4，4-二取代環(huán)己基橋連七甲川花菁染料及其應用
【專利說明】4, 4-二取代環(huán)己基橋連-t甲川花菁染料及其應用
[0001] 與相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時專利申請序列號61/798, 562的利 益和優(yōu)先權，所述臨時申請的內(nèi)容通過引用并入本文。 發(fā)明領域
[0003] 本申請?zhí)峁┝诵碌那晒馊玖系慕M合物和方法，該巧光染料代表包含4, 4-二取代 環(huán)己基橋接組成部分的聚甲烘橋。新的組合物通常包含多個使染料具有高親水性的橫酸或 橫酸鹽基團，能夠用于各種醫(yī)療、診斷和生物應用。
【背景技術】
[0004] 光學成像方法提供了優(yōu)于其他成像方法的多個優(yōu)點。運樣的成像通常使用紅和近 紅外（NIR)范圍化00-1200nm)的光，W最大化組織穿透并且最小化來自諸如血紅蛋白和水 的自然生物吸收劑的吸收。光學成像可W提供高靈敏度，不需要將檢測對象或實驗室人員 暴露于電離福射，能夠允許同時使用多個可區(qū)分的探針（可能在分子成像中非常重要），并 且提供了高的時間和空間分辨率，其分別在功能性成像和體內(nèi)顯微術中非常重要。 陽0化]在巧光成像中，將過濾的光或具有限定帶寬的激光用作激發(fā)光源。激發(fā)光從身體 組織中穿過，并且在遇到報告分子（例如，對比劑或成像探針）時，光被吸收。報告分子然 后發(fā)射與激發(fā)光具有可檢測的不同性質的光。產(chǎn)生的發(fā)射光然后能夠用于構建圖像。大多 數(shù)光學成像技術依賴于將有機和無機巧光染料用作報告分子。
[0006] 巧光染料是普遍已知的，并且通過諸如巧光顯微術、巧光免疫分析法和流式細胞 術的過程用于各種生物和非生物材料的巧光標記和檢測。用巧光染料標記運樣的材料的典 型方法是通過染料分子上的適當基團和要標記的材料上的相容基團之間成鍵的方式構建 巧光復合體。W此方法，諸如細胞、組織、氨基酸、蛋白質、抗體、藥物、激素、核巧酸、核酸、月旨 質和多糖等的材料可W被化學標記并且檢測或定量，或者可W用作能夠與目標物質特異性 結合的巧光探針并且通過巧光檢測方法檢測。明亮的巧光染料W極高的靈敏度允許被連接 材料的檢測或定位。
[0007] 有著對用于生物和生物醫(yī)學研究的可檢測標記物的需求。在用于體內(nèi)使用的澤滅 探針上應用良好的染料不都在體外應用中有效。在一些情況下，在蛋白質或生物分子上的 多于一個運些巧光團的存在導致干擾檢測的顯著澤滅。對于染料有著一種需求，即染料允 許體外和體內(nèi)使用兩者，并且不會過度澤滅分子。高度可溶的親水巧光顏料也可W使追蹤 標記細胞、蛋白質和其他感興趣的生物分子的運動和功能成為可能。在體內(nèi)或體外不過度 澤滅的新型染料會增加可用于生物學研究的工具。
[0008] 盡管如此，對于能夠用于各種醫(yī)療、診斷和生物應用的新染料，有著持續(xù)的需求。
[0009] 發(fā)明概述
[0010] 本發(fā)明部分地基于可W生成新的巧光染料的發(fā)現(xiàn)，該巧光染料具有包含4, 4-二 取代環(huán)己基橋接組成部分的聚甲烘橋。運些染料能夠用于各種體外和體內(nèi)成像應用。
[0011] 在某些實施方式中，本發(fā)明的化合物能夠由式（II)及其鹽表示，
[0012] Z-(PMB)-Z" (II)
[0013] 其中Zi和Z2能夠各自獨立地選自取代的或未取代的亞嗎I噪嘟或苯并亞嗎I噪嘟環(huán)， 并且PMB表示包含4, 4-二取代環(huán)己基橋接組成部分的聚甲烘橋。在其他實施方式中，化合 物具有從約500nm至約llOOnm的范圍內(nèi)，優(yōu)選為在從約600nm至約900nm的范圍內(nèi)的吸收 和發(fā)射波長。在某些實施方式中，染料吸收和/或發(fā)射具有在從約600nm至約850nm、從約 650nm至約900nm或從約650nm至約850nm的范圍內(nèi)的波長的光。
[0014] 在一個方面，本發(fā)明提供了一族能夠由式I通用表示的巧光團化合物。
[0015]
[0016] 在某些實施方式中，本發(fā)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團。在其他實施方式中，本發(fā)明是由下列結 構式IVa-IVd的任意一個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團
[0018]
[0019] 在另一個方面，本發(fā)明提供了一種體內(nèi)光學成像方法。該方法包括如下步驟：(a) 向諸如動物或人的對象給予本發(fā)明的巧光染料化合物，（b)使該巧光染料化合物在對象體 內(nèi)分布或者與生物目標接觸或互相作用，（C)將對象暴露于具有可被巧光染料化合物吸收 的波長的例如光的電磁福射下，W及（d)通過例如內(nèi)窺鏡、導管、斷層成像系統(tǒng)、平面或反 射系統(tǒng)、手持光學成像系統(tǒng)或術中系統(tǒng)和顯微鏡檢測由巧光染料化合物發(fā)射的光學信號。 由化合物發(fā)射的信號能夠用于構建圖像，例如成像的區(qū)域或結構的斷層成像圖。應該理解， 巧光染料化合物可W包含化學連接至生物分子的巧光染料染料。
[0020] 前述步驟可預定間隔重復，從而允許在對象體內(nèi)隨時間地評估巧光化合物的 發(fā)射信號。在某些實施方式中，可W向對象給予信號性質可區(qū)分的兩個W上化合物，并且它 們的發(fā)射性質可W用于在對象體內(nèi)成像兩個W上的特征。
[0021] 本文公開的方法能夠用于檢測和/或監(jiān)控疾病，例如，骨疾病、癌癥、屯、血管疾病、 皮膚疾病、環(huán)境性疾病、免疫疾病、傳染病、炎癥、遺傳疾病、代謝疾病、神經(jīng)變性疾病、眼病 和呼吸疾病。
[0022] 在某些實施方式中，用本文中描述的巧光染料化合物標記細胞，并向對象給予標 記的細胞。由巧光染料化合物發(fā)射的信號能夠用于監(jiān)控細胞的運輸和定位，或者用于評估 細胞療法的有效性。
[0023] 在另一個方面，本發(fā)明提供了一種體外光學成像方法。該方法包括如下步驟：(a) 將例如生物細胞的樣品與本發(fā)明的巧光染料化合物接觸；(b)使巧光染料化合物被生物目 標激活或者與生物目標結合；（C)可選擇地去除未結合的巧光染料化合物；(d)將樣品暴露 于具有可W被巧光染料化合物吸收的波長的例如光的電磁福射下；并且（e)檢測由巧光染 料化合物發(fā)射的信號，從而判定巧光染料化合物是否已經(jīng)被生物目標激活或者已經(jīng)與生物 目標結合。
【附圖說明】
[0024] 圖1示出本發(fā)明的牛血清蛋白度SA)綴合的染料的巧光光譜和吸收光譜。圖1A 是由化合物化的BSA綴合體發(fā)射的巧光的圖。圖1B示出BSA綴合的化合物化的BSA綴 合體的巧光吸收。
【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明提供了一類巧光染料化合物（染料），其吸收和/或發(fā)射具有在從約500nm 至約llOOnm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為在從約600nm至約900nm的范圍內(nèi)的波長的光。在某些實 施方式中，染料吸收和/或發(fā)射具有在從約600nm至約850nm、從約650nm至約900nm或從 約650nm至約850nm的范圍內(nèi)的波長的光。巧光染料化合物特別適用于各種體外和體內(nèi)成 像應用。 陽0%] 在某些實施方式中，本發(fā)明的巧光染料化合物能夠由式Zi-PMB-Z2及其鹽表示，其 中Zi和Z2能夠各自獨立地表示相同或不同的包含雜環(huán)組成部分的多環(huán)基團，并且PMB表示 包含4, 4-二取代環(huán)己基橋接組成部分的聚甲烘橋。在下文中，將更詳細描述巧光染料化合 物。然而，在進一步描述本發(fā)明之前，在W下部分中，統(tǒng)一匯總了說明書、實施例和附帶的權 利要求書中采用的特定術語。
[0027] I.定義
[0028] 應當依照本說明書的其他部分閱讀此處列出的定義，并且由本領域技術人員來理 解。除非另有定義，本文中使用的所有技術和科學術語都與本發(fā)明所屬領域普通技術人員 普遍理解的意義相同。
[0029] "化學連接"意指通過原子之間的吸引力連接，所述吸引力強得足W使結合的聚集 體作為一個單位起作用。運包括但不限于化學鍵諸如共價鍵，非共價鍵諸如離子鍵、金屬鍵 和橋鍵，疏水相互作用，氨鍵和范德華相互作用。運也包括交聯(lián)或掩蔽（caging)。
[0030] 術語"烷基"是本領域公知的，并包括飽和的脂族基團，包括直鏈烷基基團、支鏈燒 基基團、環(huán)烷基（脂環(huán)族）基團、烷基取代的環(huán)烷基基團和環(huán)烷基取代的烷基基團。在某些 實施方式中，直鏈或支鏈烷基在其骨架中具有約30個W下的碳原子（如，直鏈為Ci-Cw，支 鏈為C3-CJ，并且可任選地為約20個w下。同樣地，環(huán)烷基在其環(huán)結構中具有從約3至約 10個碳原子，并且可任選地在環(huán)結構中具有約5、6或7個碳原子。術語"烷基"也包括面代 烷基。
[0031] 此外，術語"烷基"包括"取代的烷基"，其指代在控類骨架的一個W上的碳上具有 替代氨的取代基的烷基組成部分。運樣的取代基可W包括例如徑基、幾基（諸如簇基、燒氧 基幾基、甲酯基或酷基）、硫幾基（諸如硫醋、硫乙酸醋或硫甲酸醋）、烷氧基、憐酷基、麟酸 醋、亞麟酸醋、氨基、氨酷基、脈、亞氨基、氯基、硝基、疊氮基、琉基、烷基硫基、硫酸醋、橫酸 醋、氨橫酷基、橫酷胺基、橫酷基、雜環(huán)基、芳烷基、或芳香族或雜芳族組成部分。本領域技術 人員應該理解，如果適當?shù)脑?，在控鏈上取代的組成部分本身可W被取代。例如，取代的燒 基的取代基可W包括取代和未取代形式的氨基、疊氮基、亞氨基、氨酷基、憐酷基（包括麟 酸醋和亞麟酸醋）、橫酷基（包括硫酸醋、橫酷胺基、氨橫酷基和橫酸醋）和甲娃烷基，W及 酸、烷基硫基、幾基（包括酬、醒、簇酸鹽和醋）、-CN等。W下描述了示例性的取代的烷基。 環(huán)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等進一步取 代。在某些實施方式中，烷基是未取代的。在某些實施方式中，烷基是未取代的直鏈或支鏈 烷基基團。
[0032] 術語"面代烷基"指代上面定義的烷基基團，除了一個W上的氨原子被面素所替 代。
[0033] 術語"亞烷基"指代未取代的直鏈或支鏈烷基基團的雙自由基。
[0034] 術語"芳烷基"和"燒芳基"是本領域公知的，并且指代由芳基基團（如芳香族或 雜芳族基團）取代的烷基基團。
[0035] 術語"締基"和"烘基"是本領域公知的，并且指代不飽和脂肪族基團，與上面描述 的烷基長度類似并可W被取代，但是分別包含至少一個雙鍵或Ξ鍵。
[0036] 術語"雜原子"是本領域公知的，并且指代除碳和氨外任意元素的原子。示意性的 雜原子包括棚、氮、氧、憐、硫和砸。
[0037] 術語"芳基"在本領域中是公知的，并且是指五元、六元和屯元單環(huán)芳香族基團，其 可W包括零至四個雜原子，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。在環(huán)結構中具有雜原子的那些芳基也可W稱為"雜芳基"或"雜芳族"。 芳香環(huán)可W在一個或多個環(huán)位置處被如上所述的那些取代基取代，例如面素、疊氮化物、燒 基、芳烷基、締基、烘基、環(huán)烷基、徑基、烷氧基、氨基、硝基、琉基、亞氨基、氨酷基、麟酸醋、亞 麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、橫酷基、橫酷胺基、酬、醒、醋、雜環(huán)基、芳香族 或雜芳族組成部分、-CF3或-CN等。術語"芳基"還包括具有兩個W上環(huán)狀環(huán)的多環(huán)狀環(huán)系 統(tǒng)，其中兩個W上碳為兩個相鄰環(huán)所共有（所述環(huán)是"稠合環(huán)"），其中所述環(huán)中的至少一個 是芳香族的，其他的環(huán)狀環(huán)可W是例如環(huán)烷基、環(huán)締基、環(huán)烘基、芳基和/或雜環(huán)基。
[003引術語"雜環(huán)基"、"雜環(huán)基團"或"雜環(huán)組成部分"是本領域公知的，并且指代Ξ元至 約十元的環(huán)狀結構，可任選地指代Ξ元至約屯元的環(huán)狀結構，其環(huán)狀結構包括一至四個雜 原子。雜環(huán)也可W是多環(huán)。雜環(huán)基團包括，例如嚷吩、嚷蔥、巧喃、化喃、異苯并巧喃、苯并 化喃、氧雜蔥、苯酪氧雜蔥、化咯、咪挫、化挫、異嚷挫、異嗯挫、化晚、化嗦、喀晚、化嗦、嗎I噪 嗦、異嗎I噪、嗎I噪、嗎I挫、嚷嶺、哇嗦、異哇嘟、哇嘟、獻嗦、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、化咯燒、四氨巧 喃（oxolane)、四氨硫雜茂（thiolane)、嗯挫、贓晚、贓嗦、嗎嘟、內(nèi)醋、內(nèi)酷胺諸如氮雜環(huán)下 酬和化咯燒酬、橫內(nèi)酷胺、橫內(nèi)醋等。雜環(huán)的環(huán)可任選地在一個或多個位置處被如上所述的 那些取代基取代，例如面素、烷基、芳烷基、締基、烘基、環(huán)烷基、徑基、氨基、硝基、琉基、亞氨 基、氨酷基、麟酸醋、亞麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、橫酷基、酬、醒、醋、雜環(huán) 基、芳香族或雜芳族組成部分、-CF3或-CN等。
[0039] 術語"多環(huán)"、"多環(huán)基團"或"多環(huán)組成部分"是本領域公知的，并且指代其中兩 個W上碳為兩個相鄰環(huán)所共有的兩個W上的環(huán)（如環(huán)烷基、環(huán)締基、環(huán)烘基、芳基和/或雜 環(huán)），如所述環(huán)是"稠合環(huán)"。通過不相鄰的原子結合的環(huán)術語稱為"橋接"環(huán)。多環(huán)的每個 環(huán)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、環(huán)烷基、徑基、 氨基、硝基、琉基、亞氨基、氨酷基、麟酸醋、亞麟酸醋、幾基、簇基、甲娃烷基、酸、烷基硫基、 橫酷基、酬、醒、醋、雜環(huán)基、芳香族或雜芳族組成部分、-CF3或-CN等。 W40] 術語"硝基"是本領域公知的，并且指代-N02;術語"面素"是本領域公知的，并且 指代-F、-C1、化或-I;術語"琉基"是本領域公知的，并且指代-SH;術語"徑基"指代-0H;W及術語"橫酷基"是本領域公知的，并且指代-S化。"面化物"指代面素的對應陰離子，并 且"類面化物"具有如Cotton和Wilkinson所著"4(1￥日11。6(1111〇1~腳11：[(；01611115付￥"中闡述 的定義。
[0041] 術語"胺"和"氨基"是本領域公知的，并且指代未取代和取代的胺兩者，如可W由 下列通式表示的組成部分：
[0042]
陽0創(chuàng)其中Rs。、RsnRs2和Rs3各自獨立地表示氨、烷基、締基、-畑2)m-Rei，或者Rso和Rsi與它們附連的N原子合在一起完成在環(huán)結構中具有4至8個原子的雜環(huán)；Rei表示芳基、環(huán) 烷基、環(huán)締基、雜環(huán)或多環(huán)；并且m是0或1至8范圍內(nèi)的整數(shù)。在某些實施方式中，Rs。或 起1中只有一個可W是幾基，例如和氮一起不形成酷亞胺。在其他實施方式中，Ra：和 咕1(W及可選擇的起2)各自獨立地表示氨、烷基、締基或-(CH2)m-Rei。因此，術語"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團，即Rw和R51的至少 一個是烷基基團。
[0044] 術語"酷胺基"是本領域公知的，并且指代可W由下列通式表示的組成部分：
[0045]
[0046] 其中Rs。如W上定義，并且Rs4代表氨、烷基、締基或-畑2)m-Rei，其中m和Rei如W 上定義。
[0047] 術語"氨酷基"是本領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 組成部分：
[0048]
[0049] 其中咕。和Rw如W上定義。在本發(fā)明的酷胺的某些實施方式中，將不包括可能不 穩(wěn)定的酷亞胺。
[0050] 術語"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團。在某 些實施方式中，"烷基硫基"組成部分由-S-烷基、-S-締基、-S-烘基和-S-(CH2)m-Rei中的 一個表示，其中m和Rei如W上定義。代表性的烷基硫基基團包括甲硫基、乙硫基等。
[0051] 術語"幾基"是是本領域公知的，并且包括可W由下列通式表示的組成部分：
[0052]
陽05引其中Xs。是鍵或者表示氧或硫，并且R55和R5康示氨、烷基、締基、-畑2)m-Rei或藥 學上可接受的鹽，Rse表示氨、烷基、締基或-(CH2)m-Rei，其中m和Rei如W上定義。當X?是 氧并且起5或RW不是氨時，該式表示"醋"。當XW是氧，并且RJraW上定義時，本文中將該 組成部分指稱為簇基基團，并且特別地，當是氨時，該式表示"簇酸"。當X5。是氧，并且 Rw是氨時，該式代表"甲酸醋"。一般來說，當上式的氧原子被硫替代時，該式表示"硫代幾 基"基團。當而。是硫并且R55或Rse不是氨時，該式表示"硫醋"。當X5。是硫并且R55是氨 時，該式表示"硫代簇酸"。當而。是硫并且Rw是氨時，該式表示"硫代甲酸醋"。另一方面， 當而。是鍵，并且R55不是氨時，上式表示"酬"基團。當X5。是鍵，并且R55是氨時，上式表示 "醒"基團。
[0054] 術語"烷氧基"或"燒氧"是本領域公知的，并且指代具有接附于其上的氧的如W 上定義的烷基。代表性的烷氧基基團包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、叔下氧基等。"酸"是由 氧共價連接的兩個控類。因此，使烷基成為醋的烷基的取代基是或類似于烷氧基，諸如可W 由-0-烷基、-0-締基、-0-烘基、-0-(CH2)m-Rei的一個表示，其中m和RΜ如W上所述。 陽化5] 術語"橫酸鹽"是本領域公知的，并且指代可W由下列通式表示的組成部分：
[0056]
[0057] 其中R"是電子對、氨、烷基、環(huán)烷基或芳基。
[0058] 術語"硫酸鹽"是本領域公知的，并且包括可W由下列通式表示的組成部分：
[0059]
[0060] 其中Rs7如W上定義。
[0061] 術語"橫酷氨基"是本領域公知的，并且包括可W由下列通式表示的組成部分：
[0062]
陽〇6引其中Rs。和R5孤W上定義。 W64] 術語"氨橫酷基"是本領域公知的，并且指代可W由下列通式表示的組成部分： 陽0化]
[0066] 其中Rs。和R5勸W上定義。
[0067] 術語"橫酷基"是本領域公知的，并且指代可W由下列通式表示的組成部分：
[0068]
[0069] 其中Rss是下列之一：氨、烷基、締基、烘基、環(huán)烷基、雜環(huán)基、芳基或雜芳基。
[0070] 術語"亞諷基"是本領域