DE19921234A1 - New cyanine dyes useful as fluorescent labels for e.g. cells, antibodies, proteins, hormones, nucleic acids, oligonucleotides and carbohydrates, comprise sulfoaryl and N-sulfoalkyl groups and a carrier-binding reactive group - Google Patents
New cyanine dyes useful as fluorescent labels for e.g. cells, antibodies, proteins, hormones, nucleic acids, oligonucleotides and carbohydrates, comprise sulfoaryl and N-sulfoalkyl groups and a carrier-binding reactive groupInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Cyanin-Farbstoffe für die Anwendung als Fluoreszenzmarker im Bereich 600 bis 700 nm, die sich gut in Wasser lösen, eine geringe Tendenz zur Aggregation aufweisen und mit einer Reaktivgruppe versehen sind.The invention relates to cyanine dyes for use as Fluorescence markers in the 600 to 700 nm range that work well in Dissolve water, show little tendency to aggregate and are provided with a reactive group.
Fluoreszenzfarbstoffe werden als Marker auf vielfältige Weise für die Analyse eines Großteils klinisch, biologisch, bioche misch oder chemisch relevanter Substanzen (Trägermaterialien) wie z. B. Zellen, Antikörper, Proteine, Hormone, Nucleinsäuren, Oligonucleotide, Kohlehydrate oder Amine und Mercaptane einge setzt. In Kombination mit der leicht detektierbaren, durch La ser induzierten Fluoreszenz (LIF; Laser-Induced Fluorescence), sind schnelle Analysen in den o. a. Gebieten möglich.Fluorescent dyes are used as markers in a variety of ways for the analysis of a large part clinical, biological, bioche mixed or chemically relevant substances (carrier materials) such as B. cells, antibodies, proteins, hormones, nucleic acids, Oligonucleotides, carbohydrates or amines and mercaptans inserted puts. In combination with the easily detectable, through La this induced fluorescence (LIF; laser-induced fluorescence), are quick analyzes in the above Areas possible.
Durch kovalente Bindung kann eine größere Anzahl Farbstoffmo leküle an eine Probe angeheftet werden, als es im Fall einer unspezifischen nicht-kovalenten Bindung möglich ist, so daß die Intensität des Fluoreszenzlichtsignals stärker ist. Außer dem ermöglicht eine kovalente Bindung die eindeutige Markie rung einer spezifischen Zielstruktur in einem Gemisch. Zur ko valenten Bindung des Fluoreszenzfarbstoffes an die Probe wer den die Farbstoffe deshalb mit reaktiv Gruppen versehen. Ent sprechende reaktiven Gruppen sind z. B. die Iodacetamidogruppe, die Isothio-cyanatgruppe, N-Succinimidester von Alkylcarbon säuren oder Phosphoramidite der Hydroxyalkylgruppen.A larger number of dye mo be attached to a sample than is the case with a non-specific non-covalent binding is possible, so that the intensity of the fluorescent light signal is stronger. Except a covalent bond enables the unique markie a specific target structure in a mixture. To ko valent binding of the fluorescent dye to the sample which the dyes therefore provide with reactive groups. Ent speaking reactive groups are e.g. B. the iodoacetamido group, the isothio-cyanate group, N-succinimide ester of alkyl carbon acids or phosphoramidites of the hydroxyalkyl groups.
Als Reaktionspartner stehen bei Antikörpern, Proteinen, Hormo nen, Nucleinsäuren, und anderen Biomolekülen u. a. Mercapto- (-SH), Amino- (-NH2) und Hydroxygruppen (-OH) zur Verfügung. As reactants for antibodies, proteins, hormones, nucleic acids, and other biomolecules including mercapto (-SH), amino (-NH 2 ) and hydroxy groups (-OH) are available.
Ganz wesentlich für die Verwendbarkeit der Fluoreszenzmarker ist ihre Löslichkeit in wäßrigen Systemen. Farbstoffe mit re lativ geringer Wasserlöslichkeit neigen in wäßrigen Systemen zur Bildung von Farbstoffaggregaten (Erscheinen der kürzerwel ligen Dimeren- oder H-Bande), die erheblich schlechter fluo reszieren.Very important for the usability of the fluorescent markers is their solubility in aqueous systems. Dyes with right relatively low water solubility tend in aqueous systems for the formation of dye aggregates (appearance of the shorter world ligere dimer or H band), the fluo significantly worse resect.
Ein weiterer wichtiger Punkt besteht darin, daß die Tendenz, Farbstoffaggregate zu bilden, generell auch mit der Tendenz zu unspezifischen nicht-kovalenten Bindungen des Farbstoffes an beliebige Biomoleküle korreliert. Dimerisierung oder die Farb stoffaggregation zu H-Aggregaten (mit gegenüber dem Monomer spektrum kürzerwelliger Absorption) in wäßrigen Medien, kann durch eine bessere Wasserlöslichkeit des Farbstoffes verhin dert werden.Another important point is that the tendency Forming dye aggregates, generally with a tendency to non-specific non-covalent bonds of the dye any biomolecule correlates. Dimerization or the color material aggregation to form H-aggregates (compared to the monomer spectrum of shorter-wave absorption) in aqueous media, can due to better water solubility of the dye be changed.
Eine Möglichkeit, die Wasserlöslichkeit zu erhöhen, besteht in
der Kombination dieser Farbstoffe mit Oligonucleotiden. Die
Wasserlöslichkeit der Farbstoffe wird durch das Oligonucleotid
erhöht, so daß man hier N-sulfo-alkylsubstituierte Farbstoffe
(PCT/US 98/00475) verwenden kann:
One way to increase water solubility is to combine these dyes with oligonucleotides. The water solubility of the dyes is increased by the oligonucleotide, so that N-sulfo-alkyl-substituted dyes (PCT / US 98/00475) can be used here:
Eine generelle Lösung des Problems Wasserlöslichkeit und Farb stoffaggregation wird damit jedoch nicht erreicht. A general solution to the problem of water solubility and color However, aggregation of matter is not achieved.
Weiterhin ist bekannt, daß Arylsulfogruppen gegenüber N-
Alkylsulfogruppen zu einer deutlichen Verbesserung der Wasser
löslichkeit eines Farbstoffes führen und damit zur Verhinde
rung von Dimeren oder H-Aggregaten. Entsprechende Fluoreszenz
marker sind in DE 39 12 046 und US 5 268 486 beschrieben:
It is also known that aryl sulfo groups compared to N-alkyl sulfo groups lead to a significant improvement in the water solubility of a dye and thus to the prevention of dimers or H-aggregates. Corresponding fluorescence markers are described in DE 39 12 046 and US 5 268 486:
Es ist ferner allgemein bekannt, daß Arylsubstitution bei Cya
ninfarbstoffen die Tendenz zur J-Aggregation (gegenüber dem
Monomerspektrum längerwellige Absorption) erhöht. Dementspre
chend wurde auch gefunden, daß sowohl Farbstoffe der Struktur:
It is also well known that aryl substitution in cyanine dyes increases the tendency to J-aggregate (longer wavelength absorption than the monomer spectrum). Accordingly, it was also found that both dyes of the structure:
stark zur Bildung von J-Aggregaten mit längerwelliger Absorp
tion tendieren (DE 44 26 892), als auch Farbstoffe der folgen
den Struktur [MUJUMDAR et al.: Bioconjuoate Chem. 7 (1996) 356]:
strongly tend to form J-aggregates with longer-wave absorption (DE 44 26 892), as well as dyes of the following structure [MUJUMDAR et al .: Bioconjuoate Chem. 7 (1996) 356]:
Mit den bisher bekannten Kombinationen von Sulfoalkylgruppen, durch die die entsprechenden Farbstoffe zur Bildung von Dime ren oder H-Aggregaten tendieren, oder Sulfoarylgruppen, durch die die entsprechenden Farbstoffe zur Bildung von J-Aggregaten tendieren, wird das Problem nicht gelöst, die Bildung von Di meren, H-Aggregaten und J-Aggregaten zu verhindern oder zumin dest die Tendenz zur Aggregatbildung zu verringern.With the previously known combinations of sulfoalkyl groups, through which the appropriate dyes to form dime ren or H-aggregates tend, or sulfoaryl groups by which are the appropriate dyes to form J-aggregates tend to solve the problem, the formation of Di to prevent H-aggregates and J-aggregates or at least least to reduce the tendency to form aggregates.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, neue Farbstoffe anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen und die ins besondere in Wasser gut löslich sind, eine geringe Tendenz zur Aggregation aufweisen, mit einer reaktiven Gruppe versehen sind, und für die Anwendung als Fluoreszenzmarker im Bereich 600 bis 700 nm geeignet sind.It is the object of the invention to provide new dyes which do not have the disadvantages mentioned above and which ins are particularly soluble in water, have a low tendency to Have aggregation, provided with a reactive group are, and for use as a fluorescent marker in the field 600 to 700 nm are suitable.
Diese Aufgabe wird durch Cyanin-Farbstoffe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is performed using cyanine dyes with the characteristics solved according to claim 1. Advantageous embodiments and Uses result from the dependent claims.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, durch eine neue
Kombination von Sulfonsäuresubstituenten die bekannten Nach
teile der Bildung verschiedener Farbstoffaggregate zu beseiti
gen. Um die Fluoreszenzquantenausbeute nicht zu verringern und
um unspezifische nicht-kovalente Bindungen zu verhindern,
kommt es darauf an, jede Art der Farbstoffaggregatbildung zu
vermeiden. Dieses Ziel wird durch eine Kombination von Sul
foalkylgruppen und Sulfoarylgruppen erreicht. Die erste Gruppe
verhindert die Bildung von J-Aggregaten und die zweite die
Bildung von Dimeren oder H-Aggregaten. Des weiteren ist eine
reaktive Gruppe (s. o.) zur Bindung an Trägersubstanzen vorge
sehen. Allgemein besitzen erfindungsgemäße Cyanin-Farbstoffe
die Strukturen
The basic idea of the invention is to eliminate the known after parts of the formation of different dye aggregates by a new combination of sulfonic acid substituents. In order not to reduce the fluorescence quantum yield and to prevent non-specific non-covalent bonds, it is important to form any kind of dye aggregate to avoid. This goal is achieved by a combination of sulfoalkyl groups and sulfoaryl groups. The first group prevents the formation of J aggregates and the second prevents the formation of dimers or H aggregates. Furthermore, a reactive group (see above) is provided for binding to carrier substances. In general, cyanine dyes according to the invention have the structures
oder
or
wobei n = 1, 2, R1, R2 = Wasserstoff oder die zur Vervollstän digung eines Benzenringes notwendigen vier CH-Gruppen; R3 = Sulfoalkyl mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen; R4 = (CH2)mCOOH oder (CH2)mCH2OH mit m = 2-5; und X = Wasserstoff, Natrium, Kalium bedeuten. R4 umfaßt beispielsweise die N-Hydroxysuccinimid- Ester der Carboxygruppe (CH2)mCOOH mit m = 2-5 und das Bis- (N,N-di-isopropyl)-β-cyanethylphosphoramidit der Hydroxygruppe (CH2)mCH2OH mit m = 2-5.where n = 1, 2, R1, R2 = hydrogen or the four CH groups necessary to complete a benzene ring; R3 = sulfoalkyl with 3 or 4 carbon atoms; R4 = (CH 2 ) m COOH or (CH 2 ) m CH 2 OH with m = 2-5; and X = hydrogen, sodium, potassium. R4 includes, for example, the N-hydroxysuccinimide esters of the carboxy group (CH 2 ) m COOH with m = 2-5 and the bis- (N, N-di-isopropyl) -β-cyanoethylphosphoramidite of the hydroxy group (CH 2 ) m CH 2 OH with m = 2-5.
Mit den neuen Cyaninfarbstoffen läßt sich für die verschiede nen Anregungs-Lichtquellen wie z. B. einen He/Ne-Gaslaser (633 nm), einen Kr/Ar-Gaslaser (647 nm) und Laserdioden (660- 690 nm) der Wellenlängenbereich um 640 nm (Formel 1), 660 nm (Formel 2) und 680 nm (Formel 3) abdecken.With the new cyanine dyes for the different NEN excitation light sources such. B. a He / Ne gas laser (633 nm), a Kr / Ar gas laser (647 nm) and laser diodes (660- 690 nm) the wavelength range around 640 nm (Formula 1), 660 nm (Formula 2) and 680 nm (Formula 3).
In den allgemeinen Formeln 1-3 steht R für eine Carbonsäure gruppe oder eine Methylenhydroxygruppe. In den Farbstoffen mit R = COOH können die Carbonsäuren in ihre N-Succinimid-Ester umgewandelt werden, die dann direkt mit Aminogruppen am Biomo lekül reagieren oder über einen sog. Aminolinker mit Hydroxy gruppen. In den Farbstoffen mit R = CH2OH können die Hydroxy gruppen in Phosphoramidite umgewandelt werden, die direkt mit der freien 5'-OH-Gruppe von Nucleotiden zu einer Phosphitbin dung reagieren, die im Folgenden zu einer stabilen Phosphat bindung oxidiert.In the general formulas 1-3, R represents a carboxylic acid group or a methylene hydroxy group. In the dyes with R = COOH, the carboxylic acids can be converted into their N-succinimide esters, which then react directly with amino groups on the biomolecule or via a so-called amino linker with hydroxy groups. In the dyes with R = CH 2 OH, the hydroxyl groups can be converted into phosphoramidites, which react directly with the free 5'-OH group of nucleotides to form a phosphite bond, which subsequently oxidizes to a stable phosphate bond.
Ein Gemisch aus 11,8 g 1-(4-Sulfobutyl)-2,3,3-trimethyl-3H- indolium Hydroxid und 10,32 g Malondianil-Hydrochlorid in 80 ml Essigsäureanhydrid wird 1 h bei einer Badtemperatur von 120°C zur Reaktion gebracht. Nach Abkühlung werden 300 ml Es sigsäureethylester zugesetzt und der anfallende Niederschlag abgesaugt. Ausbeute: 15,8 gA mixture of 11.8 g of 1- (4-sulfobutyl) -2,3,3-trimethyl-3H- indolium hydroxide and 10.32 g malondianil hydrochloride in 80 ml of acetic anhydride is 1 h at a bath temperature of 120 ° C reacted. After cooling, 300 ml of Es added ethyl acetate and the resulting precipitate aspirated. Yield: 15.8 g
2,8 g Käliumsalz des 2,3,3-Trimethyl-5-sulfoindolenins und 2,1 g 6-Bromhexansäure werden in Substanz 2 h bei einer Badtempe ratur von 110°C unter Rühren zur Reaktion gebracht. Nach been deter Reaktion wird der ölige Rückstand mehrmals mit Aceton versetzt, bis ein Feststoff zurück bleibt. Ausbeute: 3,1 g2.8 g potassium salt of 2,3,3-trimethyl-5-sulfoindolenine and 2.1 g 6-bromohexanoic acid are in substance for 2 hours at a bath temperature temperature of 110 ° C reacted with stirring. After been The reaction becomes the oily residue several times with acetone added until a solid remains. Yield: 3.1 g
2,30 g der Verbindung aus A) und 2,36 g der Verbindung aus B) werden in 20 ml Ethanol gelöst und nach Zugabe von 2 g Kalium acetat 20 min am Rückfluß erhitzt. Danach wird die Lösung un ter weiterem Rühren auf 5-8°C gekühlt. Der ausgefallene Niederschlag wird abfiltriert und mit Essigsäureethylester ge waschen. Anschließend werden 30 ml destilliertes Wasser zuge geben und die Suspension 1 h bei Raumtemperatur verrührt. Da nach wird abfiltriert, getrocknet und der Rohfarbstoff über Kieselgel säulenchromatographisch gereinigt. (λ = 646 nm in Me- OH)2.30 g of the compound from A) and 2.36 g of the compound from B) are dissolved in 20 ml of ethanol and after adding 2 g of potassium Heated at reflux for 20 min. Then the solution is un After further stirring cooled to 5-8 ° C. The fancy Precipitate is filtered off and ge with ethyl acetate to wash. Then 30 ml of distilled water are added give and the suspension stirred for 1 h at room temperature. There after is filtered off, dried and the raw dye over Silica gel purified by column chromatography. (λ = 646 nm in measurement OH)
34 g 3-(4-Sulfobutyl)-1,1,2-trimethyl-benzo[e]-indolium Hydro xid und 25,8 g Malondianil-Hydrochlorid werden in 100 ml Es sigsäureanhydrid 1 h bei einer Ölbadtemperatur von 120°C zur Reaktion gebracht. Nach Abkühlung wird mit 500 ml Essigsäu reethylester versetzt und abgesaugt. Ausbeute: 34,5 g34 g of 3- (4-sulfobutyl) -1,1,2-trimethyl-benzo [e] indolium hydro xid and 25.8 g malondianil hydrochloride are dissolved in 100 ml Es acetic anhydride for 1 h at an oil bath temperature of 120 ° C Brought reaction. After cooling with 500 ml of acetic acid reethylester added and suction filtered. Yield: 34.5 g
2,61 g Natriumsalz des 2,3,3-Trimethyl-5-sulfoindolenins und 2,1 g 6-Bromhexansäure werden in Substanz 2 h bei einer Badtemperatur von 110°C unter Rühren zur Reaktion gebracht. Nach beendeter Reaktion wird der ölige Rückstand mehrmals mit Aceton versetzt, bis ein Feststoff zurück bleibt. Ausbeute: 2, 9 g2.61 g of sodium salt of 2,3,3-trimethyl-5-sulfoindolenine and 2.1 g of 6-bromohexanoic acid are in substance in a 2 h Bath temperature of 110 ° C reacted with stirring. After the reaction has ended, the oily residue is added several times Acetone is added until a solid remains. Yield: 2, 9 g
2,58 g der Verbindung aus A) und 2,28 g der Verbindung aus B) werden in 20 ml Ethanol gelöst und nach Zugabe von 2 ml Trie thylamin 20 min. am Rückfluß erhitzt. Nach beendeter Reaktion werden 0,8 g Natriumiodid zugesetzt, auf Raumtemperatur abge kühlt und der ausgefallene Niederschlag filtriert. Der Rück stand wird mit Aceton verrührt, filtriert, in Methanol aufge nommen und mit einem Tropfen halbkonzentrierter HCl versetzt. Der nach Zugabe von Diethylether erhaltene Rohfarbstoff wird durch Säulenchromatographie über Kieselgel gereinigt. (λ = 665 nm in MeOH) 2.58 g of the compound from A) and 2.28 g of the compound from B) are dissolved in 20 ml of ethanol and after adding 2 ml of Trie thylamine 20 min. heated at reflux. After the reaction has ended 0.8 g of sodium iodide are added, abge to room temperature cools and the precipitate is filtered off. The back Stand is stirred with acetone, filtered, suspended in methanol taken and mixed with a drop of semi-concentrated HCl. The raw dye obtained after the addition of diethyl ether is purified by column chromatography on silica gel. (λ = 665 nm in MeOH)
Substanz A) wird analog Beispiel 2 hergestellt.Substance A) is prepared analogously to Example 2.
3,11 g Natriumsalz des 7-Sulfo-1,1,2-trimethyl-benzo[e]- indolenins und 2,51 g 6-Iodhexanol werden 3 h in Substanz bei einer Badtemperatur von 115°C zur Reaktion gebracht. Der Rück stand wird nach Abkühlen mit Aceton verrieben. Ausbeute: 3,2 g3.11 g sodium salt of 7-sulfo-1,1,2-trimethyl-benzo [e] - indolenine and 2.51 g of 6-iodohexanol are added in substance for 3 h brought to a bath temperature of 115 ° C to react. The back the stand is triturated with acetone after cooling. Yield: 3.2 g
C) 2-[5-(1,3-Dihydro-3-(6-hydroxyhexyl)-1,1-dimethyl-7-sulfo- 2H-benzo[e]indol-2-yliden)-penta-1, 3-dienyl]-1,1-dimethyl-3- (4-sulfobutyl)-1H-benzo[e]indolium Hydroxid, Innersalz, Na triumsalzC) 2- [5- (1,3-Dihydro-3- (6-hydroxyhexyl) -1,1-dimethyl-7-sulfo 2H-benzo [e] indol-2-ylidene -penta-1,3-dienyl] -1,1-dimethyl-3- (4-sulfobutyl) -1H-benzo [e] indolium hydroxide, inner salt, Na trium salt
2,58 g der Verbindung aus A) und 2,7 g der Verbindung aus B) werden in 15 ml Methanol gelöst und nach Zusatz von 2 ml Trie thylamin 20 min. am Rückfluß erhitzt. Nach beendeter Reaktion werden 0,8 g Natriumiodid zugesetzt, auf Raumtemperatur abge kühlt, mit Diethylether versetzt und filtriert. Der Rückstand wird mit Aceton verrührt, filtriert, in Methanol aufgenommen und mit einem Tropfen halbkonzentrierter HCl versetzt. Der Rohfarbstoff wird durch Säulenchromatographie über Kieselgel gereinigt. (λ = 683 nm in MeOH). 2.58 g of the compound from A) and 2.7 g of the compound from B) are dissolved in 15 ml of methanol and after adding 2 ml of Trie thylamine 20 min. heated at reflux. After the reaction has ended 0.8 g of sodium iodide are added, abge to room temperature cools, mixed with diethyl ether and filtered. The residue is stirred with acetone, filtered, taken up in methanol and mixed with a drop of semi-concentrated HCl. The The crude dye is obtained by column chromatography on silica gel cleaned. (λ = 683 nm in MeOH).
Substanz A) wird analog Beispiel 2 hergestellt.Substance A) is prepared analogously to Example 2.
4,13 g Dinatriumsalz des 6,8-Disulfo-1,1,2-trimethylbenzo[e]- indolenins und 2,15 g 6-Bromhexansäure werden in Substanz 1,5 h bei einer Badtemperatur von 110°C erhitzt. Der nach beende ter Reaktion verbleibende Rückstand wird mit Aceton verrieben. Ausbeute: 4,9 g4.13 g of disodium salt of 6,8-disulfo-1,1,2-trimethylbenzo [e] - indolenine and 2.15 g of 6-bromohexanoic acid are in substance 1.5 h heated at a bath temperature of 110 ° C. The one after finishing The residue remaining in the reaction is triturated with acetone. Yield: 4.9 g
2,58 g der Verbindung aus A) und 3,05 g der Verbindung aus B) werden in 20 ml einer Mischung aus Essigsäureanhydrid und Py ridin (4 : 1) unter Rühren für 2 h am Rückfluß erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur werden 100 ml Essigsäurethyle ster zugesetzt, abfiltriert und mit Essigsäureethylester gewa schen. Der Rückstand wird in Methanol aufgenommen, mit 2 ml halbkonzentrierter HCl versetzt und durch Zusatz von Diethyle ther ausgefällt. Der so erhaltene Rohfarbstoff wird durch Säu lenchromatographie über Kieselgel gereinigt. (λ = 682 nm in MeOH).2.58 g of the compound from A) and 3.05 g of the compound from B) are in 20 ml of a mixture of acetic anhydride and Py ridin (4: 1) with stirring for 2 h at reflux. To after cooling to room temperature, 100 ml of acetic acid styles ster added, filtered off and washed with ethyl acetate . The residue is taken up in methanol with 2 ml half-concentrated HCl and added by adding Diethyle ther failed. The raw dye thus obtained is acidified Lench chromatography purified on silica gel. (λ = 682 nm in MeOH).
Claims (5)
oder
mit:
n = 1, 2;
R1, R2 = Wasserstoff oder die zur Vervollständigung eines Benzenringes notwendigen vier CH-Gruppen;
R3 = Sulfoalkyl mit 3 oder 4 Kohlenstoffatomen
R4 = (CH2)mCOOH oder (CH2)mCH2OH mit m = 2-5; und
X = Wasserstoff, Natrium, Kalium. 2. cyanine dye according to claim 1, characterized by the general structures
or
With:
n = 1, 2;
R1, R2 = hydrogen or the four CH groups necessary to complete a benzene ring;
R3 = sulfoalkyl with 3 or 4 carbon atoms
R4 = (CH 2 ) m COOH or (CH 2 ) m CH 2 OH with m = 2-5; and
X = hydrogen, sodium, potassium.
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