魯 亮, 郭 麗, 胡曰富, 齊慶蓉

(四川大學(xué) 華西藥學(xué)院，四川 成都 610041)

·研究論文·

吲哚克酮酸的合成及其作為光聲成像造影劑的初步研究

魯 亮, 郭 麗, 胡曰富, 齊慶蓉*

(四川大學(xué) 華西藥學(xué)院，四川 成都 610041)

以克酮酸和2,3,3-三甲基-3H吲哚為原料，經(jīng)縮合反應(yīng)合成了吲哚克酮酸(ICR)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和MS確證。并將ICR作為光聲成像造影劑進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：ICR在近紅外區(qū)的吸收強(qiáng)烈且尖銳，最大吸收波長(zhǎng)為755 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為775 nm，摩爾吸光系數(shù)為4.14×105L·mol-1·cm-1； ICR的體外光聲成像造影效果遠(yuǎn)大于吲哚菁綠(ICG)，在濃度為21.6 μmol·L-1時(shí)，ICR的光聲強(qiáng)度是ICG的52萬(wàn)倍。

克酮酸; 2,3,3-三甲基-3H吲哚; 吲哚克酮酸; 合成; 光聲成像; 近紅外區(qū); 吲哚菁綠

光聲成像(Photoacoustic imaging， PAI)技術(shù)是21世紀(jì)興起并發(fā)展迅速的一種新型非入侵式生物醫(yī)學(xué)成像模式[1]，結(jié)合了光學(xué)成像和聲學(xué)成像的優(yōu)點(diǎn)，可得到深層組織高分辨率和高對(duì)比度的圖像，是目前臨床診斷的研究熱點(diǎn)之一。但人體許多組織都是強(qiáng)散射或強(qiáng)吸收介質(zhì)，而光在強(qiáng)散射組織中的成像深度只能達(dá)到1 mm左右[2]，為了實(shí)現(xiàn)深部診斷，采用光聲造影劑對(duì)光聲成像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)是其中一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)[3-5]。但目前研究報(bào)道的造影劑較少，主要為基于金納米棒[6]的納米材料和有機(jī)功能染料吲哚菁綠(indocyanine green， ICG， Chart 1)。 ICG是目前唯一被FDA批準(zhǔn)用于臨床的染料分子，但其在水溶液中不穩(wěn)定及光穩(wěn)定性較差，且在體內(nèi)清除快[7]。因此開(kāi)展新型光聲成像造影劑的研究意義重大。

Scheme 1

Chart 1

吲哚克酮酸(ICR)是克酮酸菁染料的一種，其最大吸收波長(zhǎng)為755 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為775 nm，且吸收峰尖銳，摩爾吸光系數(shù)大[8]。相對(duì)于ICG的多甲川鏈，ICR引入了環(huán)狀的克酮酸結(jié)構(gòu)，提高了分子的剛性和空間位阻,不利于單線態(tài)氧的進(jìn)攻，因此，ICR較ICG更穩(wěn)定[9]。李忠玉[8,10]等進(jìn)行了ICR三階非線性光學(xué)性質(zhì)的研究，結(jié)果表明：ICR具有大的三階非線性極化率和快的非線性光學(xué)響應(yīng)，在非線性光學(xué)材料方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Encinas等[11]提出了ICR可應(yīng)用于光學(xué)傳感器上的pH敏感組件。Punzi[12]等研究了克酮酸染料作為分子材料在晶體管中的應(yīng)用。但到目前為止，還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道ICR在生物醫(yī)學(xué)尤其是光聲成像方面應(yīng)用的研究。

本文參考文獻(xiàn)[13]方法，以克酮酸和2,3,3-三甲基-3H吲哚為原料，經(jīng)縮合反應(yīng)合成了ICR(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和MS確證。利用小動(dòng)物活體成像儀首次對(duì)其進(jìn)行了體外光聲成像測(cè)試，并與ICG作了對(duì)比。結(jié)果表明：ICR比ICG有更好的成像效果，為光聲成像造影劑的研究提供了思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

自制毛細(xì)管熔點(diǎn)測(cè)定儀；SPD UV-3600型紫外分光光度計(jì)；Lumina型熒光光譜儀；Varian InovaA400型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Agilent1946B ESI-MS型質(zhì)譜儀；iThera Medical型小動(dòng)物活體成像儀。

胎牛血清，浙江天杭生物科技有限公司；瓊脂粉，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；20%脂肪乳注射液，華潤(rùn)制藥有限公司；2,3,3-三甲基-3H吲哚，湖北巨勝科技有限公司；克酮酸，東京化成工業(yè)株式會(huì)社；甲苯、正丁醇、甲醇、二氯甲烷和二甲基亞砜，分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 ICR的合成

在三口瓶中依次加入克酮酸0.10 g(0.70 mmol)， 2,3,3-三甲基-3H吲哚0.22 g(1.40 mmol)，甲苯15 mL和正丁醇45 mL，攪拌使其溶解；利用分水器除去反應(yīng)生成的水，回流(110 ℃)反應(yīng)6 h[TLC檢測(cè)，展開(kāi)劑：環(huán)己烷/丙酮=3/1(V/V)]。減壓蒸除部分溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=100 ∶1]純化得墨綠色固體ICR 0.13 g，收率43.9%；1H NMR(400 MHz)δ： 7.58(d,J=7.2 Hz, 2H), 7.51(d,J=7.1 Hz, 2H), 7.37(t,J=14.4 Hz, 2H), 7.23(t,J=14.0 Hz, 2H), 6.0(s, H), 5.97(s, H), 1.5(s, 12H)； MSm/z： 424.7{[M+H]+}。表征數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[13]報(bào)道一致。

1.3 光學(xué)性質(zhì)測(cè)定

精密稱量ICR配制10 mmol·L-1DMSO溶液備用。用甲醇稀釋為1.25 μmol·L-1測(cè)定其紫外-近紅外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜。

1.4 體外光聲成像測(cè)試

(1) 仿體模型的制備

取1.30 g瓊脂粉、20%脂肪乳注射液5 mL和去離子水94 mL加至250 mL燒杯中，加熱煮沸2 min；冷卻至50 ℃，沿壁倒入20 mL注射器中，在中心垂直放置一根塑料管(4 cm×3 mm)，使其浸沒(méi)長(zhǎng)度為3 cm，冷卻后將塑料管緩慢取出，溶液備用。

(2) 溶液的配制

分別稱取ICR 11.4 mg和ICG 21.0 mg溶于適量甲醇中，分別用水、血清稀釋至10 mL，再精確移取1 mL稀釋至25 mL，制成濃度為0.108 mmol·L-1溶液備用。

(3) 體外光聲成像測(cè)試

取1.4(2)溶液分別稀釋為10.8, 21.6, 32.4, 43.2, 54.0, 64.8和75.6 μmol·L-1，分別以去離子水和血清為空白對(duì)照，各自取樣逐一放入仿體模型的孔洞中，再置于小動(dòng)物活體成像儀中，以680～960 nm(以每5 nm的幅度增加)脈沖激光照射，采集信號(hào)，獲得光譜圖與數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜性質(zhì)

ICR在甲醇中的的吸收光譜(A)與發(fā)射光譜(B)見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，ICR在甲醇中最大吸收波長(zhǎng)為755 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為775 nm，均與文獻(xiàn)[13]報(bào)道一致。Stokes shifts為20 nm；摩爾吸光系數(shù)為4.14×105L·mol-1·cm-1。表明ICR的最大吸收和發(fā)射均在近紅外區(qū)，且摩爾吸光系數(shù)較大。

2.2 體外成像效果

分別以水和血清為溶劑考察了ICG和ICR同一濃度溶液的光聲成像效果，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，在同等條件下，ICR比ICG有更強(qiáng)的顯影效果。在以血清為溶劑時(shí)，光聲成像信號(hào)強(qiáng)度略小于在水中的信號(hào)強(qiáng)度，可能是因?yàn)樵谘逯械娜芙舛绕?，使熒光?qiáng)度減弱。

λ/nm

λ/nm

進(jìn)一步考察了ICR與ICG以水為對(duì)照時(shí)不同濃度的光聲效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著濃度增加，ICR與ICG的信號(hào)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，但I(xiàn)CR增加的幅度和成像效果優(yōu)于ICG。

以水為溶劑測(cè)定ICR與ICG的光聲成像結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，在相同濃度下ICR的光聲強(qiáng)度遠(yuǎn)大于ICG，在濃度為21.6 μmol·L-1時(shí)，ICR的光聲強(qiáng)度是ICG的52萬(wàn)倍。同時(shí)，根據(jù)表1中的濃度和光聲強(qiáng)度作圖，經(jīng)計(jì)算可知，在21.6～75.6 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)，ICR的相關(guān)系數(shù)R為0.99， ICG的相關(guān)系數(shù)R為0.92，可見(jiàn)在此濃度范圍內(nèi)ICR比ICG有更好的濃度相關(guān)性。

ICG(水為溶劑)

ICG(血清為溶劑)

ICR(水為溶劑)

ICR(血清為溶劑)

c/μmol·L-1PAamplitudeComp10．821．632．443．254．064．875．6ICR845．8563745．2371177．5883286．8390210．47103562．36107653．02ICG0．06800．12120．14430．16070．19070．23530．3553比值12439525951493261518275473049440129302992

圖3 不同濃度的ICR與ICG光聲成像效果圖*

3 結(jié)論

合成了吲哚克酮酸(ICR)，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確證和光學(xué)特性表征，并在相同條件下與ICG的體外光聲成像效果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：在同一濃度下ICR的光聲成像強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ICG，有望成為新型光聲成像造影劑。

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Synthesis and Preliminary Study of Indole Croconium as Photoacoustic Imaging Contrast Agent

LU Liang, GUO Li, HU Yue-fu, QI Qing-rong*

(West China School of Pharmacy, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

Indole croconium(ICR) was synthesized by condensation reaction of croconic acid with 2,3,3- trimethylindolenine. The structure was confirmed by1H NMR and MS. The preliminary study of ICR as a photoacoustic imaging contrast agent was investigated. The results showed that ICR exhibited a sharp and strong absorption in the near infrared region, the maximum absorption wavelength was 755 nm and emission wavelength was 775 nm, and the molar absorption coefficient was 4.14×105L·mol-1·cm-1. The photoacoustic imaging effect of ICR was far better than that of the indocyanine green(ICG). Photoacoustic intensity of ICR was 520 000 times of that of ICG at the concentration of 21.6 μmol·L-1.

croconic acid; 2,3,3-trimethylindolenine; indole croconium; synthesis; photoacoustic imaging; near infrared region; indocyanine green

2016-12-13；

2017-02-22

重大新藥創(chuàng)制：石藥集團(tuán)心腦血管藥物創(chuàng)新綜合平臺(tái)建設(shè)(2013ZX09402103-1)

魯亮(1991-)，男，漢族，湖北仙桃人，碩士研究生，主要從事藥物合成的研究。 E-mail: 840299792@qq.com

齊慶蓉，副教授， Tel. 028-85502157, E-mail: qiqinrong@scu.edu.cn

R914; O621.3

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.04.16311