KR102402569B1 - 황화수소 검출용 프로브, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 황화수소 검출용 조성물 - Google Patents

황화수소 검출용 프로브, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 황화수소 검출용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 황화수소 검출용 프로브는 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112020136048761-pat00006

Description

황화수소 검출용 프로브, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 황화수소 검출용 조성물{A fluorescent probe for selective facile detection of H2S in serum, method for preparing the same and composition for detecting H2S comprising the same}
본 발명의 다양한 실시예는 황화수소 검출용 프로브, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 황화수소 검출용 조성물에 관한 것이다. 구체적으로 혈청 내 황화수소를 선택적이고 간편하게 검출할 수 있는 황화수소 검출용 프로브, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 황화수소 검출용 조성물에 관한 것이다.
황화수소 (H2S)는 이미 잘 알려진 산화 질소 (NO)와 일산화탄소 (CO)와 같이 중요한 내인성 기체 매개체로 부상하고 있다. 내인성 H2S 의 교란된 합성은 다양한 질병과 밀접한 관련이 있다. 최근 연구에 따르면 알츠하이머, 고혈압, 당뇨병 및 천식과 같은 여러 생리적 장애에서 H2S 의 비정상적인 혈청 수준이 관찰되는 것으로 나타났다. 따라서 혈청 내 H2S 에 대한 신뢰할 수 있는 검출 방법의 개발이 매우 중요하다. 특히 병리학 및 생리학적 과정에서 H2S 의 빠른 대사를 고려할 때 빠르게 실시간으로 모니터링할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
현재까지 H2S 검출을 위해 분광 광도계, 전기 화학적 분석 및 크로마토 그래피 (가스, 이온 교환 및 고성능 액체 크로마토 그래피 (HPLC)의 변형 포함)와 같은 다양한 분석 기술이 보고되었다. 그 중, 혈청에서 H2S 수준을 측정하는데 널리 사용되는 두 가지 방법은 메틸렌 블루 (MB 방법)를 사용한 비색 방법과 ISE (이온 선택 전극) 기반 황화물 음이온 (S2-) 특정 방법이다. 두 방법 모두 가혹한 화학적 조건에서 수행되며 샘플 처리 시간이 오래 걸리고, 기기 요구 사항이 까다롭다는 단점이 있다.
대조적으로 형광 소분자 프로브는 단순성, 빠른 응답 및 높은 감도 측면에서 H2S 의 실시간 모니터링에 큰 잠재력을 가지고 있다. 그러나 대부분은 H2S의 형광 이미징에 초점을 맞추고 있으며, 혈청 단백질과 형광단의 비특이적 결합으로 인해 신호 간섭을 받기 때문에 혈청 샘플에서 H2S 수준 측정에 적용하기가 복잡하다(도 1의 a)). 혈청 내 H2S의 부정확한 측정으로 이어질 수 있는 신호 간섭을 방지하려면 H2S 측정 전에 혈청 샘플에서 다량의 단백질을 제거하는 추가 프로세스가 필수적이다. 또한 많은 thiolysis 기반 프로브는 H2S 와 유사한 반응성을 갖는 시스테인 (Cys) 및 호모시스테인 (Hcy)과 같이 혈청에 고농도로 존재하는 다른 바이오 티올로부터 간섭을 받기 쉽다. 따라서 혈청 샘플에서 H2S 정량에 쉽게 적용 할 수 있는 선택성이 높은 형광 프로브를 개발하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, H2S 검출을 위한 고 선택적 형광 프로브를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 황화수소 검출용 프로브는 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112020136048761-pat00001
본 발명의 황화수소 검출용 프로브의 제조 방법은, 제1 중간체 (5-(4-(diethylamino)phenyl)-N-methylthiophen-3-amine) (5a)를 준비하는 단계;
상기 제1 중간체(5a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제2 중간체 (2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methyl-6,7-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one) (6a)를 수득하는 단계;
상기 제2 중간체(6a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제3 중간체 (6-Bromo-2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(7a)를 수득하는 단계;
상기 제3 중간체(7a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제4 중간체(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(8a)를 수득하는 단계;
상기 제4 중간체(8a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-hydroxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)를 수득하는 단계; 및
상기 KF를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF-DNBS(4-(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-4-methyl-5-oxo-4,5-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-7-yl)phenyl 2,4-dinitrobenzenesulfonate)를 수득하는 단계;를 포함한다.
상기 제2 중간체(6a)를 수득하는 단계는,
상기 제1 중간체(5a)에 4-methoxycinnamic acid, benzotriazol-1-yloxy)tris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate (BOP) 및 DIPEA를 혼합하여 반응시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 중간체(7a)를 수득하는 단계는,
상기 제2 중간체(6a) 및 N-bromosuccinimide를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제4 중간체(8a)를 수득하는 단계는,
상기 제3 중간체(7a)를 냉각시키고, n-butyllithium 용액과 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 KF를 수득하는 단계는,
상기 제4 중간체(8a)를 냉각시키고 boron tribromide와 반응시키는 단계;
상기 단계로부터의 반응물을 물로 ??칭하고 중화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 KF-DNBS를 수득하는 단계에서는,
상기 KF, 2,4-dinitrobenzenesulfonyl chloride 및 triethylamine를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 황화수소 검출용 조성물은, 상기 화학식 1로 표시되는 황화수소(H2S) 검출용 프로브; 및 마스킹 시약으로써 2-FBBA (2-formyl benzene boronic acid)를 포함한다.
본 발명의 황화수소 검출용 프로브인 KF-DNBS는 H2S에 의해 유발된 thiolysis 반응을 기반으로 형광 KF-알부민 복합체의 형성으로 인해 현저한 형광 향상을 보인다. 또한, 2-FBBA의 도입을 통해 Cys 및 Hcy와 2-FBBA의 빠르고 화학 선택적 반응을 기반으로 Cys 및 Hcy의 반응성을 차단함으로써 KF-DNBS의 H2S에 대한 선택성을 향상시킬 수 있다.
또한, 최적화된 감지 조건에서 KF-DNBS를 적용하여 혈청 단백질 제거를 위한 추가 절차 없이도 인간 혈청에서 스파이크된 H2S를 정확하게 검출할 수 있다.
따라서 KF-DNBS의 형광 반응은 혈청 샘플에서 H2S 수준을 측정하는 정확하고 간편한 방법으로 활용될 수 있다.
도 1의 a)는 혈청에서 H2S용 기존 형광 프로브를 적용할 때의 일반적인 문제점을 보여주기 위한 개략도이고, b)는 형광 KF-알부민 복합체의 H2S 트리거 캐스케이드 형성을 사용하여 혈청에서 H2S를 쉽게 검출할 수 있는 본 발명의 형광 KF-DNBS 프로브를 적용한 개략도이다.
도 2는 HSA (100μM)의 부재 및 존재 시 KF 및 KF-DNBS (각각 25μM, 10 % DMSO)의 형광 스펙트럼 (λex = 420nm)이고, 삽입 이미지는 휴대용 UV 램프 (365nm) 조명에서 HSA가 부재 또는 존재 시 KF의 형광 이미지이다.
도 3의 a)는 2-FBBA를 첨가하지 않았을 때, 각 바이오 티올, H2S (100μM), Cys (250μM), Hcy (100μM), GSH (10μM) 첨가 시 HSA (100μM)에 의한 KF-DNBS (25μM, 10 % DMSO)의 형광 강도 변화이고, b)는 2-FBBA (2mM) 사용했을 때의 형광 강도 변화에 관한 그래프이다.
도 4의 a)는 H2S (100μM)의 부재 및 존재 하에서 HSA (100μM)를 사용한 KF-DNBS (25μM, 10 % DMSO)의 형광 스펙트럼 변화이고, b)는 2-FBBA (2mM)를 포함하는 SPB (pH 7.4, 20mM)에서 H2S (5-250μM)의 다양한 농도에 대한 500nm에서의 형광 강도 플롯이고, c) 다양한 버퍼 조건 (pH 5-9, 20 mM)에서 H2S (100μM)의 부재 및 존재 시 HSA (100μM)를 사용하는 KF-DNBS (25μM, 10 % DMSO)의 500nm에서의 형광 강도에 관한 그래프이다.
도 5는 KF-DNBS (25 μM, 10 % DMSO) 및 HSA (100 μM)의 500 nm에서 다양한 분석물의 존재 시 형광 강도에 관한 것이다.
(1: blank, 2: H2S (100 μM), 3: Cys (250 μM), 4: Hcy (100 μM), 5: GSH (10 μM), 6: HSO4 - (100 μM), 7: SO4 2- (100 μM), 8: SO3 2- (100 μM), 9: S2O3 2 - (100 μM), 10: SCN- (100 μM), 11: CN- (100 μM), 12: F- (100 μM), 13: Br- (100 μM), 14: NO3 - (100 μM), 15: NO2 - (100 μM), 16: HCO3 - (100 μM), 17: CH3CO2 - (100 μM), 18: H2O2 (100 μM), 19: ClO- (100 μM) in SPB (pH 7.4, 20 mM))
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 황화수소 검출용 프로브는 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112020136048761-pat00002
본 발명의 황화수소 검출용 프로브는 4-(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-4-methyl-5-oxo-4,5-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-7-yl)phenyl 2,4-dinitrobenzenesulfonate (KF-DNBS)이다.
도 1의 b)를 참고하면, KF의 형광은 HSA에 대한 특이적 결합에 크게 의존하며 DNBS 그룹은 H2S에 의해 절단된다. 즉, H2S에 대한 반응으로 KF-DNBS의 DNBS 그룹이 thiolysis에 의해 절단되고, KF가 방출되어 알부민과 즉시 결합되어 형광 향상을 초래할 수 있다. 형광 KF-알부민 복합체의 H2S 트리거 캐스케이드 형성(H2S-triggered cascade formation)을 기반으로 KF-DNBS는 생리적 조건에서 H2S의 정량적 검출에 사용될 수 있고, 혈청 단백질 제거를 위한 추가 처리 없이도 H2S를 검출할 수 있다.
본 발명의 황화수소 검출용 프로브의 제조 방법은, 하기와 같이 제조될 수 있다.
Figure 112020136048761-pat00003
구체적으로, 제1 중간체 (5-(4-(diethylamino)phenyl)-N-methylthiophen-3-amine) (5a)를 준비하는 단계; 상기 제1 중간체(5a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제2 중간체 (2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methyl-6,7-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one) (6a)를 수득하는 단계; 상기 제2 중간체(6a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제3 중간체 (6-Bromo-2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(7a)를 수득하는 단계; 상기 제3 중간체(7a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제4 중간체(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(8a)를 수득하는 단계; 상기 제4 중간체(8a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-hydroxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)를 수득하는 단계; 및 상기 KF를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF-DNBS(4-(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-4-methyl-5-oxo-4,5-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-7-yl)phenyl 2,4-dinitrobenzenesulfonate)를 수득하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 중간체(5a)를 수득하는 단계는, 2a 화합물을 합성하는 단계, 2a 화합물로부터 3a 화합물을 합성하는 단계, 및 3a 화합물로부터 5a 화합물을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 2a 화합물을 합성하는 단계에서는, 3-amino-5-bromothiophene-2-carboxylate (1a) 화합물에 NaH 및 메틸 요오다이드를 첨가 후 반응시켜 추출하여 Methyl 5-bromo-3-(methylamino)thiophene-2-carboxylate (2a) 화합물을 합성할 수 있다.
다음으로, 3a 화합물을 합성하는 단계에서는 2a 화합물, Pd(PPh3)4, N,N-diethyl-4-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)aniline, K2CO3 및 H2O를 첨가 후 반응시켜 추출하여 methyl 5-(4-(diethylamino)phenyl)-3-(methylamino)thiophene-2-carboxylate (3a) 화합물을 합성할 수 있다.
다음으로 5a 화합물을 합성하는 단계는, 3a 화합물 및 KOH를 첨가 후 반응시켜 추출하여 5-(4-(diethylamino)phenyl)-N-methylthiophen-3-amine (5a) 화합물을 수득할 수 있다.
상기 제2 중간체(6a)를 수득하는 단계는, 상기 제1 중간체(5a)에 4-methoxycinnamic acid, benzotriazol-1-yloxy)tris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate (BOP) 및 DIPEA를 혼합하여 반응시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 중간체(7a)를 수득하는 단계는, 상기 제2 중간체(6a) 및 N-bromosuccinimide를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제4 중간체(8a)를 수득하는 단계는, 상기 제3 중간체(7a)를 냉각시키고, n-butyllithium 용액과 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 KF를 수득하는 단계는, 상기 제4 중간체(8a)를 냉각시키고 boron tribromide와 반응시키는 단계; 상기 단계로부터의 반응물을 물로 ??칭하고 중화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 KF-DNBS를 수득하는 단계에서는, 상기 KF, 2,4-dinitrobenzenesulfonyl chloride 및 triethylamine를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 황화수소 검출용 조성물은, 상기 화학식 1로 표시되는 황화수소(H2S) 검출용 프로브; 및 마스킹 시약으로써 2-FBBA (2-formyl benzene boronic acid)를 포함한다. 2-FBBA를 통해 Cys 및 Hcy의 반응성을 차단함으로써 KF-DNBS의 H2S에 대한 선택성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예 에 의해서 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> Methyl 5- bromo -3-( methylamino ) thiophene -2- carboxylate (2a) 의 합성
메틸3-아미노-5-브로모티오펜-2-카르복실레이트(methyl 3-amino-5-bromothiophene-2-carboxylate; 1.00 g, 4.24 mmol, 1.0 당량)가 용해된 DMF (40 mL) 용액에 NaH (광유 분산액 중 60 %, 237 mg, 11.9 mmol, 1.4 당량)을 0 ℃에서 첨가하였다. 10분 동안 교반 후, 메틸 요오다이드 (343 μL, 5.51 mmol, 1.3 당량)를 첨가하고 실온으로 가온시켰다. 반응물을 실온에서 16 시간 동안 교반한 다음, 반응을 급냉시키기 위해 물 (50 mL)을 첨가하고 EtOAc (50 mL)로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4상에서 건조시키고, 여과하고 진공 하에 증발시켰다. 크루드(crude) 생성물을 실리카 상에서 플래시 칼럼 크로마토그래피 (헥산 / EtOAc = 30/1, v/v)로 정제하여 백색 고체의 생성물 2a를 수득하였다.
2a 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ 6.67 (br s, 1H), 6.63 (s, 1H), 3.78 (s, 3H), 2.93 (d, J = 5.5 Hz, 3H);
13CNMR(150MHz,CDCl3)δ164.4,156.5,121.8,119.5,99.2,51.3,31.7.
< 실시예 2> methyl 5-(4-( diethylamino )phenyl)-3-( methylamino ) thiophene -2-carboxylate (3a) 의 합성
Methyl 5-bromo-3-(methylamino)thiophene-2-carboxylate (2a) (1.04g, 4.14mmol, 1.0 당량) 및 1,2-dimethoxyethane (13.8mL, 0.3M)의 용액에 Pd(PPh3)4 (239.4mg, 0.2072mmol, 0.05 당량), N,N-diethyl-4-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)aniline (1.37g, 4.97mmol, 1.2 당량), K2CO3 (1.72g, 12.43mmol, 3.0 당량) 및 H2O (0.3 mL)를 첨가 하였다. 반응 혼합물을 80 ° C에서 가열하고 12 시간 동안 교반 하였다. 반응완료 후 셀라이트(celite)를 통해 여과하고 H2O/EtOAc로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 크루드(crude)를 실리카상에서 n- 헥산 : EtOAc (5 : 1)를 사용하는 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(flash column chromatography)로 정제하여 3a (1.26g, 3.95mmol, 96 %)를 황색 고체로서 수득 하였다.
3a 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600MHz, CDCl3) δ 7.50 (d, J = 9.0Hz, 2H), 6.70 (s, 1H), 6.65 (d, J = 9.0Hz, 2H), 3.81 (s, 3H), 3.33 (q, J = 7.0Hz, 4H), 3.02 (d, J = 4.8Hz, 3H), 1.19 (t, J = 7.2Hz, 6H); 13C {1H} NMR (150MHz, CDCl3) δ 165.3, 158.0, 151.4, 148.3, 127.3, 120.5, 111.4, 108.7, 94.9, 50.9, 44.4, 31.6, 12.6;
< 실시예 3> 5-(4-( Dimethylamino )phenyl)-N- methylthiophen -3-amine (5a)의 합성
methyl 5-(4-(diethylamino)phenyl)-3-(methylamino)thiophene-2-carboxylate (3a) 화합물(1.20 g, 4.13 mmol, 1.0 equiv.)이 용해된 에탄올(4 mL, 0.25 M)에 1N KOH(2 mL)를 첨가하였다. 반응물을 70℃에서 2시간 동안 교반 하면서 가열하였다. 반응 완료 후, 용매를 증발시켰다. 이후 조생성물의 추가 정제 과정 없이 상기 반응물을 실리카겔과 반응시켰는데, 실리카겔 (750 mg, 기질의 500 중량 %)을 EtOAc (2 mL) 및 MeOH (2 mL) 용액 (1 : 1)에 첨가하고, 상기 반응액을 상온에서 1 시간 동안 교반한 후, 실리카겔을 여과하고 유기층을 진공하에 증발시켰다. 잔류물을 실리카상에서 플래시 칼럼 크로마토그래피 (헥산 / EtOAc = 3/1, v / v)로 정제하여 적갈색 고체의 5a 화합물을 수득하였다(600 mg, 2.58 mmol, 62%).
또한, 5a 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ 7.44 (d, J = 9.0 Hz, 2H), 6.71-6.70 (m, 3H), 5.81 (s, 1H), 2.98 (s, 6H), 2.84 (s, 3H); 13CNMR(150MHz,CDCl3)δ150.2,150.1,144.5,126.6,123.3,114.0,112.6,93.0,40.6,32.8;LRMS (APCI): m/z calcd for C13H17N2S[M+H]+ 233.11, found 232.80.
< 실시예 4> 6- Bromo -2-(4-( diethylamino )phenyl)-7-(4- methoxyphenyl )-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one (7a) 의 합성
5-(4-(diethylamino)phenyl)-N-methylthiophen-3-amine (5a) (150mg, 0.5760mmol, 1.0 당량) 및 DMF (2.3mL, 0.25M) 용액에 4-methoxycinnamic acid (225.8mg, 1.267mmol, 2.2 당량), benzotriazol-1-yloxy)tris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate (BOP, 560 mg, 1.267 mmol, 2.2 equiv.) 및 DIPEA (0.51 mL, 2.880 mmol, 5.0 equiv.)를 실온에서 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 5 시간 동안 교반하였다. 반응물을 H2O로 ??칭하고 에틸 아세테이트 (EtOAc)로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methyl-6,7-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one (6a)를 수득하였고, 6a 크루드(crude)를 추가 정제 없이 사용하였다.
6a (188.0 mg, 0.4813 mmol, 1.0 당량) 및 CH2Cl2 (4.8 mL, 0.1 M)의 용액에 N-bromosuccinimide (128.5 mg, 0.7221 mmol, 1.5 당량)를 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 교반하였다. 반응물을 H2O로 ??칭하고 에틸 아세테이트 (EtOAc)로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 크루드(crude)를 실리카상에서 n- 헥산 : EtOAc (1 : 1)를 사용하는 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(flash column chromatography)로 정제하여 7a를 황색 고체로서 수득하였다 (22.4 mg, 0.0532 mmol, 48 %, 2 단계에 걸쳐 수득); m.p : 212-214 °C;
7a 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 7.45-7.41 (m, 4H), 7.05 (s, 1H), 7.03 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 6.62 (d, J = 9.0 Hz, 2H), 3.88 (s, 3H), 3.82 (s, 3H), 3.38 (q, J = 7.0 Hz, 4H), 1.18 (t, J = 6.9 Hz, 6H); 13C{1H} NMR (150 MHz, CDCl3) δ 160.2, 159.3, 150.8, 148.6, 146.4, 143.2, 130.2, 129.9, 127.3, 119.9, 118.4, 114.1, 111.6, 111.3, 108.7, 55.4, 44.5, 33.6, 12.7; HRMS (EI): m/z C25H25BrN2NaO2S [M+Na]+에 대한 계산치 519.0718, 실측치 519.0719.
< 실시예 5> 2-(4-( Diethylamino )phenyl)-7-(4- methoxyphenyl )-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one (8a) 의 합성
7a (36.1 mg, 0.0726 mmol, 1.0 equiv.) 및 CH2Cl2 (0.73 mL, 0.1 M)의 용액을 -78 °C로 냉각시켰다. 다음으로 n-butyllithium 용액 (시클로헥산 중 2.0M, 75μL, 0.109mmol, 1.5 당량)을 천천히 첨가하고 -78 °C에서 1.5 시간 동안 교반 하였다. 반응물을 H2O로 ??칭하고 CH2Cl2로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 크루드(crude)를 실리카상에서 n- 헥산 : EtOAc (1 : 1)를 사용하는 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(flash column chromatography)로 정제하여 8a를 황색 고체로서 수득 하였다 (15.8 mg, 0.0377 mmol, 52 %); m.p : 190-192 °C;
8a 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 7.64 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.51 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.10 (s, 1H), 7.02 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 6.67 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 6.51 (s, 1H), 3.88 (s, 3H), 3.76 (s, 3H), 3.40 (q, J = 7.2 Hz, 4H), 1.19 (t, J = 6.9 Hz, 6H); 13C{1H} NMR (150 MHz, CDCl3) δ 163.0, 160.7, 150.1, 148.5, 146.7, 145.3, 130.1, 129.1, 127.4, 120.3, 116.4, 114.5, 113.3, 111.7, 109.2, 55.5, 44.6, 31.9, 12.7; HRMS (EI): m/z C25H26N2O2S [M]+ 에 대한 계산치 418.1715, 실측치 418.1711.
< 실시예 6> 2-(4-( Diethylamino )phenyl)-7-(4- hydroxyphenyl )-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one (KF) 의 합성
8a (109.8 mg, 0.2623 mmol, 1.0 당량) 및 CH2Cl2 (2.6 mL, 0.1 M) 용액을 -78 °C로 냉각시켰다. 냉각 후, CH2Cl2 용액 (3.94 mL, 3.935 mmol, 15.0 당량) 중 boron tribromide를 용액에 천천히 적가하였다. 다음으로, 혼합물을 실온으로 가온하고 12 시간 동안 교반하였다. 용액을 -78 °C로 냉각시킨 후, 반응물을 차가운 물로 ??칭하고 NaHCO3로 중화시켰다. 혼합물을 CH2Cl2로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 크루드(crude)를 실리카상에서 n- 헥산 : EtOAc (1 : 1 내지 100 % EtOAc)를 사용하는 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(flash column chromatography)로 정제하여 KF를 황색 고체 (83.0 mg, 0.2052 mmol, 78 %)로서 수득 하였다; m.p : 250-251 °C;
KF 화합물에 대한 NMR 분석 결과는 다음과 같다.
1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ 9.94 (s, 1H), 7.60-7.58 (m, 3H), 7.56 (d, J = 9.0 Hz, 2H), 6.93 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 6.70 (d, J = 9.0 Hz, 2H), 6.27 (s, 1H), 3.65 (s, 3H), 3.38 (q, J = 7.0 Hz, 4H), 1.11 (t, J = 7.2 Hz, 6H); 13C{1H} NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ 161.4, 158.8, 148.7, 148.0, 145.9, 145.5, 128.8, 127.6, 127.0, 119.2, 115.8, 114.0, 111.8, 111.4, 110.4, 43.7, 31.4, 12.4; HRMS (EI): m/z C24H24N2O2S [M]+ 404.1558에 대한 계산치, 실측치 404.1555.
< 실시예 7> 4-(2-(4-( Diethylamino )phenyl)-4-methyl-5- oxo -4,5-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-7-yl)phenyl 2,4- dinitrobenzenesulfonate (KF- DNBS ) 의 합성
KF (106.5mg, 0.2633mmol, 1.0 당량) 및 CH2Cl2 (2.6mL, 0.1M) 용액에, 2,4-dinitrobenzenesulfonyl chloride (119.3mg, 0.4476mmol, 1.7 당량) 및 triethylamine (0.13mL, 1.250 mmol, 4.7 당량)을 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 16 시간 동안 교반하였다. 반응물을 차가운 물로 ??칭하고 CH2Cl2로 3 회 추출하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 여과하고 진공에서 증발시켰다. 크루드(crude)실리카상에서 n- 헥산 : EtOAc (1 : 1 내지 1 : 5)를 사용하는 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(flash column chromatography)로 정제하여 암갈색 고체의 KF-DNBS를 (108.6 mg, 0.1711 mmol, 65 %, 전환율:82 %, borsm 수율 : 79 %) 수득하였다.; m.p : 96-98 °C;
1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ 8.67 (s, H), 8.51 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 8.25 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.67 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 7.46 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 7.34 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.09 (s, 1H), 6.65 (br s, 2H), 6.44 (s, 1H), 3.73 (s, 3H), 3.41 (q, J = 7.2 Hz, 4H), 1.12 (t, J = 6.9 Hz, 6H); 13C{1H} NMR (150 MHz, CDCl3) δ 162.6, 151.1, 150.6, 149.4, 149.1, 148.7, 145.6, 137.7, 134.0, 133.6, 129.7, 127.4, 126.7, 122.7, 120.5, 119.7, 115.4, 114.1, 111.6, 109.1, 44.5, 31.9, 12.6; HRMS (ESI): m/z C30H27N4O8S2 [M+H]+ 에 대한 계산치 635.1270, 실측치 635.1262
<실험예 1> HSA에 대한 KF 및 KF-DNBS의 형광 변화 비교
DMSO에 KF와 KF-DNBS의 저장 용액을 준비하고 증류수에 HSA 저장 용액을 준비했다. KF 또는 KF-DNBS (25 μM, 10 % DMSO)만 포함하는 용액과, 인산 나트륨 완충액 (sodium phosphate buffer, SPB, pH 7.4, 20 mM)에 HSA (100 μM)와 각각 KF 또는 KF-DNBS (25 μM, 10 % DMSO)가 포함된 샘플을 준비했다. 다음으로 420 nm에서 여기 하에 형광 분광 광도계를 사용하여 형광 스펙트럼을 기록했다.
그 결과, 도 2를 참고하면, KF의 형광 강도는 HSA를 추가함에 따라 550 nm에서 500 nm로 약간 이동했으며 HSA 농도가 5-50 μM 범위에서 증가함에 따라 선형적으로 증가했다. KF와 달리 KF-DNBS는 HSA가 있을 때나 없을 때나 약한 형광을 나타냈다. 이러한 결과를 바탕으로, HSA가 있는 KF-DNBS가 형광 KF-HSA 복합체 (Φ = 0.546)의 H2S 트리거 캐스케이드 형성 원리(principle of H2S-triggered cascade formation)를 사용하여 H2S 에 대한 반응 기반 형광 프로브로 활용될 수 있다고 예측했다.
< 실험예 2> H2S 감지를위한 감지 조건 최적화
SPB (pH 7.4, 20 mM)에 2-formyl benzene boronic acid (2-FBBA)을 포함하거나 미포함하여 HSA (100μM), 각 바이오 티올 (H2S 100μM, Cys 250μM, Hcy 100μM, GSH 10μM)을 포함하는 샘플을 25 ℃에서 15 분 동안 배양하였다. KF-DNBS (25μM, 10 % DMSO)를 시료에 첨가한 후 37 °C에서 420nm에서 여기 하에 형광 스펙트럼을 측정했다.
DNBS를 포함하는 2,4-dinitrosulfonyl 단위는 H2S 반응성 형광 프로브에서 가장 자주 사용되는 H2S 인식 단위이다. 그러나 이러한 프로브는 Cys, Hcy 및 GSH와 같은 다른 바이오티올의 간섭으로 인해 보통 중간 정도의 선택성을 나타낸다. 따라서, 특히 고농도의 Cys 및 Hcy를 포함하는 혈청 샘플에서 신뢰할 수 있는 적용을 위해 KF-DNBS에 의한 고도로 선택적인 H2S 검출을 위한 최적의 감지 조건을 설정하는 것이 바람직하다. 먼저, 인간 혈청에서 대략적인 농도를 고려하여 Cys, Hcy 및 GSH를 포함한 H2S 및 기타 바이오 티올의 KF-DNBS에 대한 상대적 반응성을 평가했다 ([H2S] = 100μM, [Cys] = 250μM, [Hcy] =100 μM, [GSH] = 10 μM). 도 3a에서 볼 수 있듯이 SPB (pH 7.4)에서 HSA가 있는 KF-DNBS가 포함된 샘플 용액에 H2S 를 첨가했을 때 500 nm에서 형광 강도가 예상대로 크게 증가했다. 그러나 Cys와 Hcy는 또한 눈에 띄는 형광 변화가 유도되었다.
이를 해결하기 위해 안정적인 공유 결합을 형성하여 Cys와 Hcy의 친핵성 반응성을 선택적으로 차단할 수 있는 마스킹 시약을 도입하고자 하였다. 알데히드 그룹과 Cys 또는 Hcy 사이의 고리화 반응은 선택적 프로브 분자 설계에 널리 사용되었으므로, 간단한 알데히드를 검토했으며 잠재적인 마스킹 시약으로 2-formyl benzene boronic acid (2-FBBA)을 선택했다. 2-FBBA는 중성 pH에서 단백질에서 N-말단 Cys의 간편하고 선택적 생체 접합에 사용되는 시약이다. B-N dative 결합을 통해 보론산 모이어티(boronic acid moiety)와 안정한 티아졸리디노브로네이트 복합체(thiazolidino bronate complex)를 매우 빠르게 형성할 수 있다.
도 3의 b)를 참고하면, KF-DNBS를 이용한 선택적 H2S 검출을 위한 마스킹 시약으로서 2-FBBA의 능력을 조사하였다. 2-FBBA의 존재 하에 HSA가 있는 KF-DNBS는 다른 바이오 티올에 비해 H2S에 대해 우수한 선택성을 보여 주었다. 2-FBBA는 KF-DNBS에서 Cys와 Hcy의 반응성을 완전히 차단할 수 있었다. 이 결과는 처음으로 2-FBBA가 thiolysis 기반 H2S 프로브에서 Cys 및 Hcy에 대한 효과적인 마스킹 시약으로 사용될 수 있음을 보여준다.
<실험예 3> HAS 내에서 선택적 H 2 S 프로브로써의 KF-DNBS의 감지 동작
SPB(pH 7.4, 20mM)에서 다양한 농도의 H2S (0, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 250 μM)를 포함하는 HSA (100 μM)를 사용한 KF-DNBS (25 μM, 10 % DMSO)의 형광 스펙트럼은 37 ℃에서 5 분 간격으로 40 분 동안 420nm에서 여기하에 기록되었다. 실험은 세 번 반복되었다. 검출 한계 (LOD)는 적정 실험을 기반으로 3σ/slope를 사용하여 계산되었으며, 여기서 σ는 블랭크 측정의 표준 편차이고 기울기 값은 형광 강도 대 H2S 농도의 플롯에서 얻었니다.
SPB (pH 7.4, 20 mM)에서 25 μM KF-DNBS, 100 μM HSA 및 2-FBBA (2 mM) 조건에서 KF-DNBS를 H2S 프로브로 사용하여 추가로 실험했다.
도 4의 a)를 참고하면, HSA가 있는 KF-DNBS 및 SPB의 마스킹 시약 2-FBBA가 포함된 감지 시스템에 H2S를 추가하면 500 nm에서 형광 강도가 즉시 크게 향상되고 형광 강도가 20 분 이내에 최대 값에 도달했다. 도 4의 b)에서 볼 수 있듯이 HSA가 있는 KF-DNBS의 형광 강도는 H2S 농도 (5-100 μM)가 증가함에 따라 선형적으로 증가했다. 검출 한계 (3σ/slope)는 혈청 H2S 수치 측정에 신뢰할 수 있는 3.2 μM로 결정되었다. 즉, 매우 낮은 농도의 H2S (LOD = 3.2μM)에 반응할 수 있다. 또한 시료 용액의 형광 변화를 육안으로 모니터링 할 수 있으며, 도 4의 c)를 참고하면, HSA를 포함한 KF-DNBS는 pH 5에서 pH 9까지 넓은 pH 범위에서 잘 작동함을 확인했다.
<실험예 4> 다른 생물학적 분석물에 비해 H 2 S에 대한 KF-DNBS의 선택성
다음으로, 바이오 티올 (Cys, Hcy, GSH), 반응성 황종 (RSS) 및 활성 산소 종 (ROS) (HSO4 -, SO4 2-, SO3 2-, S2O3 2 -, SCN-, H2O2, ClO-) 및 음이온 (CN-, F-, Br-, NO3 -, NO2 -, HCO3 -, CH3CO2 -)을 포함한 다양한 생물학적 관련 종을 사용하여 H2S에 대한 HSA가 있는 KF-DNBS의 선택성을 조사했다.
분석물을 포함하지 않는 블랭크(Blank) 및 각 분석물을 포함하는 샘플 (H2S 100 μM, Cys 250 μM, Hcy 100 μM, GSH 10 μM, HSO4 - 100 μM, SO4 2- 100 μM, SO3 2- 100 μM, S2O3 2 - 100 μM, SCN- 100 μM, CN- 100 μM, F- 100 μM, Br- 100 μM, NO3 - 100 μM, NO2 - 100 μM, HCO3 - 100 μM, CH3CO2 - 100 μM, H2O2 100 μM, ClO- 100 μM)을 준비하고, SPB (pH 7.4, 20mM)에 HSA (100μM) 및 2-FBBA (2mM)를 첨가한다. 25 °C에서 15 분 동안 배양한 후 KF-DNBS (25 μM, 10 % DMSO)를 각 시료에 첨가한 다음, 37 °C에서 420 nm에서 여기 하에 형광 분광 광도계를 사용하여 500 nm에서 형광 강도를 기록했다. 실험은 세 번 반복되었다.
그 결과, 도 5에서 볼 수 있듯이 H2S에서만 현저한 형광 향상이 관찰되었다. H2S에 대한 특정 반응은 다른 분석물에 의한 간섭을 받지 않았으며, 육안으로 다른 바이오 티올보다 H2S에 대한 선택성을 확인할 수 있었다. 이 결과는 HSA 및 마스킹 시약 2-FBBA가 포함된 KF-DNBS가 H2S에 대한 높은 선택성을 나타내며 많은 바이오 티올 및 기타 반응성 종을 포함하는 복잡한 혈청 샘플에서 잘 작동함을 보여준다.
<실험예 5> 인간 혈청 내 H 2 S의 정량적 검출
혈청에서 H2S를 쉽게 검출하기 위한 KF-DNBS의 잠재적인 적용 가능성을 조사하기 위해 H2S 스파이크된 인간 혈청 샘플에 대한 KF-DNBS의 형광 반응을 조사했다. 인간 혈청 (Sigma Aldrich에서 구입)을 다양한 농도의 H2S (25, 50, 100, 150 μM)로 스파이크했다. 전처리 없이 혈청 샘플을 SPB에 2-FBBA가 포함된 용액에 직접 첨가했다. 인간 혈청에서 HSA의 농도가 550 μM에서 800 μM까지보고 되었기 때문에 샘플 용액에 HSA를 추가할 필요가 없었다. KF-DNBS 첨가 후 시료 용액의 형광 강도 변화를 측정하였다. HSA가 포함된 KF-DNBS를 사용한 H2S 농도 대비 10 분 동안 형광 변화의 초기 속도 플롯에서 얻은 검량선을 기반으로, HSA에서 스파이크된 H2S 수준을 결정할 수 있으며 회수 범위는 하기 표 1을 참고하면, 95 내지 109 %이었다.
Added
(μM)
Found
(μM)
Recovery (%) RSDa (%)
Human serum 25 26 106 13
50 51 101 10
100 95 95 11
150 163 109 12
aRelative standard deviation
이 결과는 시료 측정 전에 추가 공정을 수행하지 않았음에도 불구하고 스파이크된 H2S에 대한 KF-DNBS의 형광 반응이 고농도의 바이오 티올과 단백질을 포함하여 인간 혈청에 존재하는 다양한 분석물에 의해 영향을 받지 않음을 보여주었다.
따라서 KF-DNBS의 형광 반응은 혈청 샘플에서 H2S 수준을 측정하는 정확하고 간편한 방법으로 활용될 수 있음을 알 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브.
    [화학식 1]
    Figure 112021153003425-pat00004
  2. 제1 중간체 (5-(4-(diethylamino)phenyl)-N-methylthiophen-3-amine)(5a)를 준비하는 단계;
    상기 제1 중간체(5a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제2 중간체 (2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methyl-6,7-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(6a)를 수득하는 단계;
    상기 제2 중간체(6a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제3 중간체 (6-Bromo-2-(4-(diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(7a)를 수득하는 단계;
    상기 제3 중간체(7a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 제4 중간체(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-methoxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)(8a)를 수득하는 단계;
    상기 제4 중간체(8a)를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-7-(4-hydroxyphenyl)-4-methylthieno[3,2-b]pyridin-5(4H)-one)를 수득하는 단계; 및
    상기 KF를 물로 ??칭(quenching)하고 추출하여 KF-DNBS(4-(2-(4-(Diethylamino)phenyl)-4-methyl-5-oxo-4,5-dihydrothieno[3,2-b]pyridin-7-yl)phenyl 2,4-dinitrobenzenesulfonate)를 수득하는 단계;를 포함하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 중간체(6a)를 수득하는 단계는,
    상기 제1 중간체(5a)에 4-methoxycinnamic acid, benzotriazol-1-yloxy)tris(dimethylamino)phosphonium hexafluorophosphate (BOP) 및 DIPEA를 혼합하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3 중간체(7a)를 수득하는 단계는,
    상기 제2 중간체(6a) 및 N-bromosuccinimide를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제4 중간체(8a)를 수득하는 단계는,
    상기 제3 중간체(7a)를 냉각시키고, n-butyllithium 용액과 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 KF를 수득하는 단계는,
    상기 제4 중간체(8a)를 냉각시키고 boron tribromide와 반응시키는 단계;
    상기 단계로부터의 반응물을 물로 ??칭하고 중화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 KF-DNBS를 수득하는 단계에서는,
    상기 KF, 2,4-dinitrobenzenesulfonyl chloride 및 triethylamine를 혼합하여 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브의 제조 방법.
  8. 하기 화학식 1로 표시되는 혈청 내 황화수소(H2S) 검출용 프로브; 및
    마스킹 시약으로써 2-FBBA (2-formyl benzene boronic acid)를 포함하는 혈청 내 황화수소 검출용 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112021153003425-pat00005
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