새로운 형광 분자의 합성 및 생체영상화에의 응용

Abstract

Part I. 확장된 파이계 형광체의 개발 “생체영상화”는 생물학적 과정을 비 침습적으로 영상화하는 분석 방법이다. 다양한 생체영상화 방법 중에서 형광 이미징은 살아있는 세포와 조직의 영상에 필수적인 도구가 되었다. 다른 영상화 방법에 비해, 형광 이미징은 높은 민감성와 선택성, 비 침습적이고 안전한 감지, 감편한 조작, 비교적 낮은 비용 등의 많은 장점을 갖는다. 일광자 형광 현미경에 비해 절반의 에너지의 광자를 필요로 하기 때문에 이광자 흡수 염료와 결합된 이광자 형광 현미경은 생체영상화로의 응용에 많은 관심을 받고 있다. 또한, 이광자 형광 현미경은 깊은 침투 깊이, 본질적으로 국한된 여기, 조직으로부터의 낮은 자가형광, 감소된 광 손상과 광표백 등의 장점 때문에 각광을 받고 있다. 따라서, 생체영상화에의 응용을 위한 바람직한 광 물리 특성을 가진 새로운 이광자 흡수 염료를 개발하기 위해, 본 연구에서는 조직의 이광자 형광 현미경 영상에서 감소된 자가형광을 나타내는 파이계 확장 아세단 유도체와 안트라센 유도체를 합성하였다. 알츠하이머 병 마우스 모델의 뇌에서 아밀로이드-베타 플라크의 영상화를 위한 새로운 파이계 확장 아세단 유도체 프로브를 개발하였다. 또한, 비율 기준 이광자 형광 프로브의 연구를 위하여 벤조 쿠마린을 이용하여 새로운 감지 플랫폼을 개발하였다. 이 새로운 감지 플랫폼은 베타-갈락토시다아제 활동의 영상화를 위한 이광자 형광 프로브를 개발하기 위해 응용되었다.

Section I. 파이계 확장 아세단 유도체와 생체영상화에의 응용 최근, 생물학적 시스템에서 다양한 분석물질의 감지 및 영상화를 위한 이광자 형광 프로브는 큰 관심을 받고 있다. 아세단 및 그 유도체들은 우수한 광 안정성 및 이광자 흡수 단면 값 때문에 이광자 형광 프로브로서 널리 사용되어 왔다. 아세단의 최대 흡수 파장과 최대 방출 파장은 상대적으로 짧은 파장 영역대에 있기 때문에 필연적으로 조직의 영상에서 커다란 자가형광을 야기한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 연구에서는 900 nm의 이광자 여기 조건 하에서 조직의 자가형광을 크게 억제하고 유망한 광 물리 특성을 보이는 새로운 파이계 확장 아세단 유도체를 합성하였다. 또한, 파이계 확장 아세단 유도체들은 아세단보다 환경에 더 민감한 방출 거동을 보여주었기 때문에 아밀로이트-베타 플라크의 영상화를 위한 이광자 형광 프로브의 개발에 이용되었다. 1000 nm의 이광자 여기 조건 하에서 여기할 수 있는 새로운 이광자 형광 프로브는 광 화학적으로 안정되고 생체 적합하며 혈액-뇌 장벽을 쉽게 통과할 수 있기 때문에 알츠하이머 병 마우스 모델의 뇌에서 아밀로이드-베타 플라크를 영상화할 수 있었다.

Section II. 안트라센 유도체와 생체영상화에의 응용 아세단이나 그 유도체와 같은 전자 공여체–전자 수용체 형태의 극성 염료들은 효율적인 이광자 흡수 특성을 나타내기 때문에 이광자 형광 현미경 영상을 얻는데 바람직하다. 최근, 합성의 간단함과 유망한 광 물리 특성으로 인해, 아세단 유도체는 생체영상화를 위한 이광자 형광 프로브의 개발에 이용되고 있다. 그러나, 아세단 유도체들은 최대 흡수 파장과 최대 방출 파장은 상대적으로 짧은 파장 영역대에 있기 때문에 생체 내 형광체로부터 발생하는 자가 형광에 영향을 받을 수 밖에 없다. 이를 방지하기 위해 긴 파장에서 빛을 흡수하고 방출하는 이광자 흡수 염료를 개발하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 9,10-비스(2-메톡시페닐)안트라센에 전자 공여체와 전자 수용체를 도입하여 새로운 안트라센 유도체를 합성하였다. 새로운 안트라센 유도체는 적색 편이의 최대 흡수 파장과 최대 방출 파장을 나타내며, 이를 이용하여 950 nm의 이광자 여기 조건 하에서 이광자 형광 현미경 영상을 얻었을 때, 자가 형광을 크게 감소시킬 수 있었다.

Section III. 벤조 쿠마린 유도체와 생체영상화에의 응용 최근, 반응 기반의 형광 프로브는 분석 물질에 대한 높은 선택성 때문에 많은 관심을 받고 있다. 이 프로브의 대부분은 일광자 흡수 염료를 기반으로 하고 있고, 이광자 프로브는 많이 보고 되지 않았다. 이광자 프로브는 일광자 프로브에 비해서 많은 장점들을 가지고 있기 때문에 본 연구실에서는 이광자 프로브에 개발에 대한 연구를 수행해왔다. 그 결과, IminoPOS라고 명명된 벤조쿠마린을 합성하였고, 이러한 염표는 좋은 이광자 흡수 특성을 나타내었다. 생체영상화, 환경 모니터링, 또는 정량 분석에 보다 적합한 이광자 프로브를 개발하기 위해서 비율 기준 이광자 프로브의 개발이 필요로 한다. 본 연구에서는 벤조 쿠마린 1을 기반으로하고, 비율 기준 이광자 프로브로 활용 가능한 새로운 감지 플랫폼을 개발하였다. 그리고 새로운 감지 플랫폼에 기초하여, 베타-갈락토시다아제를 감지하기 위한 비율 기반 이광자 프로브를 개발하였다. 베타-갈락토시다아제는 이당류의 가수분해를 촉진하며, 전사 및 형질 전환 효율을 검사하는 유전자 기자로 널리 사용되고 있다. 개발된 프로브는 효소 과정을 통해 베타-갈락토시다아제와 반응함으로써 비율적인 형광 변화를 나타내었다.

Part II. 발광 붕소 착물의 개발 발광 유기 물질 및 유기 금속 화합물등은 유기 발광 다이오드, 태양 전지, 광 증감제 등으로의 다양한 응용 가능성 때문에 많이 연구되고 있다. 그 중, BODIPY 염료 및 그 유도체들은 열 및 광 화학적 안정성, 높은 형광 양자 수율, 무시할만한 삼중 상태의 형성과 같은 뛰어난 광 물리 특성으로 인해 다향한 분야에서 연구되고 있다. 그러나, 이들 붕소 착물의 대부분은 종래의 BODIPY 염료에 비해 열등한 광 물리 특성을 나타낸다. 광 발광 물질은 다양한 분야에 응용 가능하기 때문에 유망한 광 물리을 갖는 새로운 유기 붕소 착물을 개발하는 것은 매우 중요하다. 치환기는 N,O-킬레이트 붕소 착물의 광 발광 특성의 극적인 변화를 유도할 수 있는데, 2-(벤조티아졸-2-일)페놀의 붕소 착물의 경우에 아민 치환기의 위치에 따라 밝은 청색이나 적색 발광 재료가 될 수 있다. 이러한 붕소 착물들은 흡수 및 방출 스펙트럼 사이에 작은 중첩이 나타나고, 크리스탈 구조에서 파이-파이 stacking 상호작용이 거의 없기 때문에 고체 상태에서도 강한 형광을 나타낸다. 청색의 붕소 착물을 유기 발광 다이오드의 도펀트로 이용하여 소자를 제작하였고, 이러한 소자는 이상적인 진한 청색의 전장 발광을 나타내었다. 광 발광 특성에 대한 치환기 효과는 붕속 착물이나 다른 금속 착물의 방출 파장을 조절하는데 응용될 수 있을 것이다.

Part I. Development of extended π-conjugated fluorophores “Bioimaging” is an analytical method that non-invasively visualizes biological processes in vivo. Among several bioimaging methods, fluorescence imaging has become an essential tool in imaging of living cells and tissues. Compared to other imaging methods, fluorescence imaging has many advantages such as, high sensitivity, high selectivity for analytes, non-invasive detection, safe detection (away from radioactive substances), simple operation, and relatively low cost. Two-photon microscopy (TPM) combined with the two-photon absorption (TPA) dyes has received a lot of attention for bioimaging because it requires a photons of half the energy compared to one-photon microscopy (OPM). Moreover, TPM comes into the spotlight owing to its advantages such as deeper penetration depth (>500 μm), intrinsically localized excitation, lower tissue autofluorescence and self-absorption, in addition to the reduced photodamage and photobleaching. Therefore, in order to develop new TPA dyes with desirable photophysical properties for bioimaging applications, I have investigated new π-extended acedan derivatives as well as anthracene derivatives that show reduced autofluorescence in TPM imaging of tissues. I have developed a new π-extended two-photon (TP) acedan probe for imaging of amyloid-β (Aβ) plaques in the brain of an Alzheimer’s disease mouse model. Furthermore, I have also developed a new sensing flatform using benzocoumarin derivative for investigating ratiometric TP probe. This new sensing flatform have been applied to develop TP probes for imaging of β-galactosidase (β-Gal) activity.

Section I. π-Extended acedan derivatives and their applications to bioimaging Recently, two-photon (TP) probes for detection and imaging of various analytes in the biological systems have attracted great attention. Acedan, 2-acetyl-6-(dimethylamino) naphthalene, and its derivatives have been widely used as TP probes owing to their good photostability and two-photon absorption cross-section. Absorption maximum and emission maximum of acedan are in the rather shorter wavelength region (λabs = 369 nm and λem = 484 nm in ethanol), which inevitably cause significant autofluorescence in tissue imaging. To overcome such problems, I have synthesized new π-extended acedan analougues that show promising photophysical properties, in particular, greatly suppressed autofluorescence in fluorescence imaging of tissues under two-photon excitation at 900 nm. In addition, the π-extended acedan analogues showed more pronounced environment-sensitive emission behavior than acedan itself, which was further exploited in the development of a novel two-photon imaging probe for amyloid-β (Aβ) plaques. The new TP probe, excitable at 1,000 nm or further under two-photon excitation conditions, was photochemically stable, biocompatible, and readily penetrated the blood-brain barrier, allowing in vivo imaging of Aβ plaques in live Alzheimer’s disease mouse model.

Section II. An anthracene derivative and its application to bioimaging Donor–π–acceptor (D–π–A) dipolar dyes such as acedan (6-acetyl-2-(dimethylamino)naphthalene) and its derivatives are desirable for two-photon microscopy (TPM) imaging because they show efficient two-photon absorption (TPA) property. Recently, owing to their preparation simplicity as well as the promising photophysical properties, acedan derivatives have received attention to the development of two-photon (TP) fluorescent probes for bioimaging. However, as describe before, acedan derivatives have maximum absorption and emission band in the rather shorter wavelength region (λabs < 400 nm and λem < 550 nm), which interfered by autofluorescence originated from intrinsic fluorophores. Therefore, to avoid this, we need to develop TP dyes which absorb and emit at long wavelength. I have synthesized a new anthracene derivative by introducing of donor and acceptor functional group on the 9,10-bis(2-methoxyphenyl)anthracene. The new anthracene derivative exhibits red-shifted maximum absorption (λabs = 457 nm in ethanol) and emission (λem = 586 nm in ethanol) band, and it provides negligible autofluorescence in TPM images of tissue under excitation at 950 nm.

Section III. A benzocoumarin derivative and its application to bioimaging In recent years, the reaction-based fluorescent probes have received a lot of attractions owing to their specificity toward given analytes. Most of these probes are based on one-photon (OP) absorption dyes and a few corresponding two-photon (TP) probes have been reported. The benefits of TP probes over OP probes prompted us to develop the TP probes. We had synthesized a benzocoumarin, named as IminoPOS, exhibits desired photophysical properties as a TP absorption dye. Our continuing efforts to develop TP probes with useful features for bioimaging, environmental monitoring, or ready quantification of analytes led us to investigate ratiometric TP probes. I have developed a new TP sensing platform based on benzocoumarin derivative 1, which shows a ratiometric emission behavior in the presence of the analytes. On the basis of the new sensing platform, I developed a ratiometric two-photon probe for β-galactosidase (β-Gal). β-Gal catalyzes the hydrolysis of disaccharides such as β-galactosides into monosaccharides. β-Gal is commonly used as a gene reporter to examine transcription and transfection efficiencies. The β-Gal probes exhibited ratiometric fluorescence changes upon the reaction with the β-Gal due to generation of benzocoumarins through the enzymatic process.

Part II. Development of luminescent boron complexes Luminescent organic and organometallic compounds have been a subject of intense research for their potential applications to organic light emitting diodes (OLEDs), solar cells, photosensitizers, and so on. Among them, boron dipyrromethene (BODIPY) dyes and their derivatives have been extensively explored for various applications because of their outstanding photophysical properties such as thermal and photochemical stability, high fluorescence quantum yield, and negligible triplet-state formation. However, most of these boron complexes show inferior photophysical properties compared to the conventional BODIPY dyes. As photoluminescent materials can be used for diverse applications, it may be significant to develop new organoboron complexes with promising photophysical properties. Substituents can induce dramatic changes in the photoluminescence properties of N,O-chelated boron complexes. Specifically, the boron complexes of 2-(benzothiazol-2-yl)phenols become bright deep blue and orange-red emitting materials depending on the amino substituents at 5- and 4-positions of 2-(benzothiazol-2-yl)phenol, respectively. Absorption and emission data show that the resulting boron complexes have little or small overlap between the absorption and emission spectra, and, furthermore, X-ray crystal structures for both the blue and orange-red complexes indicate the absence of π–π stacking interaction in the crystal packing structures. These features endow the boron complexes with the bright and strong photoluminescence in the solid state, distinguished from the typical boron complexes of dipyrromethenes (BODIPYs). A preliminary study indicates that the blue complexes have promising electro-optical characteristics as dopant in an organic light-emitting diodes (OLEDs) device, showing the chromaticity close to an ideal deep blue. The substituent effects on the photoluminescent properties may be used to tune the desired emission wavelength of related boron or other metal complexes.