Development of Organic Fluorescent Materials for Bioimaging and Photodynamic Therapy

Abstract

유기 소재는 낮은 세포 독성 및 높은 생체 적합성을 가지며 바이오 영역에서 널리 활용되고 있다. 유기형광 센서는 타겟에 대한 높은 선택성과 분해능으로 바이오 분자 탐지 영역에서 각광 받고 있으며 유기 광감응제는 효과적인 이미징 및 치료효과로 암 치료 관련 영역에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 첫 번째 장에서는, thiocoumarin을 기반으로 하는 ratiometric한 형광 탐침 분자 FMCN-S를 개발하였다. ClO-와 단일항 산소는 유기체 내에서 공존하며 다양한 생물학적 단계에서 필수적인 상호 연결된 역할에 참여하기 때문에 동시에 ClO-와 단일항 산소를 모니터링 하는 기술의 필요성이 강조되어 왔다. FMCN-S는 효과적으로 ClO-와 단일항 산소를 동시에 탐침하며 옥소 유사체에 대한 탈황 반응을 통해 뚜렷한 형광 변화를 보여 형광 센서로서의 기능을 증명하였다. 황-케톤 성분의 높은 반응성과 형광 센서가 갖는 응집 유도 발광 (AIE) 효과는 세포 내에서도 성공적으로 활성산소종을 탐지하며 이미징 할 수 있도록 하며 이를 실험을 통해 증명하였다. 본 연구는 미래의 황 기반 형광 센서 설계를 위한 지침을 제공한다. 두 번째 장에서는, 가역작용이 가능한 GSH를 탐지하는 유기 형광 센서 ICC-G가 연구되었다. NMDA 수용체에 가까운 GSH를 추적하기 위해 cyanoacrylamide 와 ifenprodil 성분을 갖는 coumarin 유도체를 합성했다. Ifenprodil기는 NMDA 수용체의 유도기 역할을 하며, cyanoacrylamide 부분은 형광 센서 ICC-G가 pH 7.4에서 GSH를 가역적으로 모니터링할 수 있도록 설계되었다. 유기 형광 센서 ICC-G의 H2O2와 GSH를 첨가로 형광 방출 세기의 변화 현상을 이광자 형광 현미경을 사용하여 750 nm 빛에 의한 여기 후 확인했으며 이를 통해 뉴런 세포와 해마 조직에서 내인성 GSH를 검출 가능함을 증명하였다. 본 연구는 이미징 도구로서 형광 센서 ICC-G의 잠재력을 입증하며 뇌의 GSH에 대한 세부 연구를 위한 도구로 활용 가능성을 보여주었다. 마지막 장에서는, PIO(phosphindole oxide) 기반의 D-A-D 구조의 감광제인 DPA1과 DPA2를 설계하고 합성하였다. D-A-D 유형의 분자는 단일항과 삼중항 사이의 에너지 띠 간격을 줄이고 PIO 중심분자는 시스템 계간 교차(ISC)를 촉진한다. DPA1 및 DPA2는 수용액에서 응집유도 발광 (AIE) 효과를 보여 안정적인 이미징 가능성을 보였다. DPA1과 DPA2 분자는 HSA가 포함된 수용액에서 Type Ⅰ 활성산소 생성 능력이 뛰어났다. 또한, DPA1과 DPA2는 낮은 세포 독성을 나타내었고, 세포 생존율은 높은 농도의 감광제 용량 하에서도 높게 유지되었다. 이러한 결과는 이미징 및 치료 영역 적용을 위한 새로운 광역학 치료법 감광제로서의 DPA1 및 DPA2의 잠재력을 증명한다.;In chapter Ⅰ, a thiocarbonyl-based fluorescent ratiometric probe FMCN-S that shows unique properties was researched. Hypochlorite (HClO) and singlet oxygen (1O2) coexist in bio states and take part in essential interlinked roles in various biological steps. Therefore, techniques to simultaneously monitor ClO- and 1O2 are highly needed. FMCN-S effectively senses both ClO- and 1O2 simultaneously and exhibits evident fluorescent change through desulfurization reaction to the oxo analog. The fine reactivity of the thioketone moiety and the aggregation-induced emission (AIE) character of the probe allows successful detection and imaging of ROS in living cells. This study offers a guideline for thiobase-based fluorescent probe design. In chapter Ⅱ, a reversible-acting GSH detection probe ICC-G has been developed. To track GSH close to NMDA receptors, a coumarin derivative with ifenprodil and cyanoacrylamide moieties was created. The ifenprodil group serves as a guiding group for NMDA receptors, and the cyanoacrylamide group enables probe ICC-G to reversibly monitor the GSH level at pH 7.4. Probe ICC-G can monitor endogenous GSH in neuronal cells and hippocampus tissues using two-photon fluorescence microscopy. Additionally, adding H2O2 and GSH leads to fluorescence emission alternation. The application of Probe ICC-G as a potential imaging tool could help researchers learn crucial details about GSH in the brain. In the last chapter Ⅲ, design and synthesis of a phosphindole oxide (PIO) based D-A-D type photosensitizers, DPA1 and DPA2 was held. The D-A-D type molecular design tightens the singlet-triplet energy band gap, and the PIO core encourages the intersystem crossing (ISC). The DPA1 and DPA2 showed aggregated-induced emission (AIE) in aqueous solutions, indicating stable imaging properties. The PSs had great Type Ⅰ ROS generation ability in aqueous solution with HSA. Also, the PSs demonstrated low cell toxicity, the cell viabilities remained high under strong concentration of PS dose. These results ensure the potential of DPA1 and DPA2 as a modern therapeutic agent for imaging and therapeutic application.