Development of MRI probes with signal amplification mechanism to elucidate zinc metabolism and dynamics

开发具有信号放大机制的 MRI 探针以阐明锌代谢和动力学

基本信息

批准号：
22K06570
负责人：
奥田健介
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kobe Pharmaceutical University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K06570/
关键词：
亜鉛プローブシグナル増幅 MRI 代謝動態

项目摘要

近年、遊離亜鉛がシグナル伝達経路のメディエーターとして機能することが提唱されており、亜鉛ホメオスタシスの崩壊とアルツハイマー病、糖尿病、がんなどの多様な疾患との関連性も明らかとなってきている。これらの研究とも相まって、蛍光法に代表される光イメージングによる遊離亜鉛を可視化するイメージングプローブが多数開発されてきた。しかし光では組織透過性に限界があるため、非侵襲的な亜鉛のin vivoイメージング技術が遊離亜鉛のホメオスタシスと病態との関連性の更なる解明のために望まれている。この観点から、すぐれた生体透過性を備えたモダリティとして知られる磁気共鳴イメージング（MRI）に着目した。実際これまでにも多数の亜鉛検出MRIプローブが開発されてきてはいるが、MRIの感度は蛍光プローブと比較して数桁も劣るため、高濃度亜鉛の検出に限られているのが現状である。そこで、MRIの感度を向上させる設計をプローブデザインに導入することにより、従来の亜鉛MRIプローブでは観察することが不可能な低濃度の遊離亜鉛を非侵襲的に観測することが可能となる。まず、生体内での高い特異性を利用するべく、MRIシグナル原子としてフッ素（19F）を利用することとした。また、感度を向上させるシグナル増幅機構としては、私たちが高感度亜鉛蛍光プローブの開発の際に活用した亜鉛選択的なβ-ラクタム環の加水分解反応を活用した。この反応は、蛍光プローブにおいては消光されていた蛍光団が亜鉛選択的な開裂反応に伴って発蛍光反応を生じる。その一方、MRIプローブに適用するにあたっては、開裂反応に伴って19Fの核磁気共鳴信号が大幅に変化するようにプローブ構造を設計する必要がある。本年度においては、第一世代の亜鉛MRIプローブの設計・合成を行い、19F-NMRによる評価を行ったところ、本プローブによって19F-MRIでの亜鉛の検出が可能であることが強く示唆された。

近年来，有人提出游离锌作为信号转导途径的介质，锌稳态破坏与阿尔茨海默病、糖尿病和癌症等多种疾病之间的关系已变得清晰。结合这些研究，已经开发了许多成像探针，可以使用光学成像（例如荧光方法）可视化游离锌。然而，由于光的组织穿透力有限，因此需要非侵入性锌体内成像技术来进一步阐明游离锌稳态与病理状况之间的关系。从这个角度来看，我们专注于磁共振成像（MRI），这是一种以其优异的生物渗透性而闻名的成像方式。事实上，已经开发了许多检测锌的MRI探针，但MRI的灵敏度比荧光探针低几个数量级，因此目前仅限于检测高浓度的锌。因此，通过在探针设计中引入提高MRI灵敏度的设计，可以非侵入性地观察低浓度的游离锌，而这是传统锌MRI探针无法观察到的。首先，我们决定使用氟 (19F) 作为 MRI 信号原子，以利用其在体内的高特异性。此外，作为提高灵敏度的信号放大机制，我们利用了β-内酰胺环的锌选择性水解反应，我们在开发高灵敏度锌荧光探针时利用了该反应。在此反应中，荧光探针中已被猝灭的荧光团发生锌选择性裂解反应，从而产生荧光反应。另一方面，当将其应用于MRI探针时，需要设计探针结构，使得19F核磁共振信号随着裂解反应而发生显着变化。今年，我们设计并合成了第一代锌MRI探针，并使用19F-NMR对其进行了评估，这强烈表明该探针可以使用19F-MRI进行锌检测。