JP6635555B2 - 酵素特異的な細胞内滞留性蛍光化合物 - Google Patents
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Description
(式中、R3、R4、R5、及びR6はそれぞれ独立に−C(=O)H、水素原子、ヒドロキシル基、アルキル基、又はハロゲン原子を表し;R2及びR7はそれぞれ独立に水素原子、ヒドロキシル基、アルキル基、又はハロゲン原子を表し;R8及びR9はそれぞれ独立に水素原子又はアルキル基を示し;Xは酸素原子又はSe、CR13R14、又はSiR15R16を表し;R13、R14、R15及びR16はそれぞれ独立に水素原子又はアルキル基を表し;YはC1−C3アルキレン基を表し、ここで、R3、R4、R5、及びR6の少なくとも一つは、−C(=O)Hを表す。)
本発明により提供される式(I)で表される酵素特異的滞留性蛍光化合物を細胞内に取り込ませた場合、Aで表される基を切断可能な酵素が発現している細胞では、該細胞内において、Aで表される基が切断されるとともに、R3、R4、R5、又はR6に位置する、−CFR10R11又は−CF2R12からフッ化水素が離脱し、キノンメチドが生成される。キノンメチドは急速に周囲の求核剤による攻撃を受けることから、細胞内でキノンメチドを生成した場合、周囲のタンパク質がもつ求核基と速やかに反応し、タンパク質に不可逆的に結合するものと考えられる。
上述の特性を示すため、本発明の細胞内滞留性蛍光化合物を、特定の酵素が発現している標的細胞の細胞を特異的に可視化する方法に用いることができる。具体的には、式(I)の酵素特異的滞留性蛍光化合物と標的細胞において特異的に発現するβ−ガラクトシダーゼ等の酵素とを接触させる工程、次いで、励起光照射を行うことで発生する蛍光を検出する工程を行うことによって、β−ガラクトシダーゼ等を発現している標的細胞のみを特異的に可視化することができる。
○使用した合成試薬、装置等
市販の原料は試薬メーカー(和光純薬株式会社、東京化成工業株式会社、Sigma−Aldrich Co. Ltd.)より購入した。
高速液体クロマトグラフィーによる精製に用いた装置およびカラム。
・ポンプ:PU−2080およびPU−2087(日本分光株式会社)
・検出器:MD−2010(日本分光株式会社)
・カラム:Inertsil ODS−3
(10 x 250 mm or 20 x 250 mm,
GL Science Inc.)
HPLCによる分離精製用いた溶媒。
A: 100 mM トリエチルアミン酢酸塩
B: 99% アセトニトリル、 1% milliQ
HPLC分離における送液は、それぞれ
25mL/min(ポンプ:PU−2087,カラム:20x250mm)5 mL/min(ポンプ:PU−2080,カラム:10x250mm)にて行った。
中圧カラムクロマトグラフィーによる精製はYFLC−AI580(山善株式会社)を用いて行った。
NMR測定はAVANCE III 400 Nanobay(Bruker,Co. Ltd.)を用いて行った。(400MHz for 1H NMR、101MHz for 13C NMR)
質量分析測定はMicrOTOF(ESI−TOF,Bruker,Co. Ltd.)を用いて行った。High−resolution MS(HRMS)測定については、外部標準物質としてギ酸ナトリウムを使用した。
THF: テトラヒドロフラン
DMF: N,N−ジメチルホルムアミド
TFA: トリフルオロ酢酸
DAST:三フッ化N,N−ジエチルアミノ硫黄
PLC: 分取用薄層プレート
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalが、β−ガラクトシダーゼによる酵素処理特異的に蛍光を発生することを確認した。
本発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物である2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalまたは4−CH2F−HMDER−βGalと、β−ガラクトシダーゼを30分間酵素反応させることによって生じる、吸収スペクトル変化及び蛍光スペクトル変化(励起波長550nm)を、リン酸ナトリウム緩衝液200mM存在下(pH7.4)で測定した。測定は、Shimadzu UV−2450(島津製作所)およびHitachi F−7000(日立製作所)を用いて行った。
(結果)
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalは、β−ガラクトシダーゼと酵素反応することにより、蛍光を発生した(図1〜3)。
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalを用いて、β−ガラクトシダーゼによって切断されたこれらの化合物が、溶液中に共存するウシ血清アルブミンタンパク質(BSA)を蛍光ラベル化することを確認した。
(1)2.5μM 4−CH2F−HMDER−βGal および0.5mg,/mL BSA、(2)2.5μM 4−CH2F−HMDER−βGal,0.5mg/mL BSA および5U β−ガラクトシダーゼ (3)2.5 μM 4−CHF2−HMDER−βGal,0.5mg/mL BSA および5U β−ガラクトシダーゼ (4)2.5μM 2−CHF2−HMDER−βGal,0.5mg/mL BSA および5U β−ガラクトシダーゼ (5)2.5μM HMDER−βGal、0.5mg/mL BSA および5U β−ガラクトシダーゼを、それぞれ水溶液中(500mM リン酸ナトリウム緩衝液、pH7.4)にて反応させた後、反応産物をSDS−PAGE(ランニングゲル10%、スタッキングゲル4%、泳動電圧200V)に供した。SDS−PAGEによって得られたゲルに対して、488nm,の励起光を照射し、540−600nmの蛍光をPMT電圧 1000Vにて観察した(図4(a))。観察後、当該ゲルをクマシー染色し、ゲル上におけるBSAの位置を確認した(図4(b))。
(結果)
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalと、β−ガラクトシダーゼを、BSA存在下で反応させることにより、SDS泳動後のBSAの位置に蛍光が確認された(図4のレーン2〜4、75kDa付近のバンド)。β−ガラクトシダーゼを含まない試料(同レーン1)、またはHMDER−βGalを用いた試料(同レーン5)では、蛍光が確認されなかった。
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalが、細胞内タンパク質を酵素活性特異的に蛍光ラベル化することを確認した。
β−ガラクトシダーゼを発現するHEK細胞(HEK−lacZ細胞)および通常のHEK細胞を用いた。
(1)2.5μM 4−CH2F−HMDER−βGal および20μL 1.5mg/mL HEK細胞ライセート(2)2.5μM 4−CH2F−HMDER−βGalおよび20μL 1.5mg/mL HEK−lacZ細胞ライセート(3)2.5 μM 4−CHF2−HMDER−βGalおよび20μL 1.5mg/mL HEK−lacZ細胞ライセート(4)2.5μM 2−CHF2−HMDER−βGalおよび20μL 1.5mg/mL HEK−lacZ細胞ライセート(5)2.5μM HMDER−βGalおよび20μL 1.5mg/mL HEK−lacZ細胞ライセートを、それぞれ、5%CO2存在下で37℃30分間インキュベートした後、反応産物をSDS−PAGE(ランニングゲル10%、スタッキングゲル4%、泳動電圧200V)に供した。SDS−PAGEによって得られたゲルに対して、488nm,の励起光を照射し、540−600nmの蛍光をPMT電圧 1000Vにて観察した(図5(a))。観察後、当該ゲルをクマシー染色し、ゲル上におけるBSAの位置を確認した(図5(b))。
(結果)
2−CHF2−HMDER−βGal、4−CHF2−HMDER−βGalおよび4−CH2F−HMDER−βGalを、HEK−lacZ細胞とインキュベートした試料において、細胞内タンパク質に蛍光が確認された(図5のレーン2〜4)。β−ガラクトシダーゼを発現しないHEK細胞を用いた試料(同レーン1)、またはHMDER−βGalを用いた試料(同レーン5)では、蛍光が確認されなかった。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物が、生細胞の蛍光イメージングに利用可能であることを確認した。
HEK細胞、HEK−lacZ細胞、およびこれらの細胞の混合物を、1μMの4−CH2F−HMDER−βGalまたはHMDER−βGalとともに、30分間インキュベート(37oC、5% CO2存在下)した後、そのまま、あるいは、培地により2回洗浄した後、共焦点顕微鏡を用いて、これらの細胞の蛍光画像および微分干渉画像(DIC)を取得した。また、4−CH2F−HMDER−βGalとインキュベーションした後、4%PFAを加えて室温で10分間インキュベーションすることで固定した細胞も、同様に観察した。共焦点顕微鏡には、白色レーザー光、および対物レンズHCX PL APO CS 40x/1.25(Leica社製)を備えた、TCS SP5X(Leica社製)を用い、LAS AF softwareにて制御した。観察条件は以下のとおり: ホワイトライトレーザー(WLL): 80%−25%,励起波長: 525nm,観測波長: 535−595nm,ゲイン: 800 V (PMT1)/350V(Scan−DIC),オフセット: 0%,ピンホール:67.88μM(1エアリーディスク).
(結果)
試験化合物とインキュベートした後、細胞を培地で洗浄することなく観察した結果、4−CH2F−HMDER−βGalでインキュベートされたHEK−LacZ細胞は、鮮明な蛍光を示した(図6左側)。また、HEK−LacZ細胞とHEK細胞の混合物においては、個々の細胞における蛍光レベルに明確な差異が観察され、細胞毎のβ−ガラクトシダーゼ活性を検出・蛍光イメージング可能であることが示された。一方、HMDER−βGalを用いた場合には、個々の細胞のβ−ガラクトシダーゼ活性を蛍光イメージングすることはできなかった(図6右側)。
さらに、試験化合物とインキュベート後、細胞を培地により2回洗浄した後に観察した場合においても、4−CH2F−HMDER−βGalを用いた場合の蛍光強度には、ほとんど変化がなく、4−CH2F−HMDER−βGalとβ−ガラクトシダーゼとの酵素反応後に生成する蛍光色素が、ほとんど細胞から漏出しないことが示された(図7)。
また、4−CH2F−HMDER−βGalとインキュベーションした後に固定処理を行った試料においても、生細胞と同様の蛍光イメージングが可能であった(図8)。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を利用することで、生細胞の細胞毎の酵素活性を、フローサイトメトリーを用いて検出し得ることを確認した。
HEK細胞、HEK−lacZ細胞、およびこれらの細胞の混合物を、1 μMの4−CH2F−HMDER−βGalまたはHMDER−βGalとともに、30分間インキュベート(37oC 、5% CO2存在下)した。これらの細胞を、フローサイトメメーター Accuri C6(Accri Cytometers)を用いて、488nmの励起光で解析した。
(結果)
4−CH2F−HMDER−βGalとインキュベートされたHEK−LacZ細胞とHEK細胞の混合物を、フローサイトメトリーを用いて解析したところ、HEK−LacZ細胞、HEK細胞のそれぞれに対応するピークが明瞭に観察され、これらの細胞を、蛍光強度の差に基づいて明確に区別して検出可能であった(図9(a))。一方、HMDER−βGalとインキュベートされたHEK−LacZ細胞とHEK細胞の混合物では、これらの細胞をフローサイトメトリーの結果上区別することはできなかった(図9(b))。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を、生体組織の蛍光イメージングに適用し得ることを確認した。
β−ガラクトシダーゼを発現する(en−lacZ)ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)の羽原基(wing discs)を、20μMの4−CH2F−HMDER−βGal又はHMDER−βGalとともに、30分間室温にてインキュベーションした後、共焦点顕微鏡(TCS SP5:Leica社製、LAS AF software.にて制御)下で観察した。観察条件は以下のとおり;Ar:40%−25%,励起光:514nm,観測光:535−595nm(HyD2),20倍.
(結果)
4−CH2F−HMDER−βGalを用いて蛍光イメージングを行った場合、酵素反応生成物である蛍光色素は拡散しないため、β−ガラクトシダーゼ活性をもつ部位(後部)を選択的に蛍光イメージング可能であった(図10(a))。一方、HMDER−βGalを用いて蛍光イメージングを行った場合は、経時的に酵素反応生成物である蛍光色素が拡散し、β−ガラクトシダーゼ活性をもつ部位が判別できなかった(図10(b))。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いて、組織内の細胞を単一細胞レベルで蛍光イメージングすることが可能であることを確認した。
中腸にβ−ガラクトシダーゼを発現するショウジョウバエ(esg−lacZ)を作製した。当該ハエを解剖後4%FPAにより固定処理を行い、4−CH2F−HMDER−βGalを添加して10分間反応させた後洗浄し、80%グリセロールにて透明化処理を行い、蛍光顕微鏡(TCS SP5:Leica社製、LAS AF software.にて制御)にて観察を行った。対照として、GFPを発現するショウジョウバエ腸幹細胞(esg−GFP)を観察した。観察条件は以下のとおり;励起光:514nm,観測光:535−595nm(HyD2),40倍.
(結果)
ショウジョウバエ(esg−lacZ)を4−CH2F−HMDER−βGalと反応させることにより、組織内に蛍光を発する細胞を確認することができた(図11(a))。当該画像は、ショウジョウバエ腸幹細胞(esg−GFP)の蛍光画像(図11(b))と類似していた。
なお、固定処理を行っていない、β−ガラクトシダーゼ発現腸管細胞でも、同様の蛍光イメージングが可能であることを確認している。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いて、癌部位を選択的に蛍光イメージング可能であることを確認した。
卵巣癌細胞SHIN3を播種して、癌モデルマウスを作製した。卵巣癌細胞においては、酸性β−ガラクトシダーゼ活性が上昇していることが知られている。当該癌モデルマウスに、4−CH2F−HMDER−βGalを腹腔内注射して1時間後に、Maestro in−vivo imaging system(CRi)を用いて蛍光観察を行った。観察条件は以下のとおり;励起光:490−530nm,観測光:550−800nm
(結果)
蛍光観察の結果、癌部位と考えられる組織部位(白矢印で示す)から、酵素反応後に生成する蛍光色素由来の蛍光が観察された(図12)。蛍光スペクトルにより蛍光を分離する操作(unmix)を行ったところ、自家蛍光と蛍光スペクトルを分離することが可能であった。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いて、生体組織内にモザイク状に分布するβ−ガラクトシダーゼ活性細胞群を未固定で蛍光イメージングすることが可能であることを確認した。
(材料と方法)
雄のHis2Av−mRFP1, FRT80B/TM6Bをもつショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)と雌のhs−flp;;arm−lacZ, FRT80Bをもつショウジョウバエを交配させ、その子が孵化して30時間後の一齢幼虫のときに37℃、1時間ヒートショックを与え、羽原基(wing discs)に以下の三種類の遺伝子型の細胞をモザイク状に発現させた;(1) β−ガラクトシダーゼのみが発現した細胞(arm−lacZ)、(2) 赤色蛍光タンパク質(mRFP1)のみが発現した細胞(His2Av−mRFP1)、(3) β−ガラクトシダーゼとmRFP1が共に発現した細胞(arm−lacZ/His2Av−mRFP1)。三齢(終齢)幼虫から解剖した羽原基を10 μMの4−CH2F−HMDER−βGalを含む培地中に30分間浸し、共焦点蛍光顕微鏡(TCS SP5:Leica社製、LAS AF softwareにて制御)下で観察した。観察条件は以下の通り;(4−CH2F−HMDER−βGal)励起光:514 nm、観測光:525−585 nm、(mRFP1)励起光:594 nm、観測光:610−700 nm、63倍。
(結果)
4−CH2F−HMDER−βGalを用いて蛍光イメージングを行ったところ、上記三種類の遺伝子型をもつ細胞がモザイク状に存在する様子が鮮明に可視化された(図13)。
以上の結果は、本発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いることで、生体組織に存在するβ−ガラクトシダーゼ発現細胞を非固定で明確に可視化・判別可能であることを実証するものである。
本願発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いて、生体組織内にランダムに発現したβ−ガラクトシダーゼ活性を、単一細胞レベルで蛍光イメージングすることが可能であることを確認した。
(材料と方法)
ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)脂肪体のクローン解析を行うため、フリップアウト技術を使ってUAS−lacZをhs−flp122;Actin>y>Gal4に掛け合わせることによってβ−ガラクトシダーゼを過剰発現させた。生細胞蛍光イメージングを行うため、三齢(終齢)のハエから脂肪体を解剖し、10 μMの4−CH2F−HMDER−βGalと16 μMのHoechst 33342(細胞核染色剤)を含む培地に20分間インキュベーションし、PBSで洗浄し、80%グリセロール中に固定した。また、免疫化学染色を行うため、解剖した脂肪体を4%パラホルムアルデヒド(PFA)含有PBSに20分間浸し、固定処理を行った。ブロッキングの後、脂肪体をβ−ガラクトシダーゼに対するマウス由来モノクローナル抗体(1:250、プロメガ社)に30分間浸し、10 μMの4−CH2F−HMDER−βGal、16 μMのHoechst 33342、Alexa 647修飾二次抗体を加え、共焦点蛍光顕微鏡(TCS SP5:Leica社製、LAS AF softwareにて制御)下で観察した。観察条件は以下の通り;(Hoechst 33342)励起光:405 nm、観測光:415−490 nm、(4−CH2F−HMDER−βGal)励起光:514 nm、観測光:525−600 nm、(Alexa 647修飾二次抗体)励起光:633 nm、観測光:640−700 nm、40倍。
(結果)
4−CH2F−HMDER−βGalを用いて蛍光イメージングを行い、生体組織内にランダムに発現したβ−ガラクトシダーゼ活性細胞を単一細胞ずつ蛍光イメージングすることが可能であることを確認した(図14)。
以上の結果は、本発明の酵素特異的滞留性蛍光化合物を用いることで、生体組織内にランダムに発現したβ−ガラクトシダーゼ活性細胞を単一細胞ずつ可視化・判別可能であることを実証するものである。
Claims (15)
- 以下の式(I’)で表される化合物又はその塩を含む、酵素特異的滞留性蛍光化合物:
- Aがβ−ガラクトピラノシル基である、請求項1に記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物。
- R3、R4、R5、及びR6の少なくとも一つは、−CFR10R11である、請求項1又は2に記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物。
- R3、R4、R5、及びR6の少なくとも一つは、−CH2Fである、請求項1又は2に記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物を含有する蛍光イメージングプローブ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物を含有する、特定の酵素が発現している標的細胞を検出するための、又は可視化するための組成物又はキット。
- 前記標的細胞が、β−ガラクトシダーゼ発現細胞である、請求項7に記載の組成物又はキット。
- 前記標的細胞が、癌細胞である、請求項7に記載の組成物又はキット。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の酵素特異的滞留性蛍光化合物と、当該標的細胞において特異的に発現する酵素とを、生体外において接触させ、特定の酵素が発現している標的細胞を検出する方法。
- 前記酵素特異的滞留性蛍光化合物と、当該標的細胞において特異的に発現する酵素とを、生体外において接触させる工程、及び、励起光照射を行って蛍光を生じさせる工程を含むことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記標的細胞が、β−ガラクトシダーゼ発現細胞である、請求項10又は11に記載の方法。
- 前記標的細胞が、癌細胞である、請求項10〜12のいずれかに記載の方法。
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