。

2、表1不同成像技术的优缺点

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4、单一模态的成像方式在灵敏度、分辨率、穿透深度等方面无法同时兼顾，难以满足生物体中分子的精确测量。而多模态分子成像整合不同模态在灵敏度、分辨率和穿透深度等方面的优势对同一个体进行成像，有助于活体上生物分子的精确测量，促进疾病诊断。例如近红外(nir)荧光成像可以生成高灵敏度的图像，用于检测低浓度的肿瘤相关生物标志物(例如过表达酶)和图像引导的肿瘤手术。而磁共振成像(mri)可以产生具有无限组织穿透深度和具有高空间分辨率的解剖图像，以促进术前对深部肿瘤的检测。因此将两种成像方式相结合，可实现深部肿瘤的高灵敏度成像。

5、癌症早期通常会伴随着相关生物标志物(例如酶、ph、金属离子，氧气、gsh等)水平发生变化，如卵巢癌会表现出半乳糖苷酶上调，前列腺癌会表现出锌离子浓度发生变化等。其中酶作为大多数疾病的主要生物标志物，在生物系统中起着基本但极其关键的作用。因此，我们可设计相对应的酶响应型分子成像探针，利用分子成像探针对体内生物分子的含量与分布开展实时可视化测量，这对疾病的精确诊断具有重要意义。目前，大多数可活化探针可以实现酶的可变成像，但不可避免地倾向于从酶的原始活性位点扩散甚至移位出细胞，严重损害酶的原位高分辨率观察。而酶的原位成像可以通过用始终开启的信号标记探针或抗体来实现，这些信号无法实现酶的可激活成像。因此，具有“可激活”和“原位”特性的成像探针将能够对生命系统中的酶进行高分辨率研究，从而实现疾病的早期诊断。目前主要通过共价和非共价的形式来实现酶的原位成像，其中共价连接探针，也称为不可逆探针，直接交联信号单元到目标酶。活性基团(亲电部位)是探针中不可缺少的组成部分，它能够与酶外部裸露出来的亲核基团发生特异性反应，形成稳定的共价键。例如醌甲基物(qms)是具有极高亲电性的瞬态分子，基于qms成像试剂中引入良好的离去基团(氟化物、氨基甲酸酯等)，在与酶反应后形成的醌甲基作为亲电中间体，具有高反应活性，可以被酶或附近蛋白质外部的亲核基团(羟基、氨基或巯基)反应形成共价键，引起探针保留，从而可在动态环境中可视化酶的活性。

技术实现思路

1、基于上述现有技术，本发明提供了一种基于甲基醌结构的半乳糖苷酶响应双模态探针gal-cy-gd-1及其合成方法和应用，该化合物本身具有相对较低的荧光信号和磁共振信号，但在半乳糖苷酶响应后，会发生一系列电子转移，形成甲基醌的中间体结构，这种甲基醌中间体结构反应活性很高，容易受到蛋白质外部残基亲核基团进攻，从而使化合物锚定在蛋白质上，导致荧光信号和磁共振信号增强，延长药物的半衰期，扩大成像时间窗口，从而实现肿瘤的早期检测以及手术切除。

2、为了实现上述目的，本发明所采用以下技术方案：

3、一种基于甲基醌结构的半乳糖苷酶响应双模态探针gal-cy-gd-1化合物，其结构式如下：

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5、一种基于甲基醌结构的半乳糖苷酶响应双模态探针gal-cy-gd-1化合物的合成方法，包括如下步骤：

6、1、向含4-羟基苯甲醛、2-(乙酰氧基甲基)-6-溴四氢-2h-吡喃-3,4,5-三乙酸乙酯和丁基溴的二氯甲烷溶液中，加入5％氢氧化钠的水溶液，25-40℃下搅拌4-8小时，得到化合物a，反应式如下：

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8、2、化合物a溶于四氢呋喃溶液中，冰浴下分批加入硼氢化钠，转移至25-40℃下搅拌4-8小时，得到化合物b，反应式如下：

9、

10、3、化合物b溶于二氯甲烷溶液中，冰浴下逐滴加入三溴化磷，25-40℃下搅拌反应1-6小时，得到化合物c，反应式如下：

11、

12、4、向含有2,4-二羟基苯甲醛和咪唑的二氯甲烷溶液中滴加叔丁基二甲基氯硅烷的二氯甲烷溶液，在25-40℃下搅拌反应6-12小时，得到化合物d；冰浴下，向含化合物d的甲醇溶液中，分批加入硼氢化钠，25-40℃下搅拌2-8小时后得到化合物e，反应式如下：

13、

14、5、将2-氮杂乙酸和2-(7-氮杂苯并三氮唑)-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯在n,n-二甲基甲酰胺中混合，加入n,n-二异丙基乙胺和2,2',2”-(10-(2-((2-氨基乙基)氨基)-2-氧代乙基)-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三基)三乙酸三叔丁酯的n,n-二甲基甲酰胺溶液，25-40℃搅拌4-8小时，得到化合物4，反应式如下：

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16、6、将化合物4溶于盐酸乙酸乙酯溶液中，25-40℃搅拌4-10小时，得到化合物5，反应式如下：

17、

18、7、在化合物e、氢化钠的n,n-二甲基甲酰胺溶液中加入化合物6的n,n-二甲基甲酰胺溶液，25-60℃下搅拌反应8-16小时，得到化合物7，反应式如下：

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20、8、将化合物7、化合物c、碘化钾和碳酸钾溶于丙酮，25-60℃搅拌2-3天，得到化合物8，反应式如下：

21、

22、9、将化合物8、异氰酸乙酯和三乙胺溶于二氯甲烷，25-60℃搅拌6-16小时，得到化合物9，反应式如下：

23、

24、10、将化合物9溶于甲醇中，加入甲醇钠，25-40℃搅拌0.5-2小时，得到化合物10，反应式如下：

25、

26、11、将化合物10、化合物5溶于n,n-二甲基甲酰胺，加入硫酸铜和抗坏血酸钠的水溶液，在25-40℃下搅拌2-8小时，得到探针gal-cy-gd-1，反应式如下：

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28、双模态探针gal-cy-gd-1在制备磁共振成像和荧光成像的显影剂中的应用：在本发明的具体实施例中，将探针gal-cy-gd-1通过尾静脉注射在皮下瘤模型老鼠中，利用视觉相机分别在不同时间点(0h、1h、2h、4h、8h、12h、24h、48h、72h)对皮下瘤模型老鼠肿瘤部位拍照，测其肿瘤部位的荧光强度的变化，结果表明随着时间的延长，gal-cy-gd-1在肿瘤部位的荧光信号逐渐增强，并在24h达到最高值；将探针gal-cy-gd-1通过尾静脉注射在皮下瘤模型老鼠中，利用9.4t磁共振谱仪分别在不同时间点(0h、2h、4h、6h、8h)对皮下瘤模型老鼠肿瘤部位成像，测其肿瘤部位的荧光强度的变化，结果表明随着时间的延长，gal-cy-gd-1在肿瘤部位的磁共振信号逐渐增强，并在4h达到最高值，说明该探针具有较好的肿瘤成像能力。

29、与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

30、1、gal-cy-gd-1化合物在半乳糖苷酶响应后，紫外吸收位移发生改变，荧光发射波长在近红外区域，有效地减少了背景荧光信号的干扰，大大提高荧光成像的灵敏度和准确度。

31、2、gal-cy-gd-1化合物响应后，会发生一系列电子转移，形成甲基醌的中间体结构，这种甲基醌中间体结构反应活性很高，容易受到蛋白质外部残基亲核基团进攻，从而使化合物锚定在蛋白质上，导致磁共振信号增强，有利于提高肿瘤部位磁共振成像效果。

32、3、gal-cy-gd-1化合物具备较好的生物安全性，水分散性好，较长的药物半衰期，更大的成像时间窗口，可实现肿瘤的早期检测以及手术切除。