KR20200107658A - 아밀로이드 베타 올리고머 및 플라크에 특이적인 이광자 프로브 및 pet용 추적자 - Google Patents

아밀로이드 베타 올리고머 및 플라크에 특이적인 이광자 프로브 및 pet용 추적자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아밀로이드 베타 올리고머 및 플라크에 특이적인 이광자 형광 프로브 및/또는 PET용 추적자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 아밀로이드 베타 올리고머 및/또는 플라크를 선택적으로 표적화하는 화학식 1로 표시되는 화합물을 이광자 형광 프로브 및/또는 PET용 추적자로 이용하여 알츠하이머 질환을 효과적으로 진단할 수 있다.

Description

아밀로이드 베타 올리고머 및 플라크에 특이적인 이광자 프로브 및 PET용 추적자{Two-photon Probe and Tracer for PET Specific to Amyloid-beta Oligomers and Plaques}
본 발명은 아밀로이드 베타(amyloid-β, Aβ)의 올리고머(Oligomers) 및/또는 플라크(Plaques)에 특이적인 이광자 프로브(two-photon probe) 및 양전자 단층 촬영(PET : Positron emission tomography)용 추적자(tracer)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하며, 아밀로이드 베타 올리고머 및/또는 플라크를 선택적으로 표적화하는 아밀로이드 베타 올리고머 및/또는 플라크 검출용 이광자 프로브 및 PET용 추적자, 및 이를 포함하는 알츠하이머 질환의 진단용 조성물에 대한 것이다.
아밀로이드-베타(amyloid-β, Aβ)의 미스폴딩(misfolding), 타우(tau) 이상 및 뇌의 신경 퇴행을 근거로 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)을 진단할 수 있다(Jack, C. R., Jr. et al . Alzheimers Dement 14, 535-562, (2018)). 기존의 실패한 약물 후보들과 비교해 볼 때, 임상에서의 사용을 위한 뇌 이미징 프로브의 승인은 성공적이었고 일반적으로 AD의 발병 및 진행을 진단하는 데 사용될 수 있다.
Aβ는 세포외 펩타이드이고 타우는 세포 내 단백질이지만, 잘못 폴딩된 불용성 응집체는 일반적인 β-시트가 풍부한 구조를 공유하며 티오플라빈(thioflavin)과 콩고레드(congo red)와 같은 염료로 쉽게 염색될 수 있다(Groenning, M., J Chem Biol 3, 1-18, (2010)). 베타-스트레인 사이에 삽입된 이들 염료의 화학적 구조에 기초하여, Aβ 플라크(plaques) 또는 타우 엉킴(tau tangles)을 표적으로 하는 많은 방사선 추적자가 양전자 방출 단층 촬영(positron emission tomography, PET)에 의한 실시간 바이오 마커 영상을 위한 환자 뇌에 사용되도록 합성되었다.
Aβ 플라크의 축적은 AD의 무증상 단계에서 시작되는 가장 초기의 주요 사건이며, AD의 발병에 대한 바이오 마커로 간주되며, 타우 엉킴의 증가 및 증식은 인지 감소에 더 가까운 사건이며, 질병의 진행을 측정하는 바이오 마커이다(Jack, C. R., Jr. et al . Lancet Neurol 12, 207-216, (2013)). 따라서 플라크와 엉킴의 변화를 뚜렷하게 관찰하는 것이 매우 중요하다. 그러나, AD 방사성 추적자 중 어느 것도 β-시트-타겟팅 성질로 인해 환자 뇌의 플라크와 엉킴을 완전히 구별할 수 없다. 이들의 화학 구조는 불용성 응집체를 검출하기 위해 고안되었기 때문에 가용성(soluble) Aβ 올리고머와 같은 초기 바이오 마커는 검출할 수 없으며, 신경세포/시냅스 손실, 시냅스 기능 장애 및 위축을 유발하는 것으로 보고되었다. 올리고머와 AD 병인의 강한 연관성에도 불구하고 현재 그들의 변화를 모니터링하기 위한 이미징 도구를 이용할 수 없는 실정이다.
형광 프로브를 이용한 광학 이미징은 신속하고 경제적인 AD 스크리닝 시스템이다. 이를 위해 콩고-레드(Congo-Red, CR), 티오플라빈-S(Thioflavin-S, Th-S) 및 A11과 같은 다수의 Aβ 펩타이드 프로브가 개발되었다(Linke, R. P. Virchows Arch 436, 439-448 (2000)). 그러나 일광자 현미경(one-photon microscopy, OPM)과 함께 이러한 프로브를 사용하면 짧은 여기 파장(<500 nm)이 필요하기 때문에 얕은 침투 깊이(<80 ㎛), 자가형광(autofluorescence), 광표백(photobleaching) 및 광독성(phototoxicity)의 생체내 이미징에 대한 적용이 제한된다(Kim, H. M. & Cho, B. R. Chem Rev 115, 5014-5055, (2015)). 1,4- 비스(4'-하이드록시스티릴)-2-메톡시벤젠(1,4-bis(4'-hydroxystyryl)-2-methoxybenzene, Methoxy-XO4)와 같은 근적외선(NIR) 프로브는 근적외선 여기 파장(> 700 nm)(Klunk, W. E. et al . J Neuropathol Exp Neurol 61, 797-805 (2002))을 사용하지만 NIR 현미경 검사는 OPM보다 낮은 분해능으로 인해 세포 및 조직 절편과 같은 마이크론 수준을 위한 것이 아닌, 전체 마우스와 같은 큰 물체에 유용하다. 이러한 단점을 극복하기 위한 실질적인 접근법은 이광자 현미경 (two-photon microscopy, TPM)을 사용하는 것이다. TPM은 여기에 2개의 근적외선 광자를 사용하여 본질적으로 국소화된 방출 및 최소 자가형광(minimum autofluorescence) 및 광손상 인공물(photodamage artifacts)로 장기간 프로브-라벨링된 조직(> 100 ㎛) 내부의 생물 타겟을 탐지할 수 있다(Kim, D. et al . J Am Chem Soc 137, 6781-6789, (2015)). 단면 이미지를 결합하여 대상의 3차원(3D) 분포를 맵핑할 수 있다.
최근에는 Aβ에 대한 몇 가지 이광자(TP) 프로브가 개발되었으며 TPM를 사용하여 생체외 및 생체 내 이미징을 위한 유틸리티가 개발되었다(Kim, D. et al . J Am Chem Soc 137, 6781-6789, (2015); Heo, C. H. et al . Chem Commun ( Camb ) 49, 1303-1305, (2013); Heo, C. H. et al . Chem Sci 7, 4600-4606, (2016)). 이 중 QAD1과 SAD1은 K d 값이 각각 16.2와 17 nM이다((Nilsson, K. P., FEBS Lett 583, 2593-2599, (2009)). 한편, QAD1과 SAD1은 16 nM에서 Aβ를 검출하기 때문에 AD 진단 도구에는 적합하지 않으며, 임계응집농도(CAC, 90 nM)보다 훨씬 낮기 때문에 Aβ 올리고머에 대한 Aβ 단량체를 구별하기가 어렵다. 또한, ‘Aβ 프로브 5(Aβ probe 5)’라고 불리는 또 다른 Aβ 프로브가 있으며, 보다 합리적인 Kd 값(44.6 nM)을 나타낸다. 그러나 TPM 이미징을 위한 이 프로브의 유용성은 TP 단면(δ) 및 광안정성에 대한 데이터 부족으로 인해 확실하지 않다. 따라서, 지금까지는 Aβ 펩타이드에 적합한 TP 프로브가 전무한 실정이다.
또한, 양전자 단층 촬영(PET : Positron Emission Tomography)은 생체 내 에 양전자를 방출하는 방사성의약품을 정맥주사 또는 흡입으로 주입한 후 양전자 소멸현상에 의해 발생한 감마선이 생체를 투과한 것을 생체를 둘러싸고 있는 원형 고리 모양의 검출기로 측정하여 양전자 방출핵종의 체내 분포를 컴퓨터로 연산처리하여 영상으로 재구성하는 기술이다.
기존의 양전자 단층 촬영 조영제들은 빠른 반감기와 타겟하는 물질에 대한 결합정도, 낮은 해상도를 가지고 있어 이를 보완할 수 있는 퇴행성 뇌질환과 관련된 베타아밀로이드, 타우 단백질 등에 대한 표적화된 조영제 개발이 시급하다
이에, 본 발명자들은 아밀로이드-베타와 유사한 β-시트가 풍부한 구조, 타우의 플라크 및 엉킨 구조도 인식하여 검출함으로써 선택성(specificity)이 떨어지는 종래의 Aβ 방사성 추적자의 문제점을 해결하고 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서 α-시누클레인보다 수용성 및 불용성 Aβ 응집체를 선택적으로 표적화할 수 있는 새로운 형광 화학 프로브를 제공하기 위하여 예의 노력한 결과, 화학식 1로 표시되는 화합물이 생체세포 또는 조직의 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크(Plaques) 검출용 이광자(two-proton) 프로브로 사용될 수 있을 뿐 아니라, 양전자 단층 촬영(PET : Positron emission tomography)를 위한 추적자(tracer)로 사용될 수 있어서, 이에 따라 알츠하이머 질환을 진단하는 데에 효과적으로 이용할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 아밀로이드 베타의 올리고머 및/또는 플라크에 특이적인 이광자(two-proton) 프로브 및 PET용 추적자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이광자 프로브 및 PET용 추적자를 포함하는 알츠하이머 질환 진단용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 이광자 프로브 및 PET용 추적자를 이용하여 아밀로이드 베타의 올리고머 및/또는 플라크의 형성 정도 및/또는 형성된 양을 측정하는 단계를 포함하는 알츠하이머 질환 진단을 위한 정보제공 방법 및 알츠하이머 질환의 진단 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및/또는 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서
R1은 -(CH2)xO(CH2)yO(CH2)zCH3이고,
x와 y는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 2 내지 3의 정수를 의미하고, z는 0 내지 4의 정수, 바람직하게는 0 내지 2의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 1의 정수를 의미한다.
또한, 상기 화학식 1에서 R2 및 R3는 각각 독립적으로 -H, -(CH2)qCH3, -(CH2)m aF, -(CH2)nCH(CH2)oOH(CH2)pOH이고,
m은 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 1 내지 3의 정수를 의미하며, a는 17 내지 21의 정수를 의미하며,
n, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 0 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 3의 정수를 의미한다.
상기 화학식 1에서의 첨자 a는 F(불소)의 동위원소(isotopes) 종류를 의미한다. 예를 들어, a가 18이면 18F, a가 19이면 19F인 불소의 동위원소를 의미한다.
하나의 구체예에서, 이광자 프로브 용도로 사용되는 화학식 1의 화합물에 있어서는 R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -H이고, 다른 하나는 -CH3인 것이 바람직하고,
PET용 추적자로 사용되는 화학식 1의 화합물에 있어서는, R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -(CH2)2 18F 또는 -(CH2)2 19F이고, 다른 하나는 -H 또는 -CHOH(CH2)OH인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및/또는 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자를 포함하는 알츠하이머 질환 진단용 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및/또는 플라크 검출용 이광자 프로브 또는 PET용 추적자를 이용하여 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크의 형성 정도 및/또는 형성된 양을 측정하는 단계를 포함하는 알츠하이머 질환 진단을 위한 정보제공 방법 및 알츠하이머 질환의 진단 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 화학식 1의 화합물을 생체세포 또는 조직의 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자로 이용하면, 아밀로이드-β와 유사한 β-시트가 풍부한 구조, 타우의 플라크 및 엉킨 구조까지 검출하는 종래의 Aβ 방사성 추적자의 문제점을 해결하고 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서 α-시누클레인보다 가용성(soluble) 및 비가용성(insoluble) Aβ 응집체를 선택적으로 표적화할 수 있어, 보다 효과적으로 알츠하이머 질환의 진단에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 포함하는 이광자 프로브 및 PET용 추적자는 아밀로이드 베타의 올리고머, 특히 가용성 올리고머를 매우 선택적이고 높은 민감도로 검출할 수 있어, 알츠하이머 질환의 조기 진단을 위해 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 (a) Pyr-affibody의 구조, PyrPeg 및 PyrPeg의 합성반응식; (b) 다양한 농도의 PyrPeg의 광자 흡수 스펙트럼; (c) PBS 완충액 중 PyrPeg 농도에 대한 흡광도의 플롯; (d) 정규화된 흡광도; (e) 다양한 용매에서 PyrPeg의 정규화된 방출 스펙트럼(여기 파장은 444 nm); (f)1,4-디옥산/물 (33/1) 중 PyrPeg (1 μM)의 표준화된 단일 광자 흡수 및 방출 스펙트럼; (g) Twophoton1, 4-디옥산(검은색 원)과 1,4-디옥산/H2O (33/1)에서의 PyrPeg (1 μM)의 여기 스펙트럼; (h) 1,4-디옥산/H2O (33/1) 및 SH-SY5Y 세포에서 PyrPeg의 이광자 여기 형광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 아밀로이드 생성 단백질에 대한 PyrPeg의 선택성을 나타낸 도면이다.
도 3은 (a, b) 인간 Aβ42 내 PyrPeg와 Thioflavin-S의 분자 도킹 연구 (PyrPeg = -8.94 kcal/mol 및 Th-S = -8.66 kcal/mol의 활공 도킹 점수); (c, d) Aβ42 멀티머 내부의 Pyr-Peg와 Th-S의 2차원(2D) 상호 작용 패턴(리간드는 원자 유형의 색으로 표시되며 다양한 상호 작용은 색으로 구분됨); (e) Aβ42 올리고머에 대한 PyrPeg (마젠타) 및 Th-S (황색)의 중첩. 출발 잔기 (E11), 잔기 (A42) 및 각 단량체 사슬을 표지한 도면이다.
도 4는 (a) PyrPeg와 티오플라빈 S.의 TP 작용 스펙트럼; (b) 0.1 μM PyrPeg 및 (c) 1 mM Th-S로 표지된 고정된 형질 전환 APP/PS1 마우스 해마 절편에서의 상대적인 2-광자 및 1-광자 (c) 형광 세기 시간; Th-S로 표지된 야생형 대조 마우스 (d) 및 APP/PS1 마우스 뇌 절편 (e, f)의 OPM (d, e) 및 TPM (f) 및 PyrPeg (d-f, 하부 프레임)을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 APP/PS1 마우스 뇌 조직에서 PyrPeg의 용량 의존적 및 시간 의존적 표지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 PyrPeg를 이용한 APP/PS1 마우스의 사후 AD 환자 뇌 조직 및 후각 구(olfactory bulb)에서 Aβ 검출을 나타낸 도면이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명에서는 화학식 1로 표시되는 화합물이 아밀로이드-β와 유사한 β-시트가 풍부한 구조, 타우의 플라크 및 엉킨 구조까지 검출하는 종래의 Aβ 방사성 추적자의 문제점을 해결하고 알츠하이머 환자의 뇌 조직에서 α-시누클레인보다 가용성 및 비가용성 Aβ 응집체를 선택적으로 표적화할 수 있는 이광성 프로브 및 PET용 추적자로서 알츠하이머를 진단하는 데에 효과적으로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자에 대한 것이다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서
R1은 -(CH2)xO(CH2)yO(CH2)zCH3이고,
x와 y는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 2 내지 3의 정수를 의미하고, z는 0 내지 4의 정수, 바람직하게는 0 내지 2의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 1의 정수를 의미한다.
또한, 상기 화학식 1에서 R2 및 R3는 각각 독립적으로 -H, -(CH2)qCH3, -(CH2)m aF, -(CH2)nCH(CH2)oOH(CH2)pOH이고,
m은 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 1 내지 3의 정수를 의미하며, a는 17 내지 21의 정수를 의미하며,
n, o, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 0 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 3의 정수를 의미한다.
상기 화학식 1에서의 첨자 a는 F(불소)의 동위원소(isotopes) 종류를 의미한다. 예를 들어, a가 18이면 18F, a가 19이면 19F인 불소의 동위원소를 의미한다.
하나의 구체예에서, 이광자 프로브 용도로 사용되는 화학식 1의 화합물에 있어서는 R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -H이고, 다른 하나는 CH3인 것이 바람직하고,
PET용 추적자로 사용되는 화학식 1의 화합물에 있어서는, R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -(CH2)2 18F 또는 -(CH2)2 19F이고, 다른 하나는 -H 또는 -CHOH(CH2)OH인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 아밀로이드 베타의 올리고머는 가용성(soluble) 또는 비가용성(insoluble)인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 가용성 아밀로이드 베타의 올리고머, 가장 바람직하게는 가용성 아밀로이드 베타42 (Aβ42)의 올리고머일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 혈액 뇌 장벽(BBB: Blood Brain Barrier)을 통과하여 가로지를 수 있는 능력을 가지고 있어, 뇌에 직접 주입하지 않더라도 효율적으로 뇌에 전달될 수 있는 특성을 가진다.
본 발명은 또한, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자를 포함하는 알츠하이머 질환 진단용 조성물에 대한 것이다.
본 발명은 또한, 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크 검출용 이광자 프로브 및/또는 PET용 추적자를 이용하여 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크의 형성 정도 및/또는 형성된 양을 측정하는 단계를 포함하는 알츠하이머 질환 진단을 위한 정보제공 방법 및 알츠하이머 질환의 진단 방법에 대한 것이다.
상기 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크의 형성 정도 및 형성된 양은 이광자 프로브로부터 생성된 형광의 양을 측정함으로써 수행될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 ‘PyrPeg’이라 명명한다.
아밀로이드-β (Aβ) 방사성 추적자는 살아있는 환자의 확실한 진단을 허용함으로써 알츠하이머 병(AD)의 임상 치료에 크게 기여하고 있다. 현재 Aβ방사능 추적자는 유사한 판 상체 및 β시트가 풍부한 얽힘 구조를 가진 타우를 검출하기 때문에 Aβ영상의 높은 선택성과 민감성에 대한 임상적으로 충족되지 않은 요구가 있다.
이에 본 발명은 알츠하이머 모델과 환자의 뇌 조직에서 타우 및 α-시누클레인보다 수용성 및 불용성 Aβ 응집체를 선택적으로 표적화 할 수 있는 새로운 형광 화학 프로브인 PyrPeg를 제공한다.PyrPeg는 정맥 주사시 AD 형질 전환 마우스 뇌에서 플라크를 추적하고, 사후 환자 뇌 조직에서 엉킴이 있는 플라크를 특이적으로 인식한다. 다른 염료와 달리 PyrPeg는 올리고머와 강하게 결합한다. 세포막과 혈액 뇌 장벽을 가로 지르는 능력을 가진 PyrPeg는 AD 뇌에서 잘못 폴딩된 Aβ의 용해성 및 불용성 형태를 광학적 및 기능적으로 모니터링하는 데 효과적인 진단 도구 역할을 할 수 있다.
본 발명에 의한 PyrPeg은 피라진(pyrazine) 유도체, 강한 형광 물질 및 친수성 체인인 폴리에틸렌글리콜의 조합으로서, Pyr-affibody, Her2 (인간 표피 성장 인자 수용체 2)에 대한 TP 프로브로, TPM을 이용한 이종 이식 모델에서 유방암 세포의 검출을 위해 강한 TP 형광(TPEF : TP-excited fluorescence)을 방출한다고 보고되었다(Choi, J. W. et al . Anal Chem 88, 9412-9418, (2016)). 본 발명에서는 PyrPeg의 디자인, 화학 합성, 광물리, 생화학적 특성 및 생물학적 활성을 확인하였다. PyrPeg는 전하를 띠지 않는 작은 평면 분자(<500Da)이기 때문에 조직을 염색하고 BBB(Cross Blood Barrier Barrier)를 통과할 가능성이 있으며 Aβ 펩타이드의 β-시트 구조의 소수성 그루브에 인터칼레이션하고 방출할 것으로 예상된다. 강한 TP가 형광을 야기시킴으로써 AD의 생체내 진단이 가능하다. 광물리 특성, Aβ 펩타이드 결합 친화도 및 다른 단백질에 대한 선택성을 확인하고 PyrPeg를 사용하여 생체외 및 생체내 이미징 실험을 수행하였다. 또한 광물리 특성을 Th-S 및 항 베타 아밀로이드 항체 내에서 기존 TP 프로브 및 Aβ 검출 능력과 비교하였으며, TPM에 의해 생체 내 꼬리 주입 AD 형질 전환 마우스에서 PyrPeg의 형광을 조사하였다. 또한, 사후 AD 환자 뇌 절편에서 PyrPeg 형광을 조사하였다.
본 발명에 의한 PyrPeg은 피라진 유도체, 강한 형광단 및 친수성 체인인 폴리에틸렌 글리콜로 구성된다. PyrPeg는 알츠하이머 모델과 환자의 뇌 조직에서 Aβ 올리고머와 플라크를 선택적으로 표지하는 신규한 TPM 프로브이다. PyrPeg는 타우 또는 α-시뉴클레인(synuclein)과 같은 다른 응집된 단백질 중에서 Aβ42에 대해 8-20배 높은 선택성을 나타낸다(도 2a, b). 배양된 세포와 AD 환자의 사후 뇌 절편에서 PyrPeg의 Aβ42 선택성을 검사하고 확인하였다. 대조적으로, Aβ 플라크의 검출을 위해 양전자 방출 단층 촬영(PET) 이미징에서 널리 사용되어 온 N-메틸 2-(4'-메틸아미노페닐-6-하이드록시벤조트리아졸(PIB))은, 결합의 전반적인 강도가 아밀로이드-베타 병리적인 것과 관련된 것보다 현저하게 낮다고 할지라도 저선택성으로 인해 신경원섬유 엉킴에 라벨링하는 것으로 나타난다(Lockhart, A. et al . Brain 130, 2607-2615, (2007)). 또한, Th-S 염색에 의해 불용성 타우(tau)가 검출되고 정량화될 수 있음이 보고되었으며(Xu, Y. et al., Mol Neurodegener 11, 32, (2016)). 이는 Th-S가 매우 선택적이지 않다는 것을 나타낸다. PyrPeg는 AD에서 다른 응집 단백질 중에서 Aβ 플라크에 대해 매우 선택적이므로, PIB 또는 Th-S와 같은 다른 프로브와 비교하여 Aβ 플라크 검출에 우수하다. PyrPeg는 단량체보다 Aβ42 올리고머에 대해 12배 높은 선택성을 갖는다(도 2d-f). Aβ 올리고머의 축적은 AD의 발병 초기 단계의 초기 바이오 마커이므로, PyrPeg는 QAD1, SAD1, PIB 및 Th-S와 같은 다른 프로브와 비교하여 AD의 초기 단계 진단을 위한 우수한 프로브라고 할 수 있다.
또한, PyrPeg는 뛰어난 광안정성 및 매우 낮은 세포 독성을 나타내며, 친유성 및 BBB 투과성을 나타낸다. PyrPeg의 지속적인 형광은 Aβ 다량체(도 3)에 의해 형성된 결합 포켓 내에서 매우 안정한 환경을 제공하고, Aβ 올리고머의 수많은 탄소-수소 및 π-적층 상호 작용으로 인한 것이라고 할 수 있다. 이러한 결과는 오랜 기간 동안 PyrPeg로 Aβ 올리고머 및 플라크를 추적할 수 있음을 의미한다.
PyrPeg는 Aβ 응집체의 임상적 또는 실험적 검출을 위한 기존의 AD 영상 탐침의 단점을 극복하며, BBB 관통 능력을 고려할 때, PyrPeg의 방사성 표지된 유도체는 타우 엉킴을 표시하지 않고 Aβ 플라크를 특이적으로 표적으로 하는 AD 방사성 추적자로서 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 PyrPeg의 PET 스캔을 배경으로 사용하여 원하지 않는 플라크 신호를 빼내어 tau-PET 스캔의 이미지만 분리할 수 있는데, 이로부터 PyrPeg의 가장 중요한 기능인 Aβ 올리고머를 강하게 염색하는 능력을 확인할 수 있었다.
현재 올리고머 측정은 사후 뇌와 CSF와 같은 생체 유체를 이용함으로써만 가능하지만, AD 진행 동안 환자의 뇌에서 가용성 Aβ 올리고머의 세로 변형(longitudinal alterations)은 이미징 도구가 없기 때문에 지금까지 불확실한 상태로 남아있었다. 올리고머가 플라크의 초기형태인지, 뇌 내의 농도에 반비례하는지에 대한 조사가 잘 이루어지지 않았다. Aβ 올리고머가 신경 퇴행 및 인지적 결함의 병리학적 원인과 관련이 있다고 가정하면 세로 올리고머 모니터링은 AD 병태 생리 및 새로운 치료 접근법에 대한 정보를 제공할 수 있다. PyrPeg는 앞서 언급한 임상적 영향을 보증하기 위해 올리고머 선택성과 장기간 안정성을 지닌 Aβ 올리고머의 세로 모니터링에 매우 유용하다. 요약하면, PyrPeg는 기존 프로브의 단점을 극복하여 생체내 TP 이미징에서 Aβ 플라크 검출에 대한 많은 중요한 이점을 가지고 있다. PyrPeg는 Aβ 올리고머 및 플라크 검출에 있어 상업적 프로브보다 매우 우수하며, PyrPeg를 이용하여 수득된 Aβ 올리고머와 플라크의 생체 영상은 초기 단계에서도 AD에 효과적인 진단 도구로 사용될 수 있으며, 이에 따라 AD의 조기 진단에 사용될 수 있다.
또한, PyrPeg에 불소(F) 동위원소가 결합된 PyrPeg-F 또는 PyrPeg-F(sol)은 PET용 추적자로서, PET 이미징을 통한 초기 단계의 AD에 효과적인 진단 도구로 사용될 수 있으며, PyrPeg와 동일하게 AD의 조기 진단에 매우 효율적으로 활용될 수 있다.
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.
[실시예]
제조예 : PyrPeg의 합성
동물: B6C3 하이브리드 배경의 APPswe/PSEN1dE9 (APP/PS1) 마우스는 Jackson Laboratory (USA, 스톡 번호 004462)에서 유래되었으며 C57BL/6 암컷과 C3H 수컷 사이의 교차에서 유래된 B6C3 F1 마우스로 형질 전환 마우스를 교차시킴으로써 헤미지고트(hemizygotes)로 유지되었다. 이 하이브리드 균주는 일반적으로 형질 전환 쥐의 생산에 사용된다. 8-13개월 된 형질 전환 생쥐와 WT 한배에서 태어난 암컷수컷 모두 사용되었다. 세포 배양일차 피질 성상 교세포는 출생 후 1 일 C57BL/6 마우스로부터 준비되었고 이전에 기술 된 바와 같이 배양 배지에서 유지되었다(Hwang, E. M. et al . Nature Communications 5, 15 (2014)).
배양은 5 % CO2가 포함된 가습 분위기에서 37℃에서 유지되었다. 3일 후, 배지를 사용하여 반복적인 피펫팅으로 세포를 격렬하게 세척하고, 부스러기 및 다른 부유 세포 유형을 제거하기 위해 배지를 교체하였다.
PyrPeg는 3-메톡시-N-메틸아닐린(화합물 2) (도 1a)으로부터 출발하여 5 단계 (a-e)로 합성되었다(반응식 1 참조);
단계 a: 화합물 2의 노실화는 화합물 3을 77% 수율로 수득하였다.
단계 b: BBr3을 사용한 화합물 3의 탈메틸화는 화합물 4를 95% 수율로 생성하였다.
단계 c: 화합물 4의 포밀화 반응에 의해 화합물 5가 52%의 수율로 생성되었다.
단계 d: 이어서, 화합물 5를 화합물 1과 반응시켜 화합물 6을 42% 수율로 수득하였다.
단계 e: PyrPeg를 노실 그룹의 탈보호로 53% 수율로 제조하였다(도 1a 참조).
[반응식 1]
Figure pat00003
a) 2-니트로벤젠술포닐 클로라이드, Et3N, CH2Cl2, 0 ℃;
b) BBr3, CH2Cl2, -78 ℃;
c) p-포름알데히드, MgCl2, Et3N, CH3CN, 환류;
d) 1, K2CO3, DMF, 100℃;
e) PhSH, K2CO3, DMF, 0 ℃
또한, PET용 추적자로 사용될 수 있는 PyrPeg-F 및 PyrPeg-F(sol)은 각각 다음과 같은 화학식 2 및 화학식 3의 구조를 가진다.
[화학식 2] PyrPeg-F
Figure pat00004
[화학식 3] PyrPeg-F(sol)
Figure pat00005
또한, PyrPeg-F는 다음의 단계를 거쳐 제조될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00006
실시예 1: PyrPeg의 광물리 특성 확인
용해도( solubility )
PBS 완충액에서의 PyrPeg의 용해도는 물에서 무시할 수 있는 형광성 때문에 흡광도법에 의해 결정되었다(Kim, H. M. et al . Chembiochem 8, 553-559, (2007)). 간단히, DMSO (1.0×10-3 M)에서 PyrPeg의 작은 증가는 0.2%에서 큐벳(cuvettes)의 DMSO 농도를 유지하면서 마이크로 피펫을 사용하여 3.0 ML PBS 버퍼를 포함하는 큐벳에 추가되었다. 용액의 흡광도를 측정하고 프로브 농도에 대해 플롯팅하였다. 플롯의 선형 영역에서의 최대 농도를 용해도로 취하였다.
PBS (Phosphate buffered saline) 완충액에서의 PyrPeg의 용해도는 흡광도 그래프에서 선형 기울기의 최대 교차점을 측정하여 1.0 μM이었다 (도 1b, c).
친유성 ( lipophilicity , LogP )
PyrPeg의 친유성은 ACDLab-ACD LogP 소프트웨어를 사용하여 계산 하였다.
친유성(logP)은 값이 2와 412 사이일 때 최적인 BBB 투자율의 중요한 요소로 간주된다. PyrPeg의 친유성은 ACDLab-ACD LogP 소프트웨어 13을 사용하여 3.5로 계산되었으므로 PyrPeg는 BBB 침투 탐침을 보장한다.
분광 측정
흡수 및 형광 스펙트럼은 Agilent 8453 다이오드 어레이 UV-Vis 분광 광도계 및 1cm 표준 석영 셀을 사용하는 HITACHI F-7000 형광 분광 광도계에 기록되었다. 형광 양자 수율(fluorescence quantum yield, Φ)은 Coumarin 307을 보고된 기준으로 사용하여 결정하였다.
PyrPeg는 441 nm에서 최대 흡광 파장(λmax)을 몰흡수 계수, ε=78,800 cm-1M-1 및 525 nm에서 최대 방출 파장(λfl)을 나타내며 형광양자수율(fluorescence quantum yield,
Figure pat00007
)(방출된 광자수/흡수된 광자수)는 1,4-디옥산에서 0.84이다. λfl은 용매가 친수성 용매로 바뀜에 따라
Figure pat00008
값이 감소하면서 점진적인 적색 이동을 보였다(도 1d, e, 표 1). EtOH에서 λmax와 λfl은 각각 447 nm (ε = 56,700 cm-1M- 1)과 629 nm (
Figure pat00009
= 0.03)에서 나타났으며 큰 스토크(Stokes) 이동(
Figure pat00010
= 6.5 x 103 cm- 1)이 주목되었다(표 1). 1,4-디 옥산에서 EtOH로의 변화에 대한 용매화 발색 변화(solvatochromic shift, Δλfl)는 104 nm이었다 (도 1e, 표 1). PBS 완충액 (pH 7.4)에서 PyrPeg는 422 nm에서 λmax를 나타내었고(ε = 26,430 cm-1M-1) 형광은 너무 약해서 λfl 및
Figure pat00011
를 정확하게 측정하지 못하였다(표 1).
PyrPeg는 주사 람다 모드(scanning lamda mode)에서 740 nm에서 여기될 때 SH-SY5Y 세포(도 1h)에서 560 nm에서 λfl로 450-650 nm의 범위에서 넓은 TPEF를 방출하였다(도 1h). 스펙트럼은 EtOH에서 측정한 것보다 넒은 값을 나타내었고, λfl은 69 nm만큼 쉬프트되어 있었고, 이는 프로브 주변의 세포 내 환경이 EtOH에서보다 이종적이고 소수성이 있음을 나타낸다. 반면에 λfl 값은 1,4-디옥산/H2O (33/1)에서 측정한 값과 동일하며(도 1g), 이 혼합 용매는 프로브의 세포 내 환경을 적절하게 나타낸다. 따라서 바이오 이미징 실험을 위한 검출창으로 450-650 nm, 모델 용매로 1,4-디옥산/H2O (33/1)을 사용하였다.
PyrPEG, QAD1, SAD1 및 A의 다양한 용매에서의 광물리학적 특성
Probe Solvent (
Figure pat00012
Figure pat00013
)[a]
Figure pat00014
nM) [b]
Figure pat00015
/
Figure pat00016
[c]
Figure pat00017
[d] 		Δ
Figure pat00018
[e] 		Ф[f]
Figure pat00019
[g]
PyrPeg Dioxane (0.164) 441[i]/525 - - 0.84 650
Dioxane/H2O (33/1) 440[i]/560 - - 0.34 680
Dioxane/H2O (20/1) 440/582 - - 0.31 -
Dioxane/H2O (10/1) 444/598 - - 0.17 -
EtOH (0.654) 447[i]/629 104 6.5 ´ 103 0.03 -
Buffer (1.00) 63.8 422[i]/ - - - 0.00 -
QAD1 Dioxane (0.164) 438/490 - - 1.00 -
EtOH (0.654) 426/508 18 3.8 ´ 103 0.73 575
Buffer (1.00) 16.2 407/546 - - 0.01 -
SAD1 Dioxane (0.164) 363/429 - - 1.00 -
EtOH (0.654) 370/465 36 5.5 ´ 103 1.00 170
Buffer (1.00) 17 362/497 - - 0.24 -
Aβ probe 5 Dioxane (0.164) 500/613 - - - -
EtOH (0.654) 513/683 70 4.9 ´ 103 1.00 -
Buffer (1.00) 44.6 540/- - - 0.00 -
상기 표 1에서, [a] 괄호 안의 숫자는 용매 극성의 표준화 된 경험적 매개 변수이다. [b] 해리 상수. PyrPeg 및 SAD1의 Kd 값은 SPR 분광법으로 측정하였고, QAD1 및 A의 값은 형광 적정법으로 측정하였다. [c] λ_max는 나노 미터 단위의 단일 광자 흡수 및 방출 스펙트럼이다. [d] 디옥산에서 EtOH로의 용매 변화에 대한 Solvatochromic 이동(shift). [e] EtOH에서
Figure pat00020
와
Figure pat00021
로부터 계산된 스톡스 시프트(Stokes Shift). [f] 형광 양자 수율. 불확실성은 ±15 %로 설정되었다. [g] 10-50 cm4 / photon (GM)의 2 광자 단면, ±15 %의 불확실성. [i] 1,4- 디옥산, 1,4-디옥산/물 (33/1), EtOH 및 PBS 완충액에서 측정한 몰 흡광 계수(ε)는 각각 78,800, 70,850, 56,700 및 26,430이다.
TP 작용 단면적(TP Action Cross-Section, Φδ)의 측정
PyrPeg에 대한 TP 작용 단면적(Φδ) 값은 보고된 바와 같이 형광법에 의해 결정되었다(Lee, S. K. et al . Org Lett 7, 323-326, (2005)).
PyrPeg의 TP 작용 단면적(Φδ)은 다양한 용매에서 형광법으로 측정 하였다. Φδ는 형광을 통해 방출된 광자에 대한 TP 여기 광자의 비율로 밝기를 직접 측정하였다. 1,4-디옥산과 1,4-디옥산/H2O (33/1) 용매에서 PyrPeg의 최대 Φδ값(Φδmax)은 740 nm에서 543과 230 GM (1 GM = 10-50 cm4 s/광자) (도 1h). Φδmax에서 Φ로 나누어 계산한 PyrPeg의 δmax 값은 1,4-디옥산과 1,4-디옥산/H2O (33/1)에서 각각 650과 680 GM이다(표 1). PyrPeg의 Φδ값은 PLT- 황색, PMT-황색 및 Pyr-CT의 값과 유사하므로 PyrPeg의 많은 유도체에서 Φδ 값의 신뢰성을 확인하였다(Choi, J. W. et al . Anal Chem 88, 9412-9418, (2016); Cui, M. et al . J Am Chem Soc 136, 3388-3394, (2014)).
실시예 2: PyrPeg의 Aβ 42 올리고머에 대한 선택성 확인
다양한 아밀로이드 생성성 단백질(amyloidogenic proteins)에 대한 PyrPeg의 선택성을 조사하기 위해, 1차 배양된 성상교세포(astrocytes)를 Aβ42, tau 441 또는 α-시누클레인으로 24시간 처리하였다. 배양 후, 성상교세포 내에서 PyrPeg의 형광강도를 비교하였다(도 2a). Aβ42-처리된 성상교세포의 PyrPeg의 형광 강도가 타우 441 또는 α-시누클린-처리된 성상교세포에 비해 유의하게 높았으며 (도 2b) TPM 하에서 Aβ42 처리 SH-SY5Y 세포에서도 확인되었다.
PyrPeg로 치료한 성상교세포의 생존율을 1 nM에서 100 μM까지 측정하여 PyrPeg의 독성을 조사하였다. PyrPeg의 세포 독성은 Cell Counting Kit-8 (CCK-8 kit, Dojindo, Japan)을 사용하여 제조사 프로토콜에 따라 측정하였다. PyrPeg가 PyrPeg의 작업 농도인 0.1 μM까지 독성을 나타내지 않음을 확인하였다(도 2c). 이러한 결과는 PyrPeg가 다른 아밀로이드 형성 단백질보다 Aβ42에 특이적이라는 것을 나타낸다.
단량체 대 Aβ42의 올리고머 형태에 대한 PyrPeg의 선택성을 조사하기 위해, 표면 플라스몬 공명(SPR)을 사용하여 Aβ42 올리고머 또는 단량체에 대한 PyrPeg의 결합 친화력을 결정하였다. PyrPeg와 Aβ42 올리고머 또는 단량체의 결합에 대해 SPR로부터 센서그램을 얻었다(도 2d, f). 동역학 파라미터 Ka, Kd 및 KD는 BIAcore 평가 소프트웨어를 사용하여 결합 곡선을 간단한 2분자 결합 알고리즘(bimolecular binding algorithm)에 맞추어 추정하였다(도 2e, g). 이러한 결과를 바탕으로, PyrPeg와 Aβ42 올리고머의 겉보기 평형 해리 상수 (KD)는 6.38×10-8M이었다. 반면, PyrPeg와 Aβ42 모노머의 KD 값은 7.99×10-7M으로 계산되었다. Aβ42 올리고머에 대한 PyrPeg의 친화력은 Aβ42 모노머에 대한 것보다 약 12배 더 높다.
실시예 3: PyrPeg는 Th -S보다 Aβ 42 와 더 밀접하게 상호 작용함을 확인.
Aβ42 올리고머와 PyrPeg의 상세한 분자 상호 작용을 시각화하기 위해 PyrPeg (도 3a, c)의 분자 도킹을 수행하고 OP 이미징에서 Aβ 플라크의 염색에 널리 사용 되어온 Th-S (도 3b, d)와 비교하였다. 또한 PyrPeg와 Th-S를 Aβ42 다량체(multimer) (A에서 L로 표지된 각 Aβ42 단량체)의 결합 포켓(binding pocket)에 겹쳤다(도 3e). PyrPeg의 도킹은 Aβ42 다중체로 형성된 포켓 내부의 리간드가 도킹되어 결합 부위 잔기와의 중요한 상호 작용을 한다는 것을 보여 주었다(도 3a). 2D 상호 작용 영상은 Aβ42 다량체와 PyrPeg의 상세한 상호 작용을 보여 주었다(도 3c): Aβ42 단량체 B의 Histidine 14 (HIS B: 14)와 폴리에틸렌글리콜의 산소(O) 사이에 반데르발스(Van der Waals) 상호 작용보다 강한 수소 결합 상호 작용이 형성되었다. HIS C: 14와 PyrPeg의 첫 번째 벤조퓨란(benzofuran) 고리 사이에 π-π 스태킹 상호 작용이 있었다. 벤조퓨란 고리는 또한 GLY D: 33과 아미드(amide)-π 상호 작용 및 ILE D: 32와 π-알킬 상호 작용을 보여 주었다. 중심 피라진(pyrazine) 고리는 GLY E: 33과 아미드-π 적층 상호 작용과 π-알킬 ILE E: 32와의 상호 작용을 나타낸다. 그러나, 다른 벤조푸란 잔기는 ILE F: 32와의 아미드 π 적층 상호 작용을 통해 상호 작용했다. 이러한 π 적층 상호 작용은 비공유 상호 작용이며 단백질-리간드 인식과 같은 생물학적 사건의 중추적 역할을 한다. 다른 상호 작용의 대부분은 탄소-수소와 반데르발스 결합으로 구성되어 있어 PyrPeg가 Aβ 올리고머와 강력한 공유 결합 상호 작용을 한다는 것을 시사한다.
Th-S (도 3b, d)의 경우, 중심 벤조티아졸 고리는 HIS C: 14와 π-π 상호 작용을 통해 상호 작용하는 반면, 말단 벤조티아졸 고리는 ILE C : 32 및 GLY C : 33이다. 말단 벤조티아졸 고리의 7 위치에 있는 6 위치의 메틸기와 술 포닐 부분은 HIS B : 14와 각각 π-알킬 및 π-황 상호 작용을 통해 상호 작용한다. 마지막으로, N,N-디메틸아미노페닐 부분의 N-메틸 및 페닐기는 탄소-수소 및 아미드-π쇄 상호 작용을 통해 GLY E : 33을 통해 상호 작용한다. 이 결과는 PyrPeg와는 달리 대부분 약한 화학적 힘으로 알려져 있는 반데르발스 상호 작용에 의한 Aβ42 다량체에 의해 Th-S가 주변 포켓과 상호 작용한다는 것을 시사한다. 전반적으로 PyrPeg와 Th-S는 글라이딩 도킹 점수가 -8.94 kcal/mol 및 -8.66 kcal/mol인 Aβ42 멀티머에 각각 결합하여 PyrPeg가 Th-S보다 Aβ42 올리고머와 약간 강한 상호 작용을 나타냄을 확인하였다. 종합해보면, 이러한 상호 작용 패턴은 PyrPeg가 Th-S보다 Aβ 올리고머 검출에 우수한 프로브임을 시사한다.
실시예 4: PyrPeg의 Th -S보다 TP 이미징에 탁월함을 확인
PyrPeg가 TP 이미징에 최적인지 여부를 테스트하기 위해 PyrPeg의 TPEF 강도를 측정하고 PyrPeg의 Фδ 값을 Th-S의 Фδ 값과 비교하였다(도 3a). 그 결과, PyrPeg는 740 nm에서 230 GM의 Фδmax 값을 보였으나 Th-S는 전체 파장에서 매우 낮은 Фδ값(18 GM 미만)을 나타내어 PyrPeg가 Th-S보다 TP 이미징에서 우수함을 나타내었다(도 4a).
또한 이미징 조건 하에서 0.1 μm PyrPeg로 표지된 Aβ 펩타이드 처리 SH-SY5Y 세포의 TPEF 강도와 Rhodamine 6G의 TPEF 강도를 비교함으로써 유효 TP 작용 단면적(Φδeff)을 측정하였다.
유효 TP 작용 단면적(Φδ)eff는 보고된 바와 같이 결정되었다(Lee, S. K. et al . Org Lett 7, 323-326, (2005)). 간단히 말해서, PyrPeg-표지된 세포 및 델타 T-디쉬 내의 MeOH 중의 Rhodamine 6G 5.0 μM의 TPEF 강도를 TPM 설정에서 측정하였다. (Φδ)eff 값은 식 (Φδ)eff = Φrδr(Ip/Ir)을 사용하여 계산되었으며, 여기서 Ip 및 Ir은 각각 프로브로 표지된 세포로부터의 TPEF 강도 및 TPM 설정시 델타 T-디쉬에서의 5.0 μM의 Rhodamine 6G이다.
Φδeff 값은 1520 GM이었다. 모델 용매에서 측정 한 Φδ를 (Φδ)eff로 나누어 계산한 TPM 이미지의 밝은 점에서의 PyrPeg의 국소 농도는 7 μM으로 염색 매질에서보다 70 배 더 높았다. 이미징 실험에서 최적의 프로브 농도를 결정하기 위해, 가장 일반적으로 사용되는 AD 형질 전환 마우스 모델인 APP/PS1 마우스로 PyrPeg로 염색된 해마 절편에서 Фδ값을 측정하였다. APP-PS1 hippocampal slice가 0.1- 1.0m PyrPeg로 염색되었기 때문에 거의 모든 TPEF 강도를 나타내었으며 모든 영상 실험에서 0.1μM PyrPeg를 사용하였다. 생체 영상은 장시간의 여기 지속 시간으로 안정된 형광 강도를 필요로 하기 때문에 광 안정성은 최적의 TP 탐침의 핵심 요소 중 하나이다. 따라서, 연속적인 여기 약 1시간 동안 형광 강도를 모니터링하여 광안정성(photostability)을 측정하였다. TP 영상에서 Th-S의 낮은 형광 때문에, OP 영상에서 Th-S의 형광을 측정하고 PyrPeg의 TPEF와 비교하였다(도 4b, c). Th-S의 심한 광표백을 발견하였다. Th-S의 형광은 3500초 후 절반으로 감소하였다(도 4b). 대조적으로, PyrPeg의 TPEF 강도는 SH-SY5Y 세포에서 유사하게 발견된 2000~3500s (도 4c)에서 거의 동일하게 유지되었다. 이러한 결과는 Th-S와는 달리 PyrPeg가 뛰어난 광안정성을 나타냄을 나타낸다. 마지막으로, 뇌 조직에서 TP 이미징을 위한 Th-S에 대한 PyrPeg의 우수성을 검증하기 위해, WT 및 APP/PS1 마우스의 해마 슬라이스로부터 OP 및 TP 이미징에서 PyrPeg 및 Th-S의 형광 강도를 비교하였다(도 4d- h). 그 결과, WT 마우스는 Aβ 플라크가 없기 때문에 OP 영상에서 PyrPeg 및 Th-S 염색 조건의 형광 강도를 거의 나타내지 않았다(도 4d). OP 영상에서 PyrPeg와 Th-S는 모두 APP/PS1 마우스에서 높은 형광 강도를 보였다(도 4e). 그러나 TP 영상에서만 PyrPeg가 APP/PS1 마우스에서 높은 수준의 TPEF 강도를 보였으나 Th-S는 매우 낮은 TPEF 강도를 보였다(도 4f, g, h). 종합하면, PyrPeg는 우수한 광안정성과 높은 TPEF 강도로 인해 TP 이미징에 매우 적합한 것을 알 수 있다. SH-SY5Y 세포를 사용한 이러한 실험에서 PyrPeg는 10 μM 농도에서 최소 세포 독성을 나타냈다.
실시예 5: PyrPeg의 우수한 BBB 침투 및 Aβ와의 지속적인 결합성 확인
최적의 생체 내 뇌 영상 탐침으로서 PyrPeg는 최적의 친유성(logP 값 2 ~ 4) 및 BBB 침투 능력을 포함한 여러 요구 사항을 충족해야 한다(Vraka, C. et al . Nucl Med Biol 50, 1-10, (2017); Hitchcock, S. A. & Pennington, L. D. J Med Chem 49, 7559-7583, (2006)). PyrPeg의 로그 P값(3.51)에 기초하여, PyrPeg가 BBB를 관통할 수 있어야 한다고 예상하였다. 따라서, APP/PS1 마우스의 꼬리에 PyrPeg를 정맥 내 주사하여 다음 날에 해마 절편에서 형광을 조사하였다(도 5a, b). PyrPeg의 용량 의존적 영향을 조사하기 위해 APP/PS1 마우스에 1 mg/kg, 3 mg/kg, 10 mg/kg 및 20 mg/kg을 주입하고 24 시간 후에 마우스를 희생시켰다(도 5a). 흥미롭게도, 플라크 총 면적, 평균 플라크 크기, 플라크 면적 및 플라크 수는 OP 영상에서 PyrPeg의 농도가 높을수록 증가하였다(도 5c, d). 이러한 결과는 PyrPeg가 BBB를 쉽게 통과할 수 있음을 나타낸다. PyrPeg의 시간 의존 효과를 관찰하기 위해 PyrPeg의 형광을 주사 후 1일에서 2주까지 검사하였다. 다른 날에 PyrPeg의 1회 주사를 수행하고 2주, 1주, 2일 및 1일을 기다렸고 같은 날 형광을 조사하기 위해 마우스를 희생시켰다(도 5b). 결과적으로 PyrPeg의 형광은 주사 시작 후 2 주까지 남아 있음을 발견하였다(도 5e, f). 이러한 결과는 PyrPeg가 단 한 번의 투여로 오랜 기간 동안 Aβ 플라크를 추적하는 데 사용될 수 있음을 보여준다. 또한, PyrPeg가 우수한 BBB 투과성 및 Aβ와의 지속적인 결합으로 인하여 생체 내에서 Aβ 플라크를 검출하기 위한 우수한 뇌 이미징 프로브로서 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
실시예 6: AD 환자 뇌 및 APP/PS1 생쥐에서 PyrPeg의 Aβ 플라크의 선택적 표지 확인
사람 사후 AD 뇌 절편에서 PyrPeg가 다른 응집 단백질 중에서 Aβ 플라크를 특이적으로 표지할 수 있는지 테스트하기 위해 PyrPeg, Aβ 항체 (4G8, Aβ 섬유와 플라크의 응집 형태를 특이적으로 인식한다(KS Kim et al., Neurosci . Res . Commn . 2 (1988)) 및 인산화된 Tau 항체 (AT8) 공존분석(co-localization) 분석을 수행하였다(도 6a, b). PyrPeg의 형광이 Aβ 항체와 높은 공존분석을 나타내지만 p-Tau 항체가 아닌 것을 확인하였다(도 6a). 선측정 분석 결과, PyrPeg의 형광은 Aβ 플라크와 밀접하게 겹치지만 p-Tau에서는 그렇지 않았다(도 6b). 또한, Aβ와 동등하지만 p-Tau와는 국소화되지 않은 PyrPeg의 형광은 AD 뇌에서만 관찰되었지만 정상 뇌에서는 신호가 관찰되지 않았다(도 6c). PyrPeg와 Aβ 공-로컬리제이션의 비율은 AD 뇌에서 p-Tau의 그것보다 유의하게 높았다(도 6d). 따라서 PyrPeg가 AD 뇌에서 Tau 엉킴에 대한 Aβ 섬유소와 플라크의 응집 형태를 선택적으로 표지한다고 결론을 내리고, PyrPeg가 AD 진단에 유용할 수 있음을 확인하였다.
PyrPeg가 생체내 뇌 영상에 가장 적합한지 여부를 테스트하기 위해 PyrPeg를 주입한 APP/PS1 마우스의 후각 구내 생체 내 이미징을 통해 TPEF를 검사하였다. 후각 구근은 주로 AD 병리학 적으로 영향을 받기 때문에(Kovacs, T., Ageing Res Rev 3, 215-232, (2004); Warner, M. D. et al., Biol Psychiatry 21, 116-118 (1986)), 후각 구균을 관찰하는 것은 증상이 없는 전방 수태의 진행을 나타내는 지표가 될 수 있다. 따라서 1일째에 WT와 APP/PS1 마우스에 1mg/kg PyrPeg를 정맥 주사하고 2일째에 TP 생체 영상으로 형광을 검사하였다(도 6e). 그 결과, APP/PS1 마우스에서 PyrPeg의 밝은 형광이 관찰되었지만 WT 마우스에서는 형광이 발견되지 않았다(도 6f, g). 더불어 PyrPeg가 생체내 AD 진단 도구로서 Aβ 플라크의 검출에 이용될 수 있다는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 또는 플라크 검출용 이광자 프로브;

    [화학식 1]
    Figure pat00022


    상기 화학식 1에서
    R1은 -(CH2)xO(CH2)yO(CH2)zCH3이고,
    x와 y는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 2 내지 3의 정수를 의미하고, z는 0 내지 4의 정수, 바람직하게는 0 내지 2의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 1의 정수를 의미하고, R2 및 R3는 각각 독립적으로 H, -(CH2)m aF, -(CH2)nCH(CH2)oOH(CH2)pOH이고,
    m은 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 1 내지 3의 정수를 의미하며, a는 17 내지 21의 정수를 의미하며,
    n, o 및 p는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 0 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 3의 정수를 의미함.
  2. 제1항에 있어서, 상기 R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -H이고, 다른 하나는 -CH3인 것인 것을 특징으로 하는 이광자 프로브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아밀로이드 베타의 올리고머는 가용성 또는 비가용성 아밀로이드 베타의 올리고머인 것을 특징으로 하는 이광자 프로브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 아밀로이드 베타의 올리고머는 가용성 아밀로이드 베타42 (Aβ42)인 것을 특징으로 하는 이광자 프로브.
  5. 제1항에 있어서, 혈액 뇌 장벽(BBB : Blood Brain Barrier)을 통과할 수 있는 능력을 가지는 것을 특징으로 하는 이광자 프로브
  6. 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 아밀로이드 베타의 올리고머 또는 플라크 검출을 위한 PET용 추적자;

    [화학식 1]
    Figure pat00023


    상기 화학식 1에서
    R1은 -(CH2)xO(CH2)yO(CH2)zCH3이고,
    x와 y는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 2 내지 3의 정수를 의미하고, z는 0 내지 4의 정수, 바람직하게는 0 내지 2의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 1의 정수를 의미하고, R2 및 R3는 각각 독립적으로 H, -(CH2)m aF, -(CH2)nCH(CH2)oOH(CH2)pOH이고,
    m은 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 1 내지 3의 정수를 의미하며, a는 17 내지 21의 정수를 의미하며,
    n, o 및 p는 각각 독립적으로 0 내지 10의 정수, 바람직하게는 0 내지 5의 정수, 가장 바람직하게는 0 내지 3의 정수를 의미함.
  7. 제1항에 있어서, 상기 R1은 -CH2CH2OCH2CH2OCH3이고, R2 및 R3 중 하나는 -(CH2)2 18F 또는 -(CH2)2 19F이고, 다른 하나는 -H 또는 -CHOH(CH2)OH인 것을 특징으로 하는 PET용 추적자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 아밀로이드 베타의 올리고머는 가용성 또는 비가용성 아밀로이드 베타의 올리고머인 것을 특징으로 하는 PET용 추적자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 아밀로이드 베타의 올리고머는 가용성 아밀로이드 베타42 (Aβ42)인 것을 특징으로 하는 PET용 추적자.
  10. 제1항에 있어서, 혈액 뇌 장벽(BBB : Blood Brain Barrier)을 통과할 수 있는 능력을 가지는 것을 특징으로 하는 PET용 추적자
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이광자 프로브 또는 PET용 추적자를 포함하는 알츠하이머 질환의 진단용 조성물.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이광자 프로브 또는 PET용 추적자를 이용한 알츠하이머 질환의 진단을 위한 정보 제공 방법.
  13. 제12항에 있어서, 아밀로이드 베타의 올리고머 및 플라크의 형성 정도 및/또는 형성된 양을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 제공 방법.
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