KR20170118597A - Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine - Google Patents

Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine Download PDF

Info

Publication number
KR20170118597A
KR20170118597A KR1020170036764A KR20170036764A KR20170118597A KR 20170118597 A KR20170118597 A KR 20170118597A KR 1020170036764 A KR1020170036764 A KR 1020170036764A KR 20170036764 A KR20170036764 A KR 20170036764A KR 20170118597 A KR20170118597 A KR 20170118597A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cysteine
probe
fluorescence
cells
photon
Prior art date
Application number
KR1020170036764A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101872155B1 (en
Inventor
김종승
이윤학
임문수
한지유
선우경
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Publication of KR20170118597A publication Critical patent/KR20170118597A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101872155B1 publication Critical patent/KR101872155B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/52Use of compounds or compositions for colorimetric, spectrophotometric or fluorometric investigation, e.g. use of reagent paper and including single- and multilayer analytical elements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D311/00Heterocyclic compounds containing six-membered rings having one oxygen atom as the only hetero atom, condensed with other rings
    • C07D311/02Heterocyclic compounds containing six-membered rings having one oxygen atom as the only hetero atom, condensed with other rings ortho- or peri-condensed with carbocyclic rings or ring systems
    • C07D311/78Ring systems having three or more relevant rings
    • C07D311/80Dibenzopyrans; Hydrogenated dibenzopyrans
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/58Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving labelled substances
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • G01N33/6803General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
    • G01N33/6806Determination of free amino acids
    • G01N33/6812Assays for specific amino acids
    • G01N33/6815Assays for specific amino acids containing sulfur, e.g. cysteine, cystine, methionine, homocysteine

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Abstract

본 발명은 생체 세포 및 조직에서 호모시스테인 및 글루타티온과 구별하여 시스테인을 선택적으로 인식하는 하기 [화학식 1]로 표시되는 이광자 형광 프로브 화합물에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 시스테인 검출용 이광자 형광 프로브 화합물은 깊은 조직 침투성과 낮은 광-세포독성을 가지며, TPM을 통해 생물학적으로 관련된 다른 물질의 간섭 없이 살아 있는 조직 내에서 시스테인 분포를 선택적으로 확인할 수 있어, 세포내 시스테인 인식을 위한 효율적인 도구로 활용할 수 있으며, 암 진단과 같은 다양한 생물학적 및 임상학적 응용 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
[화학식 1]

Figure pat00005
The present invention relates to a two-photon fluorescent probe compound represented by the following formula (1) for selectively recognizing cysteine by distinguishing between homocysteine and glutathione in living cells and tissues. The two- It has permeability and low photo-cytotoxicity. TPM can selectively identify cysteine distribution in living tissues without interfering with other biologically relevant substances. It can be used as an effective tool for recognition of intracellular cysteine, ≪ RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >
[Chemical Formula 1]
Figure pat00005

Description

시스테인 검출용 이광자 형광 프로브 화합물{Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine}[0001] The present invention relates to a two-photon fluorescent probe for detection of cysteine,

본 발명은 생체 세포 및 조직에서 호모시스테인 및 글루타티온과 구별하여 시스테인을 선택적으로 인식하는 이광자 형광 프로브 화합물에 관한 것이다.The present invention relates to a two-photon fluorescent probe compound that selectively recognizes cysteine by distinguishing homocysteine and glutathione from living cells and tissues.

시스테인(Cys), 호모시스테인(Hcy) 및 글루타티온(GSH)은 구조는 유사하지만 생리학적으로 다른 기능을 가지고 있는데, 생물 시스템을 유지하는 데 결정적인 역할을 수행하는 가장 중요한 저분자량 아미노티올이다. 특히, 이들 중에서 시스테인은 세포의 핵심 성분으로서 단백질 합성, 세포 해독작용 및 번역 후 조절 (posttranslational control)에 있어서 중추적인 역할을 담당한다.Cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) and glutathione (GSH) are similar in structure but have physiologically different functions, and are the most important low molecular weight aminothiol that plays a crucial role in maintaining the biological system. Among them, cysteine plays a pivotal role in protein synthesis, cytotoxicity and posttranslational control as a core component of cells.

혈장 내 시스테인의 농도의 범위는 80 - 200 μM이고 평균은 쥐에서 약 100 μM, 인간에서 약 200 μM인 것으로 알려져 있다. 시스테인의 부족은 모발 탈색, 간 손상, 성장 지체, 무기력, 근육과 지방의 손실, 피부 병변 및 알츠하이머병과 같이 다양한 의학적 문제들의 원인이다. 또한, 반면에 시스테인 농도가 너무 높으면 신경독성과 심혈관계 질환이 초래될 수 있다. 따라서, 살아 있는 세포에서 세포내 시스테인을 탐지하는 것은 발생 가능한 병리학적 상관관계를 밝히는 데 있어서 앞으로 기초적이고 중요한 접근을 하는 것이라고 할 수 있다. 그러므로 지난 몇 년 동안 다양한 시스테인 형광 프로브들이 다양한 전략을 기초로 하여 개발되어 왔는데, 이러한 전략 가운데에는 마이클 첨가 반응, 아미노티올과 알데하이드 사이의 고리화 반응, 티올 유도성 절단 반응 및 리간드 교환 등이 있다.The concentration of cysteine in the plasma is in the range of 80 - 200 μM and the average is about 100 μM in rats and about 200 μM in humans. Lack of cysteine is responsible for a variety of medical problems such as hair discoloration, liver damage, growth retardation, lethargy, muscle and fat loss, skin lesions and Alzheimer's disease. On the other hand, if the cysteine concentration is too high, neurotoxicity and cardiovascular disease may result. Thus, detection of intracellular cysteine in living cells is a fundamental and important approach to identifying possible pathological correlations in the future. Thus, over the past several years, a variety of cysteine fluorescent probes have been developed based on a variety of strategies, including Michael addition reactions, cyclization reactions between aminothiol and aldehydes, thiol-induced cleavage reactions and ligand exchange.

형광에 기반한 방법은 높은 선택도와 민감도, 낮은 기기 비용 및 간단한 작업 공정과 같은 장점을 가지고 있다. 하지만, 시스테인과 호모시스테인과 글루타티온은 서로 구조가 비슷하고 빠르게 글루타티온, 단백질 혹은 코엔자임 A에 포함되는 경향이 있기 때문에, 이들을 분별해 낼 수 있는 프로브는 몇 가지밖에 없다. 따라서, 생리학적 조건하에서 시스테인을 식별하기 위한 간단하고 효과적인 형광 프로브를 만든다는 것은 여전히 도전적인 과제로 남아 있으며, Cys만을 식별할 수 있는 효과적인 형광 프로브들을 개발하는 것이 절실히 필요한 실정이다. 2010년에 Strongin 등은 선구자적인 접근법을 보고했는데, 이들은 한 아크릴레이트 성분을 인식 단위로서 형광소에 붙임으로써 시스테인과 호모시스테인을 높은 선택도로 탐지하는 일을 이루어냈다(X. F. Yang, Y. X. Guo and R. M. Strongin, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 10690; Y. X. Guo, X. F. Yang, L. Hakuna, A. Barve, J. O. Escobedo, M. Lowry and R. M. Strongin, Sensors (Basel), 2012, 12, 5940.). 또한, 더 최근에는 다른 몇몇 연구 집단에서 이 전략을 적용하여 여러 물성을 가지는 시스테인 센서들을 개발하였다(H. L. Wang, G. D. Zhou, H. W. Gai and X. Q. Chen, Chem. Commun., 2012, 48, 8341; Z. Q. Guo, S. Nam, S. Park and J. Yoon, Chem. Sci., 2012, 3, 2760.).Fluorescence-based methods have advantages such as high selectivity, sensitivity, low instrument cost and simple work processes. However, since cysteine, homocysteine and glutathione tend to resemble each other and rapidly become involved in glutathione, protein or coenzyme A, only a few probes can distinguish them. Thus, creating a simple and effective fluorescent probe to identify cysteine under physiological conditions remains a challenging task, and it is in desperate need to develop effective fluorescent probes capable of identifying only Cys. In 2010, Strongin et al. Reported a pioneering approach, which resulted in a highly selective detection of cysteine and homocysteine by attaching one acrylate moiety to the fluorophore as a recognition moiety (XF Yang, YX Guo and RM Strongin, YS Guo, XF Yang, L. Hakuna, A. Barve, JO Escobedo, M. Lowry and RM Strongin, Sensors (Basel), 2012, 12, 5940 .). More recently, several other research groups have developed cysteine sensors with various properties by applying this strategy (HL Wang, GD Zhou, HW Gai and XQ Chen, Chem. Commun., 2012, 48, 8341; ZQ Guo S. Nam, S. Park and J. Yoon, Chem. Sci., 2012, 3, 2760.).

한편, 일광자 현미경(one-photon microscopy, OPM)을 사용하여 조직을 라벨링하는 방식에는 제한점이 하나 더 있는데, 프로브를 생물학적 시편에 집어넣는 깊이가 제한되어 있다는 것이다. 이광자 여기 형광(two-photon excitation fluorescence, TPEF)을 사용하여 생조직 이미징을 하면 OPM에 비해 굉장한 장점들이 있는데, 삽입 깊이가 깊어지고, 자기형광 수준이 낮고, 광독성이 감소하며, 생조직을 3차원으로 이미징할 수도 있으며, 관찰시간이 길어진다. TPEF 이미징은 깊은 조직 내 시스테인의 분포를 분석하는 데에도 적용할 수 있다.On the other hand, there is a limitation in the way that tissue is labeled using one-photon microscopy (OPM), which limits the depth of incorporation of probes into biological specimens. Biomolecular imaging using two-photon excitation fluorescence (TPEF) has considerable advantages over OPM, including deep penetration, low self-fluorescence, reduced phototoxicity, And the observation time is prolonged. TPEF imaging can also be applied to the analysis of deep tissue cysteine distribution.

하지만, 현재까지 시스테인에 특이적인 이광자 프로브를 개발했다는 보고는 제한적이며, 효과적인 시스테인 특이적 이광자 프로브의 개발에 대해서는 거의 보고된 바가 없다.However, there has been a limited report to date on the development of two-photon probes specific for cysteine, and little has been reported on the development of effective cysteine-specific two-photon probes.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결할 수 있도록, 호모시스테인 (Hcy) 및 글루타티온 (GSH) 등과 구별하여 시스테인에 대해서 매우 높은 선택적 특이성을 갖는 이광자 형광 프로브 화합물 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve the problems of the prior art, the present invention is to provide a two-photon fluorescent probe compound having a very high selective specificity to cysteine, and a method for producing the same, separately from homocysteine (Hcy) and glutathione (GSH).

또한, 본 발명은 상기 이광자 형광 프로브 화합물을 이용하여 생체 세포 및 조직에서 시스테인을 검출하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a method for detecting cysteine in living cells and tissues using the two-photon fluorescent probe compound.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 하기 [화학식 1]로 표시되는 시스테인 검출용 이광자 형광 프로브 화합물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a two-photon probe for cysteine detection represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에 따른 시스테인 검출용 이광자 형광 프로브 화합물은 깊은 조직 침투성과 낮은 광-세포독성을 가지며, TPM을 통해 생물학적으로 관련된 다른 물질의 간섭 없이 살아 있는 조직 내에서 시스테인 분포를 선택적으로 확인할 수 있어, 세포내 시스테인 인식을 위한 효율적인 도구로 활용할 수 있으며, 암 진단과 같은 다양한 생물학적 및 임상학적 응용 분야에 유용하게 사용될 수 있다.The two-photon probe for cysteine detection according to the present invention has deep tissue permeability and low photo-cytotoxicity, and can selectively identify cysteine distribution in living tissue without interfering with other biologically relevant substances through TPM, It can be used as an effective tool for the recognition of my cysteine, and can be useful for various biological and clinical applications such as cancer diagnosis.

도 1a 및 1b는 각각 시스테인 (100 μM)이 존재할 때와 존재하지 않을 때 본 발명에 따른 프로브 1과 프로브 2 (10 μM)의 UV/가시광선 (도 1a) 및 형광 스펙트럼 (도 1b)이고, 이러한 스펙트럼은 분석물을 에탄올-인산 완충액 (10 mM, pH 7.4, 2 : 8 v/v)에 첨가한 후에 15분 후 37 ℃에서 444 nm에서 여기 후에 획득한 것이다.
도 1c는 본 발명에 따른 프로브 1 (10 μM)의 형광 여기 및 방출 스펙트럼이고, 시스테인 (100 μM)이 존재하에 분석물을 에탄올-인산 완충액 (10 mM, pH 7.4, 2 : 8 v/v)에 첨가한 후에 15분 후 37 ℃에서 509 nm에서 여기 후에 획득한 것이다.
도 1d는 프로브 1이 시스테인 존재하에서 나타내는 형광 강도를 다양한 pH에서 확인한 결과이고, 에탄올-인산 완충액 중의 Cys (100 μM)의 존재 (적색) 및 부존재 (흑색)에서의 509 nm에서 측정하였다 (λex = 444 nm, 슬릿 : 1.5 nm / 1.5 nm).
도 2a는 444 nm에서의 여기 조건하에서 시스테인 농도가 증가할 때 프로브 1 (10 μM)의 일광자 형광 스펙트럼이고, 삽입된 도면은 509 nm에서의 형광 강도의 변화를 시스테인 농도의 함수로 나타낸 것이다.
도 2b는 프로브 1 (10 μM)이 시스테인(20 μM), 호모시스테인(20 μM) 및 글루타티온(100 μM)에 대해 나타내는 형광 응답의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b의 스펙트럼은 분석물을 에탄올-인산 완충액(10 mM, pH 7.4, 2 : 8 v/v)에 첨가하고, 15분 후에 37 ℃에서 획득한 것이다.
도 2c는 형광 강도(I 509)와 시스테인 농도 간에 계산된 검출 한계를 보여주는 그래프로서, 시스테인에 대한 프로브 1의 검출 한계는 방정식 (Log [Cys] = - intercept / slop)을 사용하여 정규화된 형광 변화 (509 nm)의 플롯으로부터 추정하였다.
도 2d는 각각의 생물학적 분석시료 (1 mM)에 프로브 1 (10 μM)을 노출시켰을 때의 형광 강도 (509 nm) 히스토그램으로서, 분석시료 1은 프로브 1만; 2는 Val; 3은 Tyr; 4는 Thr; 5는 Tau; 6은 Ser; 7은 Pro; 8은 Phe; 9는 Met; 10은 Lys; 11은 Leu; 12는 Ile; 13은 His; 14는 Gly; 15는 Gluc; 16은 Glu; 17은 Gln; 18은 Asp; 19는 Asn; 20은 Arg; 21은 Ala; 22는 Trp; 23은 K(Ⅰ); 24는 Na(Ⅰ); 25는 Ca(Ⅱ); 26은 Cu (Ⅱ); 27은 Fe (Ⅱ); 28은 Fe (Ⅲ); 29는 Mg (Ⅱ); 30은 Zn (Ⅱ); 31은 Cys을 포함한다.
도 3a는 본 발명에 따른 프로브 1을 사용하여 얻은 HepG2 세포의 OPM 이미지이고, (a)는 프로브 1 (10 μM)을 사용하여 세포를 1시간 동안 인큐베이션하였으며, (b)는 500 μM NEM을 사용하여 세포를 30분 동안 인큐베이션한 후, 세척하고 나서, 프로브 1 (10 μM)으로 1시간 동안 처리하였으며, (c)는 포도당이 없는 배지에서 세포를 2시간 동안 인큐베이션한 후 프로브 1 (10 μM)로 1시간 동안 처리하였다 (배율 400×).
도 3b는 이광자 현미경을 사용하여 740 nm 여기를 통해 획득한 이광자 형광 스펙트럼으로서, Cys (100 μM)의 존재 (적색) 및 부존재 (흑색)에서 프로브 1 (10 μM)의 이광자 형광 스펙트럼이고, 스펙트럼은 에탄올-인산 완충액 (10 mM, pH 7.4, 2 : 8 v / v)에 37 ℃에서 분석물을 첨가한 후 15 분 동안 측정하였다.
도 3c는 HeLa, HepG2, Hep3B, Huh7, MDA-MB-231 및 BJ에서 본 발명에 따른 프로브 1의 세포 독성 효과를 보여주는 그래프로서, MTT의 세포 독성 효과는 제조사의 지시에 따라 수행되었으며, 본 발명에 따른 프로브 1의 상이한 농도 (0, 1, 5, 10 및 50μM)를 24 시간 배양에 대해서 확인하였다. (a) 6 개의 다른 세포주의 흡수는 농도에 관계없이 크게 다르지 않았음을 보여주며, (b) 대조군 세포는 100 % 살아있으며, 본 발명에 따른 프로브 1 처리된 세포의 75 % 이상이 50 μM 농도의 24 시간 배양 후 살아있음을 보여준다. 이는 프로브 1이 다양한 세포주에 독성이 없음을 보여주는 것이다.
도 3d는 HepG2 세포에서 본 발명에 따른 프로브 1의 OPM 이미지로서(배율 400×), (a) 세포를 프로브 1 (10 μM)과 함께 1 시간 동안 배양하였으며, (b) 세포를 500 μM NEM으로 30 분간 사전 배양하고 세척한 후에, 세포를 프로브 1 (10 μM)로 1 시간 처리하였고, (c) 세포를 글루코스가 없는 DMEM에서 2 시간 동안 배양 한 다음, 1 시간 동안 1 (10μM)로 처리하였으며, (d) 상기 (a), (b) 및 (c)의 상대적인 형광 강도이며, 형광 강도는 NEM의 존재하에서 현저히 감소하였다.(**p < 0.005).
도 3e는 HepG2 세포에서 본 발명에 따른 프로브 1의 TPM 형광 이미지로서(배율 400×), (a) 세포를 프로브 1 (10 μM)과 함께 1 시간 동안 배양하였으며, (b) 세포를 30 분 동안 500 μM NEM과 사전 배양하고 세척한 후에 프로브 1 (10 μM)로 1 시간 동안 처리하였다.
도 4a는 4가지의 암종 세포주 (HeLa, Hep3B, Huh7, MDA-MB-231)에서 얻은 프로브 1의 OPM 이미지로서, 프로브 1 (10 μM)로 1 시간 동안 세포를 배양하였다 (배율 400×).
도 4b의 (a) 내지 (d)는 4 개의 살아있는 암종 세포주 (HeLa, Hep3B, Huh7 및 MDA-MB-231)에서 프로브 1의 OPM 이미지이고, 도 4b의 (e)는 상이한 암종 세포주에서의 평균 형광 강도를 나타낸 것이다. HeLa의 평균 형광 강도는 나머지 시험된 세포주 (* p <0.05)와 비교하여 유의하게 높았다.
도 5a는 프로브 1 (10 μM)을 사용하여 2시간 동안 염색한, 냉동 절개된 이종 이식 생쥐 종양과 기관의 OPM (a ~ e) 및 TPM (f ~ j) 이미지 (배율 100×)이고, (k)는 (왼쪽) 10-60 μm 깊이에서 프로브 1 (10 μM)을 사용하여 표지한 종양의 3차원 TPM 이미지이며, (오른쪽) 여러 다른 깊이에서 촬영한 일련의 Z형 단면 종양 조직 TPM 이미지이며, 이미지들은 10 - 60 μm 깊이에서 얻은 30개의 단면 이미지 중에 대표적인 이미지이다. TPEF 이미지는 740 nm에서 여기 후에 기록한 것으로, 해당 방출은 450 - 600 nm에서 수집되었으며, 스케일 바는 300 μm이다.
도 5b의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 따른 프로브 1 (10 μM)로 2 시간 동안 염색된 장기 (간, 심장, 비장 및 고환)의 조직에 대한 TPM 이미지이고(배율 400×), 간은 다른 주요 기관들 중에서 가장 높은 형광 강도를 갖는다.
1A and 1B are UV / visible light (FIG. 1A) and fluorescence spectrum (FIG. 1B) of probe 1 and probe 2 (10 μM) according to the present invention when cysteine (100 μM) This spectrum is obtained after excitation at 444 nm at 37 DEG C after 15 minutes after addition of the analyte to ethanol-phosphate buffer (10 mM, pH 7.4, 2: 8 v / v).
1c is a fluorescence excitation and emission spectrum of probe 1 (10 μM) according to the present invention. The analyte is dissolved in ethanol-phosphate buffer (10 mM, pH 7.4, 2: 8 v / v) in the presence of cysteine (100 μM) And after 15 minutes and after excitation at 509 nm at 37 [deg.] C.
Figure 1D shows the results of the fluorescence intensity of probe 1 in the presence of cysteine at various pHs and was measured at 509 nm in the absence (red) and absence (black) of Cys (100 [mu] M) in ethanol- 444 nm, slit: 1.5 nm / 1.5 nm).
Figure 2a is the one-photon fluorescence spectrum of probe 1 (10 [mu] M) when the cysteine concentration is increased under excitation conditions at 444 nm, and the inset shows the change in fluorescence intensity as a function of cysteine concentration at 509 nm.
FIG. 2B is a graph showing changes in fluorescence response with time for probe 1 (10 μM) for cysteine (20 μM), homocysteine (20 μM) and glutathione (100 μM).
The spectra of Figures 2a and 2b were obtained by adding the analyte to ethanol-phosphate buffer (10 mM, pH 7.4, 2: 8 v / v) and after 15 minutes at 37 ° C.
FIG. 2C is a graph showing the calculated detection limits between the fluorescence intensity ( I 509 ) and the cysteine concentration, and the detection limit of probe 1 for cysteine is the normalized fluorescence change using the equation Log [Cys] = - intercept / slop (509 nm).
2d is a fluorescence intensity (509 nm) histogram when the probe 1 (10 μM) was exposed to each biological analysis sample (1 mM). 2 is Val; 3 is Tyr; 4 is Thr; 5 is Tau; 6 is Ser; 7 is Pro; 8 is Phe; 9 is Met; 10 is Lys; 11 is Leu; 12 is Ile; 13 is His; 14 is Gly; 15 is Gluc; 16 is Glu; 17 is Gln; 18 is Asp; 19 is Asn; 20 is Arg; 21 is Ala; 22 is Trp; 23 is K (I); 24 is Na (I); 25 is Ca (II); 26 is Cu (II); 27 is Fe (II); 28 is Fe (III); 29 is Mg (II); 30 is Zn (II); 31 includes Cys.
3A is an OPM image of HepG2 cells obtained using the probe 1 according to the present invention, wherein (a) shows the incubation of cells for 1 hour using probe 1 (10 μM), (b) Cells were incubated for 30 minutes, washed, and then treated with probe 1 (10 μM) for 1 hour. (C) cells were incubated in glucose-free medium for 2 hours before probe 1 (10 μM) For 1 hour (magnification: 400x).
3B is a two-photon fluorescence spectrum obtained through 740 nm excitation using a two-photon microscope, and is a two-photon fluorescence spectrum of Probe 1 (10 μM) in the presence (red) of Cys (100 μM) (10 mM, pH 7.4, 2: 8 v / v) at 37 DEG C for 15 minutes.
FIG. 3C is a graph showing the cytotoxic effect of the probe 1 according to the present invention in HeLa, HepG2, Hep3B, Huh7, MDA-MB-231 and BJ. The cytotoxic effect of MTT was performed according to the manufacturer's instructions, Different concentrations of probe 1 (0, 1, 5, 10 and 50 [mu] M) were identified for 24 hour cultures. (b) the control cells are 100% live, and more than 75% of the cells treated with the probe 1 according to the invention are in a concentration of 50 [mu] M Of survival after 24 hours of incubation. This shows that probe 1 is not toxic to various cell lines.
(B) the cells were incubated with 500 [mu] M NEM (100 [mu] M) for 1 hour in the HepG2 cells as the OPM image of the probe 1 according to the invention After 30 min preincubation and washing, cells were treated with probe 1 (10 μM) for 1 h, (c) cells were cultured in glucose-free DMEM for 2 h and then treated with 1 (10 μM) for 1 h , (d) the relative fluorescence intensities of (a), (b) and (c), and the fluorescence intensity was significantly reduced in the presence of NEM (** p <0.005).
Figure 3 (e) shows the TPM fluorescence image of probe 1 according to the invention in HepG2 cells (magnification 400x), (a) cells were incubated with probe 1 (10 [mu] M) for 1 hour, Pre-incubated with 500 μM NEM, washed and then treated with probe 1 (10 μM) for 1 h.
4A is an OPM image of probe 1 obtained from four carcinoma cell lines (HeLa, Hep3B, Huh7, MDA-MB-231). Cells were cultured with probe 1 (10 μM) for 1 hour (magnification 400 ×).
4 (a) to 4 (d) are OPM images of probe 1 in four live carcinoma cell lines (HeLa, Hep3B, Huh7 and MDA-MB-231), and Figure 4b (e) Fluorescence intensity. The mean fluorescence intensity of HeLa was significantly higher than the other tested cell lines (* p <0.05).
Figure 5a shows OPM (a ~ e) and TPM (f ~ j) images (magnification 100x) of frozen incised xenografted mouse tumors and organs stained with probe 1 (10 [mu] M) k) is a three-dimensional TPM image of the tumor labeled with probe 1 (10 μM) at 10-60 μm depth (left) and a series of Z-section tumor tissue TPM images taken at different depths (right) , Images are representative of 30 cross-sectional images obtained at depths of 10 - 60 μm. The TPEF image was recorded after excitation at 740 nm, the emission was collected at 450-600 nm, and the scale bar was 300 μm.
(A) to (d) are TPM images (magnification 400X) for the tissues of organs (liver, heart, spleen and testes) stained with probe 1 (10 μM) The liver has the highest fluorescence intensity among other major organs.

이하에서는 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples of the present invention.

실시예Example

형광 및 UV/Vis 흡수 스펙트럼은 Shimadzu RF-5301PC 및 Agilent 8453 분광 광도계를 이용하여 측정하였으며, 1H 및 13C NMR 스펙트럼은 Varian 300 및 400 MHz 분광기에서 CDCl3로 측정하였다. 또한, 화학적 이동은 TMS의 잔류 양성자 신호 피크를 내부 기준으로 사용하여 ppm 값으로 측정하였고, HRMS 데이터는 한국 기초 과학 연구소를 통하여 확인하였다. 또한, 세포와 조직의 형광 이미지는 공초점 레이저 스캐닝 현미경 (Carl-Zeiss LSM 5 Exciter, Oberko, Germany)으로 획득하였으며, 모든 분석 물질은 Aldrich에서 구입하여 사용했으며, 모든 용제는 덕산화학(주)의 분석용 시약을 사용하였으며, 스펙트럼 검출을 위한 모든 DMSO는 형광성 불순물이 없는 HPLC 시약 등급이었으며, H2O를 탈이온화시켜 사용하였다.Fluorescence and UV / Vis absorption spectra were measured using a Shimadzu RF-5301PC and an Agilent 8453 spectrophotometer, and 1 H and 13 C NMR spectra were measured with CDCl 3 on a Varian 300 and 400 MHz spectrometer. The chemical shifts were measured in terms of ppm using the residual proton signal peak of TMS as an internal reference, and HRMS data was confirmed by the Korea Basic Science Institute. In addition, fluorescent images of cells and tissues were obtained using a confocal laser scanning microscope (Carl-Zeiss LSM 5 Exciter, Oberko, Germany), all analytes were purchased from Aldrich, Analytical reagents were used. All DMSOs for spectral detection were HPLC reagent grade free of fluorescent impurities and H 2 O was used by deionization.

합성예 1Synthesis Example 1

Figure pat00002
Figure pat00002

화합물 1과 화합물의 2의 반응식으로서, 반응식 (ⅰ)의 반응물 및 조건은 이미다졸, 물, THF 및 RT이며, 반응식 (ⅱ)의 반응물 및 조건은 트리에틸아민, 아크릴로일클로라이드, THF, 0 ℃ 및 2시간이고, 반응식 (ⅲ)의 반응물 및 조건은 트리에틸아민, 메타아크릴로일클로라이드, THF, 0 ℃ 및 2시간이다.The reactants and conditions of the reaction formula (i) are imidazole, water, THF and RT, and the reactants and conditions of the reaction formula (ii) are triethylamine, acryloyl chloride, THF, Deg.] C and 2 hours, and the reactants and conditions in the reaction formula (iii) are triethylamine, methacryloyl chloride, THF, 0 ° C and 2 hours.

(1) 6-hydroxy-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-1-one [3] 화합물의 합성(1) Synthesis of 6-hydroxy-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-1-one [3]

상기 반응식 (ⅰ)에 따라 살리실알데히드 (553 mg, 4 mmol) 용액 (THF, 3 mL)에 1.5 당량의 2-cyclohexen-1-one (576 mg, 6 mmol)과 1.5 당량의 이미다졸 (408 mg, 6 mmol)을 첨가하고, 탈이온수 (3 mL)와 혼합한 후에 혼합물을 실온에서 교반하였다. 반응 완료 후에 최종 혼합물에 1 M HCl (20 mL)을 처리한 후에 에틸아세테이트로 추출하고, 유기층을 Na2SO4로 건조시키고 진공 농축하였다. 실리카겔상에서 크로마토그래피 정제(헥산 / EtOAc = 100 % 내지 30 %)에 의해 순수한 생성물 432 mg (50 % 수율)을 밝은 황색 고체로 수득하였다.To a solution of salicylaldehyde (553 mg, 4 mmol) (THF, 3 mL) was added 1.5 equivalents of 2-cyclohexen-1-one (576 mg, 6 mmol) and 1.5 equivalents of imidazole mg, 6 mmol) was added and after mixing with deionized water (3 mL), the mixture was stirred at room temperature. After completion of the reaction, the resulting mixture was treated with 1 M HCl (20 mL), extracted with ethyl acetate, and the organic layer was dried over Na 2 SO 4 and concentrated in vacuo. Chromatographic purification on silica gel (hexane / EtOAc = 100% to 30%) gave 432 mg (50% yield) of the pure product as a light yellow solid.

(2) 1-oxo-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-6-yl acrylate [1] 화합물의 합성(2) Synthesis of 1-oxo-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-6-yl acrylate [1]

0 ℃에서 상기 합성예 1-(1)에서 수득한 [3] 화합물 (200 mg, 0.93 mmol) 및 트리에틸아민 (151 mg, 1.5 mmol) 용액 (THF, 20 mL)에 아크릴로일클로라이드 (84 mg, 0.93 mmol)를 첨가한 후에, 혼합물을 2 시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후에 반응 혼합물을 진공 농축시키고, 잔여물을 에틸아세테이트에 용해시킨 다음 물과 염수로 세척하고 Na2SO4로 건조시켰다. 농축 잔류물을 칼럼크로마토그래피 (10 % 에틸 아세테이트 / 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 담황색 고체 (236 mg, 95 %)를 수득하였다.(100 mg, 0.93 mmol) and triethylamine (151 mg, 1.5 mmol) obtained in the above Synthesis Example 1- (1) (THF, 20 mL) were added acryloyl chloride (84 mg, mg, 0.93 mmol), the mixture was stirred for 2 hours. The reaction mixture was concentrated after the completion of the reaction vacuo and the residue was dissolved in ethyl acetate washed with water and brine, dried over Na 2 SO 4. The concentrated residue was purified by column chromatography (10% ethyl acetate / methylene chloride) to give a light yellow solid (236 mg, 95%).

1H NMR (CDCl3) δ (ppm): δ 1.65-1.75 (m, 1H), 1.95-2.11 (m, 2H), 2.34-2.61 (m, 3H), 5.00-5.04 (m, 1H), 6.03 (d, J=10.4 Hz, 1H), 6.26-6.33 (m, 1H), 6.58-6.75 (m, 2H), 7.22 (d, J=8.3 Hz, 1H), 7.41 (s, 1H); 1 H NMR (CDCl 3) δ (ppm): δ 1.65-1.75 (m, 1H), 1.95-2.11 (m, 2H), 2.34-2.61 (m, 3H), 5.00-5.04 (m, 1H), 6.03 (d, J = 10.4 Hz, 1H), 6.26-6.33 (m, 1H), 6.58-6.75 (m, 2H), 7.22 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 7.41 (s, 1H);

13C NMR (CDCl3) δ (ppm): 18.16, 29.82, 39.01, 75.06, 110.05, 115.71, 120.24, 127.84, 130.14, 130.65, 131.01, 133.37, 149.64, 153.35, 164.25, 197.62; 13 C NMR (CDCl 3) δ (ppm): 18.16, 29.82, 39.01, 75.06, 110.05, 115.71, 120.24, 127.84, 130.14, 130.65, 131.01, 133.37, 149.64, 153.35, 164.25, 197.62;

HRMS: m/z = 270.0892 [M].HRMS: m / z = 270.0892 [M].

(3) 1-oxo-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-6-yl methacrylate [2] 화합물의 합성(3) Synthesis of 1-oxo-2,3,4,4a-tetrahydro-1H-xanthen-6-yl methacrylate [2]

0 ℃에서 상기 합성예 1-(1)에서 수득한 [3] 화합물 (200 mg, 0.93 mmol) 및 트리에틸아민 (151 mg, 1.5 mmol) 용액 (THF, 20 mL)에 메타크릴로일클로라이드 (97 mg, 0.93 mmol)를 첨가하고, 혼합물을 2 시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후에 반응 혼합물을 진공 농축시키고 잔여물을 에틸아세테이트에 용해시킨 다음 물과 염수로 세척하고 Na2SO4로 건조시켰다. 농축 잔류물을 칼럼크로마토그래피 (10 % 에틸 아세테이트 / 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 담황색 고체 (243 mg, 92 %)를 수득하였다.(200 mg, 0.93 mmol) and triethylamine (151 mg, 1.5 mmol) obtained in Synthesis Example 1- (1) (THF, 20 mL) were added methacryloyl chloride 97 mg, 0.93 mmol) and the mixture was stirred for 2 hours. The reaction mixture was concentrated in vacuo after completion of the reaction and dissolving the residue in ethyl acetate washed with water and brine and dried with Na 2 SO 4. The concentrated residue was purified by column chromatography (10% ethyl acetate / methylene chloride) to give a pale yellow solid (243 mg, 92%).

1H NMR (CDCl3) δ (ppm): δ 1.65-1.74 (m, 1H), 1.94-2.09 (m, 5H), 2.33-2.60 (m, 3H), 4.99-5.03 (m, 1H), 5.76 (s, 1H), 6.32 (s, 1H), 6.68-6.74 (m, 2H), 7.22 (d, J=8.3 Hz, 1H), 7.40 (s, 1H); 1 H NMR (CDCl 3) δ (ppm): δ 1.65-1.74 (m, 1H), 1.94-2.09 (m, 5H), 2.33-2.60 (m, 3H), 4.99-5.03 (m, 1H), 5.76 (s, 1H), 6.32 (s, 1H), 6.68-6.74 (m, 2H), 7.22 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 7.40 (s, 1H);

13C NMR (CDCl3) δ (ppm): 18.16, 18.58, 29.80, 39.00, 75.03, 110.12, 115.80, 120.11, 127.96, 130.06, 130.62, 131.05, 131.46, 135.80, 153.75, 156.94, 165.55, 197.59; 13 C NMR (CDCl 3) δ (ppm): 18.16, 18.58, 29.80, 39.00, 75.03, 110.12, 115.80, 120.11, 127.96, 130.06, 130.62, 131.05, 131.46, 135.80, 153.75, 156.94, 165.55, 197.59;

HRMS: m/z = 284.1049 [M].HRMS: m / z = 284.1049 [M].

실험예 1Experimental Example 1

본 발명에 따른 프로브 1과 프로브 2의 분광학적 특징들을 생리학적 조건 하에서 확인한 결과, 하기 도 1a에서 확인할 수 있는 바와 같이 시스테인이 없는 환경에서 프로브 1과 프로브 2 용액은 각각 302 nm와 358 nm에서 두 개의 흡수 피크를 보이는 유사한 UV/가시광선 스펙트럼을 보였다.As a result of observing the spectroscopic characteristics of the probes 1 and 2 according to the present invention under physiological conditions, the probe 1 and probe 2 solutions were observed at 302 nm and 358 nm in the absence of cysteine Showed similar UV / visible spectra showing absorption peaks of.

시스테인 (100 μM)을 프로브 1의 용액에 첨가하였을 때에는 302 nm와 358 nm에서 나타나는 흡수 피크들은 빠르게 (15분) 감소하였으며, 적색편이 되는 넓은 부수적 흡수 피크가 398 nm에서 관찰되었고 444 nm에서는 숄터 피크 (shoulder peak)가 관찰되었다. 또한, 하기 도 1c는 본 발명에 따른 프로브 1 (10 μM)의 형광 여기 및 방출 스펙트럼으로서, 이러한 여기 및 방출 스펙트럼을 통해서 444 nm에서 프로브 1이 여기될 때 시스테인에 대한 가장 좋은 형광 응답이 509 nm에서 나타남을 알 수 있다 (약 22배).When cysteine (100 μM) was added to the solution of probe 1, absorption peaks at 302 nm and 358 nm decreased rapidly (15 min), broad side-by-side absorption peaks at 398 nm and 444 nm, respectively, and a shoulder peak was observed. 1C is a fluorescence excitation and emission spectrum of probe 1 (10 [mu] M) according to the present invention. When probe 1 is excited at 444 nm through this excitation and emission spectrum, the best fluorescence response to cysteine is 509 nm (See Fig. 22 times).

하지만, 프로브 2는 시스테인을 첨가하여도 형광 및 흡수 스펙트럼에서 별다른 변화를 보이지 않았다.However, probe 2 showed no change in fluorescence and absorption spectra even when cysteine was added.

상기와 같은 현상은 하기의 메커니즘을 통해 설명할 수 있다.The above phenomenon can be explained through the following mechanism.

Figure pat00003
Figure pat00003

시스테인이 존재하는 상태에서 프로브 1이 나타내는 형광 응답은 시스테인이 아크릴레이트에 추가되는 친핵성 첨가 반응을 포함하며, 이어서 발생하는 빠른 분자 내 고리화 반응은 크로멘 형광소 (chromene fluorophore)의 방출을 유도하며, 결국 형광을 증가시키게 된다. 프로브 2의 경우에는 시스테인이 아크릴레이트에 추가되는 친핵성 첨가 반응 이후, 추가되는 메틸기가 훨씬 강한 입체 장해를 유도하여 분자 내 고리화 반응이 일어나지 않도록 한다.The fluorescence response of probe 1 in the presence of cysteine involves a nucleophilic addition reaction in which cysteine is added to acrylate and the subsequent rapid intramolecular cyclization reaction induces the release of chromene fluorophore And ultimately increases fluorescence. In the case of the probe 2, after the nucleophilic addition reaction in which cysteine is added to the acrylate, the added methyl group induces a much stronger steric hindrance so that the intramolecular cyclization reaction does not occur.

또한, 509 nm에서의 프로브 1이 시스테인 존재 하에서 나타내는 형광 강도를 다양한 pH에서 확인하였으며, 그 결과를 하기 도 1d에 나타내었다.In addition, the fluorescence intensity of probe 1 at 509 nm in the presence of cysteine was confirmed at various pH values, and the results are shown in FIG. 1d.

하기 도 1d에서 확인할 수 있는 바와 같이, 시스테인이 없는 상태에서 프로브 1의 형광 스펙트럼은 넓은 pH 범위 (pH 69)에서 유의한 변화를 보여주지 않았다. 그러나, 시스테인이 있는 경우에는 pH 6.5와 9 사이에서 형광 변화를 탐지할 수 있으며, 가장 좋은 응답은 pH 7.4와 9 사이에서 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해서 프로브 1은 생리학적 pH에서 시스테인을 탐지하는 데 응용할 수 있음을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 1d, the fluorescence spectrum of probe 1 in the absence of cysteine did not show a significant change in the wide pH range (pH 69). However, in the presence of cysteine, fluorescence changes can be detected between pH 6.5 and 9, and the best response can be obtained between pH 7.4 and 9. These results indicate that probe 1 can be applied to detect cysteine at physiological pH.

실험예 2Experimental Example 2

형광적정검사법을 사용하여 프로브 1 (10 μM)을 농도를 다르게 한 시스테인으로 처리하였다 (하기 도 2a). 15 분간의 인큐베이션 이후 시스테인의 양이 증가함에 따라 509 nm에서의 형광 강도가 점점 증가하였다. 형광(I 509)의 변화를 시스테인 농도의 함수로 그래프로 나타내었다.Probe 1 (10 [mu] M) was treated with different concentrations of cysteine using fluorescence titration (Fig. 2a). The fluorescence intensity at 509 nm gradually increased as the amount of cysteine increased after 15 minutes of incubation. The change in fluorescence ( I 509 ) is plotted as a function of cysteine concentration.

형광 강도(I 509)와 시스테인 농도 사이에는 0에서 20 μM 사이 농도 범위에서 선형성이 좋았으며, 계산된 측정 한계는 53.1 nM (하기 도 2c)였는데, 이는 세포와 인간 혈액 내에서 시스테인을 측정하기에 충분하다 할 것이다.The linearity between the fluorescence intensity ( I 509 ) and the cysteine concentration was good at a concentration range of 0 to 20 μM and the calculated measurement limit was 53.1 nM (FIG. 2c), which was used to measure cysteine in cells and human blood It will be enough.

실험예 3Experimental Example 3

프로브 1(10 μM)이 시스테인 (20 μM), 호모시스테인 (20 μM) 및 글루타티온 (100 μM)과 반응하는 반응 속도를 비교함으로써, 기타 티올 함유 아미노산에 대해 가지는 시스테인 선택성을 검사하였으며, 그 결과를 하기 도 2b에 나타내었다.Cysteine selectivity of other thiol-containing amino acids was tested by comparing the rate of reaction of probe 1 (10 μM) with cysteine (20 μM), homocysteine (20 μM) and glutathione (100 μM) 2B.

하기 도 2b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 프로브와 시스테인의 반응은 호모시스테인이나 글루타티온과의 반응보다 빨랐으며, 그 결과 15분 후에 형광이 크게 증가하였으나, 호모시스테인과 글루타이온의 경우에는 형광이 단지 약간만 증가하였다. 이러한 결과를 통해 프로브 1을 사용하여 호모시스테인이나 글루타이온과 구분하여 선택적으로, 그리고 빠르게 시스테인을 측정할 수 있음을 알 수 있다.As can be seen in Figure 2b below, the reaction of the probe with cysteine was faster than with homocysteine or glutathione, resulting in a significant increase in fluorescence after 15 minutes, but only a slight increase in fluorescence in the case of homocysteine and glutathione . These results show that probe 1 can be used to selectively and rapidly measure cysteine by distinguishing it from homocysteine or glutathione.

또한, 프로브 1이 시스테인에 대해 가지는 선택성을 평가하기 위해, 수성 매질 내에서 다양한 생물 관련 용질에 프로브 1을 노출시켜 형광 강도(I 509)를 모니터링하였다. 시스테인을 제외하고 시험에 사용한 다른 어떤 아미노산(Val, Tyr, Thr, Tau, Ser, Pro, Phe, Met, Lys, Leu, Ile, His, Gly, Gluc, Glu, Gln, Asp, Asn, Arg, Ala, Trp)이나 생물학적 금속 이온들(K(I), Na(I), Ca(II), Cu(II), Fe(II), Fe(III), Mg(II), Zn(II))들도, 심지어 매우 높은 농도(1 mM)에서도, 유의할 만한 형광의 변화를 보이지 않았다 (하기 도 2d).In addition, to evaluate the selectivity of probe 1 to cysteine, probe 1 was exposed to various bio-related solutes in an aqueous medium to monitor fluorescence intensity ( I 509 ). Gly, Gluc, Glu, Gln, Asp, Asn, Arg, Ala (Val, Tyr, Thr, Tau, Ser, Pro, Phe, Met, Lys, Leu, Ile, His, Gly, Gluc, , Trp) and biological metal ions (K (I), Na (I), Ca (II), Cu (II), Fe , Even at very high concentrations (1 mM), no significant fluorescence changes were seen (Fig. 2d).

이는 본 발명에 따른 프로브 1이 생물학적 활용 분야에서 시스테인을 매우 높은 선택도로 측정하는 데 유용하다는 것을 보여준다.This shows that probe 1 according to the present invention is useful for very high selectivity measurement of cysteine in the field of biological applications.

실험예 4Experimental Example 4

TPEF(이광자 여기 형광, two-photon excitation fluorescence) 이미징에 본 발명에 따른 프로브 1을 사용할 수 있는 잠재적 가능성을 확인하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 이광자 현미경을 사용하여 740 nm 여기를 통해 형광 응답을 시험하였다 (하기 도 3b).To identify the potential for using probe 1 according to the present invention for TPEF (two-photon excitation fluorescence) imaging, the inventors of the present invention tested the fluorescence response through a 740 nm excitation using a two-photon microscope (FIG. 3B).

시스테인(100 μM)을 프로브 1의 용액에 첨가하자 형광이 유의하게 증가하였으며(약 13배), 이는 OPM을 사용하여 얻은 결과와 일치하였다. 따라서, 프로브 1은 OPM과 TPM 모두를 통하여 살아 있는 개체에서 시스테인을 형광 이미징하는 데 사용할 수 있음을 확인하였다.Addition of cysteine (100 μM) to the solution of probe 1 resulted in a significant increase in fluorescence (approximately 13-fold), consistent with the results obtained using OPM. Thus, Probe 1 can be used to fluoresce cysteine in living individuals through both OPM and TPM.

실험예 5Experimental Example 5

이러한 특성을 고려하여, 프로브 1이 살아 있는 세포 내에서 시스테인을 선택적으로 이미징할 수 있는 능력을 조사하기 위해 일련의 세포 기반 실험들을 수행하였다.Taking these characteristics into account, a series of cell-based experiments were performed to investigate the ability of probe 1 to selectively image cysteine in living cells.

하기 도 3a에서 보는 바와 같이, 살아 있는 HepG2 세포로 인큐베이션하였을 때 (1 시간), 프로브 1 (10 μM)의 세포 투과성은 좋았으며 세포독성은 최대 50 μM (하기 도 3c)로 낮았다. 더 나아가, 밝은 초록색 형광이 살아 있는 HepG2 세포 속에서의 세포내 시스테인 분포를 보여주었다. 이 초록색 형광은 세포내 시스테인 농도가 N-ethylmaleimide(NEM, 티올 특이적 저해제)에 의해 감소하였을 때 유의미하게 감소하였으며 포도당이 없는 배지에서 세포를 인큐베이션하여 세포 내 시스테인이 축적되도록 하였을 때 증가하였다(하기 도 3a의 (b) 및 (c), 도 3d).As shown in FIG. 3A, when incubated with live HepG2 cells (1 hour), the cell permeability of probe 1 (10 μM) was good and the cytotoxicity was as low as 50 μM (FIG. 3c). Furthermore, it showed intracellular cysteine distribution in HepG2 cells in which bright green fluorescence was alive. This green fluorescence was significantly decreased when intracellular cysteine concentration was decreased by N- ethylmaleimide (NEM, thiol-specific inhibitor) and increased when cells were incubated in a glucose-free medium to allow accumulation of intracellular cysteine (B) and (c) in FIG.

이러한 결과들은 세포 내에서 측정된 형광의 변화가 프로브 1과 세포내 시스테인의 반응에 의한 것임을 확증하여 주는 것이다.These results confirm that the change in fluorescence measured in the cells is due to the reaction of probe 1 with intracellular cysteine.

본 발명의 발명자들은 또한 TPM을 사용하여 살아 있는 HepG2에 대한 이미징 연구를 실시하였다 (하기 도 3e). TPEF 이미지는 740 nm에서의 여기 조건하에서 기록하였다. 이러한 결과들은 프로브 1을 사용하여 OPM과 TPM 둘 모두를 사용하여 높은 민감도와 선택도로 내생적 시스테인 농도를 추적할 수 있음을 보여주는 것이다.The inventors of the present invention also conducted imaging studies on living HepG2 using TPM (FIG. 3E). The TPEF image was recorded under excitation conditions at 740 nm. These results demonstrate that probe 1 can be used to track both high sensitivity and select endogenous cysteine concentrations using both OPM and TPM.

실험예 6Experimental Example 6

프로브 1을 세포내 시스테인 측정에 실용적으로 사용할 수 있는지를 여러 암 세포주를 사용하여 조사하였다. 프로브를 사용하여 모든 시험된 세포들에서 시스테인을 측정할 수 있었으며, 공초점 이미지들을 하기 도 4a와 하기 도 4b에 나타내었다. 평균 형광 강도를 측정하여 각 세포주에 대해 이전에 보고된 자료들과 비교하였다 (하기 도 4b).Whether the probe 1 can be practically used for intracellular cysteine determination was examined using various cancer cell lines. Probes were used to measure cysteine in all tested cells, and confocal images are shown in Figures 4a and 4b. The average fluorescence intensity was measured and compared to previously reported data for each cell line (Fig. 4B).

이들 중에서 HeLa 세포가 가장 높은 형광 응답을 보였다. 관찰된 형광의 차이는 이전 문헌에 보고된 시스테인 농도의 차이와 일치하였다. 따라서, 프로브 1은 여러 암 세포주에서 시스테인의 변화를 정확하게 탐지할 수 있다.Of these, HeLa cells showed the highest fluorescence response. The differences in observed fluorescence were consistent with differences in cysteine concentrations reported in the prior art. Thus, probe 1 can accurately detect changes in cysteine in various cancer cell lines.

실험예 7Experimental Example 7

이러한 특징을 확인한 이후에, 본 발명의 발명자들은 다양한 냉동 보관 쥐 조직들에서 내생적 시스테인을 시각화하는 데 프로브 1을 적용하였다. 하기 도 5a에서 확인할 수 있는 바와 같이, 여러 기관 (간, 이자, 신장, 심장, 고환) 및 야생형 암 조직들과 이종 이식 생쥐에서 온 순간 냉동된 조직들을 10 μM 농도의 프로브 1로 2시간 동안 염색하였다.After identifying these characteristics, the inventors of the present invention applied probe 1 to visualize endogenous cysteine in various cryopreserved mouse tissues. As can be seen in FIG. 5A, the frozen tissues from various organs (liver, kidney, kidney, heart, testis) and wild-type cancer tissues and xenografted mice were stained with 10 μM of probe 1 for 2 hours Respectively.

OPM과 TPM을 사용하였을 때, 암 조직들 (도 5a의 (a))과 간 조직들 (도 5a 및 도 5b의 (a))에서 강한 형광이 관찰되었는데, 이들은 상당한 양의 시스테인을 발현하는 것으로 알려져 있다. 또한, 본 발명의 결과 데이터(도 5a 및 도 5b)는 시스테인의 농도 범위가 다양한 쥐 조직에서 10 ~ 100 mM 정도이며 간에서의 농도가 가장 높다는 기존의 연구 결과와 일치한다. 더 나아가, OPM과 TPM으로 탐지한, 암 조직과 여러 종류의 기관 (간, 심장, 이자, 고환)의 조직에서의 형광 강도는 세포내 시스테인에 대해 탐지한 형광 강도와 비슷했는데, 하지만 일반적으로 TPM은 분리 해상도가 떨어진다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 조직 침투 깊이가 더 깊지만 광독성은 더 낮은 3차원 TPM을 사용하여 생물학적 조건하에서 암 조직 내 자연적 시스테인 분포를 밝히는 데 프로브 1을 적용하였다. 프로브 1을 사용하여 암 조직을 염색한 후, Z형 단면을 가진 일련의 이광자 이미지들 (30개 단면)을 얻었다. 3차원 TPM 이미지들은 깊이 범위 10에서 60 μm에서 밝은 부분과 어두운 부분 사이의 차이를 잘 보여주었다 (도 5a의 (k)).When OPM and TPM were used, strong fluorescence was observed in cancer tissues (Figure 5a) and liver tissues (Figure 5a and Figure 5b (a)), which express a significant amount of cysteine It is known. In addition, the result data of the present invention (Figs. 5A and 5B) is consistent with the results of previous studies that the concentration of cysteine is in the range of 10 to 100 mM in the mouse tissues with various concentrations and the liver has the highest concentration. Furthermore, the fluorescence intensities detected in OPM and TPM in cancer tissues and tissues of various types of organ (liver, heart, liver, testis) were similar to those detected for intracellular cysteine, but generally TPM The separation resolution is lowered. Thus, the inventors of the present invention applied probe 1 to reveal natural cysteine distribution in cancer tissues under biological conditions using a three-dimensional TPM with a deeper tissue penetration depth but lower phototoxicity. After staining cancer tissue using probe 1, a series of two-photon images (30 sections) with Z-shaped cross-sections were obtained. The three-dimensional TPM images showed the difference between the bright and dark portions at depths ranging from 10 to 60 μm (FIG. 5 (k)).

이전에 암 세포에서 티올이 발현된다는 보고가 있었지만 살아 있는 암 세포의 내부 혹은 건강한 기관의 심부에서는 잘 발견되지 않았다.Previous reports have shown that thiol is expressed in cancer cells, but not in the interior of living cancer cells or in the deep parts of healthy organs.

본 발명의 발명자들은 생물 시편에서 시스테인을 고선택성, 고민감성, 저독성으로 측정하기 위한 새로운 이광자 형광 프로브를 개발하였으며, 본 발명에 따른 프로브 1은 여러가지 살아 있는 암 세포 내에서, 그리고 냉동절개된 암 조직 내 60 μm의 심부에서, 새포 내 시스테인 변화를 모니터링할 수 있다.The inventors of the present invention have developed a novel two-photon fluorescent probe for measuring cysteine with high selectivity, high sensitivity and low toxicity in biological specimens. Probe 1 according to the present invention has been widely used in various living cancer cells, At a depth of 60 [mu] m, cysteine changes in the pouch can be monitored.

이와 같이 깊은 조직 침투성과 낮은 광-세포독성 때문에, 프로브 1을 사용하는 TPM을 통해 다른 생물학적으로 관련된 물질의 간섭 없이 살아 있는 조직 내 시스테인 분포를 선택적으로 확인할 수 있다. 결론적으로, 본 발명에 따른 형광 프로브는 세포내 시스테인 인식을 위한 효율적인 도구로 활용할 수 있으며, 암 진단과 같은 다양한 생물학적 및 임상학적 응용 분야에 유용하게 사용될 수 있다.Because of this deep tissue penetration and low photo-cytotoxicity, TPM using probe 1 can selectively identify the distribution of cysteine in living tissue without interference of other biologically relevant materials. In conclusion, the fluorescent probe according to the present invention can be used as an efficient tool for the recognition of intracellular cysteine, and can be useful in various biological and clinical application fields such as cancer diagnosis.

Claims (2)

하기 [화학식 1]로 표시되는 시스테인 검출용 이광자 형광 프로브 화합물:
[화학식 1]
Figure pat00004
A double-photon probe compound for detecting cysteine represented by the following formula (1): &lt; EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Figure pat00004
제1항에 따른 이광자 프로브 화합물을 이용하여 생체 세포 또는 생체 조직에서 시스테인을 검출하는 방법.A method for detecting cysteine in a living cell or a living tissue using the two-photon probe compound according to claim 1.
KR1020170036764A 2016-04-15 2017-03-23 Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine KR101872155B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160046066 2016-04-15
KR20160046066 2016-04-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170118597A true KR20170118597A (en) 2017-10-25
KR101872155B1 KR101872155B1 (en) 2018-06-27

Family

ID=60300103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170036764A KR101872155B1 (en) 2016-04-15 2017-03-23 Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101872155B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111349069A (en) * 2020-04-21 2020-06-30 河南大学 Near-infrared organic small molecule probe for detecting sulfydryl, and preparation method and application thereof
KR102216789B1 (en) * 2020-01-21 2021-02-16 경희대학교 산학협력단 Fluorescent probe composition for the detection of cysteine and use thereof
KR20210098874A (en) * 2020-02-03 2021-08-11 서울대학교산학협력단 Compound, Composition for detecting cysteine comprising compound, and Method for detecting cystein
CN115594649A (en) * 2022-10-24 2023-01-13 南京科络思生物科技有限公司(Cn) Cysteine residue specific chemical probe and preparation method and application thereof

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, Vol. 7, pp 27968-27975. *
Biosens Bioelectron., 2014, Vol. 59, pp 35-39. *
Org Lett., 2009, Vol. 11, pp 4918-4921. *
Sensors, 2012, Vol. 12, pp 5940-5950. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102216789B1 (en) * 2020-01-21 2021-02-16 경희대학교 산학협력단 Fluorescent probe composition for the detection of cysteine and use thereof
KR20210098874A (en) * 2020-02-03 2021-08-11 서울대학교산학협력단 Compound, Composition for detecting cysteine comprising compound, and Method for detecting cystein
CN111349069A (en) * 2020-04-21 2020-06-30 河南大学 Near-infrared organic small molecule probe for detecting sulfydryl, and preparation method and application thereof
CN111349069B (en) * 2020-04-21 2021-10-15 河南大学 Near-infrared organic small molecule probe for detecting sulfydryl, and preparation method and application thereof
CN115594649A (en) * 2022-10-24 2023-01-13 南京科络思生物科技有限公司(Cn) Cysteine residue specific chemical probe and preparation method and application thereof
CN115594649B (en) * 2022-10-24 2023-09-08 南京科络思生物科技有限公司 Cysteine residue specific chemical probe and preparation method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR101872155B1 (en) 2018-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101872155B1 (en) Two-photon fluorescent probe for detection of Cysteine
Zhai et al. A dual emission fluorescent probe enables simultaneous detection and discrimination of Cys/Hcy and GSH and its application in cell imaging
Long et al. A coumarin-based fluorescent probe for biological thiols and its application for living cell imaging
Shi et al. A colorimetric and fluorescent probe for thiols based on 1, 8-naphthalimide and its application for bioimaging
Yin et al. Near-infrared fluorescent probe with rapid response and large Stokes shift for imaging peroxynitrite in living cells, zebrafish and mice
Kochan et al. Pathological changes in the biochemical profile of the liver in atherosclerosis and diabetes assessed by Raman spectroscopy
Yang et al. BODIPY-based fluorescent probe for cysteine detection and its applications in food analysis, test strips and biological imaging
Yu et al. A colorimetric and near-infrared fluorescent probe for biothiols and its application in living cells
Wang et al. A fast-response two-photon fluorescent probe for the detection of Cys over GSH/Hcy with a large turn-on signal and its application in living tissues
Ma et al. Development of organelle-targetable europium complex probes for time-gated luminescence imaging of hypochlorous acid in live cells and animals
CN106967102B (en) A kind of enhanced fluorescence probe of hydrogen peroxide based on Rhodamine Derivatives
CN106929006B (en) It is a kind of using naphthalimide as the identification cysteine of parent nucleus and homocysteine fluorescence probe and its preparation and application
Zheng et al. The near-infrared fluorescent probes based on phenoxazine for the rapid detection of hypochlorous acid
Pan et al. A smart fluorescent probe for simultaneous detection of GSH and Cys in human plasma and cells
Liu et al. A long wavelength emission two-photon fluorescent probe for highly selective detection of cysteine in living cells and an inflamed mouse model
Anila et al. A Cysteine-Specific Fluorescent Switch for Monitoring Oxidative Stress and Quantification of Aminoacylase-1 in Blood Serum
Wang et al. A novel reaction-based fluorescent turn-on probe for biothiols and its application in cell imaging
CN109608474A (en) A kind of compound and its preparation method and application detecting tyrosinase
Long et al. An ultralow concentration of two-photon fluorescent probe for rapid and selective detection of lysosomal cysteine in living cells
Zhang et al. A two-photon endoplasmic reticulum-targeting fluorescent probe for the imaging of pH in living cells and zebrafish
Zhang et al. A novel quinoline-based fluorescent probe for real-time monitoring of Cys in glioma
CN110526908B (en) Cys/Hcy fluorescent probe capable of being distinguished and detected based on long wave emission of 2-styryl indole salt derivative and application thereof
KR101171919B1 (en) Fluorescein derivatives having selectivity for thiol and method for in vivo monitoring thiol using the same
US9636021B2 (en) Flavonoid compounds of low toxicity for biological imaging applications
KR101337434B1 (en) Coumarin-based compound having cysteine selectivity, preparation method of the same, chemodosimeter using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant