Studies on Fluorescent Probes for Molecular Imaging of Hydrogen Sulfide and Hypochlorous Acid

Abstract

Abstract In chapter I, principles of fluorescence, reactive oxygen /nitrogen species and hydrogen sulfide were explained briefly. In chapter II, mitochondria-targeted fluorescent probe was synthesized as chemosensors for the imaging of intracellular hydrogen sulfide (H2S). Thiolysis of 7-nitro-1,2,3-benzoxadiazole amine moiety that joined to the piperazine-based naphthalimide scaffold by H2S formed a highly selective fluorescent probe, NA1. NA1 displayed outstanding properties such as 68-fold fluorescence enhancement, low cytotoxicity, low detection limit around 2.46 μM, and good selectivity toward hydrogen sulfide over other analytes. The accomplishment of intracellular imaging showed that NA1 could be employed in further applications for the examination of biological and pathological functions of H2S in living systems. In chapter III, two N-Heterocyclic carbene boranes (NHC-borane) fluorescent probes were explained. First fluorescence imaging probe for reactive oxygen soecies (ROS) based on the selective oxidation of a B-H bond was reported. 1·BH3 probe is composed of a pyrene as fluorescence reporter and a NHC borane as the ROS response site. The reaction site undertake oxidative hydrolysis to form imidazolium salts with excellent kinetic selectivity for HOCl over other biologically relevant ROS, including peroxides and peroxynitrite. Selectivity for HOCl results from the electrophilic oxidation mechanism of NHC boranes in contrast to the nucleophilic oxidation mechanism of arylboronic acids or their esters with ROS. The alteration in polarity that go together with the conversion of NHC boranes to imidazolium salts can regulate the formation of emissive excimers, making the basis for the design of the first fluorescence probe for ROS based on the oxidation of B-H bonds. Ratiometric imaging of HOCl in living cells and tissues is demonstrated by Two-photon microscope (TPM). Then, endoplasmic reticulum-targeted ratiometric probe for hypochlorous acid detection was described in chapter III. B. Same as the previous study, imidazolium NHC-borane, B4 probe undergo oxidation of a B-H bond to form the corresponding imidazolium compound with outstanding selectivity for HOCl over other biologically relevant reactive oxygen species (ROS). Ratiometric imaging of HOCl in living cells and tissues is demonstrated by Two-photon microscope (TPM). Remarkably, B4 probe was located well in endoplasmic reticulum due to its cationic character in the molecular structure, low CBN and appropriate lipohilicity effect. Prominently, the probe has effectively conducted in the cell and tissue imaging experiments. We have faith in that B4 as a strong fluorescent probe for imaging the OCl- particularly in ER area. Last but no least, we designed and prepared the pyrene imidazoline-2-thiones fluorescent probe for OCl− detection in chapter IV. The B6.S probes contains an imidazoline-2-thione moiety for OCl- recognition and a pyrene unit that act as the signaling fluorophore. B6.S reacted via specific reactions with OCl− that form corresponding fluorescent imidazolium compound. The probe B6.S have potential biological imaging value because it has many excellent characteristics, including ratiometric emission signals, high sensitivity and selectivity, and working appropriately at the physiological pH. Importantly, we have also employed two‐photon microscopy and B6.S to image OCl− in live cells and tissues, indicating that this probe could have wide biological applications.;1 장에서 형광, 반응성 산소 / 질소 종 및 황화수소의 원리를 간략하게 설명하였다. 2 장에서 미토콘드리아를 타겟으로하는 형광 탐침은 세포 내 황화수소 (H2S)의 영상 진단을위한 화학 센서로 합성되었다. H2S에 의해 피페 라진 기반 나 프탈이 미드 지지체에 결합 된 7- 니트로 -1,2,3- 벤즈 옥사 디아 졸 아민 잔기의 티올 분해는 매우 선택적 형광 프로브 인 NA1을 형성 하였다. NA1은 68 배 형광 증강, 낮은 세포 독성, 약 2.46 μM의 낮은 검출 한계 및 다른 분석 물보다 황화수소에 대한 우수한 선택성과 같은 탁월한 특성을 나타내었다. 세포 내 이미징의 성취는 살아있는 시스템에서 H2S의 생물학적 및 병리학 적 기능의 검사를위한 추가 적용에 NA1이 사용될 수 있음을 보여 주었다. 3 장에서는 두 개의 N-Heterocyclic carbene boranes (NHC-borane) 형광 탐침이 개발되었다. B-H 결합의 선택적 산화에 기초한 ROS를위한 첫번째 형광 이미징 프로브가보고되었다. 1 · BH3 프로브는 형광 기자로서의 피렌과 ROS 응답 부위로서의 NHC 보란으로 구성된다. 반응 부위는 과산화물 및 과산화수소를 비롯한 다른 생물학적으로 적절한 반응성 산소 종 (ROS)보다 HOCl에 대한 우수한 운동 선택성을 갖는 산화 가수 분해를 통해 이미 다 졸륨 염을 형성한다. HOCl에 대한 선택성은 아릴 보론 산 또는 ROS와의 에스테르의 친 핵성 산화 메카니즘과는 대조적으로 NHC 보란의 친 전자 성 산화 메카니즘에 기인한다. NHC 보란의 이미 다 졸륨 염으로의 전환과 함께 나타나는 극성의 변화는 방출 형 엑시머의 형성을 조절할 수있어 B-H 결합의 산화에 기초한 ROS 용 첫 번째 형광 탐침의 설계의 기초가된다. 살아있는 세포와 조직에서 HOCl의 비 등화 이미징은 Two-photon microscope (TPM)에 의해 증명됩니다. 그런 다음 간단한 것이 개발되었습니다. 이전의 연구와 마찬가지로, B4 프로브는 B-H 결합의 산화를 거쳐 다른 생물학적으로 적절한 반응성 산소 종 (ROS)보다 우수한 HOCl 선택성을 갖는 이미 다 졸륨 염을 형성한다. 살아있는 세포와 조직에서 HOCl의 비 등화 이미징은 Two-photon microscope (TPM)에 의해 증명됩니다. 놀랍게도, B4 탐침은 분자 구조에서 양이온 특성으로 인해 소포체에 잘 위치하였으며, CBN은 16이며 적절한 지방 친 화성을 보였다. 중요하게도, 탐침은 세포 및 조직 이미징 실험을 성공적으로 수행했습니다. 우리는 B4가 특히 ER 영역에서 OCl을 모니터링하기위한 강력한 분자 도구라고 믿는다. 마지막으로 우리는 OCl- 검출을위한 imidazoline-2-thione 기반 프로브를 설계하고 준비했습니다. B6.S 프로브는 OCl- 인식을위한 이미 다 졸린 -2- 티온 부분과 신호 형광 단 역할을하는 피렌 단위를 포함합니다. B6.S는 대응하는 형광 이미 다 졸륨 이온을 형성하는 OCl-와의 특정 반응을 통해 반응한다. B6.S는 잠재적 인 생물학적 이미징 값을 가지고 있는데, 이는 Ratiometric 방출 신호, 높은 민감도 및 선택성을 포함하여 많은 우수한 특성을 갖고 생리 학적 pH에서 적절하게 작동하기 때문입니다. 중요한 것은, 우리는 또한 살아있는 세포와 조직에서 OCl-을 이미지화하기 위해 2 광자 현미경과 B6.S를 사용하여이 프로브가 광범위한 생물학적 응용을 가질 수 있음을 나타냅니다.