KR20230111155A - 황화수소 검출용 이중-방식 프로브 및 이의 용도 - Google Patents

황화수소 검출용 이중-방식 프로브 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황화수소 검출용 이중-방식 프로브 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 뛰어나며 형광 및 핵 이미징이 가능한 이중-방식 프로브 및 이의 황화수소 검출 용도에 관한 것이다.
본 발명이 제공하는 착화합물은 황화수소와 선택적으로 결합하여, 세포 또는 조직 내에서 황화수소가 비정상적으로 증가된 부위를 선택적으로 영상화할 수 있으며, 특히 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 높아 다양한 신경염증성 질환에서 높은 수준으로 검출되는 뇌 황화수소를 매우 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 핵 및 형광 이미징이 동시에 가능한 이중-모드 조영제로서 활용될 수 있어 황화수소에 의해 매개되는 다양한 질환의 진단 용도 및 연구 용도로 매우 유용하게 활용될 수 있다.

Description

황화수소 검출용 이중-방식 프로브 및 이의 용도{Dual-modality probe for the detection of hydrogen sulfide and uses thereof}
본 발명은 황화수소 검출용 이중-방식 프로브 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 뛰어나며 형광 및 핵 이미징이 가능한 이중-방식 프로브 및 이의 황화수소 검출 용도에 관한 것이다.
최근 연구 결과에 따르면 황화수소는(H2S)는 산화질소(nitric oxide)와 일산화탄소(carbon monoxide)와 더불어 3차 기체신호전달물질(3th gasotransmitter) 및 기체(gasomediator)로서 다양한 생리현상에 참여하는 것으로 알려져 있다.
혈액 내 플라즈마의 H2S 농도는 50-100 μM 수준으로 알려져 있는데, H2S는 다양한 염증반응, 심혈관 질환, 혈관확장, 포도당 대사, 신생혈관형성 등 다양한 생리작용에 있어 중요한 신호전달 물질로 작용하고 있음이 최근연구 결과 등을 통해 보고되고 있으며, 이 H2S 농도 수준을 검출하는 것만으로도 다운 증후군, 알츠하이머 병, 당뇨병, 간경변증 등의 질병 진단도 가능한 것으로 알려져 있다.
특히, 상기 H2S는 K-ATP 채널의 개시자(opener)역할을 하여 심혈관 시스템의 항상성에 기여하며, 손상된 심혈관 근육의 치유 역할로 각광받고 있고, 이와 관련하여 종래 WO 2014027820 A1에서는 황화수소 농도를 실시간으로 검출하는 H2S 센서를 구비하는 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치가 개시된 바 있다.
또한, 생체 내 H2S는 시스타티오닌 -신타아제(CBS), 시스타티토닌 -리아제(CSE), 3-메르타토피루베이트 설퍼트랜스페라제(3-MST)의 3가지 효소를 통해 생성되고, H2S는 세포 면역 시스템과 항산화 작용으로 세포를 보호하는 역할을 하는 글루타친(GSH)을 유도하여 세포 내 산화 작용을 억제하는데, CSE에 의해 생성된 세포질 내 H2S는 세포 내 산화 스트레스가 커지면 K-ATP 채널을 통해 미토콘드리아로 유입되고, 3-MST와 CAT 효소에 의해 생성된 미토콘드리아 내 존재하는 H2S와 함께 GSH를 유도하여 세포를 보호한다.
이와 같이 H2S가 GSH의 농도 변화를 유도함으로서 실질적인 세포 보호를 함에 따라 세포의 기능 저하를 막고, 세포자살(apoptosis)를 억제하는 중재자 역할을 하므로 미토콘드리아 내 H2S 검출 및 농도를 알 수 있다면 다양한 생명 현상을 연구하는데 기여할 것으로 보고 있다.
이에, 황화수소를 검출하고 정량할 수 있는 다양한 기술이 경쟁적으로 개발되고 있으며 특히 체내에서 황화수소를 비침습적인 영상을 이용한 검출방법의 개발의 중요성이 대두되고 있다.
황화수소의 질병 진단 및 생리 현상 참여에 주목하여 현재 다양한 형태의 표지자가 소개되고 있으나, 황화수소를 검출하고, 정확히 정량하기 위해서는 액체 상태에서 H2S를 측정할 수 있어야 하고, 다른 음이온종 사이에 선택성을 보유해야 하며, 환원형 글루타치온(GSH)과 선택성을 가지는 등의 조건이 요구되어 매우 어렵고 복잡한 것으로 알려져 있다.
이와 관련하여 현재까지는 대부분 세포 내 사이토솔(Cytosol) 및 혈액의 플라즈마 내 황화수소의 화학적 특성을 이용하는 발색단을 이용한 검출 방법, 황화이온에 특이적인 전극을 통과시켜 검출하는 방법, 가스 크로마토그래피를 이용하는 검출 방법들이 사용되었고, 최근 들어 다양한 형광탐침법(fluorescent probe) 들이 개발되고 있으나, 형광탐침법의 한계성 등으로 인해, 소동물 수준에서 매우 제한적으로 영상을 통한 황화수소 검출이 이루어지고 있는 상황이므로 실제 생체 영상 및 생명 현상 연구에는 극히 제한적일 수밖에 없다.
종래 H2S 검출을 위한 형광 프로브로서 2,4,6-트리아릴피리디움 양이온 화합물이 개시된 바 있으나(Journal of the American Chemical Society, 125, 9000, 2003), 상기 화합물의 경우 GSH와의 반응 경합을 피할 수 없다는 문제가 있고, 또한, 형광 증대형 프로브로서 2,4-디니트로벤젠 설포닐 플루오로세인을 이용하는 방법도 제안되었으나(Analytica Chimica Acta, 631, 91, 2009), 시간이 지남에 따라 술폰산 에스테르가 가수 분해하여 형광 강도가 변화한다는 문제점이 있다.
이 외에도 2가 구리 이온(Cu2+)을 포함하는 2,2-디피콜릴아민기를 가지는 아미노플루오레세인 화합물(DPA-4-AF)가 공개된 바 있고(Myung Gil Choi, et. al.,　Chem.　Commun., (47), 7390-7392, 2009), WO2012-144654A1에서는 형광물질이 사이클렌, 사이클람 및 TACN 등에 부착되어 있는 형태의 화합물이 개시되어 있는데, 상기 화합물은 화합물 자체로 형광을 띄고 있다가 구리와 결합하여 착화합물이 형성되면서, 구리 이온에 의해 소광(quenching)이 일어나 더 이상 형광을 띄지 않는 물질로서, 황화수소가 상기 착화합물과 반응 하게 되면, CuS 형태로 상기 구리 착물이 떨어져 나오게 되는데, 그 정도에 따라 복원되는 형광의 정도의 차이가 생기게 되는 원리를 이용하여 황화수소의 양을 정량하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 화합물은 세포수준에서 영상을 획득하는 수준으로 동물 수준에서 선택적으로 황화수소를 검출하기까지는 아직 여러 문제점이 있고, 여전히 기존 검출 방법을 대체할 수 있는 새로운 기술 개발이 요구되고 있다.
한편, 뇌에서 H2S는 기억과 인지에 중요한 역할을 한다. 또한 항산화, 항염증, 항세포자멸사 및 추가 효과를 통해 신경 장애와 관련이 있다. 내인성 H2S 수준의 교란은 알츠하이머 병 및 파킨슨 병과 같은 신경퇴행성 장애와 관련이 있다. 최근 연구에 따르면 H2S는 신경계 질환에서 신경 보호제로서 치료 가능성이 있다.
H2S의 다양한 병태생리학적 효과의 기본 메커니즘을 연구하고 뇌에서 H2S의 새로운 역할을 식별하려면 뇌에서 H2S 농도를 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 분광법, 크로마토그래피 및 전기화학적 방법과 같은 H2S를 정량화하는데 여러 가지 방법이 일반적으로 사용되지만 생물학적 시료의 H2S 수준을 올바르게 반영하지 않는다. 이러한 모든 방법은 침습적이며 살아있는 세포와 동물에서 비침습적으로 H2S 농도를 모니터링할 수 없다. 지난 10년 동안 형광 프로브를 사용한 H2S 바이오센싱에서 눈에 띄는 발전이 있었다. H2S의 다양한 화학적 특성을 이용하여 매우 선택적이고 민감한 형광 이미징 프로브를 개발했다. 살아있는 세포 소기관 내부의 서브 마이크로몰 H2S 농도는 형광 현미경에 의해 고해상도에서 민감하게 검출되었다. 그러나 광학 이미징의 고유한 짧은 조직 침투 특성(일반적으로 몇 밀리미터 미만)으로 인해 작은 마우스의 내부 장기도 형광 프로브를 사용하여 정확하게 이미지화할 수 없다. 단단한 두개골 내부에 안전하게 위치한 뇌는 광학 이미징에 있어 가장 까다로운 기관 중 하나이다.
이에, 본 발명자는 체내 각 장기, 특히 뇌에서의 황화수소 검출이 가능한 이미징 프로브를 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 방사성 동위원소 구리의 리간드와 형광물질이 결합된 화합물 및 구리를 포함하는 착화합물이 놀라울 정도로 뛰어난 뇌 분포도를 나타낼 뿐 아니라, 형광 및 핵 이미징이 동시에 가능한 이중-방식 조영제로서 활용될 수 있다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 하기 화학식 1로 표시되는 방사성 동위원소 Cu가 도입된 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 제공하는 것이다:
[화학식 1]
(상기 식에서,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C10의 직쇄 또는 측쇄 알킬이며,
Cu는 60Cu,　61Cu,　62Cu,　64Cu 또는　67Cu　이다.)
본 발명의 다른 목적은 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 조영제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 염증성 질환 진단용 조성물을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 방사성 동위원소 Cu가 도입된 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 제공한다:
[화학식 1]
(상기 식에서,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C10의 직쇄 또는 측쇄 알킬이며,
Cu는 60Cu,　61Cu,　62Cu,　64Cu 또는　67Cu　이다.)
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 조영제를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 염증성 질환 진단용 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 방사성 동위원소 Cu가 도입된 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 제공한다:
[화학식 1]
(상기 식에서,
R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C10의 직쇄 또는 측쇄 알킬이며,
Cu는 60Cu,　61Cu,　62Cu,　64Cu 또는　67Cu　이다.)
본 발명의 일 양태에서, 상기 화학식 1의 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C5의 직쇄 또는 측쇄 알킬일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에서, 상기 화학식 1의 R1 내지 R3는 각각 독립적으로 C1-C5의 직쇄 또는 측쇄 알킬일 수 있고, 상기 R4 및 R5는 수소일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에서, 상기 화학식 1의 R1 내지 R3는 C1-C5의 직쇄 또는 측쇄 알킬일 수 있고, 상기 R4 및 R5는 수소일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에서, 상기 화학식 1의 R1 내지 R3는 메틸일 수 있고, 상기 R4 및 R5는 수소일 수 있다.
본 발명에서 상기 Cu는 60Cu,　61Cu,　62Cu,　64Cu 또는　67Cu　일 수 있으며, 바람직하게는 64Cu일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 “착화합물”이란 착체(complex)와 동일한 의미로 이해될 수 있으며, 중심 원자 또는 이온, 그리고 이와 배위 결합되면서 둘러싸는 분자 또는 음이온(구체적으로 리간드)으로 이루어지는 구조를 의미할 수 있다.
본 발명이 제공하는 상기 착화합물의 방사성 동위원소 Cu는 생체 내에서 상기 착화합물로부터 분리되어, 선택적으로 황화수소와 황화구리(CuS)를 형성하며, 상기 황화구리로부터 감마선이 방출되어 핵 이미징이 가능할 수 있도록 한다. 동시에, 본 발명이 제공하는 상기 착화합물의 형광 구조로 인해 형광 이미징이 가능할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 1의 착화합물을 이용하여 동물 모델에 형광 및 핵 의학 영상 등을 통해 실시간 관찰한 결과, 본 발명에 따른 상기 착화합물은 황화수소와 선택적으로 결합하고, 황화수소와 반응 속도가 빠름이 확인됨에 따라, 세포 또는 조직 내에서 황화수소가 비정상적으로 증가된 부위를 선택적으로 영상화할 수 있어, 신체 부위의 해부학적 특성에 영향을 주지 않으므로 전혀 예측하지 못한 부분의 질병도 발견할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 조영제 투여 후 일정시간이 지난 다음 검사를 하는 문제점을 해결할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 상기 화학식 1의 착화합물은 혈액-뇌 장벽 투과에 적절한 친유성을 나타내어 신체 각 장기들 중 뇌에서의 분포가 특히 높고, 잔류 시간도 높아 뇌에서의 황화수소 검출에 매우 유용할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 화학식 1에 따른 착화합물의 친유성 log D7.4는 1.5 내지 3.0일 수 있고, 바람직하게는 1.5 내지 2.5일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 1.5 내지 2.0일 수 있어 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 우수할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에 따른 방사성 동위원소 Cu가 도입된 착화합물은 황화수소 검출용 프로브로서 활용되어, 체내에 투여후 황화수소가 비정상적으로 증가된 위치 또는 조직들에 국부적으로 위치하는 세포 및 세포외기질 내 황화 이온을 영상화할 수 있도록 한다.
본 명세서에서 사용된 용어, “약학적으로 허용가능한”이라는 용어는 과도한 독성, 자극, 알러지 반응 또는 기타 문제점이나 합병증 없이 이득/위험 비가 합리적이어서 대상체(예를 들어, 인간)의 조직과 접촉하여 사용하기에 적합하며, 건전한 의학적 판단의 범주 이내인 화합물 또는 조성물을 의미한다.
본 발명의 화학식 1로 표시되는 착화합물은 약학적으로 허용 가능한 염의 형태로 사용될 수 있으며, 염으로는 약학적으로 허용 가능한 유리산(free acid)에 의해 형성된 산 부가염이 유용할 수 있다.
산 부가염은 염산, 질산, 인산, 황산, 브롬화수소산, 요오드화수소산, 아질산 또는 아인산과 같은 무기산류와 지방족 모노 및 디카르복실레이트, 페닐-치환된 알카노에이트, 하이드록시 알카노에이트 및 알칸디오에이트, 방향족 산류, 지방족 및 방향족 설폰산류와 같은 무독성 유기산으로부터 얻을 수 있다.
이러한 약학적으로 무독한 염류로는 설페이트, 피로설페이트, 바이설페이트, 설파이트, 바이설파이트, 니트레이트, 포스페이트, 모노하이드로겐 포스페이트, 디하이드로겐 포스페이트, 메타포스페이트, 피로포스페이트 클로라이드, 브로마이드, 아이오다이드, 플루오라이드, 아세테이트, 프로피오네이트, 데카노에이트, 카프릴레이트, 아크릴레이트, 포메이트, 이소부티레이트, 카프레이트, 헵타노에이트, 프로피올레이트, 옥살레이트, 말로네이트, 석시네이트, 수베레이트, 세바케이트, 푸마레이트, 말리에이트, 부틴-1,4-디오에이트, 헥산-1,6-디오에이트, 벤조에이트, 클로로벤조에이트, 메틸벤조에이트, 디니트로 벤조에이트, 하이드록시벤조에이트, 메톡시벤조에이트, 프탈레이트, 테레프탈레이트, 벤젠설포네이트, 톨루엔설포네이트, 클로로벤젠설포네이트, 크실렌설포네이트, 페닐아세테이트, 페닐프로피오네이트, 페닐부티레이트, 시트레이트, 락테이트, β-하이드록시부티레이트, 글리콜레이트, 말레이트, 타트레이트, 메탄설포네이트, 프로판설포네이트, 나프탈렌-1-설포네이트, 나프탈렌-2-설포네이트 또는 만델레이트를 포함한다.
본 발명에 따른 산 부가염은 통상의 방법, 예를 들면, 상기 화학식 1의 화합물을 산 수용액 중에 용해시키고, 이 염을 수혼화성 유기 용매, 예를 들면 메탄올, 에탄올, 아세톤 또는 아세토니트릴을 사용하여 침전시켜서 제조할 수 있다. 또한, 이 혼합물에서 용매나 과량의 산을 증발시킨 후 건조시키거나 또는 석출된 염을 흡입 여과시켜 제조할 수도 있다.
또한, 염기를 사용하여 약학적으로 허용 가능한 금속염을 만들 수도 있다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염은 예를 들면, 상기 화학식 1의 화합물을 과량의 알칼리 금속 수산화물 또는 알칼리 토금속 수산화물 용액 중에 용해하고, 비용해 화합물 염을 여과하고, 여액을 증발, 건조시켜 얻는다. 이때, 금속염으로는 나트륨, 칼륨 또는 칼슘염을 제조하는 것이 제약 상 적합할 수 있다. 이에 대응하는 은염은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염을 적당한 은염(예, 질산은)과 반응시켜 얻는다.
본 발명은 또한 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 조영제를 제공한다.
상기 조영제는 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, PET(positron emission tomography)용 조영제, 형광 이미징용 조영제, 감마카메라용 조영제, SPECT (single photon emission computed tomography)용 조영제, 체렌코프 광학영상 조영제, 및 CCD(charge-coupled device)용 조영제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있으며, 영상화용 조성물 또는 영상화 방법 등 질병 진단 수단으로 유용하게 이용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 조영제는 PET(positron emission tomography)용 조영제 및/또는 형광 이미징용 조영제일 수 있고, PET 및 형광 이미징이 동시에 가능한 이중 방식(dual-modality) 조영제인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명이 제공하는 상기 조영제는 전술한 바와 같이 황화수소와 특이적으로 반응하여 이미징을 가능케 할 수 있기 때문에 체내 황화수소 검출용 조영제로서 활용이 될 수 있고, 바람직하게는 높은 뇌 투과 특성을 통해 뇌 황화수소 검출용 조영제로서 활용이 될 수 있다.
실제 사용에 있어서, 본 발명의 상기 조영제는 통상적인 약제학적 조제 기술에 따른 약학적으로 허용되는 담체와 조합될 수 있다. 상기 담체는, 예를 들어 경구 또는 (정맥내 투여를 비롯한) 비경구 투여에 바람직한 제조에 따라 광범위하게 다양한 형태를 지닐 수 있다.
아울러, 본 발명의 상기 조영제는 0.1 mg/kg 내지 1 g/kg의 용량으로 투여될 수 있으며, 더 바람직하게는 0.1 mg/kg 내지 500 mg/kg의 투여량으로 투여될 수 있다. 한편, 상기 투여량은 일간 또는 연간 허용되는 방사능 피폭양의 범위 내에서 환자의 나이, 성별 및 상태에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 상기 조영제는 약학적으로 허용되는 담체를 비롯한 불활성 성분을 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "약학적으로 허용된 담체"란 조성물, 구체적으로 의약 조성물의 활성 물질을 제외한 성분을 지칭하는 용어이다. 제약상 허용되는 담체의 예로는 결합제, 붕해제, 희석제, 충진제, 활택제, 가용화제 또는 유화제 및 염이 포함된다.
상기 조영제는 비경구 투여로 상기 개체에 투여될 수 있으며, 상기 비경구 투여는 정맥내 투여(intravenous injection), 복강내 투여(intraperitoneal injection), 근육내 투여(intramuscular injection), 또는 피하 투여(subcutaneous injection)일 수 있으나, 정맥내 투여가 가장 바람직할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 염증성 질환 진단용 조성물을 제공한다.
상기 염증성 질환은 질환 부위에 황화수소의 농도가 높아져 있는 것이 바람직하며, 이의 비제한적인 예시로 신경염증성 질환, 류마티스성 관절염, 비류마티스성 염증성 관절염, 라임병과 관련된 관절염, 염증성 골관절염, 뇌수막염, 골수염, 염증성 장 질환 (inflammatory bowel disease), 충수염, 췌장염, 패혈증, 신우염, 신장염 및 세균감염에 따른 염증질환이 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 신경염증성 질환은 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 알츠하이머병, 혈관성 치매, 전두측두엽 치매, 알콜성 치매, 파킨슨병, 외상성 뇌 손상, 니만픽병, 근위축성축삭경화증, 다발성 경화증, 헌팅턴병, 크로이츠펠트야곱병 및 뇌졸중이 포함될 수 있다. 황화수소와 관련성이 알려진 신경염증성 질환에 대해서는 CNS & Neurological Disorders - Drug Targets, 2018, 17, 654-670, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135(26), 9915-9923, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2021, 118(4), 33431651, Handb Exp Pharmacol. 2015;230:193 등 다양한 공지의 문헌이 참고될 수 있다.
본 발명에서 상기 심장질환은 그 종류가 특별히 제한되지 않으나, 심근경색, 심장허혈, 협심증, 심근증 및 심내막염이 포함될 수 있다.
본 발명은 또한 방사성 동위원소 Cu가 도입된 상기 화학식 1의 착화합물을 약물학적 담체 내에 제공하는 단계; 상기 착화합물을 포유동물에 주사하는 단계; 및 방사성 진단 영상화 기구 및 형광 이미징 기구를 사용하여 포유동물을 스캐닝하는 단계를 포함하는 체내 황화수소를 검출하는 방법을 제공한다.
상기 포유동물은 인간 또는 인간을 제외한 포유동물일 수 있다.
본 발명이 제공하는 착화합물은 황화수소와 선택적으로 결합하여, 세포 또는 조직 내에서 황화수소가 비정상적으로 증가된 부위를 선택적으로 영상화할 수 있으며, 특히 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 높아 다양한 신경염증성 질환에서 높은 수준으로 검출되는 뇌 황화수소를 매우 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 핵 및 형광 이미징이 동시에 가능한 이중-모드 조영제로서 활용될 수 있어 황화수소에 의해 매개되는 다양한 질환의 진단 용도 및 연구 용도로 매우 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 Cu-ASTM-FITC의 합성 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 ATSM-FITC(4)의 1H NMR 스펙트럼 데이터이다.
도 3은 ATSM-FITC(4)의 13C NMR 스펙트럼 데이터이다.
도 4는 ATSM-FITC(4)의 HRMS 스펙트럼 데이터이다.
도 5는 Cu-ATSM-FITC(5)의 HRMS 스펙트럼 데이터이다.
도 6은 Cu-ATSM-FITC(5)의 감도 및 선택성 실험 결과이다.
(a) PBS(10% DMSO, pH 7.4)에서 Cu-ATSM-FITC(5)의 흡광도 및 방출 스펙트럼.
(b) 다양한 농도의 H2S(0-100 μM)와 반응 후 프로브 Cu-ATSM-FITC(5)(10 μM)의 형광 스펙트럼.
(c) NaHS, L-Cys 및 GSH 존재 하 Cu-ATSM-FITC(5)의 시간에 따른 형광 광도를 확인한 결과.
(d) H2S를 포함한 다양한 생물학적 경쟁자에 대한 Cu-ATSM-FITC(5)의 선택성.
(e) HeLa 세포주에서 Cu-ATSM-FITC(5)의 in vitro 세포독성 실험 결과.
도 7은 Cu-ATSM-FITC(5)가 H2S와 반응하여 형광 활성을 나타내는 기전을 나타낸 도면이다.
도 8은 H2S 존재하 Cu-ATSM-FITC(5)의 검출 한계를 확인한 실험 결과이다.
도 9는 ATSM-FITC(4)의 양자 수율을 플루오레세인 표준값과 비교하여 방적식에 따라 산출한 결과이다.
도 10은 다양한 pH에서 H2S 존재하 또는 부재하 Cu-ATSM-FITC(5)의 형광 강도 변화를 확인한 결과이다.
도 11은 Cu(ATSM-FITC)(5) 복합체의 독성에 대한 시험관 내 평가 결과를 나타낸다((a) 인간 자궁경부암 HeLa 세포, (b) 인간 간암 세포주(HepG2) 및 (c) 인간 배아 신장 293(HEK293) 세포).
도 12는 다양한 세포주에 대한 CuS의 독성에 대한 시험관 내 MTT 어세이 평가 결과를 나타낸다((a) HeLa, (b) 인간 배아 신장 293(HEK293), (c) 인간 간암 세포(HepG2) 및 (d) 인간 뇌 교모세포종 세포(U87MG)).
도 13은 Cu(ATSM-FITC)(5)를 고용량으로 투여한 마우스 뇌 대뇌 피질의 조직학 H&E 염색 결과를 나타낸다.
도 14는 살아있는 HeLa 세포에 Cu-ATSM-FITC(5)를 처리하고 형광 이미징을 통해 외인성 및 내인성 H2S를 검출한 결과이다.
도 15는 Cu-64로 방사선 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6)이 H2S에 반응하여 탈착물화(decomplexation)되어 64CuS가 침전되는 과정을 나타낸 모식도(a), Cu-ATSM-FITC(5)의 UV-HPLC 프로파일(검정) 및 64Cu-ATSM-FITC(6)의 radio-HPLC 프로파일(빨강)을 나타내고(b), 다양한 농도의 NaHS와 반응한 64Cu-ATSM-FITC(6)의 탈착물화 프로파일을 나타낸 도면(c)이다.
도 16은 [64Cu][Cu(ATSM-FITC)](6)의 37 °C 에서 PBS 및 FBS에서의 안정성을 평가한 결과이다.
도 17은 64Cu-ATSM-FITC(6)에 의한 마우스 뇌 내 내인성 H2S의 in vivo 검출 결과를 나타낸 도면이다.
(a) 정상 BALB/c 마우스에서 64Cu-ATSM-FITC(6)를 투여한 이후 표시된 시간에서 조직별 분포도를 확인한 결과.
(b-e) 64Cu-ATSM-FITC(6)를 투여하고 1시간 경과 후 PET/CT 이미지.
(f) H2S 저해제인 AOAA를 처리한 마우스에 64Cu-ATSM-FITC(6)를 투여하고 1시간 경과 후 PET/CT 이미지.
(g) 정상 마우스 및 AOAA 처리 마우스의 뇌에서 64Cu-ATSM-FITC(6) 투여 후 1시간 경과 후 흡수된 양을 정량화 한 결과.
(h) 정상 마우스 및 AOAA 처리 마우스에서 H2S의 뇌 농도를 메틸렌 블루 방법을 이용하여 정량한 농도 및 본 발명에 따른 생체 분포에 기초한 상대적 정량 결과를 나타낸 도면.
도 18은 64Cu-ATSM-FITC(6)을 SD-rat에 투여 후 1시간에 뇌의 관상면(a), 시상면(b) 및 횡단면(c)의 PET/CT 이미지를 나타낸 도면이다.
도 19는 64Cu-ATSM-FITC(6)를 이용하여 신경염증 동물모델에서 H2S를 핵의학 이미징으로 검출한 결과를 나타낸 도면이다.
(a) 마우스 뇌 우반구에 LPS를 투여하여 신경염증 동물모델을 유도하는 방법을 나타낸 모식도.
(b) 64Cu-ATSM-FITC(6)를 대조군 및 LPS-처리 동물모델에 투여하고 10분 경과 후 뇌 PET 이미징 결과 (하얀 화살표: LPS 투여 부위).
(c) 대조군 및 LPS-처리 동물모델 뇌에서 64Cu-ATSM-FITC(6)를 정량한 결과.
(d) PET 이미징 후 즉시 메틸렌 블루 방법에 따라 대조군 및 LPS-처리 동물모델 뇌에서 H2S를 정량화한 결과.
도 20은 ATSM-aniline(9)을 합성하고 이를 Cu-64로 방사선 표지하여 64Cu-ATSM-aniline(10)을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 21은 64Cu-ATSM-aniline(10)를 정상 BALB/c 마우스에 투여하고 4시간 경과 후 생체 분포도를 확인한 결과이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.
실험방법
1. 2-(6-hydroxy-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)-5-((E)-2-((E)-3-(2-(methylcarbamothioyl)hydrazono)butan-2-ylidene)hydrazinecarbothioamido)benzoic acid의 합성(ATSM-FITC, 4)
메탄올(15mL) 중 화합물 3(191mg, 1.02mmol)을 FITC-NCS(380mg, 1.02mmol, 15mL)의 메탄올 용액에 첨가하고, 혼합물을 실온의 암실에서 교반하였다. 반응을 TLC(실리카, MeOH:CH2Cl2 = 5:95)로 모니터링하고 30분 이내에 완료되는 것으로 확인되었다. 감압하에 농축하여 밝은 노란색 고체를 얻었고, 이를 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 ATSM-FITC(4)를 노란색 고체(303 mg, 52.7%)로 얻었다.
1H NMR (500 MHz; DMSO-d6): δ 2.28 (s, 3H), 2.32 (s, 3H), 3.05 (d, 3H, J = 4.5 Hz), 6.576.62 (m, 4H), 6.69 (s, 1H), 6.70(s, 1H), 7.27 (d, 1H, J = 8.5 Hz), 8.02 (dd, 1H, J = 2Hz, J = 8.5 Hz), 8.35 (d, 1H, J = 2 Hz), 8.44-8.43 (m, 1H), 10.14 (s, 2H), 10.23 (s, 1H), 10.34 (s, 1H), 10.87 (s, 1H) ppm; 13C NMR (125 MHz; DMSO-d6): δ 12.26, 12.68, 31.71, 83.54, 102.76, 110.00, 113.10, 120.23, 124.12, 126.60, 129.42, 133.02, 141.10, 148.10, 149.39, 150.55, 152.30, 159.96, 168.87, 177.15, 178.99 ppm; HRMS (FAB) m/z calcd. 577.1332 for C27H24N6O5S2 [M+H]+, found 577.1332.
2. 2-(6-hydroxy-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)-5-((E)-2-((E)-3-(2-(methylcarbamothioyl)hydrazono)butan-2-ylidene)hydrazinecarbothioamido)benzoic acid의 구리(II) 착물의 합성(Cu-ATSM-FITC (5)):
메탄올(1mL) 중 ATSM-FITC(4)(103mg, 0.18mmol)의 용액에 메탄올(1 mL) 중 CuCl2·2H2O를 첨가하였다. (46 mg, 0.27 mmol). 짙은 갈색 침전물이 즉시 형성되었다. 이어서, 혼합물을 환류하에 2시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후 침전물을 수집하고 메탄올(3 x 1mL)로 세척하고 진공 건조하여 Cu-ATSM-FITC(5)를 갈색 고체(38mg, 33%)로 얻었다. 화합물의 순도는 HPLC 프로필[Waters, Grace smart RP C18 컬럼(4.6mm Х 250mm, 5μm), 등용매 이동상 MeOH:H2O = 60:40, 유속 1mL/min)에 의해 확인되었고, HRMS에 의해 규명되었다.
HRMS (FAB) m/z calcd. 638.0462 for C27H22CuN6O5S2 [M+H]+, found 638.0470.
3. 64 Cu를 사용한 ATSM-FITC(4)의 방사성 표지:
킬레이터의 스톡 용액(1μg/μL)을 무수 DMSO에서 준비했다. ATSM-FITC(4)와 64Cu의 착물화는 0.01M HCl(1-5μL)에 캐리어가 첨가되지 않은 64CuCl2(18.5~111MBq)를 0.1 M 암모늄 아세테이트(pH 6.8, 100 μL) 내 킬레이터 용액(10~20μg)과 혼합하여 수행되었다. Thermomixer(800 rpm, Eppendorf)에서 60°C에서 20분 동안 인큐베이션 했다. 반응의 완료는 방사성 박막 크로마토그래피(radio-TLC) [실리카, MeOH:EtOAc = 5:95]에 의해 확인되었다. 64Cu-ATSM-FITC(6)의 형성은 64Cu-ATSM-FITC(6)와 Cu-ATSM-FITC(5)의 HPLC 프로필을 비교함으로써 확인되었다(Waters, Grace Smart RP C18 컬럼[4.6mm Х 250mm, 5μm], MeOH:H2O = 60:40으로 구성된 등용매 이동상, 유속 1mL/min)
4. 시험관내 혈청 안정성:
64Cu-ATSM-FITC(6)(10μL, 37MBq)를 먼저 FBS(500μL) 또는 동일한 부피의 PBS(pH 7.4)와 혼합하고 혼합물을 37℃에서 인큐베이션 했다. 탈금속화를 방사성 박막 크로마토그래피(radio-TLC) (실리카, MeOH:EtOAc = 5:95)로 최대 12시간 동안 모니터링했다.
5. 동물 실험:
모든 동물 실험은 경북대학교 동물보호위원회에서 제정한 승인된 동물 프로토콜 및 지침(No. KNU 2017-0096, 2019-0009, 2019-0101, 2020-0079)에 따라 수행되었다.
수컷 BALB/c 마우스(6~9주)는 효창바이오사이언스(대구, 한국)에서 구입하였다. 모든 마우스는 밤낮의 12시간 주기로 충분한 물과 상업용 음식과 함께 20-24℃에 수용되었다. H2S 억제 연구를 위해 수컷 BALB/c 마우스에게 64Cu-ATSM-FITC6)를 꼬리 정맥으로 투여하기 1시간 전에 AOAA((O-(carboxymethyl) hydroxylamine hemihydrochloride, 10 mg/kg, Sigma-Aldrich (C13408-1G))를 복강 내 주사했다.
6. 신경 염증 동물 모델의 준비:
이소플루란 마취하에 마우스를 정위 프레임에 장착했다. 각 마우스는 오른쪽 선조체(전후부[AP], 0.5mm, 내측)에 멸균 식염수(대조군) 또는 LPS(5mg/mL, Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA, 카탈로그 번호: L2630)를 자동 마이크로인젝터에 부착된 28게이지 Hamilton 주사기를 사용하여 일방적으로 주입했다. 주입은 10분 동안 0.2μL/min의 속도로 이루어졌다. 각 주사 후 바늘을 천천히 후퇴시키기 전에 5분 동안 제자리에 두었다.
7. 정상 마우스에서 64 Cu-ATSM-FITC(6)의 생체 분포 연구:
BALB/c 마우스(수컷, 9주령)를 사용하여 64Cu-ATSM-FITC(6)의 전신 분포 및 제거율을 조사했다. 식염수(5% DMSO, 200μL) 중 방사능 0.56~0.74MBq의 64Cu-ATSM-FITC(6)를 마취 하에 꼬리 정맥을 통해 마우스에 주입했다. 마우스는 주사 후 5분, 30분, 1시간 및 2시간 후에 희생되었다(n = 4). 혈액을 채취하고 심장, 폐, 근육, 지방, 뼈, 비장, 신장, 간, 장 및 뇌를 포함한 장기를 채취하고 무게를 잰 다음 γ-counter(Wallac Wizard 1480, PerkinElmer, France)를 사용하여 분석했다. 방사능은 그램당 주사된 용량의 백분율(%ID/g)로 계산되었다.
8. 메틸렌 블루 방법에 의한 뇌 H 2 S 정량:
메틸렌 블루 방법을 사용하여 뇌 조직의 H2S 농도를 직접 측정했다. 간략하게, PET 영상화 후, 뇌를 수확하고, 무게를 재고, 액체 N2에서 균질화했다. 균질액(w/v, 약 260-300 mg)의 무게에 대해 동일한 부피의 얼음처럼 차가운 PBS 용액을 첨가하고 3분 동안 볼텍싱한 다음 원심분리(14,000 rpm, 5분, 4℃)했다. 그런 다음, 100 μL의 상층액을 100 μL의 1% zinc acetate dihydrate과 함께 37°C에서 10분 동안 인큐베이션하여 H2S를 고정화시켰다. 100 μL의 0.1 M sodium tetraborate buffer (pH 9), 200 μL의 20 mM N, N-디메틸-p-페닐렌디아민 황산염을 7.2 M HCl에, 200 μL의 30 mM 철(III) 염화물을 첨가한 후 1.2 M HCl, 혼합물을 메틸렌 블루 염료의 형성을 위해 37℃에서 15분 동안 인큐베이션 하였다. 혼합물을 재원심분리 하였다(14,000 rpm, 5분, 4100 μL의 상등액을 3중으로 96웰 플레이트로 옮기고, 670 nm에서 분광 광도법에 의해 기록된 흡광도를 측정하였다. H2S 농도는 흡광도(A670) 대 NaHS 농도(0-30μM)를 플롯팅하여 얻은 표준 곡선을 사용하여 계산되었다. 뇌의 왼쪽 및 오른쪽 반구의 H2S 정량화를 위해 PET 이미징 후 대뇌 반구만 수확하고 별도로 처리했다. 각 반구 무게(w/v, 약 50-90 mg)의 3배에 해당하는 차가운 PBS를 균질액에 첨가한 것을 제외하고 프로토콜은 위에서 설명한 것과 동일했다.
9. 동물 PET/CT 영상화:
동물 PET/CT 영상은 nanoScan PET/CT 스캐너(PET 82S, Mediso, Budapest, 헝가리)를 사용하여 얻었다. 방사성 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6)(~11MBq, 200μL의 5% DMSO/PBS)를 꼬리 정맥을 통해 정상 및 AOAA 처리 BALB/c 마우스(n = 4개)에 주사하고, 주사 후 1시간째 20분 동안 스캔했다. PET 영상 기반 정량화를 위해 전체 뇌에 관심 영역(ROI)을 수동으로 그렸다.
뇌 염증 및 대조군 모델은 PET 영상 연구 2일 전에 준비되었다(각각 n = 5). 64Cu-ATSM-FITC(6)(~18MBq, 200μL의 5% DMSO/PBS) 주입 후 10분에 마우스를 10분 동안 스캔했다. 또한 Sprague Dawley rat에 방사성 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6) (~18MBq, 200μL의 5% DMSO/PBS)를 꼬리 정맥을 통해 주사하고, 주사 후 1시간 째 20분 동안 스캔 했다. 추가적인 조영제를 사용하지 않고 즉시 CT 영상을 생성했다. 모든 PET 이미지는 상호 작용 깊이, 방사성 핵종 붕괴, 검출기 정규화, 결정 데드 타임 및 감쇠에 대한 수정과 함께 Mediso Tera-Tomo 3차원 반복 알고리즘을 사용하여 재구성되었다.
탐지는 6개의 하위 집합으로 4회 반복하여 1:3 일치 모드에서 수행되었다. 획득한 PET/CT 이미지의 분석은 Mediso InterView Fusion 소프트웨어 패키지를 사용하여 수행되었다. 각 조직에서 64Cu-ATSM-FITC(6)의 흡수는 투여된 방사성 투여량 및 동물 체중으로 흡수를 정규화하여 그램당 평균 주사된 투여량 퍼센트(%ID/g)로 표현하였다.
10. Cu-ATSM-FITC를 이용한 뇌 세포독성의 조직학적 분석
동물을 아이소플루란을 사용하여 마취하고 Cu-ATSM-FITC(5) 100μg 을 10% DMSO/PBS 100μL, Cu-ATSM-FITC(5) 500μg을 40% DMSO/PBS 100μL 각각 꼬리 정맥 주사로 주입하였다. 주입 후 1일, 3일, 그리고 7일 이 후 동물을 식염수로 경심관류 하였다. 뇌를 해부하고 4% 파라포름알데히드에 고정한 다음, 파라핀에 담군 후 블락을 만들었다. 7μm 두께로 파라핀의 연속 관상 절편을 얻었다. 절편을 염색키트 (BBC ClearView, BBC Eosin Y Alcoholic)를 사용하여 H&E로 염색하였다. 염색된 뇌 조직을 Carl Ziess 현미경으로 400X 배율로 촬영했다.
11. Cu-ATSM-FITC(5) 및 CuS의 세포독성 분석
Cu-ATSM-FITC(5)의 세포독성은 3-(4,5-Dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyltetrazolium Bromide (MTT;sigma-aldrich)분석을 통하여 평가되었다. 인간 자궁경부암 세포(HeLa), 인간 간암 세포(HepG2) 및 인간 배아 신장 세포 (HEK293)를 웰당 10,000개의 밀도로 96-well 플레이트에 준비했다. PBS만 처리한 대조군과 비교하여 Cu-ATSM-FITC(5)을 1, 10, 25, 25μM 농도로 증가시켜 처리하였다. 이 후 각각 1, 4, 24시간 (37°C, 5% CO2 )동안 인큐베이션 하였다. 각각의 처리 시간마다 10μL의 MTT (5mg/mL in PBS) 솔루션을 각 웰에 처리 한 후 3시간동안 인큐베이션 시켰다. 상층액을 조심스럽게 흡인 시키고 웰에 있는 보라색 불용성 포르마잔 결정을 DMSO로 30분 동안 용해시켰다. 분광광도계 (SPECTROstar Nano, BMG Labtech, Ortenberg, Germany)로 550nm에서 흡광도를 측정하였다. CuS 역시 HeLa, HEK293, HepG2, 인간 뇌 교모세포종(U87MG) 세포를 이용해서 이와 유사한 방식으로 4번 수행하였다.
12. 체외 혈청 안정성
방사성 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6) (10μL, 37MBq)를 FBS 100 μL 또는 동량의 pH 7.4 PBS 와 혼합하여 Thermomixer로 (500rpm), 37°C 에서 배양하였다. 또한 탈금속화는 4시간 마다 측정하여 최대 24시간 동안 radio-TLC (silica, MeOH:EtOAC = 5:95)로 측정하였다.
13. 양자 수율 측정
SpectraMaxi-3 spectraphotometer를 이용하여 실험에 사용 하는 메탄올의 백그라운드 수치를 재고 난 다음, Cu-ATSM-FITC(5)를 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1 μM 농도별로 측정했다. Cu-ATSM-FITC(5)의 농도 및 세기에 따라 fluorescein standard 선형 그래프를 얻는다. 양자 수율은 다음 방정식 Φ x = Φ ST (Grad x /Grad ST ) ( η x2 / η ST 2 ) 에 따라 계산되었다. 여기서 첨자인 ST 와 X는 각각 표준 및 테스트 솔루션의 측정값을 나타낸다. 또한 Φ은 양자수율, η 는 용액의 굴절률을 나타낸다.
실험결과
본 발명자는 ATSM(radioactive copper(II)-diacetyl-bis(N 4-methylthiosemicarbazone) 백본이 FITC-NCS(fluorescein isothiocyanate)에 직접 접합된 새로운 킬레이터를 설계했다. 형광 이미징의 높은 공간 해상도와 핵 이미징의 무제한 조직 침투 기능이라는 두 가지 이미징 방식의 강점을 결합함으로써, 단일 이미징 프로브를 사용하여 세포 수준에서 전신 규모까지 H2S를 감지하고자 했다. 이와 같은 시도는 기존에 성공한 바가 없는 것이다.
새로운 킬레이터인 ATSM-FITC(4)는 4개의 연속적인 단계를 통해 합성되었다(도 1).
간략하게, 중간체 3은 이전에 보고된 절차에 따라 제조한 다음 3의 말단 아민을 FITC의 NCS 기와 접합시켜 ATSM-FITC 접합체(4)를 얻었다. N-메틸 히드라진카르보티오아미드(1)로부터 ATSM-FITC 접합체(4)의 전체 수율은 25.9%였다.
1H 및 13C NMR 분광법과 HRMS를 통해 화학 구조와 고순도를 확인했다(도 2 내지 4). ATSM-FITC(4)를 메탄올 중 CuCl2로 환류시켜 33% 수율로 암갈색 고체인 Cu(II) 착체 Cu-ATSM-FITC(5)를 얻었다. 순도는 HRMS(도 5) 및 RP-HPLC 분석에 의해 결정되었다.
유리 리간드 ATSM-FITC(4)의 광학적 특징을 평가했다. UV-Vis 분광법은 480 nm에서 여기 시 494 nm에서 흡광도 밴드와 524 nm에서 최대 형광 방출을 보여주었다(도 6a). Cu-ATSM-FITC(5) 복합체는 ATSM-FITC 킬레이터에 배위된 상자성 Cu2+ 이온이 플루오르-레세인의 형광 신호를 소멸시키기 때문에 검출 가능한 형광 신호를 나타내지 않았다. H2S가 구리 착체(5)로부터 Cu(II) 이온을 격리하여 CuS를 침전시키면 ATSM-FITC 리간드가 방출되고 형광을 방출한다(도 7).
감도를 확인하기 위해 Cu-ATSM-FITC(5)를 37도씨에서 광범위한 NaHS 농도(0 - 100 μM)와 함께 배양하고 형광 강도를 측정했다(도 6b). 프로브는 0 농도와 비교하여 100 μM의 NaHS에서 ~3500배 형광 향상과 함께 524 nm에서 형광 신호의 점진적인 증가를 보여주었으며, 이는 대부분의 형광 H2S 프로브에 대해 보고된 것보다 훨씬 높은 것이다. Cu-ATSM-FITC(5)는 H2S에 대해 빠른 반응성을 보였다. 50 μM의 NaHS 용액과 반응했을 때 Cu-ATSM-FITC(5)의 형광 강도는 30초 이내에 안정기에 도달했다(도 6c). 대조적으로, Cu-ATSM-FITC(5)의 L-시스테인(1mM) 및 글루타티온(GSH)(10mM)에 대한 반응성은 이들의 농도가 H2S보다 최소 20배 더 높았지만, 반응성은 H2S에 비해 최소였다. Cu-ATSM-FITC(5)의 검출 한계는 회귀 방정식을 사용하여 0.20 μM으로 계산되었다(도 8). 양자 수율은 플루오레세인 표준값과 비교하여 방정식에 따라 0.33을 확인하였다(도 9).
Cu-ATSM-FITC(5)의 선택성은 H2S의 존재 및 부재하에 다양한 잠재적으로 경쟁하는 생물학적 종에 대해 조사되었다(도 6d). Cu-ATSM-FITC(5)는 바이오티올-L-시스테인(Cys), L-호모시스테인(Hcys), 글루타티온(GSH), 디티오트레이톨(DTT) 및 2-머캅토에탄올(2-ME)와 같은 다른 종; 무기 황 종(S2O3 2-, S2O5 2-); 환원제, 예를 들어 아스코르브산(AA); 무기 및 유기 친핵체(Cl-, I-, OAc-, ClO4 -, HCO3 2-, N3- 또는 NO2-); 및 과산화수소(H2O2), 퍼옥시니트라이트(ONOO-) 및 산화질소(NO)를 포함한 반응성 산소 및 질소종과 반응성(형광 신호)을 나타내지 않았다. 그러나 NaHS(50μM)를 생물학적으로 풍부한 다른 종과 함께 혼합물에 첨가하면 다른 생물학적 개체의 간섭 없이 완전한 형광 강도가 관찰되었다(도 6d). Cu-ATSM-FITC(5)는 또한 넓은 생리학적 pH 범위(pH 5~10)에서 높은 안정성과 반응성을 보여주었다(도 10). 이러한 모든 결과는 Cu-ATSM-FITC(5)가 H2S에 대한 바이오 센서로 사용되기 위한 우수한 감도, 반응성 및 선택성을 가짐을 명확하게 보여준 것이다.
다음으로, 본 발명자는 HeLa 세포에서 H2S의 형광 이미징 전에 Cu-ATSM-FITC(5)의 독성 및 생체 적합성을 테스트했다. MTT 분석에 따르면 HeLa 세포의 생존율은 24시간 배양 후에도 1, 10 및 25 μM 농도에서 85%를 초과하여 우수한 생체 적합성을 나타냈다(도 6e). 인간 간암 세포주(HepG2) 및 인간 배아 신장 293(HEK293) 세포를 포함한 다른 세포주에서 세포독성이 나타나지 않았다(도 11). 또한 CuS에 대해서도 인간 뇌 교모세포종(U87MG)을 추가하여 같은 방법으로 MTT 분석한 결과 모든 세포주에서 세포 독성이 나타나지 않았다(도 12).
마우스 뇌 조직의 H&E 염색 데이터로 Cu-ATSM-FITC(5)의 500μg의 고용량 주입에도 최대 7일까지 침전된 CuS의 낮은 독성을 확인하였다(도 13).
그 다음으로, 살아있는 세포에서 H2S 수준 모니터링에 대한 Cu-ATSM-FITC(5)의 유용성을 조사했다(도 14). 낮은 독성(25μM) 농도에서 Cu-ATSM-FITC(5)와 함께 배양된 HeLa 세포는 건강한 세포에서 엄격하게 제어된 낮은 수준의 H2S 때문에 희미한 형광 신호를 보였다(도 14a). 대조적으로 녹색의 선형 상승은 프로브 처리된 HeLa 세포에 두 가지 다른 농도의 NaHS(50 및 100 μM)를 추가하면 형광 강도가 감지되었다(도 14b 및 14c). Cu-ATSM-FITC(5)도 L-시스테인(100μM)에 의해 유도된 내인성 H2S 농도의 증가를 성공적으로 감지했다(도 14d). H2S 생성 시스타티오닌 γ-리아제(CSE) 효소 활성이 DL-프로파길글리신(PPG, 450μM)에 의해 차단되었을 때, 내인성 H2S로 인한 녹색 형광이 완전히 감소했다(도 14e). Hoechst(도 14f-j) 및 LysoTracker(도 14k-o)와 공동 염색된 세포에서 Cu-ATSM-FITC(5)와 LysoTracker(도 14p-t) 사이에 겹침이 관찰되었으며, 이는 Cu-ATSM-FITC(5)가 리소좀으로 우세하게 공동 염색되었음을 나타낸다. 종합하면, 위의 형광 이미징 결과는 형광 프로브 Cu-ATSM-FITC(5)가 세포 수준에서 H2S 농도의 작은 변동을 비침습적으로 모니터링하는데 사용될 수 있음을 나타낸다.
그 다음으로 Cu-ATSM-FITC(5)의 생체 내 이미징을 위한 핵 이미징 에이전트로서의 가능성을 확인해 보았다.
리간드 ATSM-FITC(4)는 60도씨에서 0.1M 암모늄 아세테이트 완충액(pH 6.8)에서 64CuCl2 이온으로 방사성 표지되었으며 >97%의 방사화학적 수율을 나타냈다(도 3). 구리의 다양한 양전자 방출 방사성 동위원소(60Cu, 61Cu, 62Cu 또는 64Cu) 중에서 Cu-64는 중간 긴 반감기(12.7시간)로 PET 영상화(17.8% β+ 붕괴)에 유리한 붕괴 모드를 가지고 있다. 방사성 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6)의 정체는 머무름 시간을 비방사성 표준 화합물인 Cu-ATSM-FITC(5)의 머무름 시간과 HPLC로 비교하여 확인했다(도 15b). 64Cu-ATSM-FITC(6)은 H2S와 즉시 반응하여 기체 H2S를 불용성 황화구리(64CuS) 침전물로 고정시킨다(도 15a). 손상되지 않은 64Cu-ATSM-FITC(6) 복합체에서 탈금속화된 64CuS의 비율은 방사성 박막 크로마토그래피(radio-TLC) 분석으로 쉽게 정량화할 수 있다. 64Cu-ATSM-FITC(6)의 Rf 값은 이동상(에틸-테이트/메탄올(95:5))이 있는 실리카 플레이트에서 0.72였으며 TLC 플레이트의 원점에는 64CuS가 남아 있었다. H2S의 농도가 증가함에 따라 64Cu-ATSM-FITC(6)의 decomplexation 백분율이 비례적으로 증가하고 H2S의 20μM에서 안정기에 도달했다(도 15c). 방사성 표지된 64Cu-ATSM-FITC(6)는 37도씨에서 소태아혈청(FBS)과 인산완충식염수(PBS) 용액 모두에서 높은 안정성을 보여주었다. 배양 후 최대 24시간 동안 64Cu-ATSM-FITC(6)의 10% 미만 분해가 관찰되었다(도 16). 방사성추적자의 친유성은 일반적인 oc-tanol-PBS 분할 방법으로 측정되었다.
64Cu-ATSM-FITC(6)의 logD7.4 값은 1.70 ± 0.05였으며, 최적의 BBB 침투를 위해서는 1.5-2.7 범위가 바람직하다.
64Cu-ATSM-FITC(6)의 신체 분포 및 제거 패턴은 정상적인 BALB/c 마우스의 생체 분포 연구에서 정확하게 측정되었다(도 17a). 높은 뇌 흡수는 주입 후 5분 만에 관찰되었다. 5분에 9% ID/g 이상의 뇌 흡수가 주입 후 최대 2시간 동안 유지되었으며, 주입된 총 활성의 3.3% 이상이 전체 뇌에서 발견되어, 64Cu-ATSM(2-5 %ID/g)을 포함한 기존의 뇌 표적 방사선-추적자와 비교해 현저히 높은 것으로 확인되었다. 심장, 폐 및 신장에서 처음에 높은 64Cu-ATSM-FITC(6)의 흡수는 시간이 지남에 따라 점차적으로 감소했다.
그 다음으로 동물 PET/컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캐너를 사용하여 전신 영상 연구를 진행했다. 방사성 추적자 64Cu-ATSM-FITC(6)은 꼬리 정맥을 통해 정상적인 BALB/c 마우스에 주입되었고 PET/CT 이미지는 주입 후 1시간에 획득되었다(도 17b 내지 17e). 생체 분포 데이터에서 예상한대로 최대 강도 투영(MIP)을 사용한 PET/CT 이미지에서 상당한 뇌 흡수가 명확하게 관찰되었다(도 17b). 방사능이 고르게 분포된 뇌 흡수는 관상, 시상 및 횡단면 이미지에서 관찰되었다(도 17c 내지 17e). 또한 마우스뿐만 아니라 SD-rat 에서도 방사성 추적자 64Cu-ATSM-FITC(6)으로 이미지를 확인한 결과 유사한 뇌흡수가 관찰되었다(도 18). 그러나 H2S 생성 효소인 cystathionine β-synthase(CBS)와 CSE, aminooxyacetic acid(AOAA, 10 mg/kg)의 억제제를 복강 내 주사하여 뇌의 H2S 농도를 낮추었을 때, 64Cu-ATSM-FITC(6)의 뇌 흡수가 크게 감소했다(도 17f). PET 영상에서 64Cu-ATSM-FITC(6)의 뇌 흡수는 대조군과 AOAA 처리 마우스에서 각각 15.0 ± 1.8 대 11.4 ± 2.0 %ID/g이었다(도 17g). AOAA 처리된 쥐의 뇌에서 H2S 농도는 메틸렌 블루 방법으로 직접 측정되었으며 대조군에 비해 32% 감소했으며(3.1 ± 0.5 vs. 2.1 ± 0.5 μg/g 뇌), 이는 대조군 및 AOAA 처리 마우스에서 뇌의 생체 분포 데이터와 일치하는 것이다(도 17h).
이와 같은 데이터는 64Cu-ATSM-FITC(6)의 뇌 흡수가 뇌의 H2S 수준과 밀접한 상관 관계가 있음을 분명히 나타낸 것이다.
마지막으로, 질병 모델에서 증가된 H2S 농도의 검출을 위한 이미징 에이전트로서의 잠재력을 평가했다. 신경염증은 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 알츠하이머병, 파킨슨병 및 기타 여러 가지 뇌 장애와 관련이 있다. 이 연구에서 신경염증 모델은 LPS의 뇌실내 주사에 의해 유도되었다(도 19a).
대조군으로 LPS 대신 식염수를 주입하였다. 관상 및 횡단 PET 이미지에서 특히 주사 부위 근처에서 대조군에 비해 LPS 처리 모델에서 더 높은 활성이 나타났다(도 19b). 뇌의 우반구(주사 부위)와 좌반구의 방사능량을 γ-counter를 이용하여 정량한 결과, 대조군에서는 양쪽에서 흡수량이 비슷했지만 LPS 처리 동물의 주사 부위에서는 31% 증가가 관찰되었다(도 19c). 뇌의 H2S 농도를 PET 스캔 직후 메틸렌 블루 방법으로 생체 외 측정했을 때 H2S 농도의 39% 증가는 LPS 처리 대뇌 반구에서만 감지되었다(4.9 ± 0.5 vs. 3.2 ± 0.7 μg/g 뇌). 이는 PET 이미징 및 생체 분포 결과와 일치한 것이다.
이러한 PET 영상 결과는 본 발명에 따른 방사성 추적자가 뇌에서 충분히 넓은 범위의 H2S 변동(감소 및 증가)을 감지할 수 있음을 분명히 나타낸 것이다.
비교자료: 64 Cu-ATSM-aniline의 체내 분포도
(1) (E)-N-(4-(dimethylamino)phenyl)-2-((E)-3-(2-(methylcarbamothioyl)hydrazineylidene)butan-2-ylidene)hydrazine-1-carbothioamide, ATSM-aniline (9) 의 합성
메탄올(20mL) 중 화합물 8(420mg, 2mmol)을 촉매 HCl의 존재 하에 화합물 2(350mg, 2mmol, 20mL 메탄올에 용해됨)의 차가운 메탄올성 용액에 적가하였다. TLC(실리카, MeOH:CH2Cl2 = 5:95)가 출발물질의 완전한 소모를 나타낼 때 혼합물을 동일한 온도에서 1시간 동안 교반하였다. 그런 다음 감압하에 농축하고 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 ATSM-아닐린(9)을 황색 고체(260 mg, 36%)로 얻었다(도 20).
(2) ATSM-아닐린(9)의 Cu-64 라벨링
무수 DMSO에서 킬레이터의 스톡 용액(1μg/μL)을 준비했다. 64Cu와 ATSM-아닐린(9)의 착화는 0.1M 암모늄아세테이트(pH 6.8, 100μL), 열혼합기(800 rpm)에서 20분 동안 60도씨에서 반응시켜 진행하였다. 반응 완료를 방사성 박막 크로마토그래피(radio-TLC) [실리카, MeOH:EtOAc = 5:95]로 모니터링했다(도 20).
(3) 64Cu-ATSM-aniline의 체내 분포도 확인
상기 실험방법 5 및 7에 설명한 바와 같은 방법으로 64Cu-ATSM-aniline의 체내 분포도를 확인하였다.
그 결과 도 21에 나타낸 바와 같이, 64Cu-ATSM-aniline는 폐와 간에 가장 많이 분포한 반면에, 뇌 분포도는 매우 낮은 것으로 확인되었다.
참고로, Copper Bis(thiosemicarbazonato)-stilbenyl Complexes가 뇌에 흡수되는 정도는 주사 후 2분 뒤에 1 - 2 %ID/g 수준이고, 주사 후 1시간 뒤에는 0.2-0.3%ID/g 수준으로 매우 낮은 것으로 보고된 바 있다(Inorg. Chem. 2020, 59, 16, 11658-11669).
본 발명이 제공하는 착화합물은 황화수소와 선택적으로 결합하여, 세포 또는 조직 내에서 황화수소가 비정상적으로 증가된 부위를 선택적으로 영상화할 수 있으며, 특히 혈액-뇌 장벽 투과도가 매우 높아 다양한 신경염증성 질환에서 높은 수준으로 검출되는 뇌 황화수소를 매우 효과적으로 검출할 수 있다. 또한, 핵 및 형광 이미징이 동시에 가능한 이중-모드 조영제로서 활용될 수 있어 황화수소에 의해 매개되는 다양한 질환의 진단 용도 및 연구 용도로 매우 유용하게 활용될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (14)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 방사성 동위원소 Cu가 도입된 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염:
    [화학식 1]

    (상기 식에서,
    R1 내지 R5는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C10의 직쇄 또는 측쇄 알킬이며,
    Cu는 60Cu,　61Cu,　62Cu,　64Cu 또는　67Cu　이다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 R1 내지 R5는 각각 독립적으로 C1-C5의 직쇄 알킬인 것을 특징으로 하는 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염.
  3. 제1항에 있어서, 상기 R1 내지 R3는 메틸인 것을 특징으로 하는 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염.
  4. 제1항에 있어서, 상기 R1 내지 R3는 메틸이며, 상기 R4 및 R5는 수소인 것을 특징으로 하는 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염.
  5. 제1항에 있어서, 상기 착화합물은 H2S 검출용 프로브인 것을 특징으로 하는 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염.
  6. 제1항에 있어서, 상기 착화합물의 친유성 logD7.4는 1.5 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 조영제.
  8. 제7항에 있어서, 상기 조영제는 PET(positron emission tomography)용 조영제, 형광 이미징용 조영제, 감마카메라용 조영제, SPECT (single photon emission computed tomography)용 조영제, 체렌코프 광학영상 조영제, 및 CCD(charge-coupled device)용 조영제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 조영제.
  9. 제7항에 있어서, 상기 조영제는 PET 및 형광 이미징이 동시에 가능한 이중 방식(dual-modality) 조영제인 것을 특징으로 하는 조영제.
  10. 제7항에 있어서, 상기 조영제는 체내 황화수소 H2S 검출용인 것을 특징으로 하는 조영제.
  11. 제7항에 있어서, 상기 조영제는 뇌 황화수소 H2S 검출용인 것을 특징으로 하는 조영제.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 착화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 포함하는 염증성 질환 진단용 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 염증성 질환은 신경염증성 질환, 류마티스성 관절염, 비류마티스성 염증성 관절염, 라임병과 관련된 관절염, 염증성 골관절염, 뇌수막염, 골수염, 염증성 장 질환 (inflammatory bowel disease), 충수염, 췌장염, 패혈증, 신우염, 신장염 및 세균감염에 따른 염증질환으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 진단용 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 신경염증성 질환은 알츠하이머병, 혈관성 치매, 전두측두엽 치매, 알콜성 치매, 파킨슨병, 외상성 뇌 손상, 니만픽병, 근위축성축삭경화증, 다발성 경화증, 헌팅턴병, 크로이츠펠트야곱병 및 뇌졸중으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 진단용 조성물.
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