Fluorescent Probes for Imaging Biological Zinc Ions

Abstract

The topic of my research is fluorescent zinc sensors. In part 1, I refered to the importance of biologically zinc ions and conventional detection methods. Among several detection methods, fluorescent zinc probe has great advantages for bioimaging applications including simple instrumentation, fast response times, and high signal sensitivity. Even though many fluorescent zinc probes have been developed to date, there has been a limitation for imaging zinc-rich specimens due to low Kd values, poor zinc selectivity, and H+-induced false signaling. Also, previous zinc probes have been known to permeate the cell membrane or not. These are unsuitable for monitoring of the zinc trafficking across the cell membrane. Therefore, development of zinc sensors with high Kd value or cell-membrane-targeting unit was needed. To meet these needs, I had studied fluorescent zinc sensors that overcome these drawbacks. One is HBO-ACR with high Kd value (in part 2), and the other is JJ with cell-membrane-targeting unit (in part 3). In part 2, design of novel low-affinity zinc sensor (HBO-ACR) having an azacrown ether potassium ionophore was suggested and proved. HBO-ACR exhibited fluorescence turn-on responses with low zinc affinity (Kd = 60 μM) and high pH tolerance. Finally, bioimaging utility of HBO-ACR was demonstrated for visualization of zinc ions in human pancreas cells and rodent hippocampal slices and cultured neurons. In part 3, design and synthesis of new membrane localizable zinc probe (JJ) were explained. JJ used aza-BODIPY which exhibits low energy absorption and long wavelength of emission behaviors. And cholesterol was chosen to target the cell membrane. JJ will enable visualization of zinc trafficking across the cell membrane in the brain of pancreas. Developed zinc probes can be applied various bioapplications. When developed zinc probe is used in vivo with other fluorescent metal sensor, the correlation between zinc and its metal ions can be researched. Also, zinc sensors that target specific organelles can be used to understand mechanisms including zinc trafficking and homeostasis. From these understands, we expect to be able to diagnose and treatment of disease related with zinc ions in the future.;우리 몸 속에서 다양한 농도로 존재하는 아연을 탐지하기 위해서는 적합한 친화도를 갖는 형광센서가 필요하다. 적은 농도 (pM ~ nM)의 아연을 탐지하는 센서들은 많이 알려져 있으나, 높은 농도 (> μM)의 아연을 탐지할 수 있는 센서에 대한 연구가 많이 이뤄지지 않았다. 본 연구에서는 새로운 형광 센서 (HBO-ACR)와 그 유도체들 (HBO, HBO-ACR', HBO-ACR'')을 가지고 높은 농도의 아연을 탐지하는 형광분자디자인을 제시하였다. HBO-ACR가 짧은 파장 (λex = 347 nm)에서 여기 됨에도 불구하고, 다음과 같은 장점에 의해 바이오이미징에 활용되기 좋다는 사실을 밝혀냈다. 1) 아연에 의해 10배까지 형광이 증가한다. 2) pH 5-11사이에서 양성자에 의한 백그라운드 신호가 없다. 3) 다른 금속 이온에 의해 센서의 형광 세기가 증가하지 않는다. 또한 광물리적 특성을 분석해 형광이 증가하는 메커니즘을 규명하였다. 마지막으로 해리 상수 (Kd)값이 다른 두 센서 (HBO-ACR = 60 μM, HNBO-DPA = 12 pM)를 췌장의 표피 암세포 (PANC-1), 뉴런, 해마 절편에 적용하였다. 내생의 아연 이온을 탐지하고, 기초 농도 레벨을 측정함으로써 생물학적 적용가능성을 입증할 수 있었다. 또한 아연이온은 생체 내에서 신호분자로 작용한다. 세포막을 거쳐 일어나는 신호 전달 과정의 이해를 돕기 위해서는 세포막 선택성 형광 아연센서가 필요하다. 기존의 세포막 선택성 형광 아연센서의 경우 단파장 (λex < 500 nm)에서 여기 되어 생체 내에서 적용의 제한을 받는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 장파장 (λex > 600 nm)에서 여기 되고, 형광을 내는 세포막 선택성 형광 아연센서 (JJ)를 디자인하고, 합성하였다. JJ는 형광체로 근적외선 영역에서 형광을 내는 aza-BODIPY를 사용하였고, 옆에 새로운 구조의 아연 수용기를 도입하였다. 세포막을 타겟하기 위해 생체에 적합한 콜레스테롤을 골랐고, 아연 수용기와 콜레스테롤 사이를 triethylene glycol로 연결시켰다. 또한 광물리적 특성과 세포막 타겟 능력을 비교하기 위해 대조 화합물들 (JJC, aza-BODIPY)도 함께 합성하였다. 합성된 JJ는 췌장이나 뇌에 적용하여 세포막에서의 아연 수송과정을 시각화하는데 유용할 것으로 기대된다.