KR102350574B1 - Fluorescent probe compound having Hepatocellular carcinoma specificity and a Hepatocellular carcinoma detection fluorescence sensor comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서에 관한 것이다:

Figure 112019123699453-pat00005
.The present invention relates to a hepatocellular carcinoma-specific fluorescent probe compound represented by the following [Formula 1] and a fluorescent sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the same:
Figure 112019123699453-pat00005
.

Figure 112019123699453-pat00006
Figure 112019123699453-pat00006

Description

간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서{Fluorescent probe compound having Hepatocellular carcinoma specificity and a Hepatocellular carcinoma detection fluorescence sensor comprising the same}Hepatocellular carcinoma specific fluorescence probe compound and fluorescence sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the same

본 발명은 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a hepatocellular carcinoma-specific fluorescent probe compound and a fluorescent sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the same.

간세포성 암종 (Hepatocellular carcinoma, HCC)은 전세계적으로 사망률이 높은 가장 흔한 암 중 하나이다(비특허문헌 1). HCC 환자의 5년 생존률은 15% 미만으로 보고되고 있으며, 간 이식을 제외하면, 외과적 절제술이 바람직한 치료 옵션으로 여겨지지만 종종 내장된 종양의 가시성 제한으로 인해 불완전한 외과적 절제 및 그로 인한 종양 재발이 문제된다(비특허문헌 2)Hepatocellular carcinoma (HCC) is one of the most common cancers with high mortality worldwide (Non-Patent Document 1). The 5-year survival rate of HCC patients is reported to be less than 15%, and, with the exception of liver transplantation, surgical resection is considered the preferred treatment option, but often incomplete surgical resection and consequent tumor recurrence due to limited visibility of the embedded tumor. Problematic (Non-Patent Document 2)

전 세계적으로 HCC의 발생률 및 관련 사망률이 증가하고 있다는 점에서, HCC의 효과적인 검출을 위한 진단 방법의 개발이 요구되고 있다. 종래에는 양전자 방출 컴퓨터 단층 촬영(PET/CT), 자기공명영상(MRI), 초음파 및 방사선 촬영과 같은 기법이 암 검출에 이용되어 왔다. 그러나 이들은 이미징을 위해 타겟과의 상호 작용에 관계없이 신호를 지속적으로 방출하는 조영제에 의존한다는 단점이 존재한다.Since the incidence and related mortality of HCC are increasing worldwide, the development of a diagnostic method for effective detection of HCC is required. Conventionally, techniques such as positron emission computed tomography (PET/CT), magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound and radiography have been used to detect cancer. However, they have the disadvantage of relying on a contrast agent that continuously emits a signal for imaging regardless of interaction with the target.

한편, 형광 이미징 프로브는 생체 이미징 분야, 특히 세포 내 pH 변화의 측정에서, 탁월한 검출 감도와 높은 공간 분해능으로 인해 대안적이고 강력한 도구로 등장했다(비특허문헌 3). 그러나, 이 기술에서의 이미징 품질은 사용된 형광 염료의 광물리학적 파라미터에 상당히 의존한다. 최근, 근적외선(near-Infrared, NIR) 영역 (700-900 nm)에서 방출되는 형광 염료는 가시광 영역에서 방출되는 염료에 비해 2가지 주요 이점으로 인해 바이오 이미징 분야에서 큰 관심을 얻고 있다(비특허문헌 4). 첫째, 생물학적 표본은 NIR의 흡수가 감소되어 생물학적 시료에 대한 광 손상이 최소화되고 방사선에 의한 조직 침투가 더 깊어진다. 두번째로 NIR 이미징은 자가 형광의 간섭을 최소화하여 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 가능하게 한다. 이 방법에서 능동적 NIR 염료 (quenched state)는 종양-특이적 표적 리간드에 컨쥬게이트되어 의도된 작용 부위로 염료를 운반하는 것을 도운 다음, 암 미세 환경에 반응하여 염료를 활성화시킨다(비특허문헌 5). 이러한 전략은 종양 탐지 및 치료제 개발에 있어 민감도와 특이성을 크게 향상시킬 수 있다(비특허문헌 6). On the other hand, a fluorescence imaging probe has emerged as an alternative and powerful tool in the field of in vivo imaging, particularly in the measurement of intracellular pH changes, due to its excellent detection sensitivity and high spatial resolution (Non-Patent Document 3). However, the imaging quality in this technique is highly dependent on the photophysical parameters of the fluorescent dyes used. Recently, fluorescent dyes emitting in the near-infrared (NIR) region (700-900 nm) have gained great interest in the field of bioimaging due to two main advantages over dyes emitting in the visible region (Non-patent literature). 4). First, the biological sample has reduced absorption of NIR, which minimizes light damage to the biological sample and deepens tissue penetration by radiation. Second, NIR imaging minimizes the interference of autofluorescence, enabling a high signal-to-noise ratio. In this method, an active NIR dye (quenched state) is conjugated to a tumor-specific target ligand to help transport the dye to the intended site of action, and then reacts to the cancer microenvironment to activate the dye (Non-Patent Document 5) . This strategy can greatly improve the sensitivity and specificity in tumor detection and development of therapeutic agents (Non-Patent Document 6).

HCC의 경우, 갈락토스 유닛은 간세포에서 과발현되는 asialoglycoprotein receptor (ASGP-R)에 의해 쉽게 인식될 수 있기 때문에, 활성 간세포 표적화 리간드로서 광범위하게 연구되어왔다. 그러나 간경변과 같은 특정 병리적 조건하에서는 ASGP-R의 전반적인 결합 능력이 혈청 내의 억제제에 의해 현저하게 억제되어 그 효능이 저하될 수 있다(비특허문헌 7). 또한, Kim 등에 따르면(비특허문헌 8), ASGP-Rs는 결장암과 같은 다른 유형의 암에서도 과발현되는 것으로 나타났다. 따라서 HCC 표적화를 위한 보다 효율적인 표적 리간드의 개발이 요구된다. In the case of HCC, the galactose unit has been extensively studied as an active hepatocyte-targeting ligand because it can be readily recognized by the asialoglycoprotein receptor (ASGP-R) overexpressed in hepatocytes. However, under certain pathological conditions, such as cirrhosis, the overall binding ability of ASGP-R is remarkably inhibited by the inhibitor in serum, so that its efficacy may be reduced (Non-Patent Document 7). In addition, according to Kim et al. (Non-Patent Document 8), ASGP-Rs were found to be overexpressed in other types of cancer, such as colon cancer. Therefore, the development of a more efficient targeting ligand for HCC targeting is required.

18β-글리시레틴산 (GA)은 다양한 간 관련 질환의 치료를 위한 의약에 널리 사용되어 왔다(비특허문헌 9). 흥미롭게도 Negishi 등은 간세포 막 상에 GA에 대한 풍부한 수용체가 존재함을 입증하였으며(비특허문헌 10), 이들 수용체는 정상 세포보다 간암 세포에서 과발현된다(비특허문헌 11). 지난 몇 년 동안, 많은 연구들을 통해 GA와 접합된 담체가 비접합체보다 간세포에서 더 큰 축적을 나타낸다는 것이 보고되었다(비특허문헌 12). 그러나, GA를 활성 표적 리간드로 사용하는 이들 연구들은 대부분 나모 물질을 수반하는 담체와 약물 전달에만 초점을 두었을 뿐, 소분자 유기 화합물 기반의 GA-modified NIR 이미징 프로브에 대해서는 보고된 바 없다.18β-glycyrrhetinic acid (GA) has been widely used in medicine for the treatment of various liver-related diseases (Non-Patent Document 9). Interestingly, Negishi et al. demonstrated the existence of abundant receptors for GA on the hepatocyte membrane (Non-Patent Document 10), and these receptors are overexpressed in liver cancer cells than in normal cells (Non-Patent Document 11). In the past few years, many studies have reported that the carrier conjugated with GA exhibits greater accumulation in hepatocytes than the unconjugated (Non-Patent Document 12). However, most of these studies using GA as an active targeting ligand have focused only on drug delivery with a carrier accompanied by a namomaterial, and there is no report on a GA-modified NIR imaging probe based on a small molecule organic compound.

A. P. Venook, C. Papandreou, J. Furuse, L. L. de Guevara, Oncologist 2010, 15, 5-13. A. P. Venook, C. Papandreou, J. Furuse, L. L. de Guevara, Oncologist 2010, 15, 5-13. J. D. Yang, L. R. Roberts, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2010, 7, 448-458. J. D. Yang, L. R. Roberts, Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2010, 7, 448-458. G. Chen, Q. Fu, F. Yu, R. Ren, Y. Liu, Z. Cao, G. Li, X. Zhao, L. Chen, H. Wang, J. You, Anal. Chem. 2017, 89, 8509-8516. G. Chen, Q. Fu, F. Yu, R. Ren, Y. Liu, Z. Cao, G. Li, X. Zhao, L. Chen, H. Wang, J. You, Anal. Chem. 2017, 89, 8509-8516. S. Achilefu, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9816-9818; Angew. Chem. 2010, 122, 10010-10012. S. Acilefu, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9816-9818; Angew. Chem. 2010, 122, 10010-10012. M. H. Lee, J. H. Han, P. S. Kwon, S. Bhuniya, J. Y. Kim, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1316-1322. M. H. Lee, J. H. Han, P. S. Kwon, S. Bhuniya, J. Y. Kim, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1316-1322. M. H. Lee, A. Sharma, M. J. Chang, J. Lee, S. Son, J. L. Sessler, C. Kang, J. S. Kim, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 28-52. M. H. Lee, A. Sharma, M. J. Chang, J. Lee, S. Son, J. L. Sessler, C. Kang, J. S. Kim, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 28-52. R. J. Stockert, A. G. Morell, Hepatology 1983, 3, 750-757. R. J. Stockert, A. G. Morell, Hepatology 1983, 3, 750-757. A. Sharma, E. J. Kim, H. Shi, J. Y. Lee, B. G. Chung, J. S. Kim, Biomaterials 2018, 155, 145-151. A. Sharma, E. J. Kim, H. Shi, J. Y. Lee, B. G. Chung, J. S. Kim, Biomaterials 2018, 155, 145-151. M. P. Manns, H. Wedemeyer, A. Singer, N. Khomutjanskaja, H. P. Dienes, T. Roskams, R. Goldin, U. Hehnke, H. Inoue, J. Viral Hepat. 2012, 19, 537-546. M. P. Manns, H. Wedemeyer, A. Singer, N. Khomutjanskaja, H. P. Dienes, T. Roskams, R. Goldin, U. Hehnke, H. Inoue, J. Viral Hepat. 2012, 19, 537-546. M. Negishi, A. Irie, N. Nagata, A. Ichikawa, Biochim. Biophys. Acta 1991, 1066, 77-82. M. Negishi, A. Irie, N. Nagata, A. Ichikawa, Biochim. Biophys. Acta 1991, 1066, 77-82. Z. Y. He, X. Zheng, X. H. Wu, X. R. Song, G. He, W. F. Wu, S. Yu, S. J. Mao, Y. Q. Wei, Int. J. Pharm. 2010, 397, 147-154. Z. Y. He, X. Zheng, X. H. Wu, X. R. Song, G. He, W. F. Wu, S. Yu, S. J. Mao, Y. Q. Wei, Int. J. Pharm. 2010, 397, 147-154. C. Zhang, W. Wang, T. Liu, Y. Wu, H. Guo, P. Wang, Q. Tian, Y. Wang, Z. Yuan, Biomaterials 2012, 33, 2187-2196. C. Zhang, W. Wang, T. Liu, Y. Wu, H. Guo, P. Wang, Q. Tian, Y. Wang, Z. Yuan, Biomaterials 2012, 33, 2187-2196.

본 발명에서는 간세포성 암종에 고선택성을 갖는 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물 및 이를 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a hepatocellular carcinoma-specific fluorescent probe compound having high selectivity for hepatocellular carcinoma and a fluorescent sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the same.

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

하기 [화학식 1]로 표시되는 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물을 제공한다:It provides a hepatocellular carcinoma-specific fluorescent probe compound represented by the following [Formula 1]:

Figure 112019123699453-pat00001
.
Figure 112019123699453-pat00001
.

본 발명에 따르면, 상기 형광 프로브 화합물은 GA 수용체 매개 내포 경로(GA receptors-mediated endocytic pathway)를 통해 간세포성 암종 내부로 포획되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the fluorescent probe compound may be characterized in that it is captured into the hepatocellular carcinoma through the GA receptors-mediated endocytic pathway.

본 발명에 따르면, 상기 형광 프로브 화합물은 2 내지 6의 산성 pH 조건에서 활성화되는 것을 특징으로 할 수 있다. According to the present invention, the fluorescent probe compound may be characterized in that it is activated at an acidic pH condition of 2 to 6.

본 발명에 따르면, 상기 형광 프로브 화합물은 상기 간세포성 암종의 세포 소기관 중 리소좀에서 스피로락탐 고리 개방(H+-triggered spirolactam ring opening)을 통해 근적외선 영역에서 형광을 방출하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the fluorescent probe compound may be characterized in that it emits fluorescence in the near-infrared region through spirolactam ring opening (H + -triggered spirolactam ring opening) in the lysosome among the cell organelles of the hepatocellular carcinoma.

본 발명에 따르면, 상기 간세포성 암종은 HepG2 또는 Huh7 세포인 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the hepatocellular carcinoma may be characterized in that it is HepG2 or Huh7 cells.

본 발명은 또한, 상기 형광 프로브 화합물을 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서를 제공한다.The present invention also provides a fluorescent sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the fluorescent probe compound.

본 발명에 따른 형광 프로브 화합물은 간세포성 암종에 대해 우수한 선택성을 가지며, 세포에 손상이나 충격을 가하지 않고 우수한 검출 감도와 높은 공간 해상도의 이미징을 가능하게 하는바, 간암 진단분야에서 유용하게 활용될 수 있다.The fluorescent probe compound according to the present invention has excellent selectivity for hepatocellular carcinoma, and enables excellent detection sensitivity and high spatial resolution imaging without damaging or impacting cells, and thus can be usefully used in the field of liver cancer diagnosis. have.

도 1은 PBS(0.1 M, pH 7.4, 37 ℃) 중 30% EtOH, 다양한 pH 값에서 NIR-GA(화학식 1로 표시되는 화합물) (5 μM)의 UV/Vis(도 1의 (A)), 형광 스펙트럼(도 1의 (B))을 나타낸 것이다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다. 37 ℃에서 15분 동안 인큐베이션 한 후 각 판독값을 기록하였다.
도 2의 A)는 NIR-GA의 가역성을 보여주는 pH 7.5와 5.0 사이의 형광 "오프/온"사이클을 나타낸 것이다. B)는 pH 7.5 및 5.0에서 NIR-GA의 시간 의존적 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. C)는 산에 대한 NIR-GA의 선택성을 보여주는 막대 다이어그램이다(e.g., 1=pH 3.0, 2=Zn2 +, 3=Cu2 +, 4=Co2 +, 5=Ca2 +, 6=Fe2 +, 7=Mg2 +, 8=Ag2 +, 9=Ba2+, 10=Cd2 +, 11=Pb2 +, 12=Ni2 +, 13=Hg2 +, 14=Mn2 +, 15=Na+). D)는 NIR-GA의 광 안정성을 보여주는, 조사 시간(1.5 h)에 따른 형광 강도를 나타낸 것이다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다.
도 3은 NIR-GA의 세포 내 흡수 결과로서, 다양한 농도의 NIR-GA와 함께 인큐베이션 된 정상 세포 (섬유 아세포) 및 간암 세포 (HepG2 및 Huh7)의 형광 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
도 4는 free GA가 NIR-GA의 세포 흡수 거동에 미치는 영향을 나타낸 것이다. A)는 20 μM NIR-GA로 처리하기 전에, 다양한 농도의 free GA [(1) 내지 (4): 0, 5, 10 및 25 μM]로 전처리 된 Huh7 세포의 형광 현미경 이미지이다. B)는 Huh7 세포에서 측정된 NIR-GA의 상응하는 평균 형광 강도를 나타낸 것이다. 여기 파장은 639nm이고 방출은 700-1000nm 범위에서 수집되었다. 이미지 J 소프트웨어를 사용하여 이미지를 수득하였다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
도 5는 섬유 아세포, Huh7 및 HepG2 세포주에 대한 NIR-GA의 세포 독성 평가를 위한 MTT 분석 결과를 나타낸 것이다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
도 6은 NIR-GA, Mito-, ER-, 및 Lyso-Tracker green으로 처리된 Huh7 세포의 공초점 형광 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 세포를 20 μM NIR-GA 및 5 μM 의 각 소기관 마커로 공동 표지하였다. 오른쪽 상단의 플롯은 병합된 이미지에서 관심 영역 (흰색 막대로 표시)의 강도 프로파일을 보여준다. 공초점 형광 현미경으로 60 배율로 이미지를 획득하였다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
도 7은 다양한 pH 값에 대한 5 μM NIR-GA의 흡광도 플롯을 나타낸 것이다. 스펙트럼은 PBS(pH 7.4, 37 ℃ 중 30% EtOH에서 기록하였다.
도 8은 pH 값에 따른 5 μM NIR-GA의 형광 강도 플롯을 나타낸 것이다. 스펙트럼은 PBS(pH 7.4, 37 ℃ 중 30% EtOH에서 기록하였다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다.
도 9는 다양한 분석물들의 존재하에서 산성 pH에 대한 NIR-GA의 선택적 반응을 나타낸내는 막대 그래프이다: (1) pH = 3.0, (2) L-ascorbic acid, (3) L-Glutamic acid, (4) NADH, (6) cysteine (7) Homo-cysteine (8) L-Glutathione, (9) H2O2, (10) hypochlorite ion (OCl-), (11) hydroxyl ions (OH-). 모든 스펙트럼은 PBS(pH 7.4, 37 ℃ 중 30% EtOH에서 기록하였다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다.
도 10은 산성 및 염기성 pH 사이에서 염료의 형광 온-오프 스위칭 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 11은 서로 다른 산성 pH 값에서 프로브 NIR-GA의 화학 구조를 나타낸 것이다.
도 12는 20 μM NIR 및 DPAI (핵 염색)로 공동 표지된 섬유 아세포 및 Hih7 세포의 3D 재구성된 공초점 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 60X 배율에서 공초점 형광 현미경을 사용하여 이미지를 획득하였다.
도 13은 20 μM NIR-GA 및 5 μM의 각 소기관 마커와 공동표지 된 Huh7 세포의 확대된 공 초점 현미경 이미지로서, 리소좀에서 프로브 NIR-GA의 공동-국소화를 보여준다. 60X 배율에서 공초점 형광 현미경을 사용하여 이미지를 획득하였다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
도 14는 Changsha 염료의 세포 내 흡수 결과로서, 20 μM의 Changsha 염료와 함께 인큐베이션 된 정상 세포 (섬유 아세포) 및 간암 세포 (HepG2 및 Huh7)의 형광 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 여기 및 방출 파장은 각각 709 nm 및 733 nm였다. 데이터는 평균±S.D로 표시된다(n=3).
1 is a UV/Vis (FIG. 1 (A)) of NIR-GA (compound represented by Formula 1) (5 μM) at various pH values in 30% EtOH in PBS (0.1 M, pH 7.4, 37 °C). , shows the fluorescence spectrum (FIG. 1(B)). The excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively. Each reading was recorded after incubation at 37 °C for 15 min.
Figure 2A) shows the fluorescence “off/on” cycle between pH 7.5 and 5.0 showing the reversibility of NIR-GA. B) shows the time-dependent fluorescence spectra of NIR-GA at pH 7.5 and 5.0. C) is a bar diagram showing the selectivity of NIR-GA for acids (eg, 1=pH 3.0, 2=Zn 2 + , 3=Cu 2 + , 4=Co 2 + , 5=Ca 2 + , 6= Fe 2 + , 7=Mg 2 + , 8=Ag 2 + , 9=Ba 2+ , 10=Cd 2 + , 11=Pb 2 + , 12=Ni 2 + , 13=Hg 2 + , 14=Mn 2 + , 15=Na + ). D) shows the fluorescence intensity according to irradiation time (1.5 h), showing the light stability of NIR-GA. The excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively.
Fig. 3 shows fluorescence microscopy images of normal cells (fibroblasts) and hepatocellular carcinoma cells (HepG2 and Huh7) incubated with various concentrations of NIR-GA as a result of intracellular uptake of NIR-GA. The excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively. Data are expressed as mean±SD (n=3).
4 shows the effect of free GA on the cell uptake behavior of NIR-GA. A) Fluorescence microscopy images of Huh7 cells pretreated with various concentrations of free GA [(1) to (4): 0, 5, 10 and 25 μM] before treatment with 20 μM NIR-GA. B) shows the corresponding mean fluorescence intensity of NIR-GA measured in Huh7 cells. The excitation wavelength was 639 nm and the emission was collected in the 700-1000 nm range. Images were acquired using Image J software. Data are expressed as mean±SD (n=3).
5 shows the results of MTT assay for cytotoxicity evaluation of NIR-GA against fibroblasts, Huh7 and HepG2 cell lines. Data are expressed as mean±SD (n=3).
6 shows confocal fluorescence microscopy images of Huh7 cells treated with NIR-GA, Mito-, ER-, and Lyso-Tracker green. Cells were co-labeled with 20 μM NIR-GA and 5 μM of each organelle marker. The plot in the upper right shows the intensity profile of the region of interest (indicated by the white bar) in the merged image. Images were acquired at 60 magnification with a confocal fluorescence microscope. Data are expressed as mean±SD (n=3).
7 shows absorbance plots of 5 μM NIR-GA for various pH values. Spectra were recorded in 30% EtOH in PBS (pH 7.4, 37 °C).
8 shows a plot of fluorescence intensity of 5 μM NIR-GA as a function of pH value. Spectra were recorded in 30% EtOH in PBS, pH 7.4, 37° C. Excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively.
9 is a bar graph showing the selective response of NIR-GA to acidic pH in the presence of various analytes: (1) pH = 3.0, (2) L-ascorbic acid, (3) L-Glutamic acid, ( 4) NADH, (6) cysteine (7) Homo-cysteine (8) L-Glutathione, (9) H 2 O 2 , (10) hypochlorite ion (OCl - ), (11) hydroxyl ions (OH - ). All spectra were recorded in 30% EtOH in PBS, pH 7.4, 37° C. Excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively.
10 shows the fluorescence on-off switching mechanism of dyes between acidic and basic pH.
11 shows the chemical structure of the probe NIR-GA at different acidic pH values.
12 shows 3D reconstructed confocal microscopy images of fibroblasts and Hih7 cells co-labeled with 20 μM NIR and DPAI (nuclear staining). Images were acquired using a confocal fluorescence microscope at 60X magnification.
13 is a magnified confocal microscopy image of Huh7 cells co-labeled with 20 μM NIR-GA and 5 μM of each organelle marker, showing co-localization of probe NIR-GA in lysosomes. Images were acquired using a confocal fluorescence microscope at 60X magnification. Data are expressed as mean±SD (n=3).
Fig. 14 shows fluorescence microscopy images of normal cells (fibroblasts) and liver cancer cells (HepG2 and Huh7) incubated with 20 μM Changsha dye as a result of intracellular uptake of Changsha dye. The excitation and emission wavelengths were 709 nm and 733 nm, respectively. Data are expressed as mean±SD (n=3).

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

모든 시약 및 용매는 Sigma Aldrich, Alfa Aesar, TCI Korea 및 Merck에서 구입하여 추가 정제없이 사용하였다. 실리카겔 60 (70 ~ 230 메쉬)을 고정상으로 사용하여 컬럼 크로마토그래피 정제를 수행하였다. 분석 박층 크로마토그래피(Analytical thin-layer chromatography, TLC)는 60 실리카 겔을 사용하여 수행하였다. 1H 및 13C NMR 스펙트럼은 Bruker 500 NMR 기기에서 기록하였다. 화학적 쉬프트(δ는 ppm으로 기록되며 커플링 상수는 Hz로 표시된다. 질량 스펙트럼은 IonSpecHiRes ESI Shimadzu LC/MS-2020 질량 분석기로 기록하였다. 모든 형광 및 UV-Vis 스펙트럼은 RF-5301PC 및 S-3100 분광 광도계에서 각각 기록하였다. 순수한 DMSO에서 NIR-GA (5 mM)의 스톡 용액을 제조하였다. 용액 연구를 위해, 스톡 용액을 EtOH (30 %)를 함유하는 PBS (pH 7.4, 37 ℃)로 희석하여 최종 작업 용액의 농도를 5 μM 농도로 만들었다. 용액의 총 부피는 3.0 mL로 고정되었다. 실험에서 여기 파장은 709 nm 였고, 모든 여기 및 방출 슬릿 폭은 5 nm 였으며, 방출은 733 nm에서 수집되었다. 형광 변화를 모니터링하기 위해, 먼저 NIR-GA (5 μM)의 작업 용액을 5분 동안 37 ℃에서 서로 다른 pH 값 하에서 인큐베이션 시키고, 해당 형광 스펙트럼을 기록하였다.All reagents and solvents were purchased from Sigma Aldrich, Alfa Aesar, TCI Korea and Merck and used without further purification. Column chromatography purification was performed using silica gel 60 (70-230 mesh) as a stationary phase. Analytical thin-layer chromatography (TLC) was performed using 60 silica gel. 1 H and 13 C NMR spectra were recorded on a Bruker 500 NMR instrument. Chemical shift (δ is reported in ppm and coupling constants in Hz. Mass spectra were recorded with an IonSpecHiRes ESI Shimadzu LC/MS-2020 mass spectrometer. All fluorescence and UV-Vis spectra were obtained from RF-5301PC and S-3100. Each record was recorded in the spectrophotometer.Prepared stock solution of NIR-GA (5mM) in pure DMSO.For solution study, dilute the stock solution with PBS (pH 7.4, 37°C) containing EtOH (30%). to make the final working solution concentration of 5 μM.The total volume of the solution was fixed at 3.0 mL.In the experiment, the excitation wavelength was 709 nm, all excitation and emission slit widths were 5 nm, and the emission was collected at 733 nm. To monitor the fluorescence change, first, a working solution of NIR-GA (5 μM) was incubated at 37 °C for 5 min under different pH values, and the corresponding fluorescence spectra were recorded.

세포 배양 및 공초점 현미경 이미징Cell Culture and Confocal Microscopy Imaging

두 가지 다른 간세포 세포주 (HepG2 및 Huh7, 한국 세포주 은행)와 인간 피부 섬유 아세포 세포주 (HDFn, Invitrogen)를 실험에 사용하였다. HepG2, Huh7 및 섬유 아세포 세포주(각 세포 수가 1ⅹ105 cells)를 35 mm 공초점 접시 (유리 바닥 접시, SPL Life Sciences, 대한민국)에 시딩하였고, 태아 소 혈청 (FBS, Cell Signaling Technology, Danvers, Massachusetts, USA, 10%) 및 페니실린/스트렙토 마이신(P/S, Hyclone, 1%)이 보충된 고-글루코스 둘베코변형이글배지 (DMEM, GE Hyclone, Logan, UT, USA)에서 37 ℃, 5% CO2 분위기에서 배양하였다. 세포가 75-80 % 컨플루언스(confluence)에 도달할 때, 다양한 농도 (0, 5, 20, 40 μM)의 NIR-GA로 처리하였다. 15시간 동안 배양한 후, 세포를 PBS로 세척하고, 파라포름알데히드 (PFA, 4 %)로 고정하고, 추가 분석이 이루어질 때까지 48 ℃에서 보존하였다. 공초점 레이저 스캐닝 현미경 (Carl Zeiss LSM 700 Exciter, Germany)을 사용하여 공초점 형광 이미지를 수득하였다. 여기 파장은 5mW에서 639nm였으며 방출은 700-1000nm의 롱패스필터를 사용하여 수집하였다. Zen 이미징 소프트웨어 (ZEISS, Oberko, Germany)를 사용하여 이미지를 분석하였다.Two different hepatocyte cell lines (HepG2 and Huh7, Korea Cell Line Bank) and human dermal fibroblast cell lines (HDFn, Invitrogen) were used in the experiments. HepG2, Huh7 and fibroblast cell lines (each cell number is 1×10 5 cells) were seeded in 35 mm confocal dishes (glass bottom dish, SPL Life Sciences, Korea) and fetal bovine serum (FBS, Cell Signaling Technology, Danvers, Massachusetts, USA, 10%) and penicillin/streptomycin (P/S, Hyclone, 1%) supplemented with high-glucose Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM, GE Hyclone, Logan, UT, USA) at 37 °C, 5% CO Incubated in 2 atmospheres. When cells reached 75-80% confluence, they were treated with NIR-GA at various concentrations (0, 5, 20, 40 μM). After incubation for 15 h, cells were washed with PBS, fixed with paraformaldehyde (PFA, 4%), and stored at 48 °C until further analysis. Confocal fluorescence images were obtained using a confocal laser scanning microscope (Carl Zeiss LSM 700 Exciter, Germany). The excitation wavelength was 639 nm at 5 mW and the emission was collected using a long-pass filter of 700-1000 nm. Images were analyzed using Zen imaging software (ZEISS, Oberko, Germany).

Free GA를 이용한 경쟁 억제 분석(Competitive inhibition assay)Competitive inhibition assay using Free GA

Huh7 및 섬유 아세포를 35 mm 유리 바닥 공초점 접시에 1ⅹ105 cells의 세포 밀도로 시딩하였다. 24 시간 동안 인큐베이션 한 후, 세포를 NIR-GA (20 μM)로 처리하기 전에 1시간 동안 다양한 농도(0, 5, 10 및 25 μM)의 free GA(a pharmacological inhibitor)와 함께 인큐베이션 시켰다. 추가적인 24시간의 인큐베이션 후, 세포를 PBS로 3회 세척하고 PFA (4 %)로 고정시키고, 상응하는 공초점 형광 이미지를 기록하였다.Huh7 and fibroblasts were seeded in 35 mm glass bottom confocal dishes at a cell density of 1×10 5 cells. After incubation for 24 hours, cells were incubated with free GA (a pharmacological inhibitor) at various concentrations (0, 5, 10 and 25 μM) for 1 hour before treatment with NIR-GA (20 μM). After an additional 24 h of incubation, cells were washed 3 times with PBS and fixed with PFA (4%), and the corresponding confocal fluorescence images were recorded.

NIR-GA의 세포내 국소화 (co-localization study)Intracellular localization of NIR-GA (co-localization study)

NIR-GA의 세포 내 위치를 확인하기 위해, 세포를 NIR-GA (20 μM)와 함께 인큐베이션하기 전에 세포 기관 트래커 (Invitrogen) Mito-Track Green, Lyso-Tracker Green 및 ER-Tracker Green을 함유하는 배지로 전처리 하였다. Huh7 세포를 35 mm 공초점 접시 (유리 바닥 접시, SPL Life Sciences)에 시딩하였다. 세포 밀도가 약 80% 컨플루언스에 도달했을 때, 세포를 PBS로 2회 세척하고 15시간 동안 NIR-GA (20 μM)와 함께 인큐베이션 시켰다. 세포를 다시 PBS로 2회 세척하고 세포 기관 트래커 (Mito-, ER- 및 Lyso-tracker, 100 nM)를 함유하는 FBS 배지 (2.5%)에서 60분 동안 인큐베이션 시켰다. 마지막으로, 세포를 PBS로 2회 세척하였다. NIR-GA의 경우 여기 파장은 5mW에서 639nm였으며 방출은 700-1000nm의 롱패스필터를 사용하여 수집하였다. 세포 기관 트래커의 경우 여기 파장은 5mW에서 488nm였으며, 방출은 500-600nm 밴드패스 필터를 사용하여 수집하였다.To confirm the subcellular localization of NIR-GA, media containing organelle trackers (Invitrogen) Mito-Track Green, Lyso-Tracker Green and ER-Tracker Green prior to incubation of cells with NIR-GA (20 μM). was pre-treated with Huh7 cells were seeded in 35 mm confocal dishes (glass bottom dishes, SPL Life Sciences). When the cell density reached about 80% confluence, the cells were washed twice with PBS and incubated with NIR-GA (20 μM) for 15 h. Cells were again washed twice with PBS and incubated in FBS medium (2.5%) containing organelle trackers (Mito-, ER- and Lyso-tracker, 100 nM) for 60 minutes. Finally, the cells were washed twice with PBS. For NIR-GA, the excitation wavelength was 639 nm at 5 mW and the emission was collected using a long-pass filter of 700-1000 nm. For the organelle tracker, the excitation wavelength was 488 nm at 5 mW, and the emission was collected using a 500-600 nm bandpass filter.

NIR-GA의 용량 의존적 세포 내 흡수Dose-dependent intracellular uptake of NIR-GA

HepG2, Huh7 및 섬유 아세포 세포주(각 세포 수가 1ⅹ105 cells)를 35mm 유리 바닥 공초점 접시 (SPL Life Science, 대한민국 경희)에 시딩하고, 24 시간 동안 배양하였다. 이어서, 세포를 다양한 농도(0, 5 및 20 μM)의 NIR-GA로 2시간 동안 37 ℃, CO2 (5%)하에 처리하였다. 공초점 레이저 스캐닝 현미경으로 형광 이미지를 시각화하였다.HepG2, Huh7 and fibroblast cell lines (each cell number is 1×10 5 cells) were seeded in a 35 mm glass bottom confocal dish (SPL Life Science, Kyunghee, Korea) and cultured for 24 hours. Cells were then treated with NIR-GA at various concentrations (0, 5 and 20 μM) for 2 h at 37° C., under CO 2 (5%). Fluorescence images were visualized with a confocal laser scanning microscope.

세포 생존력 분석 (MTT)Cell viability assay (MTT)

세포 생존력에 대한 NIR-GA의 효과를 측정하기 위해, MTT (3-(4,5-다이메틸티아졸-2-일)-2,5-다이페닐테트라졸륨 브로마이드, Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) 세포독성 분석을 수행하였다. CytoTox96 비방사성 세포 독성 분석 키트 (Promega, USA)를 사용하여 세포 생존력을 평가 하였다. HepG2, Huh7 및 섬유 아세포 세포주(각 세포 수가 1ⅹ105 cells)를 96-웰 플레이트에 분주하고, 다양한 농도의 NIR-GA로 24시간 동안 처리하였다. 이어서, MTT 시약 (5 mgmL- 1)을 각 웰에 첨가하고, 37 ℃에서 2시간 동안 인큐베이션 하였다. 570 nm에서의 흡광도를 마이크로 플레이트 리더 (Sense, Hidex, Finland)로 측정하였다. 모든 실험은 3회 수행하였다.To determine the effect of NIR-GA on cell viability, MTT (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide, Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) cytotoxicity assay was performed. Cell viability was assessed using the CytoTox96 non-radioactive cytotoxicity assay kit (Promega, USA). HepG2, Huh7 and fibroblast cell lines (each number of cells 1×10 5 cells) were aliquoted in a 96-well plate, and treated with various concentrations of NIR-GA for 24 hours. Then, MTT reagent (5 mgmL - 1 ) was added to each well, and incubated at 37 °C for 2 hours. Absorbance at 570 nm was measured with a microplate reader (Sense, Hidex, Finland). All experiments were performed in triplicate.

화합물 합성 compound synthesis

하기 합성 경로에 따라 본 발명에 따른 [화학식 1](NIR-GA로 표시)의 화합물을 합성하였다.According to the following synthetic route, a compound of [Formula 1] (expressed as NIR-GA) according to the present invention was synthesized.

[합성 경로][synthetic route]

Figure 112019123699453-pat00002
Figure 112019123699453-pat00002

화합물 3의 합성Synthesis of compound 3

종래 문헌(Anal. Chem. 2016, 88, 9746-9752)에 보고된 절차에 따라 화합물 3(Changsha dye)을 합성하였다.Compound 3 (Changsha dye) was synthesized according to the procedure reported in the conventional literature (Anal. Chem. 2016, 88, 9746-9752).

화합물 4의 합성Synthesis of compound 4

DMF (10 mL) 중 글리시레틴산 (GA, 0.2g, 0.43mmol), EDC (0.1g, 0.52mmol), 1-하이드록시-1H-벤조트리아 졸(HOBt; 0.07g, 0.52mmol) 및 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP, 0.06g, 0.52mmol)의 혼합물을 질소하에 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 이어서 17-Azido-3,6,9,12,15-pentaoxaheptadecan-1-amine (0.16 g, 0.52 mmol)을 첨가하고, 밤새 교반하였다. 반응 완료 후 DMF를 증발시켜 조 생성물을 얻었고, 이를 CH2Cl2중 MeOH (5%)를 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 아자이드 유도체(azide derivative)를 72% 수율로 얻었다.Glycyrrhetic acid (GA, 0.2 g, 0.43 mmol), EDC (0.1 g, 0.52 mmol), 1-hydroxy-1H-benzotriazole (HOBt; 0.07 g, 0.52 mmol) and 4 in DMF (10 mL) A mixture of -dimethylaminopyridine (DMAP, 0.06 g, 0.52 mmol) was stirred at room temperature under nitrogen for 1 hour. Then, 17-Azido-3,6,9,12,15-pentaoxaheptadecan-1-amine (0.16 g, 0.52 mmol) was added and stirred overnight. After completion of the reaction, DMF was evaporated to obtain a crude product, which was purified by column chromatography using MeOH (5%) in CH 2 Cl 2 to obtain an azide derivative in 72% yield.

1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ=6.28 (s, 1H), 5.68 (s, 1H), 3.66-3.55 (m, 18H), 3.39 (t, J=4.6 Hz, 2H), 3.24-3.20 (m, 1H), 2.78 (d, J=12.0 Hz, 1H), 2.33 (s, 1H), 2.17 (d, J=12.0 Hz, 2H), 2.04-1.58 (m, 13H), 1.37 (brs, 8H), 1.13 (s, 9H), 1.00 (s, 4H), 0.81 (s, 6H), 0.70 ppm (d, J=12.0 Hz, 1H); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz): δ=200.19, 176.02, 169.44, 128.60, 78.87, 70.85, 70.82, 70.77, 70.71, 70.63, 70.36, 70.29, 70.22, 62.00, 55.14, 50.84, 48.23, 45.54, 43.75, 43.36, 41.96, 39.33, 39.31, 37.67, 37.23, 32.94, 32.05, 32.04, 31.63, 29.63, 28.73, 28.32, 27.43, 26.67, 26.60, 23.57, 18.84, 17.66, 16.56, 15.82 ppm; MS (ESI): m/z calcd for C42H70N4O8 : 758 [M+Na]+; found: 781. 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz): δ=6.28 (s, 1H), 5.68 (s, 1H), 3.66-3.55 (m, 18H), 3.39 (t, J=4.6 Hz, 2H), 3.24- 3.20 (m, 1H), 2.78 (d, J=12.0 Hz, 1H), 2.33 (s, 1H), 2.17 (d, J=12.0 Hz, 2H), 2.04-1.58 (m, 13H), 1.37 (brs) , 8H), 1.13 (s, 9H), 1.00 (s, 4H), 0.81 (s, 6H), 0.70 ppm (d, J=12.0 Hz, 1H); 13 C NMR (CDCl 3 , 125 MHz): δ=200.19, 176.02, 169.44, 128.60, 78.87, 70.85, 70.82, 70.77, 70.71, 70.63, 70.36, 70.29, 70.22, 62.00, 55.14, 50.84, 48.23, 45.54, 43.75 , 43.36, 41.96, 39.33, 39.31, 37.67, 37.23, 32.94, 32.05, 32.04, 31.63, 29.63, 28.73, 28.32, 27.43, 26.67, 26.60, 23.57, 18.84, 17.66, 16.56, 15.82 ppm; MS (ESI): m/z calcd for C 42 H 70 N 4 O 8 : 758 [M+Na] + ; found: 781.

이어서 아자이드 유도체 (0.5 g, 0.66 mmol)를 톨루엔/H2O 혼합물 (1:1, 20 mL)에 용해시킨 후, HCl (5 %, 10 mL)을 첨가하였다. THF (5 mL)에 용해된 트리페닐포스핀 (PPh3, 0.21 g, 0.79 mmol)을 상기 용액에 천천히 적가하였다. 유백색 현탁액을 실온에서 밤새 교반하였다. 반응 완료 후 수성층을 분리하고, 톨루엔으로 3-4회 세척하였다. 이어서, pH가 10에 도달 할 때까지 수성층을 NaOH (2N)로 처리하였다. 생성물을 에틸 아세테이트로 추출하고, 유기층을 제거하고, 무수 NaSO4상에서 건조시키고, 진공 하에서 농축시켜 화합물 4를 63%의 수율로 수득하였다. The azide derivative (0.5 g, 0.66 mmol) was then dissolved in a toluene/H 2 O mixture (1:1, 20 mL), followed by addition of HCl (5 %, 10 mL). Triphenylphosphine (PPh 3 , 0.21 g, 0.79 mmol) dissolved in THF (5 mL) was slowly added dropwise to the solution. The milky suspension was stirred at room temperature overnight. After completion of the reaction, the aqueous layer was separated and washed 3-4 times with toluene. The aqueous layer was then treated with NaOH (2N) until the pH reached 10. The product was extracted with ethyl acetate, the organic layer was removed, dried over anhydrous NaSO 4 and concentrated under vacuum to give compound 4 in 63% yield.

NIRNIR -GA의 합성 Synthesis of -GA

DMF (5 mL) 중 창사 염료 (화합물 3; 0.1 g, 0.18 mmol), EDC (0.04 g, 0.23 mmol), HOBt (0.03 g, 0.23 mmol) 및 DMAP (0.03 g, 0.23 mmol)의 혼합물을 질소하에 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 이어서 아민 유도체 화합물 4 (0.16 g, 0.22 mmol)를 첨가하고, 밤새 교반하였다. 반응 완료 후 DMF를 증발시켜 조 생성물을 얻었고, 이것을 CH2Cl2 (5%) 중 MeOH를 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 68% 수율로 NIR-GA를 수득하였다.A mixture of Changsha dye (compound 3; 0.1 g, 0.18 mmol), EDC (0.04 g, 0.23 mmol), HOBt (0.03 g, 0.23 mmol) and DMAP (0.03 g, 0.23 mmol) in DMF (5 mL) under nitrogen Stirred at room temperature for 1 hour. Then amine derivative compound 4 (0.16 g, 0.22 mmol) was added and stirred overnight. After completion of the reaction, DMF was evaporated to obtain a crude product, which was purified by column chromatography using MeOH in CH 2 Cl 2 (5%) to obtain NIR-GA in 68% yield.

1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ=7.85-7.83 (m, 1H), 7.48-7.40 (m, 3H), 7.19-7.15 (m, 3H), 6.84 (t, J=7.6 Hz, 1H), 6.62 (d, J=8.0 Hz, 1H), 6.51 (brs, 1H), 6.32-6.24 (m, 3H), 5.68 (s, 1H), 5.37 (d, J=12.4 Hz, 1H), 3.62-3.60 (m, 12H), 3.55-3.52 (m, 7H), 3.37-3.42 (m, 6H), 3.24-3.20 (m, 2H), 3.15 (s, 2H), 2.78-2.74 (m, 1H), 2.58 (brs, 1H), 2.43 (brs, 2H), 2.32 (brs, 1H), 2.19-2.15 (m, 2H), 2.04-2.00 (m, 2H), 1.94 (d, J=10.4 Hz, 2H), 1.85-1.81 (m, 3H), 1.74-1.70 (m, 6H) 1.66-1.58 (m, 7H), 1.36 (s, 9H), 1.25 (s, 3H), 1.17 (t, J=6.8 Hz, 7H), 1.12-1.11 (m, 8H), 1.00 (s, 4H), 0.80-0.79 (m, 6H), 0.69 ppm (d, J=11.2 Hz, 2H); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz): δ= 200.30, 200.28, 176.18, 169.59, 169.57, 168.80, 168.79, 157.90, 152.88, 157.89, 148.81, 148.07, 145.53, 139.03, 132.42, 131.90, 128.64, 128.59, 128.29, 127.90, 123.61, 122.98, 121.74, 120.35, 119.75, 119.46, 108.51, 105.87, 105.17, 103.60, 97.93, 92.17, 78.87, 77.62, 77.30, 76.98, 70.68, 70.61, 70.60, 70.57, 70.54, 70.33, 70.24, 68.23, 67.03, 62.05, 55.13, 48.21, 45.63, 45.55, 44.55, 43.76, 43.37, 41.95, 39.39, 39.33, 39.30, 39.16, 37.69, 37.23, 32.94, 32.04, 31.60, 29.90, 29.63, 29.33, 28.76, 28.68, 28.47, 28.32, 27.44, 26.67, 26.61, 25.51, 23.59, 23.10, 22.39, 18.52, 17.67, 16.58, 15.84, 12.76 ppm; MS (ESI): m/z calcd for C79H108N4O10 : 1272 [M+Na]+; found: 1295. 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz): δ=7.85-7.83 (m, 1H), 7.48-7.40 (m, 3H), 7.19-7.15 (m, 3H), 6.84 (t, J=7.6 Hz, 1H) ), 6.62 (d, J=8.0 Hz, 1H), 6.51 (brs, 1H), 6.32-6.24 (m, 3H), 5.68 (s, 1H), 5.37 (d, J=12.4 Hz, 1H), 3.62 -3.60 (m, 12H), 3.55-3.52 (m, 7H), 3.37-3.42 (m, 6H), 3.24-3.20 (m, 2H), 3.15 (s, 2H), 2.78-2.74 (m, 1H) , 2.58 (brs, 1H), 2.43 (brs, 2H), 2.32 (brs, 1H), 2.19-2.15 (m, 2H), 2.04-2.00 (m, 2H), 1.94 (d, J=10.4 Hz, 2H ), 1.85-1.81 (m, 3H), 1.74-1.70 (m, 6H) 1.66-1.58 (m, 7H), 1.36 (s, 9H), 1.25 (s, 3H), 1.17 (t, J=6.8 Hz) , 7H), 1.12-1.11 (m, 8H), 1.00 (s, 4H), 0.80-0.79 (m, 6H), 0.69 ppm (d, J=11.2 Hz, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 , 125 MHz): δ = 200.30, 200.28, 176.18, 169.59, 169.57, 168.80, 168.79, 157.90, 152.88, 157.89, 148.81, 148.07, 145.53, 139.03, 128.29.42, 131.59, 128.29, 131.90 , 127.90, 123.61, 122.98, 121.74, 120.35, 119.75, 119.46, 108.51, 105.87, 105.17, 103.60, 97.93, 92.17, 78.87, 77.62, 77.30, 76.98, 70.68, 70.33, 70.57, 70.54.23, 70.57, 70.60. , 67.03, 62.05, 55.13, 48.21, 45.63, 45.55, 44.55, 43.76, 43.37, 41.95, 39.39, 39.33, 39.30, 39.16, 37.69, 37.23, 32.94, 32.04, 31.60, 29.90, 29.63, 29.33, 28.76, 28.68, 28.47, 28. , 28.32, 27.44, 26.67, 26.61, 25.51, 23.59, 23.10, 22.39, 18.52, 17.67, 16.58, 15.84, 12.76 ppm; MS (ESI): m/z calcd for C 79 H 108 N 4 O 10 : 1272 [M+Na] + ; found: 1295.

결과 및 고찰Results and Discussion

본 발명에서는 폴리에틸렌 글리콜 링커를 통해 GA를 Changsha 염료(pH-sensitive NIR fluorophore)에 접합시킨 pH-반응성 소분자 NIR 이미징 프로브 화합물 NIR-GA를 합성하고, 인비트로 결과를 통해 NIR-GA가 세포 생존력 (낮은 세포 독성)을 손상시키지 않으면서 간암 세포에 의해 쉽게 흡수될 수 있음을 입증 하였다. 또한, 산성 매질에서, NIR-GA는 H+ 트리거된 스피로락탐 고리 개방(H+-triggered spirolactam ring opening)을 통해 NIR 영역에서 강한 방출을 나타내며, 높은 pH 선택성과 광안정성을 나타내며, 세포 소기관 중 리소좀에 주로 위치하여 리소좀 pH(lysosomal pH)의 비침습적 모니터링을 가능하게 함을 확인하였다. In the present invention, a pH-responsive small molecule NIR imaging probe compound NIR-GA was synthesized in which GA was conjugated to a Changsha dye (pH-sensitive NIR fluorophore) through a polyethylene glycol linker, and NIR-GA showed that the cell viability (low demonstrated that it can be readily taken up by hepatocellular carcinoma cells without impairing cytotoxicity). In addition, in an acidic medium, NIR-GA exhibits strong emission in the NIR region through H + -triggered spirolactam ring opening, high pH selectivity and photostability, and is highly active in lysosomes among organelles. It was confirmed that it was mainly located to enable non-invasive monitoring of lysosomal pH.

본 발명에 따른 화합물인 NIR-GA는 상기 [합성 경로]에 따라 합성하였다. 간략하게, Changsha 염료를 GA-접합된 아민 유도체 화합물 4와 커플링하여 NIR-GA를 합성하였다. 합성된 화합물의 존재는 질량분석계, 1H NMR/13C NMR을 통해 확인하였다. NIR-GA, a compound according to the present invention, was synthesized according to the [Synthetic route] above. Briefly, NIR-GA was synthesized by coupling Changsha dye with GA-conjugated amine derivative compound 4. The presence of the synthesized compound was confirmed by mass spectrometry, 1 H NMR/ 13 C NMR.

다음으로, UV/Vis 및 형광 분광법을 통해 다양한 pH 값에서 NIR-GA의 광학 거동을 조사하였다. 염기성 및 생리학적 pH 값 (9 내지 7.4)에서, NIR-GA 프로브는 PBS(0.1 M, pH 7.4, 37 ℃) 중 30% EtOH에서 흡수 밴드를 나타내지 않는다. 그러나 pH가 7.4에서 3.0으로 점진적으로 감소하면, 650nm에서 숄더 밴드가 형성되면서 709nm에서 현저한 흡광도 향상을 나타낸다(도 1A). 더욱이, 이러한 변화는 용액의 황색에서 진한 보라색으로의 급격한 색상 변화를 동반하였다(도 1A, insert). 이러한 결과는 산성 조건하에서 창사 염료의 스피로락탐 고리가 개방되어, p-electron π-electron 클라우드의 컨쥬케이션 연장에 의한 것이다(Scheme 1 참조). 흥미롭게도, 3.0 미만의 pH 값의 추가 감소는 흡수 감소를 야기하였는데, 이러한 비정상적인 거동에 대한 가능한 설명은 매우 낮은 pH에서 염료의 3차 아민기가 양성자화되어 염료의 전하 불균형이 더 커질 수 있다는 것이다(도 11). Next, the optical behavior of NIR-GA at various pH values was investigated through UV/Vis and fluorescence spectroscopy. At basic and physiological pH values (9 to 7.4), the NIR-GA probe shows no absorption band in 30% EtOH in PBS (0.1 M, pH 7.4, 37 °C). However, when the pH was gradually decreased from 7.4 to 3.0, a shoulder band was formed at 650 nm, showing a significant absorbance improvement at 709 nm (Fig. 1A). Moreover, this change was accompanied by a sharp color change from yellow to deep purple of the solution (Fig. 1A, insert). This result is due to the opening of the spirolactam ring of the Changsha dye under acidic conditions and extension of the conjugation of the p- electron π-electron cloud (see Scheme 1). Interestingly, a further decrease in the pH value below 3.0 caused a decrease in absorption, and a possible explanation for this anomalous behavior is that at very low pH the tertiary amine group of the dye may be protonated, resulting in a greater charge imbalance of the dye. Fig. 11).

[Scheme 1] 산성 환경에서 염료 활성화 메커니즘[Scheme 1] Mechanism of Dye Activation in Acidic Environment

Figure 112019123699453-pat00003
Figure 112019123699453-pat00003

유사하게, NIR-GA의 형광 거동을 다양한 pH 값에서 평가하였다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 프로브는 염기성 pH에서 비형광성인 반면, pH 값이 7.5에서 3.0으로 감소함에 따라 형광 강도의 점진적인 향상이 관찰되었으며, pH가 3.0에서 2.0으로 더 감소할 때, 강도는 일정하게 유지되었다. 또한, pH 3.0과 pH 7.5 사이의 형광 강도의 변화는 가역적인 것으로 확인되었는바(도 2A), 이는 NIR-GA의 가역적 감지 능력을 암시한다. 도 2B에 도시된 시간-의존적 형광 스펙트럼을 통해, 산성 pH에서 형광은 8분 후 최대값에 도달할 때까지 인큐베이션 시간에 따라 선형으로 증가한 후 일정하게 유지됨을 확인하였다. 또한, NIR-GA는 pH 변화에 대해 높은 감도를 나타냈으며, 생물학적으로 관련된 금속 이온 (도 2C) 또는 기타 분석 물질 (도 9) 존재시에도 형광 스펙트럼이 교란되지 않았다. 다음으로, NIR-GA의 광 안정성을 측정하였으며, 도 2D에 나타난 바와 같이, NIR-GA의 강도는 5.6%만 감소하는 것으로 나타났는바, NIR-GA의 광안정성이 우수함을 확인하였다. Similarly, the fluorescence behavior of NIR-GA was evaluated at various pH values. As shown in Figure 1B, the probe was non-fluorescent at basic pH, whereas a gradual enhancement of fluorescence intensity was observed as the pH value decreased from 7.5 to 3.0, and when the pH was further decreased from 3.0 to 2.0, the intensity was was kept constant. In addition, it was confirmed that the change in fluorescence intensity between pH 3.0 and pH 7.5 was reversible (Fig. 2A), suggesting the reversible sensing ability of NIR-GA. Through the time-dependent fluorescence spectrum shown in Fig. 2B, it was confirmed that the fluorescence at acidic pH increased linearly with the incubation time until it reached a maximum value after 8 min and then remained constant. In addition, NIR-GA showed high sensitivity to changes in pH, and the fluorescence spectrum was not perturbed in the presence of biologically relevant metal ions (Fig. 2C) or other analytes (Fig. 9). Next, the light stability of NIR-GA was measured, and as shown in FIG. 2D , the intensity of NIR-GA was decreased by only 5.6%, confirming that NIR-GA had excellent photostability.

다음으로, 공초점 형광 현미경을 이용하여 NIR-GA의 간암 세포주 (HepG2 및 Huh7)에 의한 GA-매개 세포 흡수에 대해 평가하고, 정상 세포주 (섬유 아세포)와 비교하였다. 모든 세포를 37 ℃에서 24시간 동안 다양한 농도의 NIR-GA와 함께 인큐베이션하고, 상응하는 공초점 현미경 이미지를 수집하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 간암 세포주 Huh7 및 HepG2 세포 모두 최대 강도가 모두 최대 강도가 관찰되는 적색 형광 신호를 나타내었다. 또한, NIR-GA의 농도가 5에서 20 μM로 증가함에 따라, 상응하는 세포의 형광 강도도 증가하였다. Next, GA-mediated cellular uptake of NIR-GA by liver cancer cell lines (HepG2 and Huh7) was evaluated using confocal fluorescence microscopy and compared with normal cell lines (fibroblasts). All cells were incubated with various concentrations of NIR-GA at 37 °C for 24 h, and the corresponding confocal microscopy images were collected. As shown in FIG. 3 , both of the liver cancer cell lines Huh7 and HepG2 cells exhibited a red fluorescence signal in which the maximum intensity was observed. In addition, as the concentration of NIR-GA increased from 5 to 20 μM, the fluorescence intensity of the corresponding cells also increased.

그러나 섬유 아세포 (정상 세포주)는 동일한 농도에서 매우 약한 형광 신호만을 나타내었다. 이러한 결과는 암세포(Huh7 및 HepG2)의 산성 미세 환경에 의한 Changsha 염료의 활성화에 기인하는 것일 수 있다. 섬유 아세포의 미세 환경은 중성이므로, Changsha의 활성화가 없거나 매우 약한 형광 신호가 관찰되었다.However, fibroblasts (normal cell line) showed only a very weak fluorescence signal at the same concentration. These results may be attributed to the activation of Changsha dye by the acidic microenvironment of cancer cells (Huh7 and HepG2). Since the fibroblast microenvironment is neutral, no activation of Changsha or a very weak fluorescence signal was observed.

또한 GA 컨쥬게이션없이 세포를 Changsha 염료와 함께 인큐베이션 하는 대조 실험을 수행하였다. 그 결과, 20 μM의 염료 농도에서도 어느 세포주도 유의한 형광 강도를 보이지 않았으며 (도 14), 이는 간암 세포에 대한 NIR-GA의 능동적인 표적화 능력을 시사한다.A control experiment was also performed in which cells were incubated with Changsha dye without GA conjugation. As a result, none of the cell lines showed significant fluorescence intensity even at a dye concentration of 20 μM ( FIG. 14 ), suggesting the active targeting ability of NIR-GA to liver cancer cells.

또한, 추정되는 GA-매개 세포 흡수를 확인하기 위해 억제 분석(inhibition assay)을 수행하였다(도 4). Huh7 세포를 24시간 동안 다양한 농도 (0, 5, 10 및 25 μM)의 GA로 전처리한 후, 20 μM의 NIR-GA와 함께 인큐베이션 하였다. 상응하는 공초점 이미지는 GA의 농도가 증가함에 따라 GA 결합 부위의 경쟁적 억제에 의한 형광 강도의 상당한 억제 효과가 있음을 보여주었다 (도 4A 및 B). Free GA는 Huh7 세포의 표면에 존재하는 GA 수용체를 포화시켜, 더이상 NIR-GA에 결합 부위를 이용할 수 없게 한다. 이러한 결과는 간암 세포에서 NIR-GA의 향상된 세포 흡수가 GA-매개 세포 내 경로에 기인한다는 것을 나타낸다.In addition, inhibition assay was performed to confirm the putative GA-mediated cellular uptake (FIG. 4). Huh7 cells were pretreated with GA at various concentrations (0, 5, 10 and 25 μM) for 24 hours, and then incubated with 20 μM of NIR-GA. Corresponding confocal images showed that as the concentration of GA increased, there was a significant inhibitory effect on fluorescence intensity by competitive inhibition of the GA binding site (Figs. 4A and B). Free GA saturates GA receptors on the surface of Huh7 cells, making the binding site no longer available for NIR-GA. These results indicate that the enhanced cellular uptake of NIR-GA in liver cancer cells is due to the GA-mediated intracellular pathway.

다음으로, MTT 분석을 통해 섬유 아세포, Huh7 및 HepG2 세포에 대한 NIR-GA의 세포 독성을 확인하였다. Huh7 세포를 다양한 농도 (0, 10, 20, 40, 80, 160 μM)의 NIR-GA로 처리하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, NIR-GA는 40 μM 농도까지 유의한 세포 독성을 나타내지 않았다. 그러나 세포 독성은 더 높은 농도, 즉 80 및 160 μM에서 관찰되었으며, 이때, 세포의 생존력은 각각 60% 및 33%로 감소되었다. 이러한 결과를 통해, NIR-GA는 40 μM 미만의 농도에서 우수한 생체 적합성을 나타냄을 확인하였다. Next, the cytotoxicity of NIR-GA to fibroblasts, Huh7 and HepG2 cells was confirmed by MTT assay. Huh7 cells were treated with NIR-GA at various concentrations (0, 10, 20, 40, 80, 160 μM). As shown in FIG. 5 , NIR-GA did not show significant cytotoxicity up to a concentration of 40 μM. However, cytotoxicity was observed at higher concentrations, ie, 80 and 160 μM, where the viability of the cells was reduced to 60% and 33%, respectively. Through these results, it was confirmed that NIR-GA exhibits excellent biocompatibility at a concentration of less than 40 μM.

마지막으로, NIR-GA의 소기관-특이적 위치를 평가하기 위하여 형광 공존 실험(fluorescence co-localization experiment)을 수행하였다. 미토콘드리아, 소포체 및 리소좀에 대한 소기관 마커로서 Mito-, ER-, 및 Lyso-Tracker green을 각각 사용하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, 20 μM의 NIR-GA와 함께 인큐베이션된 Huh7 세포의 이미지는 Mito 및 ER-Tracker와 비교했을 때 Lyto-Tracker와 잘 겹쳤으며 눈에 띄는 노란색 영역이 나타났다. 이러한 결과를 통해 프로브 NIR-GA가 리소좀에 대부분 편재되어 있음을 확인하였다. Finally, a fluorescence co-localization experiment was performed to evaluate the organelle-specific localization of NIR-GA. Mito-, ER-, and Lyso-Tracker green were used as organelle markers for mitochondria, endoplasmic reticulum and lysosomes, respectively. As shown in FIG. 6 , the images of Huh7 cells incubated with 20 μM NIR-GA overlapped well with Lyto-Tracker compared to Mito and ER-Tracker, and a prominent yellow area appeared. Through these results, it was confirmed that the probe NIR-GA is mostly localized in the lysosome.

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 (6)

하기 [화학식 1]로 표시되고,
Figure 112021065272560-pat00004

GA 수용체 매개 내포 경로(GA receptors-mediated endocytic pathway)를 통해 간세포성 암종 내부로 포획되며,
2 내지 6의 산성 pH 조건에서 활성화되고, 상기 간세포성 암종의 세포 소기관 중 리소좀에서 스피로락탐 고리 개방(H+-triggered spirolactam ring opening)을 통해 근적외선 영역에서 형광을 방출하는 것을 특징으로 하는 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물.
It is represented by the following [Formula 1],
Figure 112021065272560-pat00004

It is captured inside the hepatocellular carcinoma through the GA receptors-mediated endocytic pathway,
Hepatocellular carcinoma, characterized in that it is activated at an acidic pH condition of 2 to 6 and emits fluorescence in the near-infrared region through spirolactam ring opening (H + -triggered spirolactam ring opening) in the lysosome among the cell organelles of the hepatocellular carcinoma. Specific fluorescent probe compounds.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 간세포성 암종은 HepG2 또는 Huh7 세포인 것을 특징으로 하는 간세포성 암종 특이적 형광 프로브 화합물.
According to claim 1,
The hepatocellular carcinoma is HepG2 or Huh7 cells, characterized in that the hepatocellular carcinoma-specific fluorescent probe compound.
제1항에 따른 형광 프로브 화합물을 포함하는 간세포성 암종 검출용 형광 센서.A fluorescent sensor for detecting hepatocellular carcinoma comprising the fluorescent probe compound according to claim 1 .
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