KR102332454B1 - Chemiluminescent probe compound for detecting cancer cell and a cancer cell detection chemiluminescent sensor comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 암 세포 검출용 발광 센서에 관한 것이다:
[화학식 1]

Figure 112019130822785-pat00005
.The present invention relates to a light emitting probe compound for detecting cancer cells represented by the following [Formula 1] and a light emitting sensor for detecting cancer cells comprising the same:
[Formula 1]
Figure 112019130822785-pat00005
.

Description

암 세포 검출용 발광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 암 세포 검출용 발광 센서{Chemiluminescent probe compound for detecting cancer cell and a cancer cell detection chemiluminescent sensor comprising the same}A luminescent probe compound for detecting cancer cells and a luminescent sensor for detecting cancer cells comprising the same

본 발명은 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 암 세포 검출용 발광 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting probe compound for detecting cancer cells and a light emitting sensor for detecting cancer cells comprising the same.

자극 반응 합성 구조물은 감지 및 약물 전달과 같은 응용 분야로의 적용 가능성으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있다(비특허문헌 1). 특정 병리생리학적 신호에 반응할 뿐만 아니라 실제로 증폭하는 생체 반응 물질들은 의학뿐만 아니라 생물학적 연구에서도 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 시스템은 질병 조직과 건강한 조직 사이의 개선된 분화를 가능하게 하여 질병의 진단 및 치료를 향상시킨다(비특허문헌 2). 암 연구에서 형광(비특허문헌 3), 광음향(비특허문헌 4), 및 자기 공명(비특허문헌 5) 이미징에 의존하는 시스템은 암 바이오 마커에 특이적인 자극-응답 프로브로서 개발되었다. 이들 시스템 및 이들이 의존하는 검출 기술은 일상적으로 수행되는 종양 이미징 실험을 실질적으로 개선시켰다. 그럼에도 불구하고, 암 병변과 정상적인 건강한 조직 사이의 분화에서 높은 특이성과 충실도를 달성하는 것은 여전히 중요한 과제이며, 많은 경우 외과적 해부와 같이 충족되지 않은 의학적 요구가 남아있다. 이와 관련하여, 화학 발광은 광학 이미징의 단순성을 유지하면서 기존의 형광-기반 접근법에 비해 몇가지 장점을 제공하는바, 큰 가능성을 갖는다. 이러한 장점에는 더 나은 침투 깊이, 더 높은 신호 대 잡음비, 자가 형광, 광산란 및 광표백에 의한 간섭 감소가 포함되며, 외부 여기 광원이 필요하지 않다는 점 또한 중요한 장점이다. Stimulus-responsive synthetic constructs are receiving more and more attention due to their applicability to applications such as sensing and drug delivery (Non-Patent Document 1). Bioreactive substances that not only respond to, but actually amplify, specific pathophysiological signals can play an important role not only in medicine but also in biological research. Such a system enables improved differentiation between diseased and healthy tissues, thereby improving diagnosis and treatment of diseases (Non-Patent Document 2). A system that relies on fluorescence (non-patent document 3), photoacoustic (non-patent document 4), and magnetic resonance (non-patent document 5) imaging in cancer research was developed as a stimulus-response probe specific for cancer biomarkers. These systems and the detection techniques on which they depend have substantially improved the routinely performed tumor imaging experiments. Nevertheless, achieving high specificity and fidelity in differentiation between cancerous lesions and normal healthy tissues remains an important challenge, and in many cases remains unmet medical needs, such as surgical dissection. In this regard, chemiluminescence holds great promise as it offers several advantages over existing fluorescence-based approaches while maintaining the simplicity of optical imaging. These advantages include better penetration depth, higher signal-to-noise ratio, reduced interference by autofluorescence, light scattering and photobleaching, and the need for an external excitation light source is also an important advantage.

한편, NAD(P)H:퀴논 산화환원효소-1(NQO1)은 세포 전반에 걸쳐 발현되는 효소이며, 이의 발현은 스트레스에 대한 반응으로 상향조절된다. 이 효소는 NADH 또는 NADPH를 함께 소비하면서 퀴논 생체이물(quinone xenobiotics) 및 과산화물 음이온(superoxide anion)과 같은 다양한 독소에 대한 이전자 환원효소로 작용한다. 이러한 스트레스 유도 상향조절의 관점에서, 효소가 다양한 암성조직 내에서 과발현되는 것은 놀라운 것이 아니다(특히 간 암종의 경우 50배까지의 비율로 과발현). 게다가, NQO1 상향조절이 정상세포가 암 세포로 병리학적으로 변형되는 초기의 사건일 수 있다고 이론화되었다(비특허문헌 6).On the other hand, NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 (NQO1) is an enzyme expressed throughout the cell, and its expression is upregulated in response to stress. This enzyme acts as a former reductase for various toxins, such as quinone xenobiotics and superoxide anions, while consuming either NADH or NADPH together. In view of this stress-induced upregulation, it is not surprising that the enzyme is overexpressed in various cancerous tissues (especially in liver carcinoma overexpression at a rate of up to 50-fold). Furthermore, it has been theorized that NQO1 upregulation may be an early event in which normal cells are pathologically transformed into cancer cells (Non-Patent Document 6).

A. Roda, M. Guardigli, Anal. Bioanal. Chem. 2012, 402, 69-76. A. Roda, M. Guardigli, Anal. Bioanal. Chem. 2012, 402, 69-76. N. Hananya, O. Green, R. Blau, R. Satchi-Fainaro, D. Shabat, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11793 ? 11796; Angew. Chem. 2017, 129, 11955-11958. N. Hananya, O. Green, R. Blau, R. Satchi-Fainaro, D. Shabat, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11793 ? 11796; Angew. Chem. 2017, 129, 11955-11958. H. Kobayashi, P. L. Choyke, Acc. Chem. Res. 2011, 44, 83-90. H. Kobayashi, P. L. Choyke, Acc. Chem. Res. 2011, 44, 83-90. Q. Q. Miao, K. Y. Pu, Bioconjugate Chem. 2016, 27, 2808-2823. Q. Q. Miao, K. Y. Pu, Bioconjugate Chem. 2016, 27, 2808-2823. D. J. Ye, A. J. Shuhendler, P. Pandit, K. D. Brewer, S. S. Tee, L. N. Cui, G. Tikhomirov, B. Rutt, J. H. Rao, Chem. Sci. 2014, 5, 3845-3852. D. J. Ye, A. J. Shuhendler, P. Pandit, K. D. Brewer, S. S. Tee, L. N. Cui, G. Tikhomirov, B. Rutt, J. H. Rao, Chem. Sci. 2014, 5, 3845-3852. T. Cresteil and A. K. Jaiswal, Biochem. Pharmacol. 1991, 42, 1021-1027. T. Cresteil and A. K. Jaiswal, Biochem. Pharmacol. 1991, 42, 1021-1027.

본 발명에서는 NQO1 효소가 과발현된 암 세포에 고선택성을 갖는 발광 프로브 화합물 및 발광 센서를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a light emitting probe compound and a light emitting sensor having high selectivity for cancer cells overexpressing the NQO1 enzyme.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,The present invention in order to solve the above problems,

하기 [화학식 1]로 표시되는 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물을 제공한다:It provides a luminescent probe compound for detecting cancer cells represented by the following [Formula 1]:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019130822785-pat00001
.
Figure 112019130822785-pat00001
.

본 발명에 따르면, 상기 암 세포는 NAD(P)H:퀴논 산화환원효소-1(NQO1)가 과발현된 것일 수 있다.According to the present invention, the cancer cell may be one in which NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 (NQO1) is overexpressed.

본 발명에 따르면, 상기 화합물은 NQO1에 의해 환원되어 화학 발광하는 것을 특징으로 할 수 있다. According to the present invention, the compound may be reduced by NQO1 to emit chemiluminescence.

또한, 본 발명은 상기 발광 프로브 화합물을 포함하는 암 세포 검출용 발광 센서를 제공한다.In addition, the present invention provides a light emitting sensor for detecting cancer cells comprising the light emitting probe compound.

본 발명에 따른 발광 프로브 화합물은 특히 NQO1이 과발현된 암 세포에 대해서 우수한 선택성으로 반응하며, 우수한 광물리적 특성과 낮은 세포독성을 가지고 있어 암 세포를 효과적으로 이미징할 수 있도록 한다.The luminescent probe compound according to the present invention responds with excellent selectivity to cancer cells in which NQO1 is overexpressed, and has excellent photophysical properties and low cytotoxicity, thereby enabling effective imaging of cancer cells.

도 1의 (A)는 NQO1 (40 μgmL-1) 및 NAD(P)H (100 μM)와 함께 인큐베이션시 프로브 1 (10 μM)의 시간 의존적 화학 발광 연구 결과를 나타낸다. 515 nm에서의 강도 변화는 시간의 함수로서 모니터링되었고, inset은 기본 방출 스펙트럼을 나타낸다. (B)는 아미노산, 바이오티올, 환원 효소 등의 다양한 분석물들의 존재하에서 NQO1에 대한 프로브 1의 선택성을 나타낸 막대그래프이다: CPR: cytochrome P450 reductase, GSR: glutathione-disulfide reductase, NRD: nitroreductase. (C)는 10분에 걸친 프로브 1의 시간 경과 이미지를 나타낸다.
도 2의 (A)는 A549 세포 및 H596 세포와 함께 인큐베이션된 프로브 1의 시험관내 화학 발광 이미지 및 신호 강도 정량 결과를 나타낸 것이다. (B)는 A549 세포와 함께 인큐베이션된 프로브 1의 시간 의존적 화학 발광 강도를 나타낸 것이다. 50 μM의 디쿠마롤의 존재(노란색) 또는 부재하에(주황색) 6시간 인큐베이션 후, A549 세포를 10 μM의 프로브 1로 처리하고, 화학 발광을 2시간 동안 측정하였다. 화학 발광 강도는 마이크로 플레이트 판독기를 사용하여 수득하였다. (C)는 QMeNN과 비교한 프로브 1의 신호 대 잡음 강도 비율을 나타낸 것이다. NQO1-양성 A549 세포를 10 Μm 프로브 1 또는 QMeNN으로 처리하고, 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 프로브 1의 화학 발광 (CL) 또는 QMeNN의 형광 강도 (FL)를 시간의 함수로서 측정하였다.
도 3은 프로브 1로 처리한 후 비침습성 생물 발광 이미징 시스템을 사용하여 기록한 A549 및 H596 세포의 이종 이식 모델의 생체 내(In vivo) 및 생체 외(ex vivo) 이미지를 나타낸 것이다. (A)는 종양 보유 누드 마우스(A549- 또는 H596- 세포-유래 이종 이식편)에 프로브 1(100 μL PBS 중 40 μg, 10% DMSO) 또는 비히클(대조군)을 주사하고, 10분 후에 얻은 생체 내 화학 발광 이미지이다. (B)는 A549- 및 H596- 세포-유래 이종 이식편으로부터 절제된 종양으로 프로브 1 (100 μL PBS 중 40 μg, 10% DMSO)을 직접 주사하고 10분 후에 기록한 생체 외 화학 발광 이미지이다. 프로브 1의 화학 발광 이미지는 생물 발광 이미징 시스템을 사용하여 수득하였다. 생체 외 이미징 연구를 위해, 초기 세포 접종 후 28일에 종양 보유 마우스로부터 종양 덩어리를 수확 하였다.
도 4는 다양한 농도의 NQO1 효소 조건 하에서 보조 인자로서 NAD(P)H (100 μM)를 갖는 프로브 1 (10 μM)의 발광 강도를 나타낸 것이다(λem = 515nm, 150 초의 평형 후에 기록된 데이터).
도 5는 PBS에서 NQO1 (40 μg/mL) 및 NADH (100 μM)와 함께 인큐베이션하기 전에 기록된 프로브 1 (10 μM)의 RP-HPLC 크로마토 그램을 나타낸 것이다(적색선: 프로브 1, 청색선: 벤조에이트 (분해), 흑색선 : 벤조화 유도체 (합성)).
도 6은 A549, H596 및 WI-38 세포에서 프로브 1의 세포 생존력을 나타낸 것이다. A549 (NQO1-양성, 암), H596 (NQO1-음성, 암) 및 WI-38 (NQO1-음성, 정상 폐) 세포를 0, 1, 5, 10, 30 및 50 μM의 프로브 1로 처리한 후 24시간 동안 인큐베이션 하였다. 데이터 값은 평균±S.D로 표시된다(n = 3). * p <0.05.
도 7은 H596, A549 및 WI-38 세포에서 NQO1의 단백질 발현을 나타낸 것으로, H596, A549 및 WI-38 세포의 NQO1 발현 수준을 보여주는 웨스턴 블롯 결과이다.
도 8은 50 μM의 디쿠마롤의 존재 또는 부재하에서 A549 세포와 함께 2시간 동안 인큐베이션된 프로브 1에 대한 화학 발광 이미지 및 신호 강도 정량 결과를 나타낸 것이다. 다중 발광 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 화학 발광 강도를 수득하였다.
도 9는 디쿠마롤의 존재 또는 부재 하에서 프로브 1과 함께 인큐베이션 된 NQO1 음성 (H596 및 WI-38) 세포의 시험관내(In Vitro) 이미지를 나타낸 것이다. (A)는 프로브 1과 함께 인큐베이션된 H596 세포의 화학 발광 이미지 및 신호 강도 정량 결과를 나타낸 것이다. 화학 발광 이미지는 생물 발광 이미징 시스템을 사용하여 수득하였다. (B)는 프로브 1과 함께 인큐베이션된 H596 세포의 화학 발광 강도를 나타낸 것이다. 400 μM 디쿠마롤의 존재 또는 부재하에 6 시간 동안 인큐베이션 한 후, H596 세포를 2시간 동안 10 μM 프로브 1로 처리하였다. (C)는 프로브 1과 함께 인큐베이션된 WI-38 세포의 화학 발광 강도를 나타낸 것이다. 400 μM 디쿠마롤의 존재 또는 부재하에 6 시간 동안 인큐베이션 한 후, WI-38 세포를 2시간 동안 10 μM 프로브 1로 처리하였다. 다중 발광 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 화학 발광 강도를 수득하였다.
도 10은 NQO1 (40 μg/mL) 및 NADH (100 μM)와 함께 인큐베이션 시 QMeNN (10 μM)의 시간 의존적 형광 연구 결과를 나타낸 것이다.
1(A) shows the results of a time-dependent chemiluminescence study of probe 1 (10 μM) upon incubation with NQO1 (40 μgmL −1 ) and NAD(P)H (100 μM). The intensity change at 515 nm was monitored as a function of time, and the inset represents the fundamental emission spectrum. (B) is a bar graph showing the selectivity of probe 1 for NQO1 in the presence of various analytes such as amino acids, biothiol, and reductase: CPR: cytochrome P450 reductase, GSR: glutathione-disulfide reductase, NRD: nitroreductase. (C) shows a time-lapse image of probe 1 over 10 min.
FIG. 2A shows an in vitro chemiluminescence image and signal intensity quantification of probe 1 incubated with A549 cells and H596 cells. (B) shows the time-dependent chemiluminescence intensity of probe 1 incubated with A549 cells. After 6 hours of incubation in the presence (yellow) or absence (orange) of 50 μM dicoumarol, A549 cells were treated with 10 μM of Probe 1 and chemiluminescence was measured for 2 hours. Chemiluminescence intensity was obtained using a microplate reader. (C) shows the signal-to-noise intensity ratio of probe 1 compared to Q Me NN. NQO1-positive A549 cells were treated with 10 M probe 1 or Q Me NN and the chemiluminescence (CL) of probe 1 or fluorescence intensity (FL) of Q Me NN was measured as a function of time using a microplate reader.
3 shows in vivo and ex vivo images of xenograft models of A549 and H596 cells recorded using a non-invasive bioluminescence imaging system after treatment with probe 1. (A) Tumor-bearing nude mice (A549- or H596-cell-derived xenografts) were injected with probe 1 (40 μg in 100 μL PBS, 10% DMSO) or vehicle (control), and in vivo obtained 10 min later. This is a chemiluminescent image. (B) In vitro chemiluminescence images recorded 10 min after direct injection of probe 1 (40 μg in 100 μL PBS, 10% DMSO) into tumors excised from A549- and H596-cell-derived xenografts. Chemiluminescence images of probe 1 were obtained using a bioluminescence imaging system. For in vitro imaging studies, tumor masses were harvested from tumor-bearing mice 28 days after initial cell inoculation.
Figure 4 shows the luminescence intensity of probe 1 (10 μM) with NAD(P)H (100 μM) as a cofactor under conditions of various concentrations of NQO1 enzyme (λ em = 515 nm, data recorded after 150 s of equilibration) .
Figure 5 shows the RP-HPLC chromatogram of probe 1 (10 μM) recorded before incubation with NQO1 (40 μg/mL) and NADH (100 μM) in PBS (red line: probe 1, blue line: benzo 8 (decomposed), black line: benzoated derivatives (synthetic)).
Figure 6 shows the cell viability of probe 1 in A549, H596 and WI-38 cells. After treatment of A549 (NQO1-positive, cancer), H596 (NQO1-negative, cancer) and WI-38 (NQO1-negative, normal lung) cells with probe 1 at 0, 1, 5, 10, 30 and 50 μM Incubated for 24 hours. Data values are expressed as mean±SD (n = 3). *p <0.05.
7 is a graph showing the protein expression of NQO1 in H596, A549 and WI-38 cells, and is a Western blot result showing the NQO1 expression level in H596, A549 and WI-38 cells.
8 shows the chemiluminescence image and signal intensity quantification results for probe 1 incubated with A549 cells for 2 hours in the presence or absence of 50 μM dicoumarol. Chemiluminescence intensities were obtained using a multiluminescence microplate reader.
9 shows in vitro images of NQO1-negative (H596 and WI-38) cells incubated with probe 1 in the presence or absence of dicoumarol. (A) shows the results of chemiluminescence image and signal intensity quantification of H596 cells incubated with probe 1. Chemiluminescence images were obtained using a bioluminescence imaging system. (B) shows the chemiluminescence intensity of H596 cells incubated with probe 1. After incubation for 6 h in the presence or absence of 400 μM dicoumarol, H596 cells were treated with 10 μM Probe 1 for 2 h. (C) shows the chemiluminescence intensity of WI-38 cells incubated with probe 1. After incubation for 6 h in the presence or absence of 400 μM dicoumarol, WI-38 cells were treated with 10 μM Probe 1 for 2 h. Chemiluminescence intensities were obtained using a multi-luminescence microplate reader.
10 shows the results of a time-dependent fluorescence study of Q Me NN (10 μM) upon incubation with NQO1 (40 μg/mL) and NADH (100 μM).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

실험 방법Experimental method

재료, 방법 및 기기장치Materials, methods and apparatus

달리 언급되지 않는 한, 반응은 실온에서 수행하였다. 용매는 Duksan Pure Chemical Co., Ltd.의 분석 시약을 사용하였다. 박막 크로마토그래피 (TLC)는 실리카겔 플레이트 Merck 60 F254상에서 수행하였다. 실리카겔 60 (particle size 0.040-0.063 mm)을 고정상으로 사용하여 컬럼 크로마토그래피 정제를 수행하였다. HPLC 분석은 역상 컬럼(C18, 5mm, Waters)이 장착된 YL9101S(YL-Clarity) 기기를 사용하여 수행하였다. 분석에 사용 된 용리제는 5.0 mL/분 유속의 물-아세토니트릴 구배 (0-20분; 아세토니트릴 70 내지 100%)였다. UV-vis 검출기 (365 nm)가 사용되었다. 형광 및 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 각각 Shimadzu RF-5301PC 및 Agilent 8453 분광 광도계로 기록하였다. LC/MS-2020 시리즈 (Shimadzu)를 사용하여 ESI 질량 스펙트럼 분석을 수행하였다. 스펙트럼 및 생물학적 연구에 사용된 DMSO 및 다이쿠마롤(dicoumarol)은 Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo, USA)에서 구매하였다. H2O를 탈이온화시켰다. RPMI1640 배지 및 태아 소 혈청 (FBS)은 각각 Welgene (Gyeongsan-si, South Korea) 및 Gibco BRL Life Technologies (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, USA)에서 구입하였다. TerrellTM 액체 (isoflurane)는 Piramal Critical Care, Inc. (Bethlehem, PA, USA)에서, Matrigel ™은 BD Biosciences (Franklin Lakes, NJ, USA)에서 구입하였다. 마이크로 플레이트 및 마우스 (생체 외 및 생체 내)의 화학 발광 이미지는 Spectral Lago X 광학 이미징 시스템 (Spectral Instruments Imaging; AZ, USA, Tucson) 및 IVIS Spectrum In Vivo Imaging System (PerkinElmer; Waltham, MA, USA)을 사용하여 수득하였다.Unless otherwise stated, reactions were carried out at room temperature. As the solvent, an analytical reagent from Duksan Pure Chemical Co., Ltd. was used. Thin layer chromatography (TLC) was performed on silica gel plates Merck 60 F254. Column chromatography purification was performed using silica gel 60 (particle size 0.040-0.063 mm) as a stationary phase. HPLC analysis was performed using a YL9101S (YL-Clarity) instrument equipped with a reversed-phase column (C18, 5mm, Waters). The eluent used in the analysis was a water-acetonitrile gradient (0-20 min; acetonitrile 70-100%) at a flow rate of 5.0 mL/min. A UV-vis detector (365 nm) was used. Fluorescence and UV-Vis absorption spectra were recorded with Shimadzu RF-5301PC and Agilent 8453 spectrophotometers, respectively. ESI mass spectral analysis was performed using LC/MS-2020 series (Shimadzu). DMSO and dicoumarol used for spectral and biological studies were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo, USA). H 2 O was deionized. RPMI1640 medium and fetal bovine serum (FBS) were purchased from Welgene (Gyeongsan-si, South Korea) and Gibco BRL Life Technologies (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, USA), respectively. Terrell TM liquid (isoflurane) is manufactured by Piramal Critical Care, Inc. (Bethlehem, PA, USA), Matrigel™ was purchased from BD Biosciences (Franklin Lakes, NJ, USA). Chemiluminescence images of microplates and mice (in vitro and in vivo) were obtained using a Spectral Lago X optical imaging system (Spectral Instruments Imaging; Tucson, AZ, USA) and an IVIS Spectrum In Vivo Imaging System (PerkinElmer; Waltham, MA, USA). was obtained using

화합물 합성compound synthesis

하기 합성 경로에 따라 본 발명에 따른 [화학식 1](화합물 1로 표시)의 화합물을 합성하였다.According to the following synthetic route, a compound of [Formula 1] (represented by compound 1) according to the present invention was synthesized.

[합성 경로][synthetic route]

Figure 112019130822785-pat00002
Figure 112019130822785-pat00002

화합물 2의 합성Synthesis of compound 2

화합물 4 (200mg, 0.6mmol) 및 methy(triphenylphosphoranylidene)acetate (220mg, 0.66mmol)를 DCM (2ml)에 용해시켰다. TLC (Hex : EtOAc 90:10)로 모니터링하면서 혼합물을 실온에서 15분 동안 교반하였다. 반응 완료 후 반응 혼합물을 EtOAc (100 mL)로 희석하고, 0.5M HCl (50 mL) 및 염수 (50 mL)로 세척하였다. 잔류물을 실리카 겔상에서의 컬럼크로마토 그래피 (Hex : EtOAc 85:15)로 정제하여, 담황색 고체 화합물 2를 수득하였다(211 mg, 수율 91%).Compound 4 (200mg, 0.6mmol) and methy(triphenylphosphoranylidene)acetate (220mg, 0.66mmol) were dissolved in DCM (2ml). The mixture was stirred at room temperature for 15 min while monitoring by TLC (Hex: EtOAc 90:10). After reaction completion the reaction mixture was diluted with EtOAc (100 mL), washed with 0.5M HCl (50 mL) and brine (50 mL). The residue was purified by column chromatography on silica gel (Hex: EtOAc 85:15) to obtain a pale yellow solid compound 2 (211 mg, yield 91%).

1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ7.94 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 7.38 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 6.86 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 6.61 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 6.28 (s, 1H), 3.84 (s, 3H), 3.35 (s, 3H), 3.27 (d, J = 4.9 Hz, 1H), 2.12 (s, 1H), 2.02-1.66 (m, 12H). 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ232.43, 206.72, 173.51, 167.74, 150.65, 139.23, 136.60, 132.96, 126.80, 123.82, 123.70, 121.97, 121.54, 119.77, 95.27, 57.41, 51.86, 39.19, 38.89, 37.09, 32.95, 32.03, 29.78, 28.37, 24.44.MS (ES-): m/z calc. for C22H25ClO4: 388.14; found: 387.4 [MH]-. 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ7.94 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 7.38 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 6.86 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 6.61 ( d, J = 16.2 Hz, 1H), 6.28 (s, 1H), 3.84 (s, 3H), 3.35 (s, 3H), 3.27 (d, J = 4.9 Hz, 1H), 2.12 (s, 1H), 2.02-1.66 (m, 12H). 13 C NMR (101 MHz, CDCl 3 ) δ232.43, 206.72, 173.51, 167.74, 150.65, 139.23, 136.60, 132.96, 126.80, 123.82, 123.70, 121.97, 121.54, 119.77, 95.27, 57.19, 51.89, 39.19, 38.89, 39. 37.09, 32.95, 32.03, 29.78, 28.37, 24.44.MS (ES-): m/z calc. for C 22 H 25 ClO 4 : 388.14; found: 387.4 [MH] - .

화합물 3의 합성Synthesis of compound 3

0 ℃에서 N-(4-(히드록시메틸)페닐)-3-메틸-3-(2,4,5-트리메틸-3,6-디옥소시클로헥사-1,4-디엔-1-일)부탄아마이드(1.35 g, 3.98 mmol)와 메틸렌 클로라이드 (30 ml) 중의 카본 테트라브로마이드(3.96 g, 11.9 mmol)의 혼합물에 Ph3P (1.30 g, 4.77 mmol)를 첨가하고, 실온에서 3시간 동안 교반하였다. 용리액으로서 헵탄/에틸 아세테이트를 사용하여 실리카 크로마토그래피로 정제하여 화합물 3을 수득하였다(수율 72%).N-(4-(hydroxymethyl)phenyl)-3-methyl-3-(2,4,5-trimethyl-3,6-dioxocyclohexa-1,4-dien-1-yl) at 0 °C To a mixture of butanamide (1.35 g, 3.98 mmol) and carbon tetrabromide (3.96 g, 11.9 mmol) in methylene chloride (30 ml) was added PhP (1.30 g, 4.77 mmol) and stirred at room temperature for 3 h. Purification by silica chromatography using heptane/ethyl acetate as an eluent gave compound 3 (yield 72%).

프로브probe 화합물 1의 합성 Synthesis of compound 1

화합물 2 (50 mg, 0.13 mmol) 및 K2CO3 (35 mg, 0.26 mmol)을 DMF (1 mL)에 용해시키고10분 동안 교반한 후 화합물 3 (66 mg, 0.13 mmol)을 혼합물에 첨가하였다. 반응 혼합물을 실온에서 2시간 동안 교반하고 TLC 분석 (Hex/EtOAc : 90:10)에 의해 반응 진행을 모니터링하였다. 반응이 완료된 시점에 휘발물을 감압하에서 증발시켰다. 이어서 THF, H2O 및 NaOH (10 mg, 0.26 mmol)의 혼합물을 첨가하였다. 생성된 혼합물을 추가 1시간 동안 80 ℃에서 교반하였다. TLC 분석 (Hex:EtOAc, 60:40)에 기초하여 완전한 가수 분해를 확인한 후, 혼합물을 EtOAc (100mL)로 희석하고 0.5M HCl (50mL)로 세척하였다. 유기층을 분리하고, 염수로 세척하고, Na2SO4상에서 건조시키고 감압 하에서 증발시켰다. 이어서, 미정제 잔류물을 DCM (20 mL)에 용해시킨 후, 메틸렌 블루 (~1 mg)를 첨가하였다. 용액에 황색 빛을 조사하면서 산소를 버블링시켰다. 반응을 RP-HPLC (수중 ACN의 구배, 0.1% TFA)에 의해 모니터링하였다. 반응 완료 후(약 20분), 혼합물을 감압하에 농축시키고, 생성물을 RP-HPLC (수중 ACN의 구배, 0.1% TFA)에 의해 정제하여 옅은 녹색 고체의 프로브 화합물 1을 수득하였다(57 mg, 수율 59%).Compound 2 (50 mg, 0.13 mmol) and K 2 CO 3 (35 mg, 0.26 mmol) were dissolved in DMF (1 mL) and stirred for 10 min before compound 3 (66 mg, 0.13 mmol) was added to the mixture . The reaction mixture was stirred at room temperature for 2 h and the reaction progress was monitored by TLC analysis (Hex/EtOAc: 90:10). When the reaction was complete, the volatiles were evaporated under reduced pressure. A mixture of THF, H 2 O and NaOH (10 mg, 0.26 mmol) was then added. The resulting mixture was stirred at 80 °C for an additional 1 h. After confirming complete hydrolysis based on TLC analysis (Hex:EtOAc, 60:40), the mixture was diluted with EtOAc (100 mL) and washed with 0.5M HCl (50 mL). The organic layer was separated, washed with brine, dried over Na 2 SO 4 and evaporated under reduced pressure. The crude residue was then dissolved in DCM (20 mL) and then methylene blue (~1 mg) was added. Oxygen was bubbled into the solution while irradiating yellow light. The reaction was monitored by RP-HPLC (gradient of ACN in water, 0.1% TFA). After completion of the reaction (about 20 min), the mixture was concentrated under reduced pressure, and the product was purified by RP-HPLC (gradient of ACN in water, 0.1% TFA) to give probe compound 1 as a pale green solid (57 mg, yield). 59%).

1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ8.00 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 7.95 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.62 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.57 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 7.23 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 6.52 (d, J = 16.1 Hz, 1H), 4.97 (s, 2H), 3.23 (s, 3H), 3.15 (s, 3H), 3.02 (s, 1H), 2.75 (s, 2H), 2.31 (d, J = 12.5 Hz, 1H), 2.07 (s, 3H), 1.98 (m, 6H), 1.93 (s, 3H), 1.87-1.54 (m, 9H), 1.46 (d, J = 10.9 Hz, 1H), 1.29 (s, 6H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ191.3, 187.8, 172.3, 170.9, 154.7, 154.4, 144.4, 143.6, 140.2, 138.0, 136.5, 135.9, 135.5, 131.3, 130.3, 129.4, 127.8, 125.7, 121.1, 111.8, 96.5, 77.5, 77.2, 76.9, 75.7, 49.8, 47.8, 38.2, 37.3, 36.7, 34.0, 33.7, 32.8, 32.3, 31.6, 29.8, 28.6, 26.2, 25.9, 14.2, 12.8, 12.2, 2.0. MS (ES-): m/z calc. for C43H48ClNO9: 757.3; found: 756.6 [M-H]-. 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ8.00 (d, J = 16.2 Hz, 1H), 7.95 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.62 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 7.57 ( d, J = 7.8 Hz, 2H), 7.23 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 6.52 (d, J = 16.1 Hz, 1H), 4.97 (s, 2H), 3.23 (s, 3H), 3.15 ( s, 3H), 3.02 (s, 1H), 2.75 (s, 2H), 2.31 (d, J = 12.5 Hz, 1H), 2.07 (s, 3H), 1.98 (m, 6H), 1.93 (s, 3H) ), 1.87-1.54 (m, 9H), 1.46 (d, J = 10.9 Hz, 1H), 1.29 (s, 6H). 13 C NMR (100 MHz, CDCl 3 ) δ191.3, 187.8, 172.3, 170.9, 154.7, 154.4, 144.4, 143.6, 140.2, 138.0, 136.5, 135.9, 135.5, 131.3, 130.3, 129.4, 127.8, 125.7, 121.1, 111.8, 96.5, 77.5, 77.2, 76.9, 75.7, 49.8, 47.8, 38.2, 37.3, 36.7, 34.0, 33.7, 32.8, 32.3, 31.6, 29.8, 28.6, 26.2, 25.9, 14.2, 12.8, 12.2, 2.0. MS (ES-): m/z calc. for C 43 H 48 ClNO 9 : 757.3; found: 756.6 [MH] - .

LODLOD determination determination

검출 한계는 0-1 (μg/mL) 범위에서 NQO1 효소에 대한 발광 강도의 선형 회귀로부터 결정되었다(하기 식 1 참조).The detection limit was determined from a linear regression of the luminescence intensity for the NQO1 enzyme in the range 0-1 (μg/mL) (see Equation 1 below).

[식 1][Equation 1]

y = mX + C asy = mX + C as

I = 43.450[NQO1] + 1.0937 I = 43.450 [NQO1] + 1.0937

Hence LOD=3.3 x 0.6695/43.450=0.051 (μg/mL) using formula LOD = 3.3 x σ/mHence LOD=3.3 x 0.6695/43.450=0.051 (μg/mL) using formula LOD = 3.3 x σ/m

m = slope of calibration curve (43.450)m = slope of calibration curve (43.450)

σ = standard deviation of blank readings (0.6695)σ = standard deviation of blank readings (0.6695)

세포 배양cell culture

A549 (human lung epithelial adenocarcinoma) 및 H596 (human lung adenosquamous carcinoma) 세포를 37℃, 5% CO2를 함유한 습한 분위기에서 FBS, 100 IU/mL 페니실린 및 100 μg/mL 스트렙토마이신이 있는 RPMI1640에서 성장시켰다.A549 (human lung epithelial adenocarcinoma) and H596 (human lung adenosquamous carcinoma) cells were grown in RPMI1640 with FBS, 100 IU/mL penicillin and 100 μg/mL streptomycin in a humid atmosphere containing 5% CO 2 at 37° C. .

세포 생존력 평가Assessing cell viability

대략 2x104 세포를 96 웰 마이크로 플레이트 (SPL Life Science)에 시딩하고 24시간 동안 인큐베이션 하였다. 인큐베이션 후, 세포를 대조군으로서 DMSO로 처리하거나, 또는 24시간 동안 프로브 화합물 1로 처리하였다. 프로브 화합물 1의 존재 및 부재 하에서 세포의 세포 생존력을 분석하기 위해, 제조사의 지시에 따라 CytoTox96®비방사능성 세포 독성 분석 키트 (Promega)를 사용하였다. SPECTRA MAX GEMINI EM 마이크로 플레이트 리더 (Molecular Devices)를 사용하여 형광 레벨을 측정하였다. 파장은 490nm로 설정되었다. 세포 생존력 분석을 3회 수행하고, 생존력(%)을 대조군 세포에 대한 측정된 흡광도의 백분율로 표현하였다.Approximately 2x10 4 cells were seeded in 96 well microplates (SPL Life Science) and incubated for 24 hours. After incubation, cells were treated with DMSO as a control or with probe compound 1 for 24 h. To assay the cell viability of cells in the presence and absence of probe compound 1, the CytoTox96® non-radioactive cytotoxicity assay kit (Promega) was used according to the manufacturer's instructions. Fluorescence levels were measured using a SPECTRA MAX GEMINI EM microplate reader (Molecular Devices). The wavelength was set to 490 nm. Cell viability assays were performed in triplicate and viability (%) was expressed as a percentage of the measured absorbance relative to control cells.

웨스턴western 블롯팅blotting 분석 analysis

웨스턴 블롯팅에 의해 NQO1의 단백질 발현 수준을 측정하였다. 간략하게, 해당 세포주의 부착된 세포를 차가운 PBS로 3회 세척하고 긁어 세포 펠렛을 수집하였다. PBS를 제거한 후, 제조자 (Up-State)에 의해 제공된 프로테아제 억제제를 함유하는 방사선 면역 침전 분석 (RIPA) 용해 완충액을 세포 펠렛에 첨가하여 단백질 용해물을 수득하였다. BCA 분석을 수행하여 각 세포주의 단백질 농도를 측정한 다음, 각 세포주의 단백질 (30 μg/lane)을 SDS-PAGE에 로딩하여 단백질을 밴드로 분리하였다. 분리된 단백질 밴드를 PVDF 멤브레인 (Merck Millipore)으로 옮겼다. 상기 멤브레인을 1/1000에서 NQO1 항체 (Santa Cruz Biotechnology), 또는 1/1000에서 GAPDH 항체 (Santa Cruz Biotechnology)와 함께 또는 4 ℃에서 밤새 희석하여 배양하였다. 생성된 막을 트윈-20(TBS-T)을 함유한 트리스-버퍼 식염수로 세척한 다음, HRP(anti-rabbit horseradish peroxidase )-접합된 이차 항체 (Santa Cruz Biotechnology)와 함께 2시간 동안 실온에서 인큐베이션 하였다. 면역 반응성 단백질 밴드를 검출하기 위해, 강화된 화학 발광 시약 (Luminate, Merck Millipore)을 제조사의 지시에 따라 사용하였다.The protein expression level of NQO1 was measured by Western blotting. Briefly, the adherent cells of the cell line were washed 3 times with cold PBS and scraped to collect the cell pellet. After removal of PBS, a radioimmunoprecipitation assay (RIPA) lysis buffer containing protease inhibitors provided by the manufacturer (Up-State) was added to the cell pellet to obtain protein lysates. BCA analysis was performed to measure the protein concentration of each cell line, and then, the protein (30 μg/lane) of each cell line was loaded on SDS-PAGE to separate the protein into bands. The separated protein band was transferred to a PVDF membrane (Merck Millipore). The membranes were incubated with NQO1 antibody (Santa Cruz Biotechnology) at 1/1000, or GAPDH antibody (Santa Cruz Biotechnology) at 1/1000 or diluted overnight at 4°C. The resulting membrane was washed with Tris-buffered saline containing Tween-20 (TBS-T), and then incubated with an anti-rabbit horseradish peroxidase (HRP)-conjugated secondary antibody (Santa Cruz Biotechnology) for 2 hours at room temperature. . To detect immunoreactive protein bands, enriched chemiluminescent reagents (Luminate, Merck Millipore) were used according to the manufacturer's instructions.

인비트로in vitro (In vitro) 화학발광 (In vitro) Chemiluminescence 이미징imaging

A549 및 H596 세포를 24 웰 플레이트에 시딩하였다. 24시간 동안 인큐베이션 한 후, 세포를 NQO1 억제제인 50 μM 디쿠마롤 (1.04 mM NaOH)의 존재 또는 부재하에 6시간 동안 인큐베이션 하였다. 이어서, RPMI1640 배지에서 10 μM의 프로브 1을 각 웰에 첨가하였으며, 생물발광 이미징 시스템을 이용하여 화학 발광 이미지(chemiluminescence image)를 수득하였다.A549 and H596 cells were seeded in 24-well plates. After incubation for 24 h, cells were incubated for 6 h in the presence or absence of the NQO1 inhibitor, 50 μM dicoumarol (1.04 mM NaOH). Then, 10 μM of probe 1 in RPMI1640 medium was added to each well, and a chemiluminescence image was obtained using a bioluminescence imaging system.

인비보in vivo (In (In vivoin vivo ) 화학발광 ) chemiluminescence 이미징imaging

특정 병원체가 없는 5주령 암컷 BALB/c 누드 마우스 (Japan SLC, Inc., Hamamatsu, Shizuoka, Japan)를 제어된 온도 (22±2 ℃) 조건하에 수용하고, 12시간 동안 명/암 사이클을 거치도록 하였다. 병원체가 없는 특정 조건하의 고려대학교 동물 시설에서 마우스를 유지하고 고려 대학교 동물 동물 관리위원회 지침에 따라 인도 주의적 관리를 받았다. 50 % Matrigel ™을 함유하는 무혈청 배지 중 A549 및 H596 세포 (5x105 cells/100 μL)를 피하 주사하였다. 마우스를 각 세포주에 대해 2개의 그룹 (그룹당 n=5)으로 무작위화 하였다. 28 일째에, 마우스를 TerrellTM 액체 (이소플루란)로 마취시키고, 종양 내 주사 한 후, 10분 동안 100% PBS, 10% DMSO 중의 프로브 1 (40μg)의 용액을 10분 동안 주사하여 생체 발광 이미지를 수득하였다. 대조군의 경우, 마우스를 100 μL PBS, 10% DMSO 비히클로 처리하였다. Spectral Lago X 광학 이미징 시스템을 사용하여 프로브 1 및 음성 대조군의 생체 내 화학 발광 이미지를 수득하였다.Specific pathogen-free, 5-week-old female BALB/c nude mice (Japan SLC, Inc., Hamamatsu, Shizuoka, Japan) were housed under controlled temperature (22±2 °C) conditions and allowed to undergo a light/dark cycle for 12 h. did. Mice were maintained in a Korea University animal facility under specific pathogen-free conditions and received humane care according to the guidelines of the Korea University Animal and Animal Care Committee. A549 and H596 cells (5x10 5 cells/100 μL) in serum-free medium containing 50% Matrigel™ were injected subcutaneously. Mice were randomized into two groups (n=5 per group) for each cell line. On day 28, mice were anesthetized with Terrell™ liquid (isoflurane) and injected intratumorally, followed by bioluminescence by injection of a solution of Probe 1 (40 μg) in 100% PBS, 10% DMSO for 10 min for 10 min. Images were obtained. For control, mice were treated with 100 μL PBS, 10% DMSO vehicle. In vivo chemiluminescence images of probe 1 and negative control were obtained using a Spectral Lago X optical imaging system.

엑스비보ex-vibo (Ex (Ex vivoin vivo ) 화학발광 ) chemiluminescence 이미징imaging

프로브 화합물 1을 이용한 엑스비보(Ex vivo) 영상 연구는 전술한 종양 이종 이식 모델을 사용하여 수행하였다. 접종 후 28 일째에, 마우스를 희생시키고 종양 조직을 신체에서 즉시 제거 하였다. 그런 다음 10% DMSO, PBS 중 프로브 화합물 1(40 μg/100 μL)을 종양 덩어리에 직접 주입하였다. 대조군의 경우에 DMSO/PBS (1:9) 비히클을 사용하여 유사한 주사를 수행하였다. 생체 외 화학 발광 이미지는 Spectral Lago X 이미징 시스템을 사용하여 수득하였다. Ex vivo imaging studies using probe compound 1 were performed using the aforementioned tumor xenograft model. On day 28 post-inoculation, mice were sacrificed and tumor tissue was immediately removed from the body. Then, probe compound 1 (40 μg/100 μL) in 10% DMSO, PBS was directly injected into the tumor mass. Similar injections were performed using DMSO/PBS (1:9) vehicle for the control group. In vitro chemiluminescence images were obtained using a Spectral Lago X imaging system.

결과 및 고찰Results and Discussion

본 발명에서는 다양한 암 세포에서 NQO1 활성의 차등 검출을 가능하게 하는 신규 화학 발광 화합물(프로브 1)을 합성하였으며, 상기 프로브 1의 다양한 암 세포에서의 NQO1 검출 가능 여부를 시험하였다. 프로브 1의 화학적 구조 및 NQO1-매개 화학 발광 메커니즘은 각각 상기 [합성 경로] 및 [하기 화학 발광 메커니즘]에 나타내었다. In the present invention, a novel chemiluminescent compound (Probe 1) that enables differential detection of NQO1 activity in various cancer cells was synthesized, and the ability of Probe 1 to detect NQO1 in various cancer cells was tested. The chemical structure and NQO1-mediated chemiluminescence mechanism of probe 1 are shown in [Synthetic route] and [chemiluminescence mechanism below], respectively.

[프로브 1의 화학 발광 메커니즘][Mechanism of chemiluminescence of probe 1]

Figure 112019130822785-pat00003
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본 발명에 따른 화합물 1은 파라-아미노벤질 알코올 자가-축합 링커를 통해 트리메틸-락킹 퀴논에 공유 결합된 아크릴산-치환 페녹시-디옥세탄으로 구성된다. 페녹시-디옥세탄 모이어티는 화학 발광을 생성하도록 설계되었다 : 페놀레이트는 생리학적 조건하에서 형성되며, 이는 자발적으로 화학 발광 공정을 거쳐 녹색광을 생성시킨다. 프로브 1의 경우 필수 유리 페놀레이트는 퀴논의 NQO1-매개 환원시 생성되며, 이어서 분자 내 락톤화 및 벤질아닐린 테더의 제거가 일어난다. Compound 1 according to the present invention consists of an acrylic acid-substituted phenoxy-dioxetane covalently bonded to a trimethyl-locking quinone via a para-aminobenzyl alcohol self-condensing linker. The phenoxy-dioxetane moiety is designed to produce chemiluminescence: phenolates are formed under physiological conditions, which spontaneously undergo a chemiluminescent process to produce green light. For probe 1, the essential free phenolate is produced upon NQO1-mediated reduction of the quinone, followed by intramolecular lactonation and removal of the benzylaniline tether.

다음으로, 시간의 함수로서 프로브 1의 화학 발광 방출을 NQO1의 존재하에서 시험하였다. 달리 지시되지 않는 한, 모든 무세포 실험은 37 ℃, PBS(pH 7.4, 0.5% DMSO)에서 수행되었다. 프로브 1 자체는 비방출형이다. 그러나 NQO1 (40 μgmL- 1)으로 처리할 경우 NAD(P)H (100 μM)의 존재하에, 130배 증가된 신호 강도와 함께 전형적인 화학 발광 반응이 515 nm에서 관찰되었다(도 1A). NQO1에 대한 프로브 1의 최소 검출 한계 (LOD)는 51 ngmL-1인 것으로 나타났다(도 4). 예상한 바와 같이, 처음 5분 동안 신호 강도의 급격한 증가가 관찰되었고, 화학 발광 출력이 느리게 감소하였다(도 1C). Next, the chemiluminescent emission of probe 1 as a function of time was tested in the presence of NQO1. Unless otherwise indicated, all cell-free experiments were performed at 37°C in PBS (pH 7.4, 0.5% DMSO). Probe 1 itself is non-emissive. However, a typical chemiluminescence reaction was observed at 515 nm with a 130-fold increased signal intensity in the presence of NAD(P)H (100 μM) when treated with NQO1 (40 μgmL 1) ( FIG. 1A ). The minimum limit of detection (LOD) of probe 1 for NQO1 was found to be 51 ngmL −1 ( FIG. 4 ). As expected, a sharp increase in signal intensity was observed during the first 5 min, followed by a slow decrease in chemiluminescence output (Fig. 1C).

다음으로, 중심 테더(central thther)의 절단 및 활성 페놀레이트 형태의 방출을 초래할 것으로 예상되는 다른 생물학적으로 풍부한 아미노산, 바이오-티올 및 환원 효소의 존재 하에서 NQO1에 대한 프로브 1의 선택성을 시험하였다. 시험 결과, 도 1B에 나타난 바와 같이, 프로브 1은 NQO1의 존재 하에서만 화학 발광을 나타내었고, 다른 추정 화학 또는 생물학적 트리거에 노출될 때에는 화학 발광을 나타내지 않았다. Next, the selectivity of Probe 1 for NQO1 was tested in the presence of other biologically abundant amino acids, bio-thiols and reductases, which are expected to result in cleavage of the central thther and release of the active phenolate form. As a result of the test, as shown in FIG. 1B , probe 1 showed chemiluminescence only in the presence of NQO1, and did not show chemiluminescence when exposed to other putative chemical or biological triggers.

다음으로, 프로브 1의 화학 발광 메커니즘 확인을 위해, 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC)를 이용하여, NQO1 및 NAD(P)H의 존재하에서 프로브 1로부터 생성된 물질을 분석하였다(도 5). 프로브 1 자체는 HPLC 크로마토그램에서(C18 column; 70-100% gradient of acetonitrile in water, 0.1% TFA) t = 13 분에서의 피크가 관찰되었으며, NQO1 및 NAD(P)H와 30분 동안 인큐베이션 한 후에는 하이드록시 벤조에이트(화합물 5)에 상응하는 피크가 독점적으로 관찰되었다(프로브 1의 화학 발광 메커니즘 참고). 이러한 결과를 통해, 상기 화학 발광 메커니즘에 나타낸 바와 같이, 프로브 1이 NQO1 및 NAD(P)H로 구성된 혼합물에 대한 효과적인 기질로 작용하여, 관찰된 녹색 발광에 상응하는 최종 화학 종을 생성하기 위해 효율적인 효소 환원 및 신속한 분해를 겪는다는 것을 확인할 수 있었다. Next, in order to confirm the chemiluminescence mechanism of Probe 1, a substance produced from Probe 1 was analyzed in the presence of NQO1 and NAD(P)H using high performance liquid chromatography (HPLC) (FIG. 5). Probe 1 itself showed a peak at t = 13 min in the HPLC chromatogram (C18 column; 70-100% gradient of acetonitrile in water, 0.1% TFA), and was incubated with NQO1 and NAD(P)H for 30 min. Later, the peak corresponding to hydroxy benzoate (compound 5) was exclusively observed (see chemiluminescence mechanism of probe 1). Through these results, as shown in the chemiluminescence mechanism above, probe 1 acts as an effective substrate for the mixture consisting of NQO1 and NAD(P)H, which is efficient to generate a final chemical species corresponding to the observed green luminescence. It was confirmed that it undergoes enzymatic reduction and rapid degradation.

다음으로, NQO1 매개 화학 발광 반응을 생성하는 프로브 1의 능력을 시험관내(in vitro) 모델에서 추가로 조사하였다. 이들 연구를 위해, A549 (인간 폐상피 선암종), H596 (인간 폐선 종양 암종) 및 WI-38 (정상 폐) 세포주를 선택하였다. 표준 배양 조건(세포 생존력 분석)에서 프로브 1은 최대 50 μM 농도까지 유의한 세포 독성을 나타내지 않았다. 이러한 결과는 시험된 모든 세포주에서 나타났으며, 이를 통해, 본 발명에 따른 프로브의 안전성을 확인할 수 있었다(도 6). 다음으로, 이들 세포주에서 웨스턴 블롯 분석을 통해 NQO1의 단백질 발현 수준을 측정하였다(도 2B 및 도 7). 먼저, 종래 보고된 바와 같이(E. A. Bey, M. S. Bentle, K. E. Reinicke, Y. Dong, C. R. Yang, L. Girard, J. D. Minna, W. G. Bornmann, J. M. Gao, D. A. Boothman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 11832-11837), NQO1 수준은 A549, H596 및 WI-38 세포주 사이에서 실질적으로 상이하였으며, A549 세포에서 대략 10배 더 높은 것으로 밝혀졌다. 이러한 차이는 NQO1이 시험관에서 프로브 1에 의해 생성된 화학 발광 수준을 매개하는 역할을 하는지를 시험 할 수 있게 하였다.Next, the ability of Probe 1 to generate an NQO1-mediated chemiluminescence response was further investigated in an in vitro model. For these studies, A549 (human lung epithelial adenocarcinoma), H596 (human lung adenocarcinoma) and WI-38 (normal lung) cell lines were selected. Under standard culture conditions (cell viability assay), probe 1 showed no significant cytotoxicity up to concentrations of 50 μM. These results were shown in all cell lines tested, and through this, it was possible to confirm the safety of the probe according to the present invention (FIG. 6). Next, the protein expression level of NQO1 was measured in these cell lines by Western blot analysis ( FIGS. 2B and 7 ). First, as previously reported (EA Bey, MS Bentle, KE Reinicke, Y. Dong, CR Yang, L. Girard, JD Minna, WG Bornmann, JM Gao, DA Boothman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007 , 104, 11832-11837), NQO1 levels were found to be substantially different between the A549, H596 and WI-38 cell lines, and approximately 10-fold higher in A549 cells. These differences allowed us to test whether NQO1 plays a role in mediating the level of chemiluminescence generated by probe 1 in vitro.

다음으로, A549, H596 및 WI-38 세포를 10 μM의 농도로 10분 동안 프로브 1과 함께 인큐베이션 하고, 생물 발광 이미저를 사용하여 이미지화 하였다. 도 2A 및 도 8에 도시된 바와 같이, 방출 반응의 최대 34배 증가가 관찰되는 A549 셀로부터 강한 신호가 관찰되었다. 화학 발광 신호 강도는 분석의 처음 5분 동안 증가한 다음 약 10분 동안 지속된 후, 40-60분 동안 천천히 감소하였다(도 2B). 반면, NQO1 수준이 낮은 (또는 NQO1-음성) H596 및 WI-38 셀의 경우 그러한 방출 반응이 관찰되지 않았다(도 2A 및 도 9). 이러한 결과는 웨스턴 블롯팅 실험으로부터 추론된 A549 세포에서 NQO1 수준의 과발현 결과와 일치하며, 이 효소가 프로브 1의 활성화에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 이는 A549 세포를 디쿠마롤 (화학 NQO1 억제제)과 사전 배양한 후 프로브 1로 처리한 실험에서 화학 발광 강도가 현저하게 감소하는 결과를 통해서도 입증되었다(도 2B, 도 8-9). Next, A549, H596 and WI-38 cells were incubated with probe 1 at a concentration of 10 μM for 10 min and imaged using a bioluminescence imager. As shown in Figures 2A and 8, a strong signal was observed from the A549 cell where a maximum of a 34-fold increase in the release response was observed. The chemiluminescence signal intensity increased during the first 5 min of the assay, then persisted for about 10 min, and then slowly decreased for 40-60 min (Fig. 2B). In contrast, no such release response was observed for H596 and WI-38 cells with low NQO1 levels (or NQO1-negative) ( FIGS. 2A and 9 ). These results are consistent with the results of overexpression of NQO1 levels in A549 cells deduced from western blotting experiments, suggesting that this enzyme plays a very important role in the activation of probe 1. This was also evidenced by the result that the chemiluminescence intensity was significantly decreased in the experiment in which A549 cells were pre-incubated with dicoumarol (chemical NQO1 inhibitor) and then treated with probe 1 (FIGS. 2B, 8-9).

프로브 1의 발광 방출을 A549 세포에서 NQO1 활성 모니터링에 사용되어온 종래 나프탈이미드 기반 프로브인 QMeNN(G. G. Dias, A. King, F. de Moliner, M. Vendrell, E. N. da Silva, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 12-27)의 형광 반응과 비교하였다(도 10). 도 2C에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화학 발광 프로브 1은 120분에 걸쳐 형광 프로브 QMeNN보다 상당히 높은 신호대 잡음비를 발생시켰다. 종합적으로, 이들 결과는 프로브 1이 NQO1이 과발현된 암성 병변의 영상화에 유용할 수 있고, NQO1 양성 종양과 NQO1의 발현 수준이 낮은 정상 조직 또는 종양과 차별화할 수 있음을 암시한다. Luminescent emission of probe 1 was compared with Q Me NN (GG Dias, A. King, F. de Moliner, M. Vendrell, EN da Silva, Chem. Soc), a conventional naphthalimide-based probe that has been used to monitor NQO1 activity in A549 cells. Rev. 2018, 47, 12-27) compared with the fluorescence response (FIG. 10). As shown in Fig. 2C, the chemiluminescent probe 1 according to the present invention generated a significantly higher signal-to-noise ratio than the fluorescent probe Q Me NN over 120 min. Taken together, these results suggest that probe 1 may be useful for imaging of NQO1-overexpressed cancerous lesions, and can differentiate NQO1-positive tumors from normal tissues or tumors with low NQO1-expression levels.

생체 내(in vivo)에서 NQO1 활성을 시각화하는 프로브 1의 능력을 시험하기 위해, A549 및 H596 세포주로부터 유래된 분리된 이종 이식편을 BALB/c 누드 마우스의 우측 측면에 피하 성장시켰다. 프로브 1 (100 μL PBS 중 40 μg, 10 % DMSO 함유)을 종양 내 주사하였다. 생체 내 화학 발광 이미지는 생물 발광 이미징 시스템을 사용하여 515-575 nm에서 수집하였다. 도 3A에 도시된 바와 같이, A549-종양 보유 마우스의 경우 종양 영역에 걸쳐 강한 화학 발광 방출이 나타났다. 상응하는 NQO1-음성 H596-세포주 유래 이종 이식편의 경우에는 식별 가능한 신호가 관찰되지 않았다. A549 종양의 생체 외(Ex vivo) 영상 분석도 수행되었다. 그 결과, 화학 발광 신호는 A549 종양에만 존재하는 반면, 다양한 대조군들에서는 눈에 띄는 신호가 관찰되지 않았다(도 3B). To test the ability of probe 1 to visualize NQO1 activity in vivo, isolated xenografts derived from the A549 and H596 cell lines were grown subcutaneously in the right flank of BALB/c nude mice. Probe 1 (40 μg in 100 μL PBS, containing 10% DMSO) was injected intratumorally. In vivo chemiluminescence images were collected at 515-575 nm using a bioluminescence imaging system. As shown in Figure 3A, A549-tumor bearing mice showed strong chemiluminescent emission across the tumor area. No discernible signal was observed for xenografts from the corresponding NQO1-negative H596-cell line. Ex vivo image analysis of A549 tumors was also performed. As a result, the chemiluminescent signal was present only in the A549 tumor, whereas no prominent signal was observed in the various controls ( FIG. 3B ).

요약하면, 본 발명에서는 NQO1 효소 환원에 따라 가시화하기 쉬운 광방출 반응을 생성하는 새로운 화학 발광 프로브 1을 제공한다. 전술한 시험에서, 프로브 1은 생리학적 pH에서 NQO1과 NAD(P)H의 조합으로 처리될 때 거의 즉각적인 반응을 나타내었다. 블랭크 컨트롤과 비교할 때 이들 조건 하에서 프로브 1에서는 최대 130 배의 발광 강도의 향상이 나타났다. 이러한 반응은 퀴논 잔기의 생물-환원에 이어 활성 화학 발광 페녹시디옥세탄을 방출하기 위한 고리화에 기인한다. 또한, 일반적인 바이오 분석 물질들에 대해서는 화학 발광 반응이 일어나지 않은 결과로부터, 효소 환원은 프로브 1의 기능에 결정적인 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 여러 시험 관내 및 생체 내 연구를 통해, 상이한 수준의 NQO1 활성을 갖는 인간 폐암을 구별하는 프로브 1의 능력을 확인하였다. 특히, 프로브 1은 NQO1 효소가 높은 수준으로 발현된 A549 세포 및 마우스 이종 이식편에서 강한 반응을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 대조적으로, NQO1-음성 H596 세포주 및 이종 이식 마우스 종양에서는 눈에 띄는 반응이 보이지 않았다. 이러한 결과들을 통해, 본 발명에 따른 프로브 1은 전임상 환경에서 NQO1 활성의 광학적 모니터링에 유용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명에 따른 프로브 1은 NQO1이 과발현된 폐암의 조기 진단, 외과적 또는 임상적 병변의 식별 등에 유용할 것으로 기대된다.In summary, the present invention provides a novel chemiluminescence probe 1 that generates a light emission reaction that is easy to visualize following NQO1 enzymatic reduction. In the test described above, probe 1 showed an almost instantaneous response when treated with a combination of NQO1 and NAD(P)H at physiological pH. Compared with the blank control, under these conditions, probe 1 showed up to 130-fold improvement in luminescence intensity. This reaction is due to bio-reduction of the quinone moiety followed by cyclization to release the active chemiluminescent phenoxydioxetane. In addition, from the result that the chemiluminescence reaction did not occur with respect to the general bioanalytes, it was confirmed that the enzymatic reduction is decisive for the function of Probe 1. In addition, several in vitro and in vivo studies confirmed the ability of Probe 1 to discriminate between human lung cancers with different levels of NQO1 activity. In particular, probe 1 was found to produce a strong response in A549 cells and mouse xenografts in which the NQO1 enzyme was expressed at high levels. In contrast, no significant response was seen in the NQO1-negative H596 cell line and in xenograft mouse tumors. Through these results, it was confirmed that probe 1 according to the present invention can be useful for optical monitoring of NQO1 activity in a preclinical environment. In addition, Probe 1 according to the present invention is expected to be useful for early diagnosis of NQO1-overexpressed lung cancer, surgical or clinical lesion identification, and the like.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시형태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, this specific description is only a preferred embodiment, and it is clear that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (4)

하기 [화학식 1]로 표시되는 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물:
[화학식 1]
Figure 112019130822785-pat00004
.
A luminescent probe compound for detecting cancer cells represented by the following [Formula 1]:
[Formula 1]
Figure 112019130822785-pat00004
.
제1항에 있어서,
상기 암 세포는 NAD(P)H:퀴논 산화환원효소-1(NQO1)가 과발현된 것을 특징으로 하는 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물.
According to claim 1,
The cancer cell is a luminescent probe compound for detecting cancer cells, characterized in that NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 (NQO1) is overexpressed.
제1항에 있어서,
상기 화합물은 NQO1에 의해 환원되어 화학 발광하는 것을 특징으로 하는 암 세포 검출용 발광 프로브 화합물.
According to claim 1,
The compound is a luminescent probe compound for detecting cancer cells, characterized in that it is reduced by NQO1 to emit chemiluminescence.
제1항에 따른 발광 프로브 화합물을 포함하는 암 세포 검출용 발광 센서.A light emitting sensor for detecting cancer cells comprising the light emitting probe compound according to claim 1 .
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