用作荧光生物探针的具有聚集诱导发光性质的生物相容纳米粒子及其在体外／体内成像中的应用方法技术

本发明专利技术开发了一种荧光生物探针、它的制备方法及其在体内外生物成像中的实际应用，所述荧光生物探针包含具有聚集诱导发光(AIE)特性的有机荧光化合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用作荧光生物探针的具有聚集诱导发光性质的生物相容纳米粒子及其在体外/体内成像中的应用方法相关申请本专利申请要求了分别于2011年9月1日和2012年3月14日提交的临时专利申请No.61/573,097和61/685,227的优先权，它们均是由本申请的专利技术人提交的，并且它们均通过引用的方式并入本文。
本专利技术的主题涉及具有聚集诱导发光(aggregationinducedemission)性质的荧光有机化合物的应用。以生物相容性聚合物为基质，可以将这些荧光化合物配制成为高亮度、低细胞毒性、被癌细胞选择性摄取的大小均匀的纳米粒子。因此，负载了荧光化合物的纳米粒子可用作体外和体内成像的荧光生物探针。
技术介绍
非侵入性活体动物荧光成像技术的出现为癌症的诊断和治疗开拓了新的发展道路。在远红外/近红外荧光(FR/NIR)区域(>650nm)具有强烈发光的荧光成像探针，因其能够克服光学吸收、光散射和生物介质的自身荧光的干扰，而受到越来越多的关注。迄今为止，一系列的材料，包括有机染料、荧光蛋白和无机量子点(QDs)，都已经广泛的应用于FR/NIR荧光成像的研究中。然而，有机染料和荧光蛋白摩尔吸光系数有限，光致漂白阈值较低；而无机量子点在氧化环境中具有高的细胞毒性(A.M.Derfusetal.,Nano.Lett.2004,4,11)。这些缺点极大的限制了有机染料、无机量子点和荧光蛋白在体外和体内成像方面的应用。荧光纳米粒子，如负载了有机荧光化合物的纳米粒子，已经发展成为新一代的生物成像纳米探针。它们表现出诸多优势，如合成多样性、低细胞毒性、高光稳定性和具有易得的对特定靶向作用的表面功能化。在实际的应用中，高亮度的纳米粒子非常有利于高对比度成像。在理想情况下，负载了荧光团的纳米粒子的亮度应该与包封的染料分子数量成正比。然而，在高负载率时，π共轭的荧光团易于聚集。聚集的形成通常会导致荧光淬灭，这是一个常见的物理现象，称为聚集引起荧光淬灭(ACQ)。ACQ效应导致纳米粒子很难具有高亮度。人们在放大具有ACQ性质的染料的荧光性方面做了很多的努力(美国专利No.7,883,900)。然而，即使在放大后，荧光信号也仅略微增强。大多数有机荧光团只在其溶液状态下发光，包括溴化乙啶(美国专利No.4,729,947、No.5,346,603、No.6,143,151和No.6,143,153)、尼罗红(美国专利No.6,897,297和No.6,465,208)、荧光胺(美国专利No.4,203,967)、邻苯二甲醛(美国专利No.6,969,615和No.6,607,918)和箐染料(美国专利No.5,627,027和No.5,410,030)。它们的发光在聚集状态下(例如，荧光染料高浓度态，成膜状态，固体粉末状态等)严重淬灭或者完全淬灭。因此，负载的染料浓度在纳米粒子里只能达到中等水平，导致可得到的荧光强度非常有限。因此在实际应用中，负载了有机荧光团的纳米粒子在体外和体内的生物成像(bioimaging)方面受到了很大的限制。因此，非常需要发展用于体外和体内成像，特别是活体动物成像的具有高生物相容性、强的光致漂白抗性和高效的发光亮度的荧光生物探针。
技术实现思路
本专利技术涉及了一系列新类型的、具有聚集诱导发光(AIE)特性的有机荧光化合物，其包含一种或多种荧光团以及一种或多种发色团。这些有机荧光基团在稀溶液中不发光，但可以通过聚集时分子内旋转受限这一机制诱导发光。相反，传统的发色团在固体状态下发生聚集引起荧光淬灭。本专利技术开发了一种结构设计的策略，通过共价键将传统的ACQ发色团与具有聚集诱导发光性质(AIE)的荧光团共价整合转变为高效的固态发光体。所得加合物继承了聚集诱导发光性质。由于电子共轭得以延长，与所得加合物的ACQ母体(其表现出聚集引起淬灭)相比，其发光红移。因此，本专利技术涉及开发和使用具有AIE特性的荧光化合物，这些荧光化合物是通过共价键将AIE荧光团与传统的发色团连接而具有AIE特性。本专利技术进一步涉及了开发具有AIE性质的有机荧光化合物，所述有机荧光化合物可作为荧光生物探针用于体外和体内成像。本专利技术特别涉及到荧光生物探针的开发和应用，所述荧光生物探针包括负载了荧光化合物的纳米粒子，所述负载了荧光化合物的纳米粒子包含具有AIE性质的荧光化合物，其中所述荧光化合物包含与一种或多种AIE荧光团连接的一种或多种发色团。负载了荧光化合物的纳米粒子具有荧光发射性质。此外，所述荧光化合物包含选自由以下成员构成的组中的骨架结构：其中R各自独立地选自下列成员：氢、烷基、不饱和烃基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和烷氧基，其中，X是能够与一种或多种荧光团连接的一种或多种发色团。本专利技术的另一方面涉及荧光生物探针的开发和应用，所述荧光生物探针包含负载了荧光化合物的纳米粒子，所述纳米粒子包含具有AIE特性的荧光化合物以及生物相容性聚合物基质。将具有AIE特性的荧光化合物与生物相容性聚合物基质结合，可以制备高亮度和低细胞毒性的大小均匀的纳米粒子。本专利技术的一个实施方案涉及了一种用于制备荧光生物探针的方法，所述荧光生物探针包含负载了荧光化合物的纳米粒子以及生物相容性聚合物基质，所述负载了荧光化合物的纳米粒子包含具有AIE特性的荧光化合物，所述方法如下：(a)制备包含有机溶剂(如四氢呋喃)和荧光化合物的溶液，(b)制备生物相容性聚合物的水溶液，(c)将包含所述有机溶剂和所述荧光化合物的溶液与所述水溶液混合一起，以及(e)除去所述有机溶剂从而形成所述负载了荧光化合物的纳米粒子。在此，负载了荧光化合物的纳米粒子表现出良好的癌细胞摄取能力和显著的肿瘤靶向能力，从而使该纳米粒子成为有效的荧光生物探针。使用纳米粒子作为探针可以以双光子荧光成像技术进行长时间跟踪细胞。此外，纳米粒子的荧光发射性可以借助两种方法(单独使用或同时使用)来进一步放大。一种方法是利用共轭聚合物作为荧光共振能量转移(FRET)供体。另一种方法是利用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽作为生物识别试剂来修饰纳米粒子表面，从而提高纳米粒子的癌细胞靶向能力。组合使用FRET供体和RGD试剂可以大大提高荧光的对比度(灵敏度高)和对肿瘤细胞体内外成像的选择性。因此，以生物相容性聚合物作为基质，负载了荧光化合物的纳米粒子可作为荧光生物探针用于癌症临床成像和诊断。本专利技术的另一个实施方案涉及一种荧光生物探针，其包括一种或多种具有AIE特性的荧光化合物，其中所述荧光化合物包含与一种或多种肽相连的一种或多种AIE荧光团，其中所述荧光化合物具有荧光发射性质，并且其中所述荧光化合物包含选自由下列成员构成的组中的一种或多种骨架结构:其中每个R独立地选自由以下基团构成的组：氢、烷基、不饱和烃基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、羧基、氨基、磺酸基、烷氧基等；其中R(X)是末端官能团，其独立地选自由以下基团构成的组：N3、NH2、COOH、NCS、SH、炔基、N-羟基丁二酰亚胺酯、马来酰亚胺、酰肼、硝酮、-CHO、-OH、卤素以及带电荷的离子基团；并且其中R(X)连接到一种或多种肽。本专利技术的另一个实施方案涉及上述荧光生物探针的制备方法，包括：(a)通过固相合成法制备包含末端炔基的肽，(b)配制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种荧光生物探针，包括负载了荧光化合物的纳米粒子，所述纳米粒子包含具有聚集诱导发光特性的荧光化合物，其中所述荧光化合物包含与一种或多种聚集诱导发光荧光团连接的一种或多种发色团，其中所述负载了荧光化合物的纳米粒子具有荧光发射性质，并且其中，所述荧光化合物包含选自由以下成员构成的组中的一种或多种骨架：其中，各R独立地选自由以下基团构成的组：氢、烷基、不饱和烃基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基和烷氧基，并且其中X是能够与一种或多种荧光团或生物识别性试剂或肽连接的一种或多种发色团。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.01 US 61/573,097;2012.03.14 US 61/685,2271.一种荧光生物探针，包括负载了荧光化合物的纳米粒子，所述纳米粒子包含具有聚集诱导发光特性的荧光化合物和生物相容性聚合物基质，其中所述荧光化合物包含与一种或多种聚集诱导发光荧光团连接的一种或多种发色团，其中所述负载了荧光化合物的纳米粒子具有荧光发射性质，并且其中，所述荧光化合物包含选自由以下成员构成的组中的一种或多种骨架：其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自由以下基团构成的组：氢、烷基、不饱和烃基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基和杂芳基，其中所述不饱和烃基是指支链或非支链的不饱和C2-C6碳氢链，其中所述不饱和烃基的任何碳原子可任选地被替换为O、NH、S或SO2。2.根据权利要求1所述的荧光生物探针，其中R1、R2、R3、R4各自可以被取代或未取代，并且独立地选自选自由以下基团构成的组：H、CnH2n+1、OCnH2n+1、C6H5、C10H7、和C12H9；其中n＝0到20。3.根据权利要求1所述的荧光生物探针，其中所述生物相容性聚合物基质选自由动物血清白蛋白、1,2-二硬脂酰-sn-甘油基-3-磷脂酰乙醇胺、聚乙二醇、聚芴撑、以及它们的混合物构成的组中。4.根据权利要求3所述的荧光生物探针，其中所述生物相容性聚合物基质选自由牛血清蛋白、1,2-二硬脂酰-sn-甘油基-3-磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇和1,2-二硬脂酰-sn-甘油基-3-磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇-叶酸构成的组。5.根据权利要求1-4中任一项所述的荧光生物探针，其中通过使用(a)作为荧光共振能量转移供体的共轭聚合物，或(b)作为生物识别性试剂的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽来修饰所述纳米粒子的表面进一步增强所述负载了荧光化合物的纳米粒子的荧光发射性。6.根据权利要求1-4中任一项所述的荧光生物探针，其中所述负载了荧光化合物的纳米粒子的大小为1nm至100,000nm。7.根据权利要求3中任一项所述的荧光生物探针，其中所述负载了荧光化合物的纳米粒子选自由以下成员构成的组：牛血清蛋白包封的纳米粒子、叶酸靶向纳米粒子以及精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸修饰的共负载了聚芴撑和TPE-TPA-DCM的牛血清蛋白纳米粒子，其中TPE-TPA-DCM具有如下化学结构：8.一种荧光生物探针，其包含一种或多种具有聚集诱导发光特性的荧光化合物，其中所述荧光化合物包含与一种或多种肽连接的一种或多种聚集诱导发光荧光团，其中所述荧光化合物具有荧光发射性质，并且其中所述荧光化合物包含选自由以下成员构成的组中的骨架结构：其中各R独立地选自由以下成员构成的组：氢、烷基、不饱和烃基、杂烷基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、羧基、氨基和磺酸基，其中所述不饱和烃基是指支链或非支链的不饱和C2-C6碳氢链，其中所述不饱和烃基的任何碳原子可任选地被替换为O、NH、S或SO2，；其中R(X)是末端官能团，其独立地选自由以下成员构成的组：N3、NH2、COOH、NCS、SH、炔基、N-羟基丁二酰亚胺酯、马来酰亚胺、酰肼和硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐本忠，秦玮，刘建钊，陈斯杰，郭子健，刘斌，李凯，丁丹，史海斌，耿军龙，孙景志，秦安军，赵秋丽，
申请(专利权)人：香港科技大学，新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81