Design and Synthesis of Firefly Luciferin Analogues to realize highly bright near infrared bioluminescence emission

萤火虫荧光素类似物的设计与合成实现高亮近红外生物发光

基本信息

批准号：
19J12615
负责人：
池田裕真
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J12615/
关键词：
生物発光イメージング近赤外ルシフェリンルシフェラーゼ

项目摘要

生体深部をイメージング可能なホタル生物発光系の構築を目的とし，発光反応中間体に注目した発光輝度の向上可能性を検証した．ATPと誘導体との縮合体は高輝度化に成功したものの，安定性や精製手法の確立，単離収率における課題が明らかとなった．そこで，基質化学構造の改変による長波長化および発光輝度双方の達成を試みることとした．開発指針としてホタル生物発光基質を有機蛍光色素と捉え，有機蛍光色素にみられる構造改変手法を模倣した．１.環融合戦略を基盤とした近赤外発光ホタルルシフェリン誘導体群の創製近赤外領域の光は，水などの生体分子による阻害が少ないことから，生体イメージングにおいて望ましいとされる．本研究では，既存の近赤外誘導体を基盤とし，環状アミン構造を組み込んだ計６種類の誘導体NIRLucsを合成した．いずれも天然のホタルルシフェラーゼFlucによる酵素認識を受け，近赤外発光を示した．さらに，NIRLucsは細胞膜透過性を持ち，生細胞系においても近赤外発光を示すことが確認された．良好な発光活性・血中滞留性を示したNIRLuc2を皮下腫瘍担癌マウスモデルへ応用したところ，天然の基質と比べて約７倍（近赤外では１６倍）の発光輝度を示した．２.環状アミノ基アゼチジン置換による発光輝度向上の可否検証ホタル発光基質をPush-Pull型の蛍光色素と見立て，Twisted Intramolecular Charge Transfer（TICT）の抑制による発光輝度向上の可否について検証した．本研究では，異なるルシフェリンコアに対して，アゼチジニル基を導入した誘導体を計５種類合成し，ルシフェリンにおけるアゼチジニル基置換効果を評価した．このうちアゼチジニル基を導入したA-1は，ジメチルアミノ基をもつ誘導体D-1と比較して，TICTの抑制により狙い通り蛍光量子収率・生物発光輝度共に向上することに成功した．

为了构建可以对生物更深的生物体形象化的萤火虫生物发光系统，我们验证了提高发光亮度的可能性，重点是发光反应中间体。尽管ATP和衍生物的凝结在改善亮度方面取得了成功，但在建立稳定，纯化方法和隔离产量方面已经揭示了问题。因此，我们决定通过修饰底物化学结构来尝试实现长波长和发光亮度。作为开发指南，我们将萤火虫生物发光底物视为有机荧光染料，并模仿有机荧光染料中看到的结构修饰方法。 1。基于近红外区域的环融合策略的光的近红外发光萤火虫荧光素衍生物被认为是对生物成像所需的，因为它不受生物分子（例如水）的抑制作用。在这项研究中，我们基于现有的近红外衍生物，合成了总共六种类型的衍生物Nirlucs，这些衍生物结合了环状胺结构。两者都是自然萤火虫荧光素酶氟化酶识别的，并且表现出近红外发射。此外，已经证实，Nirlucs可以渗透到细胞膜，并在活细胞系中表现出近红外发射。当Nirluc2（表现出良好的发光活性和血液保留）被应用于皮下肿瘤肿瘤的小鼠模型时，与天然底物相比，它显示出约7倍（在近红外区域的16次）。 2。验证通过替代环状氨基氮氮杂氨酸来改善亮度的可能性，我们使用的是萤火虫亮度底物被认为是推动力pull型荧光染料，并且可以改善扭曲内部电荷电荷转移（TICT）的亮度亮度的可能性（TICT）验证。在这项研究中，对不同的荧光素核心合成了偶氮素基团的五种类型的衍生物，并评估了在荧光素蛋白中取代替代偶氮基的效果。其中，引入了偶氮胺基团的A-1能够通过抑制TICT（与D-1（具有二甲基氨基）的衍生物相比，通过抑制TICT来改善荧光量子产率和生物发光亮度。