Development of Various Fluorescent Probes to Detect Different Levels of Hypoxia in Living Cells

Abstract

Many studies have shown that hypoxia is associated with a variety of diseases such as cardiovascular disease, stroke and solid tumors. Therefore, it is important to develop an effective probe that can detect hypoxia. In the first chapter, a new quinone propionic acid licked two-photon fluorescent probe have been developed that can be used to detect human NAD(P)H:quinone oxidoreductase (hNQO1). NQO1, which is overexpressed in the hypoxic state, reduces the quinone moiety of the probe TPQ and releases fluorophore. TPQ exhibits high selectivity and anti-interference capability, has been successfully applied to endogenous hNQO1 imaging for the identification of different cancer cells. In Chapter II, Based on the fact that the azo function has excellent properties as a hypoxia-sensor moiety, we have developed a hypoxic-sensitive near-infrared fluorescent probe that causes a large fluorescence increase by cleavage of the azo bond.;많은 연구에 의하면 저산소증은 심혈관 질환, 뇌졸중 및 고형 종양과 같은 다양한 질병과 관련되어 있다. 조직이 충분한 산소 공급을 받지 못하는 상태인 Hypoxia는 종양의 주요 특징이며, 60% 정도의 종양에서 발견된다. Hypoxia 상태에서 암세포는 유전적인 변이가 일어나 전이가 증가하며 산소분자를 이용하는 방사선 요법과 화학요법에 내성이 생기기 때문에 치료가 더 어려워진다. 따라서 저산소증을 검출 할 수 있는 효과적인 프로브를 개발하는 일은 아주 중요하다. 종양의 저산소 상태는 세포의 환원 스트레스를 증가시켜 환원 효소가 많이 발현되게 한다. 그렇기 때문에 저산소 상태에 민감한 quinone, nitroimidazoles 및 azo 유도체는 hypoxia를 감지하는 많은 prodrug들의 디자인에 이용된다. 본 논문에서는 이러한 유도체들을 형광 probe와 접목시켜 저산소증을 검출할 수 있는 형광 프로브의 개발을 연구했다. 첫 번째 장에서는 퀴논 산화 환원 효소 (hNQO1) 검출에 사용할 수 있는 새로운 형광 프로브의 개발을 소개하였다. hNQO1 (human NAD (P) H : quinone oxidoreductase, EC 1.6.99.2)은 세포 환경에 광범위하게 존재하는 환원 효소로 NQO1의 발생 정도는 정상조직보다 암 조직에서 훨씬 높기 때문에 암 진단의 표적으로 주목 받고 있다. 본 논문에서는 hNQO1이 보조 인자로 NADPH를 사용해서 퀴논 화합물의 환원을 촉진한다는 점에 착안하여 quinone 유도체를 이용한 probe를 디자인했다. 또한 700nm이상의 약한 장파장으로도 여기가 가능하기 때문에 photo bleaching이나 세포손상을 줄일 수 있어 세포 내 이미징에 적합한 Two-photon fluorophore를 사용했다. 저산소 상태에서 과발현되는 NQO1은 프로브 TPQ의 퀴논 부분을 환원시키고 그 후 프로브는 형광 물질을 방출한다. 프로브 TPQ는 높은 선택성을 나타내며 여러 암세포에서 저산소 상태 이미징에 성공적으로 적용되었다. 두 번째 장에서는, 저산소 센서 부분으로서 Azo moiety가 우수한 특성을 갖는다는 사실에 기초하여, Azo 결합의 절단에 의해 큰 형광 증가를 일으키는 저산소 민감성 근적외선 형광 프로브를 개발했다. 산소가 풍부한 환경에서 인광이 억제되는 Ir complex와 세포사멸을 일으키는 Nitrogen Mustard를 저산소상태에서 효과적으로 반응하는 Azo bond로 연결하였다. 저산소 환경에서 많이 발현되는 Azo reductase는 Azo-bond를 아닐린으로 reduction시켜 결합을 끊는데, 환원의 첫 번째 단계에서 anion radical 화합물의 형성은 산소가 풍부한 정상 세포 환경에서 억제된다. 이리듐 (III) 복합체는 정상 조직의 산소에 의해 인광이 급속하게 감소하지만 hypoxia 상태인 종양 조직에서는 인광이 증가하는 특징을 가지므로 hypoxia imaging에 사용된다. 종양의 치료효과를 위해 도입한 Nitrogen Mustard는 DNA와 RNA에 붙어서 DNA의 복제를 어렵게 하고 결과적으로 세포 사멸을 일으킨다. 이러한 세가지 부분을 이용하여 개발한 Probe는 Hypoxia 상태에서 많이 방출되는 cytochrom P450 환원효소에 의해 Azo bond가 끊어지며 Ir complex에서 인광이 방출되고, Nitrogen mustard는 세포 사멸을 일으킨다. 저산소 상태를 검출하는 것뿐만 아니라 종양 감소 효과도 동시에 가지는 이리듐 복합체 probe는 기존의 다른 probe들 보다 매우 뛰어난 종양 치료 효과를 보일 것으로 기대된다.