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《北京科技大学》 2019年
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基于卟啉骨架的新型双光子有机小分子的设计、合成及性质研究

朱孟良  
【摘要】:卟啉类化合物具有独特的光物理和光化学性质,被广泛应用于众多前沿科技领域,尤其在荧光成像和光动力治疗领域一直以来都是研究的热点。而传统的卟啉光敏剂还存在一定的局限性,限制了其在生物成像和光动力治疗中的应用。一方面,传统卟啉光敏剂的吸收光谱主要位于可见光区,不能穿透深层组织,这是传统的单光子激发PDT的主要缺点。另一方面,传统卟啉光敏剂对癌细胞的特异性不足,对正常细胞和癌细胞均会造成伤害。双光子激发以红外或近红外光为光源,这种长波激发具有很强的穿透性,可以对更深层的病变部位进行治疗并且有效地消除生物样品本底荧光和散射光的干扰。荧光共振能量转移(FRET)是一种非辐射过程,其中激发态的供体染料通过长程偶极-偶极作用将能量转移到基态的受体染料。我们的目标是将具有双光子吸收功能的荧光团作为能量供体引入FRET体系,实现对卟啉受体的间接激发。这种方法既可以保留卟啉原有的光物理优势,同时还能允许在700-1000nm范围内的生物透明窗口进行激发。此外,靶向策略(包括肿瘤靶向和对癌细胞细胞器的靶向)有望在降低不良副作用的同时,显著提高肿瘤诊断的准确性以及光动力治疗的疗效。本论文主要设计合成了一系列基于卟啉类化合物的双光子有机小分子体系,并对其在生物成像和光动力治疗方面的应用潜能进行了探究。主要研究内容如下:1 双光子激发FRET二量体AceDAN-Porphyrin(Zn)用于荧光成像和光动力治疗的研究近些年来,双光子技术的发展为改善光动力疗法(PDT)中的成像和治疗深度提供了特有的机会。然而,传统的光敏剂,如卟啉类化合物,其双光子吸收截面往往比较小(50GM),限制了其临床应用价值。在新型双光子光敏剂的设计和合成中,较大的双光子吸收截面和较高的单线态氧量子产率难以同时获得。在本论文的第2章节中,我们设计合成了一种基于荧光共振能量转移(FRET)的AceDAN-porphyrin(Zn)二量体,并将其用于对癌细胞的双光子激发荧光成像和光动力治疗,其中我们选择AceDAN单元作为双光子吸收能量供体,porphyrin(Zn)部分作为能量的受体。在单光子或双光子激发下,AceDAN能量供体的激发态能量可以高效地转移到porphyrin(Zn)能量受体(ηEET =98%),从而产生红色荧光发射和单线态氧。AceDAN-porphyrin(Zn)二量体可以被A549细胞快速摄取,并对其表现出了较高的光毒性(IC50 = 4.3 μM)和较低的暗毒性。此外,通过结合双光子激发与porphyrin(Zn)光敏剂的优点,AceDAN-porphyrin(Zn)二量体被成功用于双光子激光照射下对A549细胞的荧光成像和光动力治疗。2溶酶体靶向的双光子激发FRET二量体用于荧光成像和光动力治疗的研究将细胞器靶向的成像和光动力治疗(PDT)与双光子激发荧光染料相结合,是肿瘤治疗药物发展的迫切需要。PDT诱导的细胞凋亡形式受光敏剂的亚细胞定位的影响。溶酶体是真核细胞中的一种常见细胞器,内含50多种水解酶,能够分解各种外源和内源的大分子物质。单线态氧可以诱导溶酶体的损伤并将其中的水解酶释放到细胞质中,从而导致细胞坏死。在本论文的第3章节中,我们设计开发了两种新型的荧光共振能量转移(FRET)二量体,AceDAN-H2Por-Lyso(1a)和 AceDAN-ZnPor-Lyso(1b),并将其应用于溶酶体靶向的双光子激发荧光成像和光动力治疗。在单光子或双光子激发下,AceDAN供体可以通过高效的荧光共振能量转移(FRET)过程将激发态能量有效地转移到卟啉受体,卟啉受体发射的深红色荧光可用于荧光成像,产生的单线态氧可用于光动力治疗。二量体1a和1b在活细胞中表现出很强的溶酶体靶向能力,对A549细胞表现出了极高的光毒性以及很低的暗细胞毒性。通过利用AceDAN能量供体的双光子吸收特性和卟啉能量受体适当分布的Si和T1态的优势,AceDAN-porphyrin二量体1a和1b被成功用于双光子激发荧光成像和光动力治疗,以示踪显示740 nm双光子激光照射下癌细胞的形态变化。3 癌细胞和溶酶体双重靶向光敏剂用于荧光成像和光动力治疗的研究通过光敏剂的主动靶向作用来实现对肿瘤的选择性成像和光动力治疗(PDT),为癌症的精确诊断和治疗提供了独特的机会。另一方面,由于受到单线态氧(1O2)寿命和扩散范围的限制,需要将光敏剂精确定位到亚细胞器才能够引起对癌细胞的有效损伤。在本论文的第4章节中,我们设计开发了一种具有癌细胞与溶酶体双重靶向功能的新型卟啉光敏剂分子(BMP),并将其应用于针对癌细胞的荧光成像和光动力治疗。在BMP分子中,生物素被用作肿瘤细胞靶向模块,吗啉基团被用作溶酶体特异性单元。由于卟啉有着适当的S1态和Ti态分布,其产生的红色荧光发射和单线态氧(1O2)可分别用于细胞成像和PDT双重功能。在共聚焦显微实验中,双重靶向光敏剂分子BMP倾向于在癌细胞中累积,随后定位于溶酶体细胞器中,在适当的激发下显示红色荧光。细胞毒性试验表明BMP分子对癌细胞(A549细胞)比对正常细胞(BEAS-2B细胞)有着更高的光毒性。在光照条件下,BMP分子产生的单线态氧对A549细胞的溶酶体造成氧化损伤,细胞的形态完整性逐渐丧失,细胞膜破裂并形成水泡,最终导致细胞坏死。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O626

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