一种水溶性线粒体靶向成像探针及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水溶性线粒体靶向成像探针及其制备方法。该水溶性线粒体靶向成像探针的结构式可为式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ所示化合物，也可为式Ⅳ、式Ⅴ或式Ⅵ所示化合物。本发明专利技术水溶性线粒体靶向成像探针具备良好的水溶性、耐光漂白性、热稳定性好的特点；具备较低的毒性和较高的灵敏度，以Hela、MCF-7和NIH-3T3细胞为模型通过激光共聚焦考察了该荧光探针在细胞内的分布情况，结果表明该探针主要分布在线粒体内，具有良好的靶向性。证明该探针对癌细胞和非癌细胞都具有较高的线粒体靶向成像的特点，将为从时间和空间上对细胞内超氧自由基进行定量研究提供有效手段，进而为揭示活性氧自由基的病理学与生理学奠定基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水溶性线粒体靶向成像探针及其制备方法，属于分子成像领域。
技术介绍
线粒体从发现到如今已经被研究了150多年了，在长期的研究中人们发现线粒体具备广泛的功能。从最早我们知道的线粒体(mitochondrion)是细胞中制造能量的结构单元，是真核生物进行氧化代谢产生三磷酸腺苷ATP的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。除此之外，在长期的研究中科学家发现线粒体还具备储备和控制细胞中钙离子动态平衡，调节膜电位并控制细胞程序性死亡，以及参与细胞增殖与细胞代谢的调控等功能。生物体内自由基是来自机体正常生理代谢过程和生存环境诱导产生的不稳定中间产物，它是细胞信号转导的重要信使分子，与生物体内各种生理作用及病理现象密切相关。大量研究表明，动物细胞内的自由基有99％来自线粒体的电子传递链上，线粒体是对各种损伤最为敏感的细胞器之一。线粒体是直接利用氧气制造能量的部位，人体内吸入的90％以上氧气被线粒体消耗掉。同时，氧气在被线粒体利用的过程中会产生大量的活性氧自由基ROS损伤生物体而产生毒性。活性氧在生物体中处于一个氧化-还原平衡的水平，ROS过多或者过少都会对细胞和生物体造成氧化损伤，这也是生物体衰老的主要原因，线粒体损伤到一定程度细胞就会衰老死亡以及导致一系列的疾病。线粒体疾病是由于线粒体DNA突变引起的功能不正常而导致的一些疾病。广义的线粒体疾病还包括由细胞核编码的线粒体蛋白突变而造成的功能不正常。不同严重程度的线粒体疾病主要影响大脑，心脏和肌肉。根据细胞在体内受到影响，其症状可包括：生长缓慢，失去肌肉的协调性，肌肉无力，发育迟缓，精神发育迟滞，学习障碍，视觉和/或听觉有问题的，心脏，肝脏或肾脏疾病，胃肠功能紊乱，呼吸系统疾病，糖尿病，严重的便秘，增加感染的风险，神经系统的问题，甲状腺功能异常，癫痫发作，痴呆等等。线粒体疾病往往是一大类遗传代谢病，主要包括糖尿病，线粒体肌病，耳聋，进行性眼外肌麻痹，铁粒幼细胞贫血，细胞外基质慢性游走性红斑，肌红蛋白尿电机神经元疾病，孤独症，卢伽雷氏病，肌营养不良症，慢性疲劳、肌阵挛(癫痫)，线粒体脑肌病(中风、帕金森氏症、阿尔默兹疾病等)，婴儿猝死综合征等疾病。因此有关线粒体的研究对疾病的预防、治疗和诊断显得尤为重要，并迅速成为近年来被广泛研究的热点。在对线粒体的研究中，首先要找到线粒体即对线粒体定位和成像。线粒体是由线粒体外膜(OMM)、线粒体膜间隙、线粒体内膜(IMM)和线粒体基质四个部分组成。其中线粒体外膜包含一种称为“孔蛋白”的整合蛋白，其内部通道宽约2-3nm，分子量小于5000Da的分子可以完全通透。线粒体在呼吸氧化过程中，将所产生的能量以电化学势能储存于线粒体内膜，在内膜两侧造成质子及其他离子浓度的不对称分布而形成线粒体膜电位(Mitochondrialmembranepotential，MMP)。正常的MMP是维持线粒体进行氧化磷酸化、产生三磷酸腺苷的先决条件,MMP的稳定有利于维持细胞的正常生理功能。很多探针均是基于MMP的静电吸引将目标分子定向导入到细胞线粒体。目前常用的对线粒体成像探针中，以MitoTrackerRed、JC-1和MitoTrackerGreenFMProbe等应用最为广泛。但这些探针都因分子量过大而显得水溶性较差，其中MitoTrackerRed和JC-1具有极弱的光漂白作用，长时间照射后荧光淬灭很快，不利于长时间实时追踪线粒体的变化。因此，设计和研究制备水溶性好，毒性低和强耐光漂白的线粒体成像探针成为目前研究的热点和重点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水溶性线粒体靶向成像探针及其制备方法，该线粒体靶向成像探针水溶性好、热稳定高且强耐光漂白。本专利技术提供的化合物，其结构式为式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ，式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ中：M+可为R3P+或R3N+，R可为碳原子数可为2～8的链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；X-可为Cl-、Br-或I-；m可为2～4的整数，n可为2～8的整数；Q可为R2N或RNH，R可为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基。上述式Ⅰ所示化合物中，M+为具体可为R3P+，R为苯基，X-为Br-；m具体可为2，n具体可为4；Q具体可为R2N，R为甲基，即式Ⅰ所示化合物的结构式具体可如下：本专利技术进一步提供了上述化合物的制备方法，该制备方法以4-溴-1,8-萘二甲酸酐为原料，利用带正电基团可靶向跨过线粒体膜导入线粒体的特点，将带正电荷的官能团结合到4-溴-1,8-萘二甲酸酐衍生物上，得到上述线粒体靶向成像探针。4-溴-1,8-萘二甲酸酐是一类研究较早、应用较为广泛的荧光化合物之一，具有很高的热稳定性、耐光漂白性以及易于衍生化成水溶性化合物等优良性质。式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ所示化合物的制备方法，包括如下步骤：(1)在有机溶剂Ⅰ中，4-溴-1,8-萘二甲酸酐与H2N-(CH2CH2)m-D经缩合(酸酐与氨基)得到中间产物Ⅰ，中间产物Ⅰ中，m为2～4的整数，D为氨基或羟基；所述有机溶剂Ⅰ为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙腈、乙醇和甲醇中的任一种；(2)惰性气氛下，在有机溶剂Ⅱ中，所述中间产物Ⅰ中的溴被给电子基团Q取代，得中间产物Ⅱ；中间产物Ⅱ中，m为2～4的整数，D为氨基或羟基；Q为R2N或RNH，R为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；所述有机溶剂Ⅱ为乙腈、乙醇、甲醇和四氢呋喃中的任一种；(3)在有机溶剂Ⅲ中，R3A+X--(CH2-CH2)n-B与所述中间产物Ⅱ经下述1)、2)或3)，即得式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ所示化合物；1)当所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中B为羧基，所述中间产物Ⅱ中D为氨基时，经酰胺缩合(羧基与氨基)得到式Ⅰ所示化合物；R3A+X--(CH2-CH2)n-COOH中A为氮或磷，X-为Cl-、Br-或I-，n为2～8的整数，式Ⅰ中，M+为R3P+或R3N+，R为碳原子数为2～8的链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基，X-为Cl-、Br-或I-；中间产物Ⅱ或式Ⅰ中，Q为R2N或RNH，R为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基，n为2～8的整数，m为2～4的整数。2)当所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中B为溴，所述中间产物Ⅱ中D为氨基时，经取R3A+X--(CH2-CH2)n-Br中A为氮或磷，X-为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化合物，其结构式为式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ，式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ中：M+为R3P+或R3N+，R为碳原子数为2～8的链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；X‑为Cl‑、Br‑或I‑；m为2～4的整数，n为2～8的整数；Q为R2N或RNH，R为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基。

【技术特征摘要】
1.一种化合物，其结构式为式Ⅰ、式Ⅱ或式Ⅲ，
式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ中：M+为R3P+或R3N+，R为碳原子数为2～8的链状烷基、苯
基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；
X-为Cl-、Br-或I-；
m为2～4的整数，n为2～8的整数；
Q为R2N或RNH，R为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷
基取代的苯基。
2.权利要求1所述化合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)在有机溶剂Ⅰ中，4-溴-1,8-萘二甲酸酐与H2N-(CH2CH2)m-D经酰胺缩合得
到中间产物Ⅰ，
H2N-(CH2CH2)m-D和中间产物Ⅰ中，m为2～4的整数，D为氨基或羟基；
所述有机溶剂Ⅰ为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙腈、乙醇和甲醇中
的任一种；
(2)惰性气氛下，在有机溶剂Ⅱ中，所述中间产物Ⅰ中的溴被给电子基团Q取
代，得中间产物Ⅱ；
中间产物Ⅱ中，m为2～4的整数，D为氨基或羟基；Q为R2N或RNH，R为碳
原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；
所述有机溶剂Ⅱ为乙腈、乙醇、甲醇和四氢呋喃中的任一种；
(3)在有机溶剂Ⅲ中，R3A+X--(CH2-CH2)n-B与所述中间产物Ⅱ经1)、2)或3)
即得式Ⅰ、式Ⅱ和式Ⅲ所示化合物；
1)当所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中B为羧基，所述中间产物Ⅱ中D为氨基时，
经酰胺缩合得到式Ⅰ所示化合物；
2)当所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中B为溴，所述中间产物Ⅱ中D为氨基时，经取
代反应得到式Ⅱ所示化合物；
3)当所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中B为羧基，所述中间产物Ⅱ中D为羟基时，经
酯化反应得到式Ⅲ所示化合物；
所述R3A+X--(CH2-CH2)n-B中，R为碳原子数为2～8链状烷基、苯基或碳原子数
为2～8的烷基取代的苯基，A为氮或磷，X-为Cl-、Br-或I-，n为2～8的整数，B为羧
基或溴；
所述有机溶剂Ⅲ为乙腈、乙醇、甲醇、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳中
的任一种。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述酰胺缩合
的温度为40～120℃，时间为8～40h；
步骤(2)中，所述取代的温度为40～100℃，时间为1～8h；
步骤(3)中，1)中所述酰胺缩合、2)中所述取代反应或3)中所述酯化反应的
温度为10～40℃，时间为10～48h。
4.一种化合物，其结构式为式Ⅳ、式Ⅴ或式Ⅵ，
式Ⅳ、式Ⅴ和式Ⅵ中：M+为R3P+或R3N+，R为碳原子数为2～8的链状烷基、苯
基或碳原子数为2～8的烷基取代的苯基；

【专利技术属性】
技术研发人员：黄赛朋，杜立波，刘扬，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11