Citation: Zhang Miao, Liu Fan, Ke Xijun, Chen Si, Yan Guoping, Zhang Qiao, Liang Shucai, Wang Yufang, Jiang Can. Polyaspartamide Fluorescent Probe Containing Rhodamine B and Sulfadiazine Groups for Molecular Imaging and Diagnosis[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2020, 40(4): 938-943. doi: 10.6023/cjoc201908003
含罗丹明B基团的聚天冬酰胺荧光成像探针研究
English
Polyaspartamide Fluorescent Probe Containing Rhodamine B and Sulfadiazine Groups for Molecular Imaging and Diagnosis
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Key words:
- fluorescent imaging
- / fluorescent probe
- / tumor-targeting
- / polyaspartamide
- / sulfadiazine
- / Rhodamine B
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癌症治愈的关键在于早发现、早诊断和早治疗.近年来, 生物医学成像技术已逐渐成为肿瘤临床诊断的重要技术手段之一[1~6].其中活体动物荧光成像技术由于能观察动物体内的基因表达和细胞活动, 检测灵敏度高, 有望广泛用于人体多种疾病如肿瘤的临床检测与诊断.然而, 在目前活体荧光成像的检测中, 引入体内的荧光探针存在一系列如成像所需剂量过高、对人体毒副作用大、在体内代谢的速度快、利用率低、对肿瘤细胞缺乏选择性或靶向性及对肿瘤的成像效果较差等问题[7~12].
α, β-聚(2-羟乙基)-L-天冬酰胺(PHEA)具有水溶性好、毒性低、无免疫反应、易于化学修饰和在体内可降解且降解产物可被体内吸收等优点, 已被广泛用作药物的载体和血浆扩展剂等[13~15].磺胺嘧啶(SD)对肿瘤具有较好的亲和性, 可被肿瘤组织或细胞选择性摄取与富集, 已被作为良好的肿瘤靶向基团用于各类抗癌药物与磁共振成像造影剂的研究[16~19].
本工作针对目前荧光探针的不足, 设计合成水溶性肿瘤靶向大分子荧光探针.首先以L-天冬氨酸为原料, 磷酸催化条件下采用热缩合法合成出聚琥珀酰亚胺大分子, 并将罗丹明B[20]与磺胺嘧啶基团分别键连在大分子侧链上, 从而制备具有肿瘤靶向性的水溶性聚天冬酰胺大分子荧光探针(SD-PHEA-RhB) (Scheme 1).对合成的大分子荧光探针进行核磁共振谱、红外光谱、紫外-可见光谱、凝胶渗透色谱和质谱等结构表征, 进一步测试其分子量及分布、粒径、荧光性能、体外细胞毒性与细胞摄取, 以及荧光成像等性能.
图式 1
图式 1. 含罗丹明基团的聚天冬酰胺大分子SD-PHEA-RhB的合成路线Scheme 1. Synthetic route to polyaspartamide fluorescent probe (SD-PHEA-RhB)1. 结果与讨论
1.1 合成与结构表征
将罗丹明B (RhB)与磺胺嘧啶(SD)分别键连在聚天冬酰胺大分子载体的侧链上, 制备了聚天冬酰胺大分子荧光探针SD-PHEA-RhB.由EDA-RhB的1H NMR图谱中δ 6~9内四个吸收峰的理论积分面积比为6:1:2:1, 而在SD-PHEA-RhB的1H NMR图谱中δ 6.35与6.96处吸收峰积分面积比为6:1, 故可推算出δ 7.46和7.77处的理论积分面积为0.18和0.09, 则与SD-PHEA-RhB的1H NMR图中实际积分面积的差值即为磺胺嘧啶基团的积分面积, 可计算出SD在聚天冬酰胺大分子侧链上的摩尔接枝率为4%, RhB在聚天冬酰胺大分子侧链上的摩尔接枝率为18.5%.
由凝胶渗透色谱(图 1)得SD-PHEA-RhB的Mn为5800, 其多分散系数为2.63.
图 1
图 2为SD-PHEA-RhB在酸性条件(pH=5)的紫外光谱图, 从中可以看出有RhB的565 nm紫外吸收, 表明成功将RhB接到聚天冬氨酸的侧链上, 图 3表明SD-PHEA-RhB在565 nm处的紫外吸收峰随着pH值减小而逐渐变强, 这证明SD-PHEA-RhB在565 nm处对弱酸性环境具有敏感的特性.
图 2
图 3
对pH为5, 浓度为0.05 mg/mL的SD-PHEA-RhB水溶液进行了粒径分析(图 4), 测得SD-PHEA-RhB平均粒径为197 nm.
图 4
1.2 荧光性能
在溶液pH为5, 浓度为0.05 mg/mL时, 不同中间产物及SD-PHEA-RhB在波长为565 nm处激发的荧光发射光谱如图 5所示, 可发现PHEA-RhB和SD-PHEA-RhB两种大分子在588 nm处产生荧光, 而PSI无荧光产生.由于RhB具有pH敏感的特性, 而且合成的SD-PHEA-RhB荧光强度也显示其具有对pH敏感的特性.在不同pH值条件下, SD-PHEA-RhB的荧光激发光谱如图 6所示.随着溶液pH值减小, SD-PHEA-RhB在588 nm处的荧光强度逐渐增大, 并在pH值为2.5时其荧光强度达到最大值; 在pH为3.0~4.6范围内时, 荧光强度变化较小.这说明SD-PHEA-RhB在酸性条件可以激发出较强荧光.
图 5
图 6
当溶液浓度为0.05 mg/mL时, 对SD-PHEA-RhB在588 nm处的荧光强度随pH值变化的曲线采用Hender-son-Hasselbach方程(Eq. 1)进行曲线拟合:
${\rm{lg}}[({F_{{\rm{max}}}} -F)/(F -{F_{{\rm{min}}}})]{\rm{p}}{K_{\rm{a}}}{\rm{ -pH}} $
(11) 其中F代表的是固定波长下的荧光光强度, 而Fmax、Fmin分别为相应波长下的最大和最小荧光强度.根据图 7拟合曲线得到SD-PHEA-RhB的pKa为5.03.
图 7
1.3 体外细胞毒性实验
采用噻唑蓝(MTT)法测试了SD-PHEA-RhB体外细胞毒性实验, 如图 8所示.实验结果表明SD-PHEA-RhB对HepG2肝癌细胞、HeLa宫颈癌细胞具有较低的体外毒性.在SD-PHEA-RhB浓度为0.1 mg/mL及更小浓度时, SD-PHEA-RhB对HepG2、HeLa细胞的毒性较小, 而当浓度达到0.25 mg/mL及更大时, SD-PHEA-RhB对HepG2、HeLa细胞的毒性略有增大.
图 8
1.4 体外细胞正常摄取与荧光成像试验
在pH为5, SD-PHEA-RhB浓度为0.25 mg/mL时, 加入SD-PHEA-RhB大分子荧光探针培养后的HeLa细胞在白光照射下无荧光(图 9, C), 而由于其最佳激发波长为565 nm, 故当使用绿光进行激发时, 可以发现SD-PHEA-RhB大分子探针被HeLa细胞摄取进入细胞内, 并在588 nm激发出红色荧光(图 9, D), 从而可获得较好的HeLa细胞红色荧光成像.相对应的未加入SD-PHEA-RhB大分子探针的空白细胞实验组, HeLa细胞在白光和绿光的激发下都不会有荧光出现(图 9, A, B).
图 9
图 9. 含罗丹明基团的聚天冬酰胺大分子SD-PHEA-RhB的HeLa细胞体外荧光成像Figure 9. In vitro fluorescence imaging of SD-PHEA-RhB in HeLa cells(A) Control HeLa cells excited by white light; (B) control HeLa cells excited by green light; (C) HeLa cells incubated with SD-PHEA-RhB excited by white light; (D) HeLa cells incubated with SD-PHEA-RhB excited by green light
2. 结论
以水溶性聚天冬酰胺为大分子载体, 以磺胺嘧啶为肿瘤靶向基团, 罗丹明B为荧光基团, 成功合成了聚天冬酰胺大分子荧光成像探针(SD-PHEA-RhB).实验结果表明, 大分子荧光成像探针具有良好的水溶性、对酸性敏感的荧光特性和对HepG2、HeLa细胞较低的体外毒性, 该探针可被HeLa肿瘤细胞选择性摄取, 并获得较好的红色荧光成像, 有望成为一种性能良好的肿瘤靶向荧光探针, 并用于在细胞内的酸性细胞器(溶酶体等)的荧光检测.
3. 实验部分
3.1 仪器与试剂
Varian Mercury Vx-300型核磁共振波谱仪(美国Varian公司); Waters凝胶渗透色谱仪(GPC, 美国Waters公司, 配备2695D分离组件, 标样为聚苯乙烯, 流动相为DMF, 流速1 mL/min, 柱温35 ℃); UNIC-2802H UV/Vis紫外光谱仪(中国上海UNIC公司); F-4600荧光分光光谱仪(日本高新技术公司); PSS NICOMP380型粒径仪(美国PSS公司); Nicolet Impact 420型傅立叶红外分析仪(美国Thermo Fisher Scientific公司); 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES, IRIS Intrepid Ⅱ, 美国Thermo Fisher Scientific公司); 细胞培养箱(CO2体积分数为5%, 37 ℃, 饱和湿度, 美国Thermo forma公司); Benchmark Plus酶标仪(日本Biroid公司); IX-70荧光倒置显微镜(Olmypus株式会社); 有机元素分析仪(德国Elementar Vario EL cube).
天冬氨酸、磷酸(85%)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、罗丹明B、乙醇、乙二胺、二氯甲烷、无水硫酸钠、乙醇胺、乙醚、溴乙酰溴、吡啶、磺胺嘧啶、氢氧化钠、四丁基氢氧化铵(体积分数为10%的水溶液)和噻唑蓝(MTT)均为分析纯试剂. DMF和二氯甲烷使用之前经氢化钙除水重蒸, 吡啶使用之前用固体氢氧化钠除水重蒸, 乙醇使用之前用碘镁法除水, 乙醚使用前用钠丝除水重蒸.胎牛血清、RPMI-1640培养基和胰蛋白酶为生化试剂. HepG2肝癌细胞和HeLa宫颈癌细胞由武汉大学中国典型培养物保藏中心提供.聚琥珀酰亚胺(PSI)与磺胺嘧啶钠(SDNa)按文献[19]报道的方法制备.
3.2 聚天冬酰胺大分子荧光探针的合成
将20 g罗丹明B (RhB, 0.0418 mol)溶于30 mL乙醇中, 滴加乙二胺(EDA, 3 mL, 0.045 mol), 回流(15 h)直到溶液失去红色, 蒸出溶剂, 再加入30 mL水, 用二氯甲烷(20 mL×3)萃取, 有机相用水洗两次, 用无水硫酸钠干燥, 蒸去溶剂, 真空干燥, 得12.038 g淡粉红色固体罗丹明B-乙二胺(RhB-EDA), 产率为60.19%. m.p. 214.9~218.2 ℃(文献值[21]: 217~219 ℃); 1H NMR (400 MHz, CDCl3-d6) δ: 7.88 (s, 1H), 7.43 (d, J=3.1 Hz, 2H), 7.24 (s, 1H), 7.07 (s, 1H), 6.48~6.17 (m, 6H), 3.40~3.09 (m, 10H), 2.41 (t, J=6.5 Hz, 2H), 1.56 (s, 2H), 1.14 (t, J=6.9 Hz, 12H); ESI-MS m/z: 486.29 (M+H+).
将4.66 g聚琥珀酰亚胺(PSI, 0.048 mol)溶于50 mL DMF中, 快速搅拌下加入7 g RhB-EDA (0.014 mol)的DMF溶液, 于70 ℃恒温反应48 h后, 停止加热, 冷却至室温.浓缩溶液, 再将反应液在搅拌下倒入乙酸乙酯中, 析出棕黄色沉淀.抽滤, 收集固体, 真空干燥, 得到10.666 g深红色固体, 产率为91.47%.
将9.52 g所制得的深红色固体(0.0343 mol)溶于20 mL DMF中, 在冰浴冷却下快速搅拌, 慢慢滴加1.68 g乙醇胺(ETA, 0.0275 mol, 1.645 mL)的DMF溶液, 继续搅拌反应12 h.然后在搅拌下将反应液倒入无水乙醚中, 析出沉淀, 过滤.将所得固体溶于二次蒸馏水, 用二次蒸馏水透析, 蒸干透析液, 得到9.63 g深红色固体PHEA-RhB, 产率为86%. m.p. 295.8~299.2 ℃; UV (H2O) λmax: 588 nm; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.76 (s, 3H), 7.44 (s, 4H), 7.02~6.84 (m, 5H), 6.33 (s, 6H), 4.62 (s, 1H), 3.07 (s, 2H), 1.02 (s, 12H); IR (KBr) νmax: 3450 (OH), 3008, 2930 (CH, CH2), 1725, 1664 (COO), 1615, 1515 (C—N), 1357 (S=O), 1231, 1018 (COOC), 915, 695, 668 (C6H4) cm-1.
将2.0 g PHEA-RhB溶于20 mL DMF中, 室温搅拌下加入摩尔分数为10%的溴乙酰溴(0.168 g, 8×10-4 mol, 0.073 mL)以及0.672 mL吡啶, 反应48 h.用薄层色谱(TLC)检测反应, 反应完成后, 减压蒸除吡啶, 制得溴代PHEA-RhB大分子.将溴代大分子溶于30 mL DMF中, 加入占大分子单元摩尔分数10%的磺胺嘧啶钠(0.227 g, 8×10-4 mol)与体积分数为10%的四丁基氢氧化铵(1.94 mL, 8×10-3 mol), 室温下反应3 d.反应完后用无水乙醚沉淀, 抽滤, 得到淡黄色粉末.将产物溶于二次蒸馏水, 透析36 h后, 透析液有少量沉淀析出, 将透析液旋干, 真空干燥, 得到1.88 g棕黄色固体聚天冬酰胺大分子荧光探针SD-PHEA-RhB, 产率为82%. m.p. 216.4~230.8 ℃; UV (H2O) λmax: 267, 565 nm; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 7.77 (s, 3H), 7.46 (s, 4H), 6.95 (s, 5H), 6.35 (s, 6H), 4.52 (s, 1H), 3.11 (d, J=11.4 Hz, 2H), 1.55 (s, 1H), 1.29 (dd, J=14.4, 7.2 Hz, 2H), 1.05 (s, 8H), 0.92 (t, J=7.3 Hz, 1H); IR (KBr) νmax: 3450 (OH), 3008, 2930 (CH, CH2), 1725, 1640 (COO), 1545 (C—N), 1329 (S=O), 1231, 1018 (COOC), 915, 695, 668 (C6H4) cm-1. Anal. calcd for C255H353O94N58S1Cl2 C 52.81, H 6.13, N 14.01, O 25.93, S 0.22; found C 52.70, H 6.10, N 14.01, O 25.91, S 0.23.
3.3 体外细胞毒性实验
取HepG2肝癌细胞、HeLa宫颈癌细胞分别用新鲜培养基配成细胞悬浮液, 按每孔5×103个细胞分别接种于96孔板中, 培养过夜贴壁后, 去掉培养液, 每孔分别加入200 μL含SD-PHEA-RhB浓度为0.025, 0.05, 0.1, 0.25和0.5 mg/mL的新鲜培养液.每个浓度设置5个复孔, 对照组加入等量的培养液.置于37 ℃、体积分数为5% CO2培养箱中培养16 h, 加入MTT (5 mg/mL, 每孔20 μL)溶液继续培养4 h, 倒掉培养液, 每孔加200 μL DMSO, 常温下震荡10 min后测量在490 nm时各孔的吸光度值, 计算细胞相对存活率.
3.4 体外细胞正常摄取与荧光成像试验
取处于对数生长期的HeLa细胞, 用含双抗及体积分数为10%的胎牛血清的RPMI-1640培养基调节细胞悬浮液浓度为5×104个/mL, 按每孔1×105接种于24孔板, 每个细胞系设置5个复孔.过夜贴壁之后, 去掉培养液, 每孔加入200 μL浓度为0.25 mg/mL的SD-PHEA-RhB磷酸缓冲盐溶液(pH为4.6), 置于37 ℃、体积分数为5% CO2培养箱中培养1 h后, 吸出培养液并用PBS缓冲液冲洗细胞2次, 每次2~3 min, 然后用0.5 mL的体积分数为4%的多聚甲醛(固定液)进行固定, 固定时间约10 min.最后在IX-70荧光倒置显微镜下进行观察拍摄.
辅助材料(Supporting Information) RhB-EDA的核磁共振谱图以及SD-PHEA-RhB的核磁共振和红外光谱.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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图 9 含罗丹明基团的聚天冬酰胺大分子SD-PHEA-RhB的HeLa细胞体外荧光成像
Figure 9 In vitro fluorescence imaging of SD-PHEA-RhB in HeLa cells
(A) Control HeLa cells excited by white light; (B) control HeLa cells excited by green light; (C) HeLa cells incubated with SD-PHEA-RhB excited by white light; (D) HeLa cells incubated with SD-PHEA-RhB excited by green light
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