超分子アセンブリを活性化した単一分子リン光共鳴エネルギー転移による近赤外ターゲット細胞イメージング

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超分子アセンブリ 単一分子リン光 共鳴エネルギー転移 近赤外イメージング 癌細胞ターゲティング

超分子組織化によって活性化された単一分子リン光共鳴エネルギー移動を用いた近赤外標的細胞イメージング

近年、純有機リン光共鳴エネルギー移動(Phosphorescence Resonance Energy Transfer, PRET)の研究が注目を集めています。本論文では、著者らがアルキル橋架けされたメトキシ四フェニルエチレン-フェニルピリジン誘導体(TPE-DPY)ホスト分子、異なるパラメータのカリックス[n]アリル(Cucurbit[n]uril, n = 7, 8)、およびβ-シクロデキストリン修飾ヒアルロン酸(HACD)から、大きいストークスシフト(367nm)と近赤外(NIR)発光を示す単一分子PRETシステムを構築しました。著者らはこのシステムを用いて、がん細胞のミトコンドリアの標的イメージングに成功しました。

研究背景

超分子組織化は、分子認識、触媒、蛍光材料、医療、センシングにおける重要な応用があるため、長年注目されてきました。特に大環状化合物に基づく超分子組織化は、単一励起子の振動を抑制し、ホスト分子の光物理的性質、特に室温リン光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)を誘導および向上させることから、大きな関心を集めています。RTPシステムにおける急速な進歩にもかかわらず、可変のリン光発光、特にNIR領域でのリン光発光の実現は大きな課題です。この制限は主にエネルギーギャップ則に起因しています。

論文情報

本論文は、南開大学化学学院、元素有機化学国家重点実験室、化学科学と工学協同イノベーションセンターに所属するXiaolu Zhou、Xue Bai、Fangjian Shang、Heng-yi Zhang、Li-hua Wang、Xiufang Xu、Yu Liuによって執筆され、「Nature Communications」に掲載されました。本研究は2024年5月28日に受理され、2024年15巻4787ページに掲載されています。

研究の手順

研究対象

本研究では、カリックスアリルとHACDを用いた単一分子PRETシステムの構築と、そのミトコンドリア標的イメージングへの応用に焦点が当てられています。超分子組織化のトポロジーと結合挙動、および二次組織化による単一分子PRETの活性化過程が探索されました。

実験手順

  1. ホスト分子の合成と特性評価:

    • メトキシ四フェニルエチレンとアルキル橋架けフェニルピリジンの異なる量を用いて、Mizoroki-Heckカップリングとアルキル置換反応によりTPE-DPY誘導体を合成。
    • 1H NMR、13C NMR、2D COSY、高分解能質量分析(HRMS)を用いて詳細に特性評価。

  2. カリックスアリルの結合挙動およびトポロジーの探索:

    • 1H NMR、UV-Vis滴定、2D ROESY/DOSYスペクトルを用いてTPE-DPYとCB[7]およびCB[8]の結合挙動を調査。
    • 透過電子顕微鏡(TEM)および走査電子顕微鏡(SEM)を用いて、異なる組織体のトポロジー変化を観察。

  3. 二次超分子組織化と単一分子PRETの活性化:

    • TPE-DPY/CB[7]/CB[8]システムにHACDを導入し、二次組織体を構築。トポロジー変化を観察。
    • 動的光散乱(DLS)、TEM、ゼータ電位測定を用いてさらに二次組織体を評価し、PRETプロセスの光学特性を研究。

  4. 発光特性と機構の研究:

    • 異なる組織体の光物理的性質とその機構、RTPおよびPRET挙動を探索。
    • 密度汎関数理論(DFT)および時間依存密度汎関数理論(TDDFT)計算を用いて実験結果を支持。

  5. がん細胞標的イメージング:

    • ヒト子宮頸がん細胞(HeLa)およびヒト胚性腎細胞(293T)を用いて標的イメージング実験を実施。
    • 共焦点レーザー走査顕微鏡(CLSM)を用いて細胞内のNIR発光シグナルを観測。

主要な実験詳細

TPE-DPYの合成

窒素雰囲気下で、4,4’-[[2,2-bis(4-methoxyphenyl)ethylidene]bis(4,1-phenyleneazenediylidene)]pyridine (54 mg, 0.09 mmol)とpy-1 (94.5 mg, 0.22 mmol)をアセトニトリル(5 mL)に溶解し、85°Cで36時間加熱した。反応後、アセトニトリルで超音波洗浄し、溶媒を蒸発させてアセトンで洗浄した。最後に、加熱ろ過と再結晶化で精製し、目的生成物を得た。

TPE-DPYとカリックスアリルの結合挙動の解明

  1. TPE-DPYおよびCB[8]、CB[7]システムの1H NMRおよびUV-Vis スペクトルを測定し、Job プロットから結合定数を算出。
  2. 2D ROESYおよび2D DOSYスペクトルを用いて結合モードを探索し、TPE-DPYとCB[8]が1:1、CB[7]が1:4の比率で結合することを確認。

光物理的特性の研究

TPE-DPYがCB7またはCB[8]との二元組織体を形成した際、吸収ピークは異なる程度で赤シフトした。TPE-DPY/2CB[7]、TPE-DPY/4CB[7]、TPE-DPY/CB[8]、TPE-DPY/CB[7]/CB[8]系において、PL スペクトルは530 nm付近に顕著な発光ピークを示し、長寿命発光特性があることが示唆された。

二次組織化とPRETの活性化: 1. HACDを添加したTPE-DPY/CB[7]/CB[8]システムの構造変化をDLS、TEM、ゼータ電位測定により評価し、組織化挙動を探索。 2. 330 nm励起下でPRET反応が生じ、700 nmの近赤外遅延蛍光が観測された。

がん細胞イメージングへの応用:
1. TPE-DPY/CB[7]/CB[8]@HACDのHeLaおよび293T細胞におけるイメージング能力を比較評価。 2. 共局在解析により、NIR発光がミトコンドリアに集積していることを確認。

結論と意義

本研究では、大環状ホストに基づく単一分子PRETシステムを活性化し、がん細胞におけるNIR遅延蛍光発光を実現しました。異なるサイズのCB[7]およびCB[8]を利用することで、初期TPE-DPY組織体のトポロジーを制御できました。さらに、HACDによる二次組織化によりPRETが活性化され、700 nmのNIR遅延蛍光発光が生じました。本システムは大きいストークスシフト(367 nm)を示し、がん細胞ミトコンドリア標的イメージングに成功しました。これにより、単一分子PRETの構築と応用への新しい可能性が示されました。

研究の特徴

  1. 大きいストークスシフト(367 nm): 本系は顕著なストークスシフトを示し、優れた光学特性を有します。
  2. カリックスアリルによる多様な超分子トポロジー: 異なる比率でカリックスアリルが組織化に関与し、ナノ球、ナノロッド、多層ナノシートなど様々なトポロジー変化が観察されました。
  3. 単一分子PRETとNIR発光イメージング: がん細胞イメージングにおいて、特異的なNIR(700 nm)遅延蛍光発光が実現され、生物医学イメージングへの応用可能性が示唆されました。

本研究は単一分子PRETシステムを活性化する新規な手法を提供するだけでなく、NIR標的イメージングの新たな可能性を切り拓きました。今後の研究では、発光効率のさらなる改善や、他の生物医学分野への応用探索が期待されます。