在癌症治疗中的放射和化学方法的效力已经受到由于治疗剂 而缺乏选择性靶向肿瘤细胞的限制。因此，为了不伤害正常组织， 目前的肿瘤治疗方法将放射和/或化学治疗剂量限制到完全低于最 佳的或临床上适当(足够)的水平。因而，设计能够单独或者作为 治疗方法的一部分而选择性地靶向和破坏肿瘤细胞的化合物是热 点研究的领域。
由于卟啉对瘤组织的已知的亲和力，在使用卟啉作为在治疗脑 瘤、头颈瘤和相关瘤的肿瘤(赘生物)中的递送剂方面具有浓厚的 兴趣。卟啉通常属于一类有色的、芳香族四吡咯化合物，其中有一 些分别天然存在于植物和动物中，例如，叶绿素和血红素。
卟啉和其他具有相对较长的三重态寿命的四吡咯已经被用来 利用光动力学疗法(PDT)来治疗恶性肿瘤。在PDT中，首先用光 敏药物(通常是卟啉)对患者进行注射。当暴露于强的红激光束时， 当前已光敏化的肿瘤细胞容易受到破坏。PDT中细胞损伤的生化机 制认为很大程度上是由单态氧所介导的，该单态氧是通过将能量由 光激发的卟啉分子传递至氧分子而产生的。然而，PDT已受到红光 的有限穿透(深度仅为几毫米)的显著限制。
X-射线放射疗法(XRT)是最常用的用于多种形式癌症的放射 疗法。在常规的XRT中，通过分次(分级，fractionated)X-射线放 射疗法对患者进行辐照而无需放射敏化药物(radiosensitizing drug)。然而，如果在辐照前注射放射敏化药物，则当暴露于X-射 线辐射时，当前已放射敏化的肿瘤细胞比周围组织更容易破坏。根 据该类辐射在经过组织时蓄积能量的速率，将X-射线分类为低线性 能量传递(LET)辐射。目前在临床XRT中使用的化合物在治疗头 部和颈部以及其他致死癌症中并未表现出高等级的肿瘤控制。
一种有前景的新形式的高LET辐射癌症疗法是硼中子俘获疗 法(BNCT)。BNCT是一种双模(bimodal)癌症治疗，其基于称为 硼-10或10B的硼的稳定核素在肿瘤中的选择性积聚，接着用热能化 中子辐照肿瘤。热能化中子撞击硼-10，导致核裂变(衰变反应)。 核裂变反应导致大量的能量以高(LET)辐射的形式高度局部化释 放，与低LET辐射，如X-射线相比，这可以更有效地(较高的相 对生物效应)杀死细胞。
当被热中子俘获时，硼-10经历以下核反应：
10B+n——→11B
11B——→7Li+4He+γ(478keV)
在以上核反应中，硼-10原子核俘获中子形成亚稳态核素11B， 核素11B自发地且几乎瞬时地分解为4He和7Li粒子，它们共具有 2.34MeV的平均总动能。这两种离子化粒子在软组织中沿相反方向 分别行进约9μm和5μm(7±2μm)。
4He和7Li粒子行进的距离与许多肿瘤以及肿瘤相关细胞的直 径相当。因此，BNCT的效力在于在肿瘤中产生高度局部化的、高 LET电离辐射。所靶向的肿瘤因而接收大剂量的辐射同时不会损伤 周围的正常组织。
在脑瘤的情况下，在给予硼化化合物以后，在脑瘤的普遍区域 (general area)用超热(0.5eV-10keV)中子的入射束或场对患者 的头部进行辐照。随着中子较深地穿入头部，它们变得逐渐被热能 化(平均能量约0.04eV)。由于中子变得被热能化，因此它们更容 易被聚集在肿瘤细胞和/或肿瘤支持组织中的硼-10所俘获，因为俘 获截面积与中子速度成反比。
在BNCT中，当以治疗有效量进行给予时，含硼的化合物必须 是无毒的或具有低毒性，以及能够选择性地积聚在癌组织中。虽然 BPA具有低化学毒性的优势，但是它以低于期望的水平积聚在临界 正常组织(关键正常组织，critical normal tissue)中。尤其是，肿瘤 中的硼浓度相对于正常脑以及肿瘤相对于血液的比率大约为3∶1。 这样低的特异性(专一性)限制了BPA对肿瘤的最大剂量，这是因 为用于正常组织的可允许的剂量是限制性因素。
卟啉不仅可用于治疗肿瘤，而且这些化合物还可以用于肿瘤的 显影和诊断。卟啉分子具有这样的优势，其具有在其内部螯合金属 离子的能力。这样的螯合的卟啉可以另外用作显影工具，用于实时 监测卟啉浓度和/或诊断剂。例如，当与顺磁性金属离子螯合时，卟 啉可以用作磁共振成像(MRI)中的造影剂(对比剂)，并且当与放 射性金属离子螯合时，卟啉可以用作显像剂(成像剂，imaging agent)，用于单光子发射计算机断层成像(SPECT)或正电子发射 断层成像(PET)。
此外，通过在BNCT中使用螯合的含硼卟啉，在辐照之前以及 辐照过程中，可以非侵入地准确并快速地确定辐照的治疗体积内的 肿瘤和全部组织中及其周围的硼浓度和分布。通过降低超热中子在 已知含有高水平硼的组织区域中的暴露，这样的诊断信息使得可以 更快速、准确和安全地进行BNCT治疗。短辐射将消除长期和经常 痛苦地将头部置于反应器端口的患者的不方便以及不舒适。然而， 加速器产生的中子的预期使用很可能产生显著较低的通量(流量)， 因此导致较长的辐射时间，使得具有较长肿瘤保留时间的化合物成 为关键。
因此，需要新的化合物，特别是含硼卟啉，其在肿瘤中具有长 的保留时间，并选择性地靶向和破坏肿瘤细胞而对正常组织具有最 小的损伤。此外，需要更有效的方法用于治疗脑瘤、头颈瘤、以及 有关的肿瘤，更具体地，需要更有效的XRT和BNCT治疗以及用 于该治疗的硼递送化合物。

本发明涉及低毒性硼化化合物(含硼化合物，boronated compounds)以及它们用于肿瘤的治疗、显影和诊断的方法。更具 体地，本发明涉及低毒性含碳硼烷硝基卟啉化合物以及它们特别用 于治疗脑瘤、头颈瘤、以及周围组织的硼中子俘获疗法(BNCT) 或X-射线放射疗法(XRT)的方法。
特别地，本发明涉及具有以下化学式的含碳硼烷的卟啉化合 物：

其中：
R1、R2、R3和R4独立地是-NO2、-NH2、卤素、或由以下化学 式表示的取代基

其中Y独立地在苯环上的邻、间或对位，并且独立地是氢、烃 基、非芳香碳环、非芳香杂环、芳基、烷芳基、芳烷基；或用1至 4个选由羟基、烷氧基、-C(O)OR5、-SOR6、-SO2R6、硝基、酰氨基 (amido)、脲基、氨基甲酸酯基(氨基甲酰氧基，carbamato)、-SR7、 -NR8R9、或聚环氧烷烃(聚烷撑氧，聚环氧烷，poly-alkyleneoxide) 的亲水基团取代的烃基、非芳香碳环、非芳香杂环、芳基、烷芳基、 或芳烷基基团；或由化学式(3)表示的取代基
——X——(CR10R11)r——Z    (3)；
条件是R1、R2、R3和R4中的至少一个是由化学式(2)表示的取 代基，其中Y表示化学式(3)；
其中：
X是氧或硫；
R5、R6、R7、R8、R9、R10、以及R11独立地选自氢和C1至C4 烃基；
Z是在笼式结构(笼形结构，cage structure)中包含至少两个 碳原子和至少三个硼原子、或至少一个碳原子和至少五个硼原子的 碳硼烷簇合物(碳硼烷簇，carborane cluster)；r是0或1至20的 整数。
a表示1至4的整数；并且
条件是R1、R2、R3和R4中的至少一个是由-NO2、-NH2、或卤 素表示的取代基；以及
M是两个氢离子、单个一价金属离子、两个一价金属离子、二 价金属离子、三价金属离子、四价金属离子、五价金属离子、六价 金属离子，其中衍生自单个一价金属离子的卟啉-金属络合物 (complex)由抗衡阳离子(counter cation)来电荷平衡，而衍生自 三价金属离子、四价金属离子、五价金属离子、六价金属离子的卟 啉-金属络合物由适当数目的抗衡阴离子(counter anion)、二价阴离 子、或三价阴离子来电荷平衡。
Z优先选自碳硼烷-C2HB9H10或-C2HB10H10，其中C2HB9H10是 巢型(巢式)邻-、间-、或对-碳硼烷(对位碳硼烷)，而-C2HB10H10 是闭合型(笼型)邻-、间-、或对-碳硼烷。
M优选是钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钌(Ru)、锝(Tc)、 铬(Cr)、铂(Pt)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锗(Ge)、 铟(In)、锡(Sn)、钇(Y)、金(Au)、钡(Ba)、钨(W)、或钆 (Gd)。在更优选的实施方式中，M是铜(Cu)或镍(Ni)。
在一种实施方式中，R1、R2、R3和R4中的两个是由式(2)表示 的取代基；a是1；Y由-X-(CR10R11)r-Z表示；R10和R11是H；r是 1；Z是-C2HB10H10；-X-(CR10R11)r-Z取代基在苯环的间位上；不是 由式(2)表示的两个R1-R4是-NO2或-Br；并且由式(2)表示的取代基 在卟啉环上具有顺式构型。
在另一种实施方式中，R1、R2、R3和R4中的两个是由式(2)表 示的取代基；a是1；Y由-X-(CR10R11)r-Z表示；R10和R11是H；r 是1；Z是-C2HB10H10；-X-(CR10R11)r-Z取代基在苯环的间位上；不 是由式(2)表示的两个R1-R4是-NO2或-Br；并且由式(2)表示的取代 基在卟啉环上具有反式构型。
在又一种实施方式中，当卟啉化合物需要抗衡二价阴离子时， 该抗衡二价阴离子是含有二价负电荷的卟啉化合物。含有二价负电 荷的卟啉化合物可以是本发明的含碳硼烷的卟啉化合物，条件是没 有M。
本发明还包括通过SPECT、PET、或MRI的肿瘤成像的方法， 以及双模癌症治疗方法，如BNCT、XRT、以及PDT，所述方法需 要给予受治疗者包括上述卟啉化合物中的一种或多种的组合物。在 优选的实施方式中，该组合物基本上是上述卟啉化合物中的一种或 多种。

本发明涉及具有以下化学式的含碳硼烷的硝基卟啉化合物

R1、R2、R3和R4独立地是-NO2、-NH2、卤素、或由以下化学 式表示的取代基

条件是R1、R2、R3和R4中的至少一个是由化学式(2)表示的取 代基并且条件是R1、R2、R3和R4中的至少一个是由-NO2、-NH2、 或卤素表示的取代基。
Y独立地在苯环上的邻和/或间位中的任一个或两个上或者在 对位上并且a表示1至4的整数。Y是氢、烃基、非芳香碳环、非 芳香杂环、芳基、烷芳基、芳烷基；或用1至4个选自羟基、烷氧 基、-C(O)OR5、-SOR6、-SO2R6、硝基、酰氨基、脲基、氨基甲酸 酯基、-SR7、-NR8R9、或聚环氧烷烃中的亲水基团取代的烃基、非 芳香碳环、非芳香杂环、芳基、烷芳基、或芳烷基；或由化学式(3) 表示的取代基
——X——(CR10R11)r——Z        (3)；
条件是至少一个Y是由化学式(3)表示的取代基。
在化学式(3)中，X是氧或硫，R5、R6、R7、R8、R9、R10、以 及R11独立地选自氢和C1至C4烃基，并且r是0或者1至20的整 数。
Z是碳硼烷簇合物。碳硼烷簇合物由硼和碳原子构成。碳硼烷 是多面体。
Z在笼式结构中包括至少两个碳原子和至少三个硼原子、或至 少一个碳原子和至少五个硼原子。碳硼烷簇合物的某些实例包括规 则多面体碳硼烷簇合物，也称为闭合型(笼型)结构，以及多面体 簇合物的离子化片段(ionized fragment)，也称为巢型结构。本发明 的优选碳硼烷的某些实例包括-C2HB9H10或-C2HB10H10，其中 -C2HB9H10是巢型邻-、间-、或对-碳硼烷，而-C2HB10H10是闭合型 邻-、间-、或对-碳硼烷。
加入吸电子基团，如硝基或卤素，直接附着于卟啉环的中位， 将提高卟啉大环的电子亲和力从而赋予所得化合物更高效的X射 线辐射致敏剂。
吸电子基团可以是-NO2、-NH2、或卤素。卤素可以是氯、氟、 溴、或碘。卤素优选为溴。
在一种优选的实施方式中，R1、R2、R3和R4中的两个是-NO2。 在另一种优选的实施方式中，R1、R2、R3和R4中的两个是-Br。
烃基是直链或支链烃基基团，包含1至20个碳原子，可选地 包括多达3个双键或三键。烃基基团的某些实例包括甲基、乙基、 正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、丙烯基、2- 丁烯基、3-丁烯基、3-丁炔基、2-甲基-2-丁烯基、正戊基、十二烷 基、十六烷基、十八烷基、以及二十烷基。
烃基基团可以是未取代的或者用烃基基团能够容许(tolerate) 的多个亲水基团例如1至4个取代的。适合的亲水基团的某些实例 包括羟基、烷氧基、-C(O)OR5、-SOR6、-SO2R6、硝基、酰氨基、 脲基、氨基甲酸酯基、-SR7、-NR8R9、和聚环氧烷烃。R5、R6、R7、 R8、和R9独立地选自氢和如上所限定的烃基基团，除了用于R5、 R6、R7、和R8的烃基基团包含1至4个碳原子。
烃基基团的碳原子还可以用1至4个杂原子取代。在本说明书 中，杂原子是O、S、N、或NR10。R10选自氢和如上所限定的烃基 基团。杂原子通常不相邻，并且优选由至少一个碳原子彼此隔开。 优选地，对于每两个碳原子，存在不多于1个杂原子。
非芳香碳环或杂环是4-、5-、6-、7-、或8-元碳环或杂环。该 环可以是饱和的，或者可以包含碳环能够容许的不饱和(即，双或 三)键。
饱和碳环的某些实例包括环丁烷环、环戊烷环、环己烷环以及 环戊烷环。不饱和碳环的某些实例包括环丁烯环、环戊烯环、环己 烯环、以及1，3-环庚二烯环。
杂环包括杂原子能够容许的多个(例如，1至4个)杂原子， 即，O、S、N、或NR10。饱和与不饱和非芳香杂环的某些实例包括 吡咯烷基、哌啶、哌嗪、四氢呋喃、呋喃、噻吩、1，3-氧氮杂环戊 烷(1，3-噁唑烷)、咪唑、以及吡咯环。杂环可选地用如上所限定的 烃基取代、或用也是如上所限定的1至4个亲水基团取代。
非芳香碳环或杂环可以是双环。碳环的某些实例是双环[2.2.2.] 辛烷、双环[3.1.1.]庚烷、双环[3.3.0.]辛烷、以及双环[4.3.0.]壬-3-烯 (bicyclo[4.3.0.]non-3-ene)。非芳香杂环的实例包括1，4-氮杂双环 [2.2.2.]辛烷和2-氮杂双环[3.1.1.]庚烷。
芳基基团可以是芳香碳环或杂环基团。芳香碳环优选为苯基。
芳基环可选地用如上所限定的烃基取代以产生烷芳基或芳烷 基基团。芳基、烷芳基、以及芳烷基基团可以用如上所限定的1至 4个亲水基团取代。
芳香杂环包括1至4个杂原子，即，O、S、N、或NR10。所述 环典型地为5-、6-、或7-元环。芳香杂环的某些实例包括噻吩、吡 啶、噁唑、噻唑、噁嗪、以及吡嗪环。芳香杂环可用如上所限定的 1至4个亲水基团取代。
上述环中的任一个也可以稠合至1至3个另外的5-、6-、或7- 元芳基环。稠合环的某些实例包括萘、蒽、菲、苯并菲、(1，2- 苯并菲)、二氢吲哚、喹啉、以及四氮杂萘(蝶啶)环。
在本说明书中，烷氧基基团包含如上所限定的烃基部分。烷氧 基基团的某些实例包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、正丁氧基、叔丁 氧基、以及十二烷氧基。
聚环氧烷烃根据式 -(CH2)d-O-[(CH2)e-O-]x-[(CH2)f-O-]y-(CH2)g-OR’加以限定，其中，独 立地，d是0、或1至10的整数，e是0、或1至10的整数，f是1 至10，g是1至10，x和y各自独立地是1或0，以及R’是H或如 前所限定的烃基基团，条件是当e是0时，则x是0；当f是0时， 则y是0；当e不是0时，则x是1；而当f不是0时，则y是1。
本发明优选的聚环氧烷烃是聚环氧乙烷。聚环氧乙烷根据式 -(CH2)d-O-[(CH2)e-O-]x-[(CH2)f-O-]y-(CH2)g-OR’加以限定，其中，独 立地，d是0或2，e是0或2，f是0或2，g是2，x和y各自独 立地是1或0，以及R’是H或乙基，条件是当e是0时，则x是0； 当f是0时，则y是0；当e不是0时，则x是1；而当f不是0时， 则y是1。
在式(1)中，M可以是两个氢离子、单个一价金属离子、或两个 一价金属离子。适合的一价金属离子的某些实例包括Li+1、Na+1、 K+1、Cu+1、Ag+1、Au+1、和Ti+1。当M是单个一价金属离子时，所 得的卟啉-金属络合物阴离子由抗衡阳离子来电荷平衡。抗衡阳离子 的某些实例包括上述一价金属离子、以及铵和磷鎓(phosphonium) 阳离子中的任一种，例如四甲基铵、四丁基铵、四苯基铵、四甲基 膦、四丁基膦、以及四苯基膦。抗衡阳离子可以以某种形式与卟啉 -金属络合物结合或缔合(associate)。
M还可以是二价金属离子。适合的二价金属离子的某些实例包 括V+2、Mn+2、Fe+2、Ru+2、Co+2、Ni+2、Cu+2、Pd+2、Pt+2、Zn+2、 Ca+2、Mg+2、Sr+2、以及Ba+2。
可替换地，M可以是三价、四价、五价、或六价金属离子。适 合的三价金属离子的某些实例包括Gd+3、Y+3、In+3、Cr+3、Ga+3、 Al+3、Eu+3、以及Dy+3。适合的四价金属离子的某些实例包括Tc+4、 Ge+4、Sn+4、以及Pt+4。适合的五价金属离子的实例是Tc+5。适合的 六价金属离子的某些实例包括W+6、Tc+6、以及Mo+6。
所得的卟啉-金属络合物阳离子由适合数目的抗衡阴离子来电 荷平衡。阴离子可以是一价阴离子、二价阴离子、或三价阴离子。 例如，衍生自三价金属离子的卟啉-金属络合物阳离子可以由单个抗 衡一价阴离子来电荷平衡，并且这样的衍生自四价金属离子的络合 物可以，例如由单个抗衡二价阴离子或两个抗衡一价阴离子等来电 荷平衡。
适合的抗衡一价阴离子的某些实例包括氯化物、高氯酸盐、硫 酸盐、硝酸盐、以及四氟硼酸盐(四氟硼酸根)。适合的抗衡二价 阴离子的某些实例包括含有二价负电荷的氧化物、硫化物、或卟啉 化合物。含二价负电荷的卟啉化合物可以是本发明的卟啉化合物， 条件是没有M。适合的抗衡三价阴离子的实例包括磷酸盐(磷酸 根)。
抗衡一价阴离子、二价阴离子、或三价阴离子可以以某种形式 与本发明的含碳硼烷卟啉化合物结合或缔和。含碳硼烷卟啉化合物 还可以与中性带电分子结合或缔合，例如溶剂化分子，如水、乙腈、 甲醇等。
M可以是通过单光子发射计算机断层成像(SPECT)或正电子 发射断层成像(PET)可成像的放射性金属离子。适合于SPECT的 放射性金属的某些实例是67Cu、99mTc、111In，而适合于PET的放射 性金属包括64Cu、55Co。M还可以是可用作用于治疗的放射性药物 的放射性金属。适合于这样的治疗的放射性金属的某些实例包括 90Y、188Re、67Cu。
M还可以是通过磁共振成像(MRI)可检测的顺磁性金属离子。 这样的金属的某些实例包括Mn、Fe、Co、以及Gd。
此外，M可以是适合于硼中子俘获疗法(BNCT)、X-射线放射 疗法(XRT)、或光动力学疗法(PDT)的金属离子；或它们的组合。 适合于BNCT的金属离子包括那些到此所描述的金属离子，但是那 些光敏性的金属离子如Zn和Sn除外。这样的光敏金属、特别是具 有长寿命三重态的那些金属优选用于PDT。由于用于BNCT的剂量 比用于PDT的剂量高100至1000倍，因此如果在BNCT中使用这 样的光敏金属，则可能导致光敏金属在皮肤中显著积聚。光敏金属 的这样的积聚可导致生物损伤。由于这些原因，对于BNCT或XRT 而言，光敏金属如Zn和Sn并不是所期望的，因为即使在皮肤中低 的积聚也可以导致皮肤损伤。非光敏金属，如Cu、Co、或Ni将是 优选的。此外，对于XRT，如果X-射线能量高于其K边界，则高 Z离子如Pt或Au甚至可能提供另外的细胞杀死效应。
本发明还涉及治疗肿瘤的方法。在优选的实施方式中，治疗恶 性肿瘤、尤其是脑瘤的方法是BNCT。用于恶性脑瘤的临床BNCT 是利用对-硼苯基丙氨酸(BPA)作为硼载体在布鲁克海文国家实验 室医学部(Brookhaven National Laboratory Medical Department)中 进行的(Chanana et al.，Neurosurgery，44，1182-1192，1999)。
来自Chanana et al.论文的BNCT的描述以引用方式结合在本文 中。本领域普通技术人员可以容易地调整本发明的应用化合物的方 法。
在按照本发明方法的恶性脑瘤的BNCT中，例如，首先对患者 输注式(1)的含碳硼烷的卟啉，其高度富含硼-10。随后含碳硼烷的 卟啉优先聚集在有效放射体积内的脑瘤中，用于脑瘤的有效放射体 积可以是脑的主要部分。例如，位于一个脑半球的大部分或全部以 及对侧脑半球的某些部分或全部的肿瘤可聚集硼化卟啉(boronated porphyrins)。
然后用热能化中子辐射(初级辐射)肿瘤区，一些热能化中子 被聚集在肿瘤中的硼-10俘获。与被哺乳动物组织中通常存在的所 有其他核素俘获的可能性相比，缓慢移动的热中子被硼-10核素俘 获的相对可能性较高，条件是肿瘤组织中的硼-10浓度大于30μg/g。
由于在俘获中子后肿瘤中和肿瘤周围极小部分的硼-10核素立 即发生核反应，因而在所靶向的组织中高浓度的硼-10对于BNCT 的临床有效性是必需的。因此，为了使所靶向的组织中硼-10的浓 度最大化，碳硼烷簇合物高度富含硼-10。具体地，碳硼烷簇合物中 的硼要富集到硼-10为至少95原子％。
与治疗癌症的现有技术相比，本发明的一个优势在于：本发明 的含硼卟啉以更高的浓度选择性地聚集在赘生物中，其中与目前临 床上使用的含硼化合物相比，本发明的含硼卟啉在肿瘤中比在正常 脑和血液中具有更高的硼比率。
此外，本发明的已进行体内试验的卟啉化合物在理论治疗有效 剂量上是无毒性的。本发明的含碳硼烷的卟啉的较高的选择性和较 低的毒性使得在辐射时能够以最小损坏正常组织和组织功能的方 式选择性地破坏肿瘤组织。
本发明的含碳硼烷的卟啉的另一个优势是其通过极性基团 NO2、NH2、以及卤素所赋予的增大的极性。这样的基团的更大极 性赋予卟啉化合物更小的亲脂性，这可以实现在给予过程中乳化共 溶剂量的减少。因此，可改善在肿瘤细胞中的微定位(微局部化， microlocalization)，产生更高的相对生物效应。HPLC结果表明二硝 基卟啉和二溴卟啉，与铜四苯基碳硼烷基卟啉(CuTCPH)或铜八 溴四碳硼烷基苯基卟啉(CuTCPBr)相比，由于具有更短的保留时 间而具有更大的极性。
此外，当卟啉的X是氧时，本发明的含碳硼烷卟啉中的醚键比 碳-碳键极性更强，因此提供亲脂性的进一步降低。同时，醚键与碳 -碳键对水解和其他形式的化学侵蚀具有几乎相同的抗性。
为了在肿瘤中聚集所需量的本发明的化合物，通常以药用载体 给予患者约10-50毫克硼-10/kg体重的系统注射或输注剂量。载体 可包括这样的可商购溶剂，如Cremophor EL、丙二醇、吐温80 (Tween 80)、聚乙二醇、或脂质体。该化合物以一次剂量或多次剂 量给予，最后一次剂量在超热中子辐射前约1小时至1周之间给予。
中子暴露的定时(timing)取决于血液中卟啉的浓度，与肿瘤 中卟啉浓度相比，其随时间更快速地降低。然而，含碳硼烷卟啉的 给予的定时取决于临床BNCT领域中技术人员所熟知的各种考虑 因素，包括化合物的药物动力学行为(例如，进入肿瘤和肿瘤脉管 系统的化合物的吸收速率)以及在肿瘤和各种其他吸收该化合物的 组织中化合物的排泄和/或代谢速度。
在另一种优选的实施方式中，本发明的治疗恶性肿瘤的方法是 XRT。通常，XRT是常规的放射疗法，其涉及在几周的时间内以多 次给予低LET X射线辐射。此外，其还可以包括放射外科学，如伽 玛刀，其以显著较少次或甚至以单次提供。无论如何，在辐照之前 可以给予辐射增强剂(radiation enhancement agent)作为双模治疗 (bimodal treatment)。目前，这样的增强剂包括如硝基咪唑或Gd texaphyrin。在本发明中，增强是基于卟啉在肿瘤组织中的治疗体积 内的选择性聚集，使得随后的辐射将相对于正常的周围组织选择性 地损伤肿瘤组织。
在另一种优选的实施方式中，本发明的治疗恶性肿瘤的方法是 PDT。PDT是一种双模癌症治疗，其基于卟啉在肿瘤中的选择性聚 集，接着用激光红光辐照肿瘤。在用光激活后，卟啉的电子从单线 基态被激发为单线激发态。电子然后可以返回到单线基态，同时发 射产生荧光的光，或者可经由系统间穿越(交叉)而改变其自旋成 为三线态。在三线态衰变回基态单线态时，它可以将能量转移至基 态三线的双氧(分子氧)，其形成高反应性单线态氧。最容易与单 线态氧反应的生物分子包括不饱和脂质和α氨基酸残基，二者均为 生物膜的主要组分。超过特定的可逆或可修复阈值，对膜的损伤、 尤其是对内皮细胞膜的损伤可以导致局部血管血栓形成以及血液 循环的停止。
在本发明中使用PDT时，首先为患者注射或榆注式(1)的光敏 含碳硼烷的卟啉。然后使用光学纤维(fiber-optic)探针来照亮肿瘤 组织。对于恶性肿瘤，优选PDT光敏剂对于最大进入肿瘤的深度， 在足够长的波长处具有光吸收峰。
在一种优选的实施方式中，恶性肿瘤的药物治疗通过使用 SPECT或PET加以增进。在SPECT中，首先为患者输注或注射式 (1)的化合物，其中M是发射γ的放射性金属离子。然后对患者的 头部非侵入性地进行扫描，并且在表现脑或脑瘤组织的每个像素或 体素中对放射性核素浓度、以及因此间接地，平均硼浓度加以成像。 从而可以在大脑的每一图像上描绘表示同等硼-10浓度区域的轮廓 线(等高线，contour lines)。
与常规的射线照相术或计算机断层照相相比，大脑的SPECT 对于同位素示踪剂的敏感性要高至少一个数量级。此外，与来自常 规的射线照相术的结果相反，可以分析SPECT结果以提供在脑图 像中的限定体积或体素内的、与BNCT治疗规划和实施有关的硼浓 度的定量信息。SPECT扫描能够指示患者体内肿瘤的存在、以及其 在大脑中或在体内其他地方的定位。SPECT扫描是非侵入性的、快 速且方便的。
然而，正电子发射PET-可成像放射性同位素Cu-64，比在 SPECT中使用的Cu-67更容易获得。由于Cu-64非常更大的可用性， 我们已经利用Cu-64标记的卟啉进行了临床前PET研究。
在另一种优选的实施方式中，恶性肿瘤的治疗性处理通过使用 MRI而得到增进。在MRI中，首先为患者输注或注射含有化学式(1) 的含碳硼烷的卟啉的溶液，其中化学式(1)的含碳硼烷的卟啉与适合 的顺磁性金属离子螯合。对于脑瘤，随后对患者的头部进行扫描并 且对脑中的顺磁性金属离子浓度，以及因此的，硼浓度进行成像和 定量。采用本发明的化合物的MRI，在输注之前、过程中以及之后， 当硼化化合物重新分布在血液、肿瘤、以及健康组织中时，对于 BNCT中的中子辐照，可允许快速的增强靶向和治疗规划。
本发明的含碳硼烷的卟啉是通过一系列单独的步骤而合成的。 以下首先提供制备本发明优选的含碳硼烷的硝基卟啉所需的合成 步骤的总结，其中R1、R2、R3和R4中的两个是碳硼烷基甲氧基苯 基基团，并且两个是硝基基团。本领域技术人员将能够容易地确定 这样的反应条件。
具体实施例描述了一种用于合成本发明的化合物的优选方法。 本发明的范围不以任何方式受到本文阐述的实施例的限制。例如， 碳硼烷基卟啉胺和碳硼烷基卟啉卤化物可以通过使用不同原料的 混合物并进行类似的合成反应如在反应图解2中所示的Lindsey环 化作用而合成。
反应图解1

其中X是O或S而Z表示在笼式结构内包含至少两个碳原子 和至少三个硼原子、或至少一个碳原子和至少五个硼原子的任何碳 硼烷簇合物。应用Lindsey环化条件，在非极性非质子溶剂如二氯 甲烷(DCM)中使用路易斯酸如三氟化硼或Bronsted酸如三氟乙酸 作为酸催化剂。例如，碳硼烷簇合物可以是-C2HB9H10或-C2HB10H10， 其中-C2HB9H10是巢型邻-、间-、或对-碳硼烷，而-C2HB10H10是闭 合型(笼型)邻-、间-、或对-碳硼烷。
反应图解2

其中X和Z如前所限定。Q是-NO2、-NH2、或卤素。反应细 节参见以下实施例4和6。
反应图解3

其中X、Z、和Q如前所限定。在一种优选的实施方式中，M 选自由钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钌(Ru)、锝(Tc)、铬(Cr)、 铂(Pt)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锗(Ge)、铟 (In)、锡(Sn)、钇(Y)、金(Au)、钡(Ba)、钨(W)、以及钆 (Gd)组成的组。在更优选的实施方式中，M是铜(Cu)或镍(Ni)。 所用的金属盐包含与卟啉螯合的金属离子M。例如，对于其中期望 M为铜的化合物，醋酸铜，即，Cu(OAc)2·H2O可以用作金属盐。 溶剂A是能够至少部分地溶解卟啉和金属盐的任何溶剂或溶剂混 合物，并且不会干扰将金属引入到卟啉中。
利用反应图解1-3来制备卟啉V。关于合成的细节参见以下实 施例1-5。卟啉V具有以下结构：

在上述卟啉V中，R1和R3是-NO2；R2和R4由式(2)表示；Y 由式(3)表示；R10和R11是H；r是1；Z是-C2HB10H10碳硼烷；Y在 苯环的间位上；而M是Cu。
利用反应图解1-3来制备卟啉VII。关于合成的细节参见以下 实施例1-4和6-7。卟啉VII具有以下结构：

在上述卟啉VII中，R1和R3是-Br；R2和R4由化学式(2)表示； Y由化学式(3)表示；R10和R11是H；r是1；Z是-C2HB10H10碳硼烷； Y在苯环的间位上；而M是Cu。
实施例
为了说明和描述本发明当前的最佳模式，下面阐述了实施例。 本发明的范围不以任何方式受此处所述实施例的限制。
实施例1
吡咯甲烷(pyrromethane)(I)的合成
根据Clezy and Smythe，Aust J Chem，1969，22，239和Bruckner et al，J Porph Phthal，1998，2，455中的步骤制备吡咯甲烷I。简言之， 用硼氢化钠还原由吡咯和硫光气(二氯硫化碳)合成的二吡咯基硫 酮(dipyrrylthione)以产生吡咯甲烷(I)。
实施例2
3-邻碳硼烷基甲氧基苯甲醛 (3-o-Carboranylmethoxybenzaldehyde)(II)的合成
利用在Miura et al，Tet Let，1990，31，2247-2250中描述的方法来 合成3-邻碳硼烷基甲氧基苯甲醛(II)。
实施例3
二碳硼烷基苯基卟啉(III)的合成
遵循类似于在Bruckner et al，J Porph Phthal，1998，2，455描述 的程序。在装配有磁力搅拌棒的清洁干燥的250mL烧瓶内，将吡 咯甲烷(I)(97mg，0.66mmol)溶解在无水DCM(120mL)中。 通过将氮气鼓泡到搅拌溶液中而对溶液进行脱氧10min。加入3- 邻碳硼烷基甲氧基苯甲醛(II)(172mg，0.699mmol)，并使溶液脱 氧另外5min。加入三氟乙酸[TFA](11.5mL，0.155mmol)，并使 溶液在氮气气氛下在室温下搅拌过夜。在约18小时以后，加入对 四氯苯醌(p-chloranil)(500mg，2.03mmol)，其后溶液立即变为 暗紫红色。当光吸收光谱显示期望的卟啉时，使溶液回流1小时。 加入含水亚硫酸氢钠以将多余的对四氯苯醌还原为氢醌以便于更 容易的纯化。10min后，通过用DCM稀释完成(work up)反应， 用水/盐水洗涤有机层几次并用无水硫酸钠干燥有机层。去除溶剂并 用甲醇对红色残留物进行研磨以去除氢醌。通过快速层析法(二氧 化硅，30％己烷/DCM)纯化紫色固体产生约27mg(约9％产率)。
产物给出以下质子核磁共振(1H NMR)谱，以ppm为单位(在 CDCl3溶剂中)：10.344(s，2H，次甲基H)；9.419(d(J＝4.6Hz)， 4H，吡咯H)；9.058，(d(J＝4.6Hz)，4H，吡咯H)；7.973(d(J＝7.1 Hz)，2H，ArH)；7.720-7.768(m，6H，ArH)；4.656(s，4H，OCH2- 碳硼烷)；4.220(s，2H，碳硼烷CH)；1.5-2.9(br m，20H，BH) -3.177(s，2H，NH)。产物的紫外-可见吸收光谱(在二氯甲烷溶 剂中)在纳米的波长下显示以下峰：406、502、535、574。
实施例4
5，15-二硝基-10，20-双(3-[邻碳硼烷基甲氧基]苯基)卟啉(IV)的 合成
遵循类似于在Arnold et al，Aus J Chem，1997，50，495-503中描 述的程序。在装配有搅拌棒的清洁干燥的100mL烧瓶内，在氮气 气氛下，将二碳硼烷基苯基卟啉(III)(20mg，0.025mmol)溶解在 无水1，2-二氯甲烷(DCE)(15mL)和无水乙腈(15mL)中。向 卟啉溶液中加入溶解有碘(64mg，0.25mmol)的乙腈(5mL)， 然后使其在回流下搅拌1小时。此时将乙腈(5mL)中的亚硝酸银 (80mg，0.53mmol)加入到卟啉溶液中，使其在回流下搅拌另外 2小时，然后室温过夜。TLC(二氧化硅，30％己烷/DCM)几乎在 相同的Rf下显示新产物，但是绿色而不是红色。光谱表明似乎为 期望的产物。通过烧结玻璃来过滤反应混合物并在真空中去除溶 剂。将残留物溶解在氯仿中并通过短二氧化硅垫(short silica pad) 洗脱。
产物给出以下质子核磁共振(1H NMR)谱，以ppm为单位(在 CDCl3溶剂中)：9.31(d(J＝4.1Hz)4H，吡咯H)；9.00(d(J＝4.1 Hz)，4H，吡咯H)；7.889(m，2H，ArH)；7.739-7.778(m，2H， ArH)；7.65-7.671(m，2H，ArH)；7.339-7.365(m，2H，ArH)； 4.650(s，4H，OCH2-碳硼烷)；3.490(s，2H，碳硼烷CH)；1.5-2.9 (br m，20H，BH)；-3.10(s，2H，NH)。产物的紫外-可见吸收 光谱(在二氯甲烷溶剂中)在纳米波长下显示以下峰：421、513、 555、589、652。
实施例5
铜(II)5，15-二硝基-10，20-双(3-[邻碳硼烷基甲氧基]苯基)卟啉(V) 的合成
将游离碱5，15-二硝基-10，20-双(3-[邻碳硼烷基甲氧基]苯基)卟 啉(IV)溶解在氯仿中并向其中加入一水合醋酸铜(II)。使混合物在回 流下搅拌过夜。光谱显示金属化已完成。通过用DCM稀释完成反 应并用水洗涤三次、干燥(无水硫酸钠)并去除溶剂。
产物的紫外-可见吸收光谱(在二氯甲烷溶剂中)在纳米波长下 显示以下峰：426、545、583。
实施例6
5，15-二溴-10，20-双(3-[邻碳硼烷基甲氧基]苯基)卟啉(VI)的合成
按照类似于C.Liu等人(Chem Comm 2006，770-772)描述的 程序，用N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)处理二碳硼烷基卟啉III，由 此将起始的卟啉IV(126mg，0.156mmol)溶解在DCM：甲烷混合 物(9/1v/v；30mL)中。在室温下向该搅拌溶液中加入NBS(55.6 mg，0.312mmol)。在约15min以后，光学吸收光谱和TLC(在 DCM中的50％己烷中)表明没有原料。光谱表明索雷谱带(Soret band)具有从406nm至421nm的红移，而TLC表明较小极性的产 物。通过加入水使反应终止并完成反应。利用二氧化硅垫用DCM 洗脱来纯化粗产物。通过过滤掉不溶于DCM的产物(48mg)并将 其与通过制备TLC(二氧化硅，己烷中10％的乙酸乙酯)而纯化的 产物(44mg)合并而进行进一步纯化。通过HPLC分析，过滤的 产物具有90％纯度而由TLC纯化的产物纯度为83％。100％纯度的 合并产率为84mg(53％产率)。
质子NMR表明中位质子(meso proton)不再存在。(1H NMR) 谱，以ppm为单元(在CDCl3溶剂中)：9.628(d(J＝3.6Hz)4H， 吡咯H)；8.815(d(J＝4.4Hz)，4H，吡咯H)；7.867(d，2H，ArH)； 7.654-7.725(m，4H，ArH)；7.296-7.324(m，2H，ArH)；4.628 (s，4H，OCH2-碳硼烷)；4.190(s，2H，碳硼烷CH)；1.5-3.0(br m，20H，BH)；-2.766(s，2H，NH)。
实施例7
铜(II)5，15-二溴-10，20-双(3-[邻碳硼烷基甲氧基]苯基)卟啉(VII) 的合成
利用在实施例5中描述的相同的程序，用醋酸铜使二溴卟啉 VI游离碱金属化以形成Cu(II)卟啉。获得124mg的铜卟啉VII，通 过HPLC分析其为90％纯度。DCMmax(nm)下的UV-可见光谱： 418，546。C38H42N4O2B20Br2Cu要求1026.330；蒽三酚基质(matrix) 中MALDI-TOF：m/z＝1026.93。
实施例8
卟啉溶液的制备
使卟啉化合物(V)在盐水中的9％的聚氧乙烯蓖麻油 (Cremophor EL)和18％的丙二醇中乳化。
为了制备9％聚氧乙烯蓖麻油(CRM)和18％丙二醇(PRG) 中的约3.7mg/mL卟啉的溶液，将卟啉溶解在四氢呋喃(THF)(总 体积的1.5％)中，然后在15分钟内加热至40℃。然后加入CRM (总体积的9％)，并在2小时内将混合物加热至60℃，去除大部分 THF。在冷却至室温后，加入PRG(总体积的18％)，接着在快速 搅拌下缓慢地逐滴加入盐水(总体积的71.5％)。通过在真空(约 30mm Hg)下搅拌30～60min使溶液脱气，然后进行过滤(微孔 (Millipore)，8μm)。
实施例9
在患有EMT-6癌的小鼠中卟啉化合物V的生物分布
向带有皮下植入EMT-6乳腺癌(在胸部背面(dorsal thorax) 植入)的BALB/c小鼠给予总剂量为每千克体重105毫克的卟啉化 合物V(23.7mg B/kg)。在末次注射后一和两天，使小鼠安乐死， 并除去肿瘤、血液、大脑、以及肝脏用于硼分析。在对硼进行分析 之前，首先分析血液的指示毒性的血液学参数。表1示出了来自 BALB/c小鼠的不同类型组织的平均硼浓度。
表1
在8小时时间内3次腹膜注射给予105mg/kg卟啉化合物V (23.7mg B/kg)的小鼠(n＝5)，在末次注射后一天或两天时不同 组织中的平均硼浓度(μg/g湿重组织(wet tissue))。数值报告为平均 值及标准偏差。
 末次注射后时间(天)   1   2  小鼠数量   5   5  肿瘤(μg B/g)   39.2±14.4   49.8±12.9  血液(μg B/g)   34.6±26.9   1.5±0.4  皮肤(耳廓)(μg B/g)   3.6±13.0   4.8±1.6  大脑(μg B/g)   0.5±0.4   0.1±0.1  肝(μg B/g)   145±38   226±25  脾(μg B/g)   76.1±8.6   158±19  肾(μg B/g)   12.7±6.9   7.1±0.5  肺(μg B/g)   --   8.5±3.0  心脏(μg B/g)   9.1±3.8   7.5±0.6  粪便(μg B/g)   --   15.2±20.8
实施例10
起因于卟啉V的体重变化和血液学参数
表2
给予105mg/kg卟啉化合物V(23.7mg B/kg)的小鼠在末次注 射后1或2天的体重变化和血液学参数。数值报告为平均值及标准 偏差。
  化合物   卟啉化合物V   对照   卟啉化合物V   对照   末次注射后时间(天)   1   1   2   2   ％体重变化   -0.8±1.8   0±2.7   -1.7±1.7   2.1±1.4   血小板计数(m/m3)   1349±294   1276±83   515±160   1138±258   白血球计数(m/m3)   9.9±2.6   4.9±2.2   11.8±1.8   7.5±2.0
初步的生物分布研究的结果表明卟啉化合物V似乎是作为 BNCT和XRT二者的敏化剂(感光剂，sensitizer)的有前景的候选 物。虽然在注射后一天，肿瘤∶血液硼比率仅为1∶1，但在注射后两 天该比率提高至＞30∶1。由仅约100mg/kg(24mg/kg B)的相对较 低的卟啉剂量，可向肿瘤递送大量的硼，约50ppm。相反，肝和脾 中的数值比甚至由低剂量所预期的值要低。硼和卟啉的肿瘤靶向能 力，如测量为在每克湿重组织中的肿瘤中注射剂量的百分比(约 10.5％/g)，与CuTCPH相比可认为是相当有效的，CuTCPH是此类 物质中最常研究的卟啉，其在相同肿瘤模型中具有6.1％/g的值。
实施例11
在患有EMT-6癌的小鼠中卟啉化合物VII的生物分布
与实施例8相似，给予患有肿瘤的小鼠化合物VII，不同之处 在于：在8小时时间内分三次腹膜注射给予143mg/kg体重稍高的 总剂量。
表3
在8小时时间内3次腹膜注射给予143mg/kg卟啉化合物VII (30mg B/kg)的小鼠(n＝5)，在末次注射后一天或两天时不同组 织中的平均硼浓度(μg/g湿重组织)。数值报告为平均值及标准偏 差。
 末次注射后时间(天)   1   2  小鼠数量   5   5  肿瘤(μg B/g)   67.1±8.5   76.9±14.1  血液(μg B/g)   105±20   12.1±9.7  皮肤(耳廓)(μg B/g)   9.2±1.8   7.7±1.7  大脑(μg B/g)   1.9±0.5   0.1±0.2  肝(μg B/g)   183±19   263±34  脾(μg B/g)   107±11   160±15  肾(μg B/g)   38.7±7.0   13.0±3.6  肺(μg B/g)   35.8±3.7   17.8±6.2  心脏(μg B/g)   20.4±4.6   9.4±1.1  粪便(μg B/g)   11.2±2.3   4.9±0.6
实施例12
表4
给予143mg/kg卟啉化合物VII(30mg B/kg)的小鼠在末次注 射后1或2天的体重变化和血液学参数。数值报告为平均值及标准 偏差。
  化合物  卟啉化合物VII   对照  卟啉化合物VII   对照   末次注射后时间(天)  1   1  2   2   ％体重变化  -0.3±1.4   0±2.7  0.2±2.2   2.1±1.4   血小板计数(m/m3)  1461±229   1276±83  790±227   1138±258   白血球计数(m/m3)  8.8±1.3   4.9±2.2  11.8±1.8   11.0±0.7
来自表3中的卟啉VII的生物分布数据表明较高量的硼和卟啉 可以被递送至肿瘤组织，这与在中位具有四个四碳硼烷基苯基部分 的其他亲脂性卟啉(而不是本发明中的两种)相类似。虽然在末次 注射后一天，肿瘤∶血液硼比率小于1∶1，但再过一天以后该比率提 高至约7∶1，具有稍高的肿瘤硼浓度。如果在该剂量下任何毒性都 与卟啉相关，则该毒性也是极小的。
因此，虽然已经描述了本发明的优选实施方式，但本领域的技 术人员会认识到，在不背离本发明的精神的情况下，可以采用其他 实施方式，本发明的精神包括在本文所述的权利要求的真正范围内 的所有这样的进一步更改和变化。