α-芳基取代的DOTAs的一步组装：多功能诊疗技术的卓越通用平台

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：One-Step Assembly of α-Aryl-Substituted DOTAs as Superior and Universal Platforms for Multifunctional Theranostics

α-芳基取代DOTA配体通过多组分反应实现一步合成，显著提升Gd(III)配合物的配位稳定性和 relaxivity，同时作为稀土发光探针的配体，其荧光量子产率和寿命优于传统结构。该策略避免了传统合成中的保护基团处理，为生物靶向诊断治疗提供高效平台。

　　α-Substituted DOTA（1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸）作为一类重要的螯合剂，在生物医学领域中展现出广泛的应用前景。这类螯合剂能够与多种金属离子形成稳定的配合物，广泛用于诊断成像和治疗应用。其中，基于钆（Gd3?）离子的DOTA配合物在磁共振成像（MRI）中表现尤为突出，因其具有强的顺磁性效应，能够显著增强图像对比度。然而，尽管其性能优越，α-取代DOTA在实际应用中却面临较大的合成挑战。传统的合成方法通常需要多步反应，涉及多个保护基的引入和去除，不仅增加了合成的复杂性和成本，也限制了其在临床和研究中的广泛应用。

为了解决这一问题，研究人员提出了一种全新的合成策略，即利用多组分反应（MCRs）一次性构建α-芳基取代DOTA的所有必要结构单元。这一方法首次实现了在单一步骤中合成α-芳基取代DOTA，极大地简化了合成过程。与传统的多步合成方法相比，该策略避免了保护基的使用，减少了反应步骤，提高了原子经济性，同时降低了对有毒试剂的依赖。此外，该方法生成的螯合剂在性能上也表现出显著优势，包括更高的螯合稳定性、更快的配位动力学以及更优的光物理特性。这些性能的提升为开发新型靶向诊断和治疗探针提供了强有力的支持。

传统的DOTA螯合剂通常在其中一个乙酸侧链上引入取代基，形成单酰胺结构。然而，这种结构会导致螯合剂的配位能力下降，因为其中一个乙酸基团被转化为酰胺基团，从而减少了其对金属离子的配位作用。相比之下，α-取代DOTA通过在乙酸侧链的α位引入取代基，不仅保留了原有的配位能力，还进一步增强了螯合剂的稳定性。这一改进对于需要长时间稳定性的诊断和治疗应用尤为重要，例如MRI对比剂和放射性药物的合成。

在本研究中，研究人员利用Petasis反应作为多组分反应的核心，成功构建了α-芳基取代DOTA。Petasis反应是一种典型的多组分反应，能够将胺、醛和芳基硼酸在温和条件下结合，生成具有特定结构的化合物。通过将未保护的DOTA核心（DO3A）与甘油酸（glyoxylic acid）和芳基硼酸（如4-甲氧基苯硼酸）结合，研究人员在单一步骤中合成了α-芳基取代DOTA，并进一步验证了其在MRI对比剂和放射性药物中的应用潜力。实验结果表明，所合成的α-芳基取代DOTA（如4a）在0.5 M盐酸中表现出显著更高的稳定性，其Gd3?配合物在12小时内的解离率仅为10%左右，而传统DOTA配合物在相同条件下解离率达到50%以上。这一结果表明，新的合成方法不仅提高了螯合剂的稳定性，还显著改善了其在MRI中的弛豫率（relaxivity），为开发高性能的MRI对比剂提供了新的思路。

除了提高螯合稳定性，研究人员还发现α-芳基取代DOTA在配位动力学方面也具有明显优势。传统的DOTA单酰胺结构在与放射性金属离子结合时，反应速率较慢，这在实际应用中可能影响药物的性能。通过对比实验，研究人员发现α-芳基取代DOTA（如4a）与Lu3?、Y3?、Tb3?和In3?等金属离子的结合速率显著高于DOTA单酰胺结构（如5）。这一发现对于开发适用于放射性药物的螯合剂具有重要意义，因为更快的配位速率可以减少放射性同位素的衰变，提高药物的靶向效率和生物利用度。

此外，研究人员还将这一多组分合成策略扩展到了发光性镧系探针的制备。通过在DOTA结构中引入特定的发光基团（如7-氨基-4-三氟甲基-2-(1H)-喹啉酮，即CS124-CF?），研究人员成功构建了具有优异光物理特性的镧系配合物。实验结果显示，α-芳基取代的镧系配合物（如6a-Eu和6a-Tb）在量子产率和发光寿命方面均优于未取代的对照物（如7-Eu和7-Tb）。例如，6a-Tb的量子产率比7-Tb提高了约40%，而发光寿命则提高了约50%。这些改进不仅增强了探针的灵敏度和成像效果，还使其能够用于时间分辨成像技术，从而有效减少背景自荧光的干扰，提高信噪比。

值得注意的是，α-芳基取代DOTA还具备良好的生物偶联能力。研究人员通过引入不同的功能基团（如叠氮基、炔基、马来酰亚胺基、异硫氰酸酯基、四嗪基和DBCO基团），构建了一系列可用于生物偶联的合成模块。这些模块可以与多种靶向分子（如肽、蛋白质等）进行高效的偶联反应，从而生成具有特定靶向功能的探针。例如，通过铜催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC），研究人员成功将α-芳基取代DOTA的叠氮基模块与靶向肽偶联，生成了具有靶向功能的MRI对比剂和发光探针。此外，研究人员还通过硫醇-迈克尔加成反应和铜催化的[3+2]环加成反应，实现了对蛋白质（如肌红蛋白）的高效偶联，进一步验证了该合成策略的普适性和实用性。

在实际应用方面，研究人员通过细胞成像实验验证了所合成的探针在生物系统中的靶向能力和成像效果。实验结果显示，这些探针能够特异性地靶向不同的细胞结构和分子靶点。例如，在HeLa细胞中，α-芳基取代DOTA的探针能够分别定位到细胞核和细胞骨架，显示出清晰的荧光信号。而在其他细胞系中，如MDA-231和C17细胞，研究人员通过共成像实验验证了探针对αvβ3受体和LMP1癌蛋白的特异性识别能力。这些实验不仅展示了探针在多色成像中的应用潜力，还为开发具有多重功能的靶向探针提供了重要的实验依据。

综上所述，这项研究提出了一种基于多组分反应的新型合成策略，成功解决了α-芳基取代DOTA和靶向发光性镧系探针的合成难题。通过单一步骤的反应，研究人员不仅降低了合成的复杂性和成本，还显著提升了螯合剂的性能，包括稳定性、弛豫率和光物理特性。此外，该策略还为构建多功能的靶向探针提供了灵活的平台，使其能够广泛应用于生物医学领域，包括诊断成像、治疗和多模态成像技术。这一突破性的研究为未来开发高性能的靶向诊断和治疗探针奠定了坚实的基础，有望推动生物医学研究和临床应用的发展。