一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂及制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂及制备方法与应用,以芴衍生物为电子给体(D)，吡咯并吡咯二酮衍生物为电子受体(A)，噻吩为π共轭桥，采用有机金属钯催化的Suzuki偶联反应，得到两种结构分别为D‑π‑A、D‑π‑A‑π‑D构型的疏水性共轭寡聚物，再通过侧链季铵化反应获得近红外吸收和发射的阳离子型水溶性共轭寡聚物。该寡聚物具有良好的水溶性和生物相容性，能在近红外光激发下实现荧光成像，光热转化效率良好，重原子效应和杂原子效应使其具有出色的单线态氧产率，可以有效抑制肿瘤细胞的生长，是优良的荧光成像和光疗试剂。

权利要求

1.一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂，其特征在于，具有如下分子式：结构Ⅰ

结构Ⅱ

结构Ⅲ

结构Ⅳ。

2.一种基于权利要求1所述的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤 1），采用有机金属钯催化的Suzuki偶联反应，通过A+B 双组分反应或A+B+A三组分反应先合成中性共轭寡聚物，其中，A为2‑硼酸酯芴衍生物单体，B为3,6‑双（5‑溴噻吩‑2‑基）吡咯并吡咯二酮衍生物单体；通过控制反应时间分别形成D‑π‑A型分子共轭结构的共轭寡聚物和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的共轭寡聚物；

步骤 2），由步骤1）制备得到的中性共轭寡聚物再通过季铵化反应得到近红外吸收阳离子型水溶性共轭寡聚物。

3.根据权利要求2所述水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂，其特征在于：步骤 1）中将2‑硼酸酯芴衍生物单体和3,6‑双（5‑溴噻吩‑2‑基）吡咯并吡咯二酮衍生物单体按物质的量比为2.3‑2.6:1投料，在Pd[P(C6H5)3]4催化下通过Suzuki反应将二者偶联起来，反应

13‑15小时后，即得到D‑π‑A型分子共轭结构的中性共轭寡聚物；再反应3‑5小时后得到D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的中性共轭寡聚物。

4.根据权利要求3所述水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂，其特征在于：步骤2）中用N‑N‑二乙基甲胺进行季铵化反应，反应70‑74小时，得到D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物。

说明书

一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂及制备方法与

应用

技术领域

[0001] 本发明属于荧光成像指导的光动力、光热治疗领域，具体涉及一种D‑π‑A或D‑π‑A‑π‑D结构的水溶性共轭寡聚物的制备方法，以及其在近红外荧光成像、光热/光动力协同治疗中的应用。

背景技术

[0002] 光疗属于新兴的治疗手段，光疗主要包括光动力和光热治疗。与传统医用的放疗和化疗相比，光热、光动力协同治疗为光触发非侵入性局部治疗方式，具有较高的选择性和较小的毒副作用等显著优点。光热疗法主要通过光热剂在激光的作用下将光能转化成热能，要求具有良好的生物相容性和较高的光热转换效率。

[0003] 光敏剂在光激发后从基态跃迁至单重激发态，又有一部分通过系间窜越从单重激发态到三重激发态，将部分能量传递给周围的氧气，生成对细胞有毒性的单线态氧。系间窜越在这个过程中尤为关键，光动力的治疗效果和单线态氧的生成能力受到系间窜越效率的直接影响。因此，可以从提高系间窜越的效率入手来提高单线态氧的产生能力。单重激发态到三重激发态跃迁是禁阻的，自旋轨道耦合能够促使这个过程发生，而增加自旋轨道耦合的具体方式主要有在结构中引入杂原子或者重原子。有关研究表明,含有S、O、N等杂原子的*有机共轭分子表现出n→π类型S1态，是一种很缓慢的S1→S0辐射跃迁过程。因此，含有这类*
杂原子的共轭分子的荧光寿命较长，这给荧光成像提供了一定的指导意义。此外，n→π类型S1态单线态到三线态的系间窜越是跃迁允许的，而且能极差较小，从而有利于提高单线态氧的产率。重原子效应是由于原子序数较大的时候(如溴、碘原子),重原子的高核电荷引起或增强了溶质分子的自旋轨道耦合作用,从而也可以提高单线态氧的产率。利用杂原子效应与重原子效应的这些优势，我们可以开发性能更优秀的光敏剂。

[0004] 水溶性共轭材料具有出色的吸光能力、优良的荧光量子效率和光稳定性，以及良好的生物相容性，相对于传统荧光染料、量子点等对生物体的毒性更小，近年来在荧光传感、生物成像和诊疗等方面引起了广泛的研究兴趣。其中，水溶性共轭寡聚物具有优良的光电性能，与水溶性共轭聚合物相比在分子尺寸控制方面具有不可比拟的优势，更有利于生物体通过代谢排出体外，毒性进一步降低。吡咯并吡咯二酮(DPP)具有大的平面共轭结构，DPP分子两侧可以连接苯环、噻吩等芳基结构，从而增加分子的共轭长度，很容易实现近红外吸收，从而减少生物应用中激发光源对于正常组织的伤害。另外，DPP分子具有较高的光热转化效率以及一定的单线态氧产生能力，并且荧光量子产率高，光电性能突出。基于以上的优点，DPP类衍生物被广泛用于有机发光二极管以及生物荧光探针等领域。但是，由于DPP衍生物的刚性平面结构，增强了分子间的π‑π相互作用力，需要对它的结构进行修饰，增强其在水中的溶解性，使其能够更好地应用于肿瘤成像和治疗领域。本专利通过选择不同侧链结构来改善寡聚物的水溶性，并引入O、N等杂原子来提高单线态氧产率。在D‑π‑A共轭结构的寡聚物中，由于噻吩一侧存在未反应的溴原子，引起重原子效应，也会增加单线态氧的产生；另外一种D‑π‑A‑π‑D共轭结构的寡聚物，由于延长的共轭体系导致光热效果增强。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂的制备方法，并且提出其在荧光成像指导的光动力光热联合治疗方面的应用。通过重原子效应和杂原子效应增强其单线态到三线态的系间窜越能力从而提高单线态氧的产率，刚性平面的共轭结构使得材料光热转换效率较高，从而使得该材料有望成为在荧光成像以及光动力光热一体化治疗中有前景的诊疗剂。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂，具有如下分子式：

[0008]

[0009] 其中，9位取代的芴衍生物为电子给体(D)，吡咯并吡咯二酮(DPP)衍生物为电子受体(A)，噻吩为π共轭桥，组成D‑π‑A或D‑π‑A‑π‑D型的共轭结构，其中，结构一为D‑π‑A型分子共轭结构，D‑π‑A型分子共轭结构的噻吩5位上有溴原子取代。结构二为D‑π‑A‑π‑D型分子共+ +轭结构。侧链上R为烷基或‑R1N R2R3R4基团，R'为‑R1N R2R3R4，R1为‑(CH2)x‑或‑CH2CH2(OCH2CH2)x‑，x为大于2的自然数，R2、R3和R4分别为烷基中的一种。

[0010] 优选的：

[0011] a.当R为‑CH2CH(C2H5)CH2CH2CH2CH3，R'为‑R1N+R2R3R4‑基团，R1为‑(CH2)6‑，R2为甲基，R3和R4均为乙基。则D‑π‑A型分子共轭结构如下：

[0012]

[0013] D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构如下：

[0014]

[0015] b.当R为‑CH2CH(C2H5)CH2CH2CH2CH3，R'为‑R1N+R2R3R4，R1为‑CH2CH2(OCH2CH2)2‑，R2为甲基，R3和R4均为乙基，则D‑π‑A型分子共轭结构的结构式如下：

[0016]

[0017] D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的结构式如下：

[0018]

[0019]

[0020] 一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂的制备方法，采用有机金属钯催化的Suzuki偶联反应，得到两种结构分别为D‑π‑A、D‑π‑A‑π‑D构型的疏水性共轭寡聚物，再通过侧链季铵化反应获得近红外吸收和发射的阳离子型水溶性共轭寡聚物。其中，D‑π‑A型分子上的溴原子产生重原子效应，侧链的O、N杂原子设计使使寡聚物在水中有良好的溶解性，并提高单线态氧产率，具体包括以下步骤：

[0021] 步骤1)，采用有机金属钯催化的Suzuki偶联反应，通过A+B双组分反应或A+B+A三组分反应先合成中性共轭寡聚物，其中，A为2‑硼酸酯芴衍生物单体，B为3,6‑双(5‑溴噻吩‑2‑基)吡咯并吡咯二酮衍生物单体。通过控制反应时间分别形成D‑π‑A型分子共轭结构的共轭寡聚物和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的共轭寡聚物。

[0022] 步骤2)，由步骤1)制备得到的中性共轭寡聚物再通过季铵化反应得到近红外吸收阳离子型水溶性共轭寡聚物。

[0023] 优选的：步骤1)中将2‑硼酸酯芴衍生物单体和3,6‑双(5‑溴噻吩‑2‑基)吡咯并吡咯二酮衍生物单体按物质的量比为2.4‑2.6:1投料，在Pd[P(C6H5)3]4催化下通过Suzuki反应将二者偶联起来，反应13‑15小时后，即得到D‑π‑A型分子共轭结构的中性共轭寡聚物。再反应3‑5小时后得到D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的中性共轭寡聚物。

[0024] 优选的：步骤2)中用N‑N‑二乙基甲胺进行季铵化反应，反应70‑74小时，得到D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物。

[0025] 一种水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂的应用，应用于肿瘤的荧光成像和光疗。通过在近红外激光照射下，水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂发射荧光，并产生光热效应和单线态氧，抑制肿瘤细胞的生长，实现对肿瘤的荧光成像和光疗。将上述得到共轭主链掺杂的阳性离子型水溶性寡聚物用于荧光成像指导的肿瘤的光动力、光热联合治疗。

[0026] 本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

[0027] 在本发明中制备得到水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂，本发明通过选择不同侧链结构来改善寡聚物的水溶性，并引入O、N等杂原子来提高单线态氧产率。通过Suzuki偶联得到的有机小分子有两种结构，在D‑π‑A共轭结构的寡聚物中，由于噻吩一侧存在未反应的溴原子，引起重原子效应，也会增加单线态氧的产生；另外一种D‑π‑A‑π‑D共轭结构的寡聚物，由于延长的共轭体系导致光热效果增强。

[0028] 本发明的寡聚物具有良好的水溶性和生物相容性，能在近红外光激发下实现荧光成像，光热转化效率良好，重原子效应和杂原子效应使其具有出色的单线态氧产率，可以有效抑制肿瘤细胞的生长，是优良的荧光成像和光疗试剂。

附图说明

[0029] 图1.为本发明制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’和FDOF’在水中的可见‑近红外吸收和近红外荧光发射光谱。

[0030] 图2.为本明制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’和FDOF’的单线态氧测试(以1,3‑二苯基异苯并呋喃(DPBF)作为单线态氧指示剂，以亚甲基蓝(MB)作为标准对照)。

[0031] 图3.为本发明制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’、FDOF’的光热转化效率测试。

[0032] 图4.为本发明制备水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’、FDOF’的HeLa细胞激光共聚焦荧光显微镜下的细胞成像(激发波长：635nm，收集波长范围：650‑800nm)。

[0033] 图5.为本发明制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’和FDOF’在HeLa细胞内进行钙黄绿素/碘化丙啶细胞染色法(AM/PI染色法)测试光疗一体化对HeLa细胞的抑制效果(指示剂AM激发波长:488nm，收集波长范围：500‑550nm；PI激发波长:559nm,收集波长范围:600‑650nm)。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

[0035] 实施例1：

[0036] 1)通过以下方法制备芴衍生物单体，将2‑硼酸酯芴衍生物单体M1和吡咯并吡咯二酮衍生物单体M2按物质的量比为2.4:1投料，然后在Pd[P(C6H5)3]4催化下通过Szuki反应将二者偶联起来，反应14小时后，即主要得到D‑π‑A型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDO；再反应4小时后，即可得到D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDOF。将FDO、FDOF进一步用N‑N二乙基甲胺分别进行季铵化反应，反应72小时，得到D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDO'和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDOF'。

[0037]

[0038] 2)在635nm近红外激光照射下，将步骤1)制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDO'和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭2
结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDOF'进行细胞外单线态氧产率(30mW/cm)和光热转化
2
效率测试(1000W/cm)；再以HeLa细胞为模型进行细胞荧光成像测试，用AM/PI染色法进行
2
光热、光动力协同治疗效果检测(800mW/cm)，用激光共聚焦荧光显微镜观察其治疗效果。

[0039] 如图1所示，可知：本发明制备的水溶性共轭寡聚物荧光成像和光疗试剂FDO’和FDOF’的最大吸收峰分别在540nm和580nm；FDO’和FDOF’的最大发射峰分别在650nm和750nm。

[0040] 如图2所示，可知：FDO’和FDOF’在水溶液中进行单线态样测试(635nm激光下30mw/2
cm功率下)，指示剂为DPBF，测得线态氧产率分别为78.4％、61.3％。

[0041] 如图3所示，可知：FDO’、FDOF’在水溶液中(635nm激光1w/cm2功率下，0.5mg/mL)光热转换效率分别为38.1％、43.8％。

[0042] 如图4所示，可知：FDO’、FDOF’在4h左右被HeLa细胞摄取，在635nm激光下共聚焦荧光图像显示HeLa细胞内有着较强的红色荧光，且分布整个细胞质。

[0043] 如图5所示，可知：FDO’、FDOF’在HeLa细胞内用AM/PI染色法进行毒性测试，不用激光照射时，细胞呈现绿色的AM染色，表明细胞存活即试剂的生物相容性很好；用激光照射2
8min(635nm激光0.8W/cm 功率下)并继续孵育2h后，AM染色活细胞呈现的绿色荧光极少，PI染色死细胞呈现的红色荧光极多，表明细胞大量死亡，反应出纳米试剂好的光疗效果。

[0044] 实施例2：

[0045] 通过以下方法制备芴衍生物单体，将2‑硼酸酯芴衍生物单体M1和吡咯并吡咯二酮衍生物单体M2按物质的量比为2.6:1投料，然后在Pd[P(C6H5)3]4催化下通过Szuki反应将二者偶联起来，反应15小时后，即主要得到D‑π‑A型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDO；再反应5小时后，即可得到D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDOF。将FDO、FDOF进一步用N‑N二乙基甲胺分别进行季铵化反应，反应74小时，得到D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDO'和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDOF'。

[0046] 实施例3：

[0047] 通过以下方法制备芴衍生物单体，将2‑硼酸酯芴衍生物单体M1和吡咯并吡咯二酮衍生物单体M2按物质的量比为2.3:1投料，然后在Pd[P(C6H5)3]4催化下通过Szuki反应将二者偶联起来，反应13小时后，即主要得到D‑π‑A型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDO；再反应3小时后，即可得到D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的中性共轭寡聚物FDOF。将FDO、FDOF进一步用N‑N二乙基甲胺分别进行季铵化反应，反应70小时，得到D‑π‑A型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDO'和D‑π‑A‑π‑D型分子共轭结构的阳离子型水溶性共轭寡聚物FDOF'。

[0048] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。