基于壳聚糖结构的含氟潜在双功能探针及其制备方法

摘要

本发明基于壳聚糖结构的含氟潜在双功能探针及其制备方法，涉及磁共振成像及氟化学领域。将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）或乙二胺四乙酸（EDTA）结构的低聚或高分子壳聚糖和有机碱加入至干燥有机溶剂中，缓慢加入三氟乙酸酐，室温反应完全后，体系加入蒸馏水及金属无机盐，继续室温反应至完全，真空浓缩脱水，加入丙酮或无水乙醇，静置后过滤得到目标产品：基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂。本发明所述的基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂，水溶性好，弛豫率为10～14L·mmol-1·s-1，是现常用MRI造影剂马根维显（Gd-DTPA）弛豫率的1～3倍；同时由于含有多个三氟基团，具有潜在的19F探针功能。

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振成像及氟化学领域，具体地讲是公开了一种基于壳聚糖结构的、具有 潜在¹⁹F探针功能的新型含氟磁共振成像造影剂及其制备方法。

背景技术

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是一种利用生物体不同组织在外磁场影 响下产生不同磁共振信号来成像的医学影像技术。MRI具有无电离辐射、可实现多核与多参 数成像、无需改变体位便可实行任意方位层面的扫描、较高的空间分辨率和对比度而无骨质 伪影、能反映被检组织水质子周围环境并获取相关生理生化信息等优点，成为临床最有效的 诊断手段之一。在MRI早期的应用中，一般认为无需使用造影剂(Contrast Agent)即可完成 MRI扫描，但是由于人体内很多相邻部位的自发的MR信号的差别不大，并且在较大幅度内 波动，不能形成清晰的MR图像，很难满足临床的要求，这就需要进一步提高MRI的对比度， 即使用造影剂。在当前临床诊断中，超过30%的MRI扫描使用了造影剂，并且比例还在不断 增加。（Chem.Rev.2010,110,2921）

¹⁹F原子的天然丰度为100%，自旋量子数I=1/2，其磁矩为2.6273核磁子，在核数目相 等、场相同的条件下，其相对灵敏度为质子的83.4%，在频率相同的情况下为质子的94.1， 因此¹⁹F NMR容易得到高分辨率的谱图。作为一种新兴医学影像技术，¹⁹F探针可以应用于 肿瘤代谢研究、检测生物组织中pO₂、心血管系统成像等。相比于氢质子成像技术，¹⁹F探针 成像最大的优点体现在可以定量测定指定区域内的¹⁹F含量，这对于代谢等研究具有重要作 用。（Cancer Res.1999,59,2363;Nat.Neurosci.2005,8,527;Chem.Rev.2010,110,3019–3042）

利用多功能探针病症进行早期诊断，是近年来发展起的一种新型手段，是当今国内外研 究热点之一（Chem.Rev.,2010,110,3146）。1998年，Townsend及其同事首次制备了PET/CT 设备，并于2001年实现商业化（Ann.Nucl.Med.2006,20,255）。2007年，更为安全可靠的 PET/MRI设备也成功被研制出（J.Nucl.Med.2007,48,45P）。这些新技术的发展，对于双功 能及多功能探针的设计研究提出了迫切的新要求。

作为天然多糖的一种，壳聚糖属氨基直链多糖，属纯天然丰产可再生绿色资源。选择壳 聚糖作为骨架合成多功能探针，是因为其具有很多优良特性，如：1）自身零毒性、良好的水 溶性以及与重金属离子的亲和特性；2）壳聚糖聚合度在6～12时与人体血清蛋白等运送蛋白 的结合能力最强，可在成像测定结束后将未完全降解的探针代谢排出体外；3）糖类化合 物对不同器官或病灶器官会有不同的亲和能力，以此提高对比剂的靶向性；4）壳聚糖自身还 能提高生命体的免疫力，并具有一定的抗癌作用，有望增强协同作用。这些特点符合多功能 探针设计合成的先决条件，因此有望在壳聚糖结构上合成出具有较高临床实用性的多功能医 学成像探针。基于低聚壳聚糖结构的MRI造影剂已被成功合成（Magnetic Resonance Imaging  2011,29,554），将在此基础上引入含氟基团，有望合成出具有潜在¹⁹F探针功能的磁共振造 影剂，既双功能探针。

发明内容

本发明的目的旨在开发一种新型基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂。本发明的另一个 目的是提供上述基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂的制备方法。

本发明的基于壳聚糖结构的含氟潜在双功能探针，具有以下化学结构通式的化合物： 式一：

或者式二：

其中化学通式中M为稀土及过渡金属离子，优选Gd³⁺，Mn²⁺，Fe³⁺等；

其中n=6,8,11,20

其中a=0,1。

其中x、y、z=3,4,…n-1

本发明基于壳聚糖结构的含氟潜在双功能探针的制备方法，按照下述步骤进行：

将含有二乙三胺五乙酸（DTPA）或乙二胺四乙酸（EDTA）结构的低聚或高分子壳聚糖 和有机碱加入至干燥有机溶剂中，缓慢加入三氟乙酸酐，25℃反应完全后，体系加入蒸馏水 及金属无机盐，继续25℃反应至完全，真空浓缩脱水，加入丙酮或无水乙醇，静置后过滤得 到基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂。

含有DTPA或EDTA结构的低聚或高分子壳聚糖与有机碱、三氟乙酸酐及金属无机盐的 摩尔配比为1：（n-2）：（n-2）：1～4。（其中n=6,8,11,20）。

所述的有机碱为：三乙胺，4-二甲氨基吡啶，N,N-二甲基苯胺，N,N-二乙基苯胺。

所述的有机溶剂为：二甲基亚砜，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺，乙腈，四氢呋喃。

所述的金属无机盐为所有顺磁性稀土及过渡金属离子的盐类，包括含不同结晶水的盐酸 盐、硝酸盐、乙酸盐、硫酸盐或高氯酸盐，如：GdCl₃·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、FeCl₃·6H₂O等。

本发明所述的基于壳聚糖结构的含氟磁共振造影剂，水溶性好，弛豫率为7～14 L·mmol^-1·s^-1，是现常用MRI造影剂马根维显（Gd-DTPA）弛豫率的1～3倍；同时由于含有 多个三氟基团，具有潜在的¹⁹F探针功能。

具体实施方式：

本发明基于壳聚糖结构的含氟潜在双功能探针的制备方法，参考文献方法（Magnetic  Resonance Imaging2011,29,554）制备原料低聚或高分子壳聚糖：

1）在反应容器中，加入2g的二乙三胺五乙酸(DTPA)或者乙二胺四乙酸(EDTA)，然后 再分别加入5mL的无水乙酸酐，再加入0.2mL的无水吡啶作为催化剂，通干燥氮气保护， 在55～60℃下搅拌反应24h后抽滤，分别用5mL无水乙酸酐、5mL无水N,N’-二甲基甲酰 胺和5mL无水乙醚洗涤，得到二乙三胺五乙酸酸酐(DTPAA)或者乙二胺四乙酸酸酐 (EDTAA)。

2）称取2g的高分子量壳聚糖于三口烧瓶中，加入100mL为0.5%的乙酸溶液，搅拌下， 加入2mL的质量分数为10%的双氧水，搅拌10min。将所得到的溶液进行微波处理，设置微 波参数(微波时间:30min，微波温度:60℃)，微波结束后，静置冷却，调节pH至中性。再将所 得到的溶液真空浓缩至15mL，加入100mL无水乙醇后静置，过滤出固体，并用20mL无 水乙醚洗涤，真空25℃干燥，即得到平均分子量为1980(聚合度为11，分子量分布指数(DPI 或M_w/M_n)=1.9)的水溶性壳聚糖。

3）在无水N,N’-二甲基甲酰胺中加入水溶性壳聚糖，再加入4-二甲氨基吡啶催化剂，常 温搅拌下加入步骤(1)中制备得到的多胺多羧酸酸酐，其中壳聚糖与多胺多羧酸酸酐的摩尔比 为1:1，于25℃下搅拌48h，冰浴冷却后加入蒸馏水继续搅拌12h。真空浓缩至1/5体积，加 入无水乙醇，过滤得到淡黄色固体即本专利原料：含有二乙三胺五乙酸（DTPA）或乙二胺四 乙酸（EDTA）结构的低聚或高分子壳聚糖。

通过下述实例有助于进一步理解本发明，但并不限制本发明。

实例1：聚合度为11的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₁₁-Gd-DTPA-2）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10。

氮气保护下，将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为11的低聚壳聚糖140.2mg（平 均分子量约2337，0.06mmol），及4-二甲氨基吡啶66.0mg（0.54mmol）加入至50ml干燥 圆底烧瓶中，并加入1mL干燥二甲基甲酰胺形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg（0.54 mmol），加完25℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入GdCl₃·6H₂O（22.3mg，0.06mmol） 继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL丙酮，静置1h后过滤得到目标 产品148.4mg，收率72.1%。

该产品测体外弛豫率为13.1L·mmol^-1·s^-1。

实例2：聚合度为11的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₁₁-Mn-DTPA-2）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10。

氮气保护下，将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为11的低聚壳聚糖140.2mg（平 均分子量约2337，0.06mmol），及三乙胺54.6mg（0.54mmol）加入至50ml干燥圆底烧瓶 中，并加入1mL干燥乙腈形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg（0.54mmol），加完25 ℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入MnCl₂·4H₂O（47.6mg，0.24mmol）继续25℃ 搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL丙酮，静置1h后过滤得到目标产品130.2 mg，收率66.4%。

该产品测体外弛豫率为12.6L·mmol^-1·s^-1。

实例3：聚合度为11的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₁₁-Mn-EDTA-2）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10。

氮气保护下，将链有乙二胺四乙酸（EDTA）的聚合度为11的低聚壳聚糖134.2mg（平 均分子量约2236，0.06mmol），及三乙胺54.6mg（0.54mmol）加入至50ml干燥圆底烧瓶 中，并加入1mL干燥二甲基乙酰胺形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg（0.54mmol）， 加完25℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入MnCl₂·4H₂O（11.9mg，0.06mmol）继 续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL无水乙醇，静置1h后过滤得到目 标产品123.7mg，收率64.1%。

该产品测体外弛豫率为8.5L·mmol^-1·s^-1。

实例4：聚合度为11的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₁₁-Gd-DTPA-1）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10。

氮气保护下，将单链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为11的低聚壳聚糖141.3mg （平均分子量约2355，0.06mmol），及4-二甲氨基吡啶66.0mg（0.54mmol）加入至50ml 干燥圆底烧瓶中，并加入1mL干燥二甲基乙酰胺形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg （0.54mmol），加完25℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入GdCl₃·6H₂O（22.3mg， 0.06mmol）继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL无水乙醇，静置1h 后过滤得到目标产品163.4mg，收率79.6%。

该产品测体外弛豫率为14.3L·mmol^-1·s^-1。

实例5：聚合度为11的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₁₁-Gd-EDTA-1）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10。

氮气保护下，将链有乙二胺四乙酸（EDTA）的聚合度为11的低聚壳聚糖135.2mg（平 均分子量约2254，0.06mmol），及三乙胺54.6mg（0.54mmol）加入至50ml干燥圆底烧瓶 中，并加入1mL干燥二甲基亚砜形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg（0.54mmol），加 完25℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入GdCl₃·6H₂O（44.6mg，0.12mmol）继续 25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL丙酮，静置1h后过滤得到目标产品 139.7mg，收率70.1%。

该产品测体外弛豫率为9.8L·mmol^-1·s^-1。

实例6：聚合度为6的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₆-Gd-DTPA-2）

其中x、y、z=3,4,5。

氮气保护下，将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为6的低聚壳聚糖165.2mg（平 均分子量约1377，0.12mmol），及N,N-二甲基苯胺56.2mg（0.48mmol）加入至50ml干燥 圆底烧瓶中，并加入1.5mL干燥二甲基亚砜形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐100.8mg（0.48 mmol），加完25℃搅拌24h，加入5mL水淬灭反应，并加入GdCl₃·6H₂O（44.6mg，0.12mmol） 继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入40mL无水乙醇，静置1h后过滤得到 目标产品178.1mg，收率77.8%。

该产品测体外弛豫率为9.4L·mmol^-1·s^-1。

实例7：聚合度为8的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₈-Mn-DTPA-2）

其中x、y、z=3,4,5,6,7。

氮气保护下，将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为8的低聚壳聚糖215.6mg（平 均分子量约1797，0.12mmol），及N,N-二乙基苯胺107.4mg（0.72mmol）加入至50ml干燥 圆底烧瓶中，并加入1.5mL干燥四氢呋喃形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐151.2mg（0.72 mmol），加完25℃搅拌24h，加入5mL水淬灭反应，并加入MnCl₂·4H₂O（23.8mg，0.12mmol） 继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入40mL丙酮，静置1h后过滤得到目标 产品200.5mg，收率68.7%。

该产品测体外弛豫率为10.7L·mmol^-1·s^-1。

实例8：聚合度为8的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₈-Fe-EDTA-1）

其中x、y、z=3,4,5,6,7。

氮气保护下，将单链有乙二胺四乙酸（EDTA）的聚合度为8的低聚壳聚糖205.7mg（平 均分子量约1714，0.12mmol），及N,N-二乙基苯胺107.4mg（0.72mmol）加入至50ml干燥 圆底烧瓶中，并加入1.5mL干燥二甲基亚砜形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐151.2mg（0.72 mmol），加完25℃搅拌24h，加入5mL水淬灭反应，并加入FeCl₃·6H₂O（32.4mg，0.12mmol） 继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入40mL无水乙醇，静置1h后过滤得到 目标产品190.5mg，收率66.9%。

该产品测体外弛豫率为7.2L·mmol^-1·s^-1。

实例9：聚合度为20的低聚壳聚糖修饰的含氟磁共振造影剂（CF₃-CS₂₀-Fe-DTPA-2）

其中x、y、z=3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。

氮气保护下，将链有二乙三胺五乙酸（DTPA）的聚合度为20的低聚壳聚糖241.2mg（平 均分子量约4020，0.06mmol），及4-二甲氨基吡啶66.0mg（0.54mmol）加入至50ml干燥 圆底烧瓶中，并加入1mL干燥二甲基甲酰胺形成悬浊液，再滴加三氟乙酸酐113.4mg（0.54 mmol），加完25℃搅拌24h，加入3mL水淬灭反应，并加入FeCl₃·6H₂O（48.6mg，0.18mmol） 继续25℃搅拌6h。反应完成后，真空浓缩脱水，加入30mL丙酮，静置1h后过滤得到目标 产品189.3mg，收率64.4%。

该产品测体外弛豫率为7.8L·mmol^-1·s^-1。

本发明并不局限于实施例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的，本发 明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到 的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围之内。