Development of Fluorescent Probes for the Detection of Biomolecules and Tumors

Abstract

In chapter I, two unique bis-pyrene derivatives (BP-1 and BP-2) bearing OH groups were synthesized. These pyrene moieties are connected via an amine (BP-1) or a thioether (BP-2) linker, respectively. Probe BP-1 and BP-2 displayed completely fluorescence quenching with Cu2+ ions. In addition, these BP-1-Cu2+ and BP-2-Cu2+ complexes exhibited selective off-on fluorescence enhancements along with the addition of glutathione (GSH), cysteine (Cys) and homocysteine (Hcy) among the various amino acids and nucleoside phosphates. The recovery of fluorescence intensity was induced by the substitution of the ligand for Cu2+ from BP-1-Cu2+ and BP-2-Cu2+ complexes to the biothiols. Probe BP-1-Cu2+ and BP-2-Cu2+ were further employed to detect endogenous biothiols in living cells. In chapter II, a Binol derivative BND was designed and developed as a chemosensor for selective detection of Zn2+ ions. Probe BND exhibited a significant enhancement of emission in the presence of Zn2+ ions in physiological condition. Fluorescence microscopy imaging using HeLa cells showed that BND could be used to detect Zn2+ ions in living cells. Therefore, this probe can be effective for imaging endogenous Zn2+ ions for biology studies. In chapter III, a hypoxia-responsive fluorescent probe CAP was developed for imaging and therapy for tumors. The azo fuctional group has its unique properties as the hypoxia-sensor moiety in which a large fluorescence enhancement is induced by the cleavage of an azo bond. Camptothecin (CPT), an anti-cancer drug model, was chemically conjugated to poly(ethylene glycol) (PEG) to overcome its low-solubility in water and instability in the blood circulation.;1장에서는 파이렌 유도체와 함께 amine 결합과 thio(ether) 결합을 각각 가지는 형광 프로브 BP-1과 BP-2를 개발하였다. 두 프로브는 다양한 금속 이온 중에서 구리 이온과 결합하여 선택적인 형광 소광을 나타냈다. 또한 프로브와 구리 이온의 복합체를 형성한 후에 바이오티올을 가하면 형광이 증가함을 보였다. 복합체 BP-1-Cu2+와 BP-2-Cu2+는 여러 아미노산과 뉴클레오시드 인산염 중 오직 GSH, Cys, Hcy와 선택적으로 반응하여 형광 증가를 보였다. 뿐만 아니라, 세포 실험을 통해 BP-1과 BP-2는 구리 이온과 결합했을 때 강한 형광 소광을 나타내고, 프로브가 구리 이온과 복합체를 형성했을 때 형광 증가를 보임에 따라 바이오티올을 선택적으로 검출할 수 있음을 확인하였다. 2장에서는 바이놀 유도체인 BND를 합성하여 아연 이온을 선택적으로 검출하는 화학 센서로 개발하였다. BND는 아연 이온에 의해 강한 형광을 나타냈다. BND는 막 투과성 아연 이온 킬레이터 TPEN 처리시 형광 소광에 의해 확인된 외인성 아연 이온을 효과적으로 이미징 할 수 있었다. 뿐만 아니라, BND는 세포사가 진행되면서 방출된 내인성 아연 이온을 모니터링하기 위해 추가로 사용되었다. 이러한 결과는 이 프로브가 생물학 연구를 위해 내인성 아연을 이미징하는 데 유용하게 사용할 수 있음을 증명하였다. 3장에서는 azo 작용기가 저산소 상태에서 결합의 절단에 의해 형광 증가를 보이는 특성에 기반하여 물에 대한 용해도가 낮은 항암제인 camptothecin (CPT)을 친수성 고분자 poly(ethylene glycol) (PEG)과 화학적으로 결합시켜 고분자 prodrug 상태의 프로브 CAP를 설계했다. 저산소 환경에서 발현되는 azo 환원제에 의해 azo 결합이 끊어지면서 prodrug 상태였던 CPT가 활성화되어 암세포를 치료한다.