張泱泱，申劍冰，姚 成

(南京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，南京210009)

一種新型亞酞菁熒光探針的合成、表征及動物活體成像研究

張泱泱，申劍冰，姚 成

(南京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，南京210009)

以4-氨基鄰苯二腈、無水ZnCl2、葉酸等為原料，經(jīng)固相合成法制備了三取代氨基亞酞菁鋅(NH2-Sub-Pc-Zn)，進(jìn)一步通過酰胺反應(yīng)合成了葉酸修飾的三取代氨基亞酞菁鋅(FA-Pc)。采用MTT方法評價(jià)了NH2-Sub-Pc-Zn、FA-Pc以及四取代氨基酞菁鋅(NH2-Pc-Zn)對Hela細(xì)胞的毒性，毒性試驗(yàn)表明，加入2 mg/mL FA-Pc，Hela細(xì)胞的抑制率超過60%；同時(shí)研究了FA-Pc的活體成像特性，近紅外熒光成像結(jié)果表明，F(xiàn)A-Pc定向聚集在裸鼠的腫瘤肝腎部位且可以穩(wěn)定12 h。因此說明FA-Pc可用于活體肝癌的選擇性成像。

癌細(xì)胞；葉酸；亞酞菁

酞菁及金屬酞菁由于具有奇特的光電性能，多年來一直受到廣泛研究，在電致發(fā)光、催化、生物分子探針等領(lǐng)域顯示了很好的應(yīng)用前景[1]。對高熒光三階量子化產(chǎn)率[2]的酞菁配合物進(jìn)行功能性修飾[3]，可以使得酞菁配合物在生物近紅外探針領(lǐng)域中成為明星分子。Chen等[4]以四氨基鋁酞菁為紅區(qū)熒光底物，構(gòu)建了過氧化物酶和H2O2的熒光分析測定方法。Chen等[5]以四磺酸基鋁酞菁為熒光探針，構(gòu)建了血清蛋白、白蛋白及球蛋白熒光測定方法，并討論了酞菁配合物與牛血清白蛋白的相互作用。呂豐等[6]設(shè)計(jì)合成了半乳糖酞菁近紅外熒光探針，其設(shè)計(jì)的分子探針改善了酞菁的分子溶解性、生物相容性，并且可以靶向性地定位腫瘤細(xì)胞。黃劍東[7]利用Si的配位能力，合成了一種新型軸向酞菁硅配合物，該配合物用葉酸進(jìn)行修飾，可以作為特異性選擇宮頸癌細(xì)胞的近紅外探針。但是由于這些酞菁類探針的相對分子質(zhì)量過大，生物相容性不好，往往限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

合成酞菁類配合物(酞菁配合物及亞酞菁配合物)產(chǎn)率較高的方法主要就是惰性溶劑法和催化劑法2種[8]。惰性溶劑法往往對工藝流程要求比較復(fù)雜[9-10]。而催化劑法在合成過程中的合成周期比較長，且后處理比較復(fù)雜[11]。如何高效簡潔地在溫和條件下合成出酞菁配合物，且在后處理中使用簡單的分離技術(shù)就可得到高純度酞菁配合物現(xiàn)已成為研究酞菁的方向。

為了解決這個(gè)問題，筆者優(yōu)化一種新的合成和純化亞酞菁的途徑。利用固相法在加熱的反應(yīng)條件下合成三取代氨基亞酞菁鋅(NH2-Sub-Pc-Zn)，該方法成本較低且毒性小，提純簡單，得到的亞酞菁鋅產(chǎn)率也較高(達(dá)到50%)。通過酰胺反應(yīng)將葉酸基團(tuán)連接上亞酞菁鋅，得到三取代葉酸亞酞菁鋅(FA-Pc)，以期達(dá)到對亞酞菁鋅進(jìn)行功能性修飾的目的，為以后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑及儀器

4-氨基鄰苯二甲腈，試劑級，石家莊埃法化學(xué)科技有限公司；鉬酸銨，試劑級，西隴化工股份有限公司；尿素，試劑級，西隴化工股份有限公司；葉酸(FA)，試劑級，中國國藥試劑；2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N,N,N′,N′-四甲基脲六氟磷酸酯(HATU)、試劑級，N,N-二異丙基乙胺(DIPEA)、試劑級，北京百靈威科技有限公司；四取代氨基酞菁鋅(NH2-Pc-Zn)，實(shí)驗(yàn)室自制。

TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；LS 50B型熒光分光光度計(jì)，Perkin公司；AV-500/AV-300型核磁共振波譜儀(1H NMR)，德國Bruker公司；LCTIM型飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF-MS)，英國Micromass公司；MODEL7404型激光器，英國Intense公司；FX-Kodakinvivo型動物活體成像，伊士曼柯達(dá)醫(yī)療集團(tuán)公司；MK3-Thermo Labsystems Multiskan Spectrum型酶標(biāo)儀，美國Bio Tek公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 修飾亞酞菁的合成

合成路線見圖1所示。

圖1 合成路線Fig.1 Synthesis methods

1.2.2 合成方法

1)三取代氨基亞酞菁鋅

4-氨基鄰苯二腈2.14 g(15 mmol)、鉬酸銨(0.05 g)、尿素(10 g)混合研磨均勻后放入坩堝中，用酒精燈加熱直至完全熔融，加入無水ZnCl20.677 g(5 mmol)，繼續(xù)加熱直至不再有深色固體析出。冷卻后用100 mL、1 mol/L HCl煮洗1 h，過濾，水洗至中性，濾餅再用100 mL、1 mol/L NaOH煮洗0.5 h，過濾水洗至中性，濾餅用丙酮、二氯甲烷、水洗滌，真空干燥。稱質(zhì)量1.16 g，產(chǎn)率50%。1H NMR(500 MHz,二甲基亞砜):δ=7.61～7.63(m,3H,Ar-H),δ=7.77(s,3H,Ar-H),δ=8.27～8.35(q,6H,-NH2),δ=8.42(s,3H,Ar-H)表征譜圖見圖2、圖3。TOF-MS:m/z=404.1[M—3NH2—Zn+Na+]，表征譜圖見圖4。

圖2 三取代氨基亞酞菁鋅1H NMRFig.2 1H NMR spectra of 3-amino- sub-phthalocyanine-Zn

圖3 三取代氨基亞酞菁鋅放大1H NMRFig.3 1H NMR amplifying spectra of 3-amino- sub-phthalocyanine-Zn

圖4 三取代氨基亞酞菁 TOF-MSFig.4 TOF-MS spectrometry of 3-amino- sub-phthalocyanine-Zn

2)三取代葉酸亞酞菁鋅

三口燒瓶中依次加入葉酸705 mg(1.5 mmol)、DIPEA(1 600 mg)，再加入3 mL無水DMF，攪拌20 min；向混合物中加入三取代氨基亞酞菁鋅128 mg(0.3 mmol)和HATU 600 mg，補(bǔ)加DMF 5 mL，N2氣保護(hù)；室溫反應(yīng)17 h，避光；過濾，用水、二氯甲烷多次萃取，產(chǎn)物集中在水層，脫溶，真空干燥；稱質(zhì)量330 mg，產(chǎn)率60%。TOF-MS碎片離子峰：葉酸m/z=440.2[M+H+]；2片縮合的1,3-二亞胺基異吲哚啉亞單元(C6H4)2C4N5H4，m/z=286.6[M+H+],表征譜圖見圖5。

圖5 三取代葉酸亞酞菁鋅 TOF-MS Fig.5 TOF-MS spectrometry of folic acid modified sub-phthalocyanine

1.2.3 生物實(shí)驗(yàn)方法

1)MTT實(shí)驗(yàn)

稱取50 mg MTT溶解于10 mL PBS中，配制成5 mg/mL MTT溶液。酞菁溶液的配制：用DMSO溶解NH2-Pc-Zn、NH2-Sub-Pc-Zn、FA-Pc。所用PBS配方如下：PBS(0.02 mol/L，pH 7.2～7.4)KH2PO40.2 g ；Na2HPO4·12H2O 2.9 g ；NaCl 8.0 g；KCl 0.2 g。

狀態(tài)良好的Hela細(xì)胞(人宮頸癌細(xì)胞)接種于96孔培養(yǎng)板，每孔加入50 μL細(xì)胞懸浮液，貼壁培養(yǎng)生長24 h。向96孔培養(yǎng)板加入試樣，第一排加入10 μL的PBS作為空白，第二排依次加入濃度不同的NH2-Pc-Zn、NH2-Sub-Pc-Zn、FA-Pc的溶液，培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)終止后，小心吸棄孔內(nèi)的培養(yǎng)液。每孔加入150 uL DMSO，振蕩器振蕩10 min，使結(jié)晶物充分溶解，待紫色結(jié)晶全部溶解后，用酶標(biāo)儀測量吸光度。

2)FA-Pc活體成像實(shí)驗(yàn)

①肝癌腫瘤模型的建立 本實(shí)驗(yàn)小鼠為純種昆明小鼠，無菌條件下將濃度為2.0×106L-1的H-22肝癌細(xì)胞液腹腔注射0.2 mL。培養(yǎng)2周后，無菌條件下，抽取含肝癌細(xì)胞的腹水2 mL，生理鹽水稀釋3倍，抽取上述稀釋液0.2 mL，將其接種于不同分組BALB/c裸鼠的小鼠右前肢腋下部位，使其在肝腎部位形成直徑約為1 cm的實(shí)體瘤。

②裸鼠活體分段成像 為了避免小鼠皮毛對實(shí)驗(yàn)熒光效果的影響，本實(shí)驗(yàn)小鼠為BALB/c裸鼠。以質(zhì)量濃度0.9%生理鹽水作為溶劑，配置0.2 mg/mL的三取代氨基亞酞菁鋅、0.2 mg/mL三取代葉酸亞酞菁鋅溶液，無菌條件下依次抽取上述溶液各0.2 mL，尾靜脈注射。分別在1、6、12 h時(shí)間段采點(diǎn)觀測效果，空白組作為對照。將實(shí)驗(yàn)組與空白組并排置于熒光成像系統(tǒng)中，選擇625 nm為激發(fā)波長，進(jìn)行圖像采集，并對其進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征結(jié)果

2.1.1 三取代氨基亞酞菁鋅紫外-可見吸收光譜

采用紫外-可見吸收光譜對一定濃度的三取代氨基亞酞菁鋅進(jìn)行分析，測量范圍350～800 nm，所用試劑DMF為分析純，測試結(jié)果見圖6。

圖6 三取代氨基亞酞菁鋅紫外吸收光譜Fig.6 Ultraviolet absorption spectrum of 3-amino-sub-phthalocyanine-Zn

2.1.2 三取代氨基亞酞菁鋅熒光光譜

圖7為三取代氨基亞酞菁鋅在DMF中的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。由圖7可知，三取代氨基亞酞菁鋅激發(fā)波長為620 nm，最大發(fā)射波長為700 nm。

圖7 三取代氨基亞酞菁鋅熒光光譜Fig.7 Fluorescence spectrometry of 3-amino- sub-phthalocyanine-Zn

2.1.3 三取代葉酸亞酞菁鋅的質(zhì)譜

采用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜確定所合成的FA-Pc的裂解分子離子峰。由圖2可知：2個(gè)主要的分子離子峰與理論值基本一致，葉酸裂解失去H+的離子峰(理論值為439.9)；亞酞青裂解為2個(gè)合并的1，-3-二亞胺基異吲哚啉亞單元的離子峰(理論值為286.1)，由此可以確定三取代葉酸亞酞菁鋅的分子式為Zn(Ⅱ)[C6H3(CN)2(NH)]3[C19H16N7O3]3，譜圖見圖8。

圖8 葉酸修飾的亞酞菁鋅的質(zhì)譜Fig.8 Folic acid modified sub-phthalocyanine To F-MS mass spectrometry

2.2 MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)分為對照組和實(shí)驗(yàn)室組，對照組中不加入酞菁配合物，由表1～表3可以看出：隨著細(xì)胞濃度的增加，其吸光度是不斷增加的，證明本文0.02 mol/L濃度的PBS溶液對所培養(yǎng)的Hela癌細(xì)胞無毒害作用，可用作實(shí)驗(yàn)溶劑。實(shí)驗(yàn)組將FA-Pc、NH2-Pc-Zn、NH2-Sub-Pc-Zn分別設(shè)為3個(gè)濃度組，即0.02、0.2和2 mg/mL。根據(jù)表1～表3中MTT的對照組和實(shí)驗(yàn)組吸光度計(jì)算它們對Hela細(xì)胞的抑制率，結(jié)果見圖9。

由圖9可以看出，在相同的濃度下FA-Pc相對于另外2個(gè)探針對Hela細(xì)胞的抑制率最大，且隨著質(zhì)量濃度的增大，抑制率呈增長趨勢。NH2-Pc-Zn、NH2-Sub-Pc-Zn質(zhì)量濃度增大到0.2 mg/mL時(shí)，它們的抑制率是保持增長趨勢的。但是，當(dāng)它們的質(zhì)量濃度增大到2 mg/mL時(shí)，NH2-Sub-Pc-Zn抑制率下降，呂琳等[12]報(bào)道并測定了酞菁配合物的二聚常數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其濃度增大，單體會快速聚集形成二聚體，從而減低了其對Hela癌細(xì)胞的抑制作用；而NH2-Pc-Zn的抑制率只有微量的提高。以上結(jié)果表明，F(xiàn)A-Pc可以隨著質(zhì)量濃度的增大至2 mg/mL時(shí)仍無聚集效應(yīng)，在溶液中以單體形式存在，能夠有效抑制癌細(xì)胞的生長，且在2 mg/mL時(shí)對Hela細(xì)胞的抑制率超過了半數(shù)，具有良好的抑制效果。

圖9 MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of MTT in figure

組 別吸光度第1次第2次第3次吸光度平均值對照組1.5311.3341.4211.4290.02mg/mLFA-Pc1.1821.1191.0511.1170.02mg/mLNH2-Pc-Zn1.0251.3311.1631.1730.02mg/mLNH2-Sub-Pc-Zn1.5021.2481.3531.367

注：細(xì)胞接板數(shù)目為5 000個(gè)/孔。

表2 B組MTT實(shí)驗(yàn)吸光度數(shù)據(jù)Table 2 MTT assay absorbance data of Group B

注：細(xì)胞接板數(shù)目為10 000個(gè)/孔。

表3 C組MTT實(shí)驗(yàn)吸光度數(shù)據(jù)Table 3 MTT assay absorbance data of Group C

注：細(xì)胞接板數(shù)目為15 000個(gè)/孔。

2.3 FA-Pc活體成像實(shí)驗(yàn)

2.3.1 FA-Pc定位原理

圖10為合成的探針可定位腫瘤細(xì)胞原理，葉酸定位葉酸受體的主要官能基團(tuán)是葉酸分子中的蝶酸部分，它含有1個(gè)羧基，可以特異性的選擇葉酸受體，并與其結(jié)合。合成探針選擇酰胺反應(yīng)的催化劑時(shí)，需保持定位羧基的低活性，讓葉酸的另一個(gè)位于с位的羧基參與酰胺反應(yīng)，與氨基亞酞菁鍵合生成目標(biāo)探針分子。

圖10 葉酸亞酞菁探針原理Fig.10 Principle diagram of folic acid sub-phthalocyanine probe

2.3.2 裸鼠活體預(yù)成像結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)組(注射0.2 mg/mL FA-Pc探針的裸鼠)與對照組(空白注射裸鼠)并排置于熒光呈像系統(tǒng)中，分別對實(shí)驗(yàn)組和對照組進(jìn)行白光采集，再對實(shí)驗(yàn)組和對照組在不同激發(fā)波長下的熒光成像圖片進(jìn)行自動分析和疊加，形成預(yù)成像結(jié)果圖，如圖11所示，通過在裸鼠體內(nèi)的預(yù)成像實(shí)驗(yàn)，初步測定了葉酸亞酞菁鋅作為近紅外探針的體內(nèi)成像效果。通過1 h后對實(shí)驗(yàn)組圖像的采集和疊加，發(fā)現(xiàn)在裸鼠的肝腎部位有明顯熒光，證明FA-Pc主要于裸鼠的肝腎部位聚集。

圖11 裸鼠活體預(yù)成像結(jié)果Fig.11 Nude mice in vivo pre-imaging results

2.3.3 裸鼠活體分段成像結(jié)果

在圖12中，B組為注射NH2-Sub-Pc-Zn組，A組為注射FA-Pc組。通過分段時(shí)間觀察裸鼠的肝癌腫瘤模型發(fā)現(xiàn)，A組相對B組具有明顯的靶向性。觀察發(fā)現(xiàn)1 h后，NH2-Sub-Pc-Zn發(fā)生全身性的擴(kuò)散，主要集中在裸鼠的膀胱部位，證明在1 h內(nèi)NH2-Sub-Pc-Zn已經(jīng)開始被裸鼠代謝掉，這是因?yàn)槠浞肿又袥]有靶向性葉酸基團(tuán)，而FA-Pc中的葉酸分子卻起到了很好的導(dǎo)向作用，能將亞酞菁定位在腫瘤部位。

圖12 FA-Pc活體分段成像Fig.12 Subparagraph FA-Pc in vivo imaging

6 h后，NH2-Sub-Pc-Zn組膀胱部位的熒光強(qiáng)度減弱，證明NH2-Sub-Pc-Zn在裸鼠體內(nèi)的代謝速率較快。FA-Pc實(shí)驗(yàn)組裸鼠腫瘤部位的熒光強(qiáng)度有微弱減少，證明FA-Pc在裸鼠體內(nèi)的代謝速率適中。

12 h后，NH2-Sub-Pc-Zn在裸鼠體內(nèi)的熒光基本消失，證明NH2-Sub-Pc-Zn在進(jìn)入裸鼠體內(nèi)后是被裸鼠不斷代謝掉的，沒有靶向性。FA-Pc在12 h后腫瘤部位仍有較弱的熒光，證明12 h后FA-Pc仍有對肝癌細(xì)胞的靶向功能。

3 結(jié) 論

利用三取代氨基亞酞菁鋅為原料合成了一種新型的三取代葉酸亞酞菁鋅探針；同時(shí)利用合成的三取代葉酸亞酞菁鋅探針進(jìn)行了細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其具備一定的癌細(xì)胞抑制效果，當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到2 mg/mL的時(shí)候，抑制率超過了半數(shù)；研究還發(fā)現(xiàn)合成的三取代葉酸亞酞菁鋅探針具有較好的腫瘤定位效果，熒光強(qiáng)度隨著其在裸鼠體內(nèi)被不斷代謝掉而不斷減弱，同時(shí)通過裸鼠活體分段成像發(fā)現(xiàn)熒光持續(xù)時(shí)間相對較長，可達(dá)到10 h以上，可以在短時(shí)間內(nèi)作為檢測腫瘤細(xì)胞的熒光探針以觀測腫瘤大小和腫瘤位置的變化，具有一定的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 周曉薇)

Synthesis,characterization and animal whole-body fluorescence imagingapplication of a new sub-phthalocyanine fluorescent probe

ZHANG Yangyang,SHEN Jianbin,YAO Cheng

(College of Sciences,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)

Zine amino-sub-phthalocyanine(NH2-Snb-Pc-Zn) was prepared by solid-state reaction of 4-aminophthalonitrile,anhydrous zinc chloride,folic acid,amidation of the carboxyl.Folic acid(FA) modified Pc (FA-Pc) complexes were obtained by MTT method to evaluate the toxicity to Hela cells with NH2-Sub-Pc-Zn,FA-Pc and four substituted amino-zinc-phthalocyanine(NH2-Pc-Zn).Toxicity test results showed that 2 mg/mL of FA-Pc led to the inhibition rate of Hela cells of more than 60%.The FA-Pc in vivo imaging characteristics were studied,near-infrared fluorescence imaging results showed that FA-Pc gathered directional in nude mice’ s tumor hepatorenal areas was stable for 12 h.FA-Pc could be used for whole-body fluorescence imaging.

cancer cells;folic acid;sub-phthalocyanine

10.3969/j.issn.1672-3678.2014.02.014

2013-05-24

江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(2012CXZZ12-0444)；南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2009KL09-9)

張泱泱(1986—)，男，安徽蕪湖人，碩士，研究方向：新型探針分子設(shè)計(jì)與合成；姚 成(聯(lián)系人)，教授，E-mail:yaocheng@njtech.edu.cn

Q279

A

1672-3678(2014)02-0070-07