Studies on the Fluorescent Probes and Photodynamic Therapy

Abstract

Recently, people around the world are suffering from various diseases, and thus, it is essential to develop a simple and effective method which can early diagnose and cure. Based on this necessity, we designed fluorescent probes that can detect in highly selectivity for factors related with various health problems. Moreover, we introduce specific tumor targetable fluorescent imaging system based on graphene oxide, which can function as photodynamic therapy tool simultaneously. In Chapter I, we report a fluorescent probe based on boronate structure for the highly selective detection of hydrogen peroxide (H2O2) since reactive oxygen species (ROS) play significant roles in diverse physiological process and are related with various diseases. This boronate-based probe also contains a morpholine moiety as a directing group for lysosome as well as naphthalimide moiety as a fluorophore. This H2O2 selective fluorescent probe could be employed in the solution but also in the living cells. Moreover, due to the recognition property of probe, it could monitor the level of endogenous and exogenous H2O2. These results suggest that the probe can be used as an effective detector of H2O2. In Chapter II, two cyanine-based fluorescent probes, 1 and 2, for detection of biothiols including glutathione (GSH) containing sulfonamide groups are introduced. GSH is one of the most important factor in human pathologies since GSH protects cellular components from damage caused by free radicals and reactive oxygen species and maintains exogenous antioxidants as well as serves many cellular functions. While probe 1 containing a 2, 4-dinitrobenzene sulfonamide group show biothiol (cysteine, homocysteine, and glutathione) over amino acids, probe 2 including dansyl group detect only GSH over other biothiols, cysteine and homocysteine. In particular, the potential biological utility of 2 was shown by its use in fluorescence imaging of GSH in living cells. Moreover, probe 2 also could be used to monitor GSH in vivo in a mouse model. The results indicate that intravenous injection of 2 into a mouse generate a strong fluorescence emitted from various tissues of including liver, kidney, lung, and spleen. In Chapter III, we developed the graphene oxide (GO) based photodynamic therapy system that is targetable toward tumor. Firstly, GO-PEG-FA was synthesized as a nanocarrier of photosensitizer, chlorin e6 (Ce6). For the aqueous stability and cell permeability, poly(ethylene glycol)-diamine (NH2-PEG-NH2) was used. Moreover, folic acid (FA) was employed as a directing group for tumor. Chlorin e6 (Ce6) was loaded on the GO-PEG-FA nanocarrier and tested in living cells and mouse. Our research suggest that since GO-PEG-FA has a great in vivo safety and stability compared to GO it is possible to enhance the tumor tissue distribution and photodynamic anticancer effects.;최근 들어 수많은 사람들이 다양한 질병으로 고통 받고 있으며 간단하고 효과적인 질병의 조기진단과 치료를 가능하게 하는 방법의 개발이 요구되고 있다. 이러한 필요성에 따라 본 연구진은 여러 가지 발병인자들을 감지하여 형광을 나타내는 형광 센서들을 구상하였다. 이와 더불어 그라핀 옥사이드 (Graphene oxide)를 기반으로 한 종양 특이적 형광 이미징 시스템을 소개하고자 한다. 1장에서는 보로네이트 구조를 기반으로 과산화수소 (H2O2)를 선택적으로 감지하는 형광 프로브를 소개한다. 과산화수소를 비롯한 활성산소 족은 생리적 변화에 중요한 역할을 할 뿐 아니라 다양한 질병과도 연관이 있기 때문에 감지하는 것이 매우 중요하다. 또한, 우리가 소개하는 보로네이트 기반의 형광센서는 리소좀(lysosome) 목표지향성의 몰포린 (morpholine) 부분이 있어 특정 세포기관인 리소좀에서 활성산소를 감지한다. 2장에서는 두 가지의 사이아닌(cyanine) 기반의 형광 프로브를 소개하며, 각각 1과 2로 표현된다. 바이오 티올(bio-thiol)은 시스테인(cysteine), 호모시스테인(homocysteine), 그리고 글루타티온(glutathione)을 의미하며, 생체 내에서 중요한 역할을 하고 있다. 그 중에서도 글루타티온은 병리학적 측면에서 매우 중요한데, 이는 세포 성분들을 라디칼이나 활성산소로부터 보호하고, 외인성 산화방지 물질을 유지시키기 때문이다. 프로브 1은 시스테인, 호모시스테인, 글루타티온 모든 바이오 티올을 다른 아미노산 중에서 선택적으로 감지하며, 프로브 2는 바이오-티올 중에서도 글루타티온만 선택적으로 감지한다. 또한 사이아닌 구조적 특성으로 근적외선 영역의 형광을 방출하며, 피부보다 더 깊이 침투될 수 있기 때문에 생체 내 실험을 가능하게 한다. 따라서 우리는 프로브 2를 가지고 쥐에서 글루타티온을 선택적으로 검출하였다. 3장에서는 그라핀 옥사이드(graphene oxide)를 기반으로 종양 목표지향성 광역동치로 시스템을 구축하였다. 엽산 (folic acid)가 종양 지향성기로 사용되었으며, 수용성 환경에서의 안정성을 위해 폴리에틸렌글리콜(PEG)를 이용하여 최종 GO-PEG-FA를 합성하였다. 그라핀 옥사이드 복합 시스템에 광 감작제(photosensitizer)중 하나인 클로린(chlorin e6)을 올려 종양선택으로 이동할 뿐만 아니라 치료도 가능하도록 하였으며 쥐 실험을 통해 이를 보여 주었다.