Development of near-infrared fluorescent probes based on novel near-infrared fluorophore scaffolds

• Project/Area Number: 23K27304
• Project/Area Number (Other): 23H02613 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 47010:Pharmaceutical chemistry and drug development sciences-related; Basic Section 47050:Environmental and natural pharmaceutical resources-related; Sections That Are Subject to Joint Review: Basic Section47010:Pharmaceutical chemistry and drug development sciences-related , Basic Section47050:Environmental and natural pharmaceutical resources-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 花岡 健二郎 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 教授 (70451854)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2026: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 蛍光プローブ / 蛍光イメージング / 近赤外蛍光 / バイオイメージング / pH / 薬学 / 分子認識 / 生体分子 / 分析科学 / レシオ測定 / 有機化学

Outline of Research at the Start

生命現象の理解のために、リアルタイムかつ高感度に生体内を観察することは重要であり、観測対象分子を可視化する「蛍光プローブ」は必要不可欠である。特に近赤外波長領域(650～900 nm)の蛍光は、生きた動物での蛍光イメージングやマルチカラーイメージングに貢献する。本研究では、これまでに独自に開発してきた近赤外蛍光団「Si-ローダミン(SiR)類」を基盤として、革新的な近赤外蛍光プローブの開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究において、研究代表者らが開発した「非対称SiR類」を基礎骨格として(Chem Commun 2018)、次の3つの近赤外蛍光プローブの開発を行う。①リソソーム内pHを定量可能な蛍光プローブ、②hROSを検出する近赤外蛍光プローブ、③CA9の生細胞での発現を可視化する近赤外蛍光プローブ、の3つの近赤外蛍光プローブを開発する。これら蛍光プローブは、異なる蛍光制御原理に基づいたものであるため、これら開発を通して近赤外蛍光プローブの分子設計法を開拓し、近赤外蛍光イメージングの分野を大きく発展させることを目指す。
令和5年度は、研究項目①については、研究代表者らによって以前に報告されたレシオ型pH蛍光プローブ(JACS 2018)の分子構造を改良することで、既存の共焦点蛍光顕微鏡の励起用レーザーの波長に対応し、かつ蛍光輝度を上昇させた新たなレシオ型pH蛍光プローブの開発に成功した。さらに、本蛍光プローブをデキストランに結合させて生細胞にエンドサイトーシスさせることで、生きた細胞のリソソーム内pHを測定することに成功した。現在は、共同研究者との共同研究を通して、本蛍光プローブの有用性や新たな生命現象の観察を試みている。研究項目②については、ローダミン色素におけるフェニル基の導入によるねじれ型分子内電荷移動の制御によって、反応性の高い活性酸素種（hROS: highly reactive oxygen species）に反応して発蛍光を示す蛍光プローブの開発を行った。デザイン・合成した蛍光プローブは、hROSの中でもHClOと選択的に反応して大きな蛍光上昇を示す蛍光プローブとなった。現在、共同研究者との共同研究を通して、本蛍光プローブの生細胞への応用を行っている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究において当初掲げた3つの近赤外蛍光プローブの開発のうち、2つの蛍光プローブについて現在までに開発に成功しており、それら蛍光プローブに関しては、現在、共同研究者と共に生体への応用に取り組んでいる。本年度は、4年計画の1年目ということで、当初の計画以上に進展しているとさせて頂いた。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究計画としては、蛍光プローブ自体の開発に成功している、①リソソーム内pHを定量可能な蛍光プローブ、②hROSを検出する近赤外蛍光プローブ、について、引き続き、共同研究を通して生細胞への応用を行い、その有用性を検討していく。③CA9の生細胞での発現を可視化する近赤外蛍光プローブ、については、新たにデザイン・合成を始めていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] A general fluorescence off/on strategy for fluorogenic probes: Steric repulsion-induced twisted intramolecular charge transfer (sr-TICT) (2024)
  • Author(s): Hanaoka Kenjiro、Ikeno Takayuki、Iwaki Shimpei、Deguchi Sayaka、Takayama Kazuo、Mizuguchi Hiroyuki、Tao Fumiya、Kojima Nobuhiko、Ohno Hisashi、Sasaki Eita、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Maeda Kazuya、Kusuhara Hiroyuki、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Issue: 7
  • DOI: 10.1126/sciadv.adi8847
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Whole-Body and Whole-Organ 3D Imaging of Hypoxia Using an Activatable Covalent Fluorescent Probe Compatible with Tissue Clearing (2024)
  • Author(s): Daichi M. Sakamoto; Iori Tamura; Bo Yi; Sho Hasegawa; Yutaro Saito; Naoki Yamada; Yoichi Takakusagi; Shimpei I. Kubota; Minoru Kobayashi; Hiroshi Harada; Kenjiro Hanaoka; Masayasu Taki; Masaomi Nangaku; Kazuki Tainaka; Shinsuke Sando
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 18 Issue: 6 Pages: 5176-5179
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c12716
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advances in Si-rhodamine-based fluorescent probes for live-cell imaging (2024)
  • Author(s): Ohno Hisashi、Sasaki Eita、Yamada Sota、Hanaoka Kenjiro
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 22 Issue: 16 Pages: 3099-3108
  • DOI: 10.1039/d4ob00130c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modular Design Platform for Activatable Fluorescence Probes Targeting Carboxypeptidases Based on ProTide Chemistry (2023)
  • Author(s): Kuriki Yugo、Sogawa Mari、Komatsu Toru、Kawatani Minoru、Fujioka Hiroyoshi、Fujita Kyohhei、Ueno Tasuku、Hanaoka Kenjiro、Kojima Ryosuke、Hino Rumi、Ueo Hiroki、Ueo Hiroaki、Kamiya Mako、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 146 Issue: 1 Pages: 521-531
  • DOI: 10.1021/jacs.3c10086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thioester‐Based Coupled Fluorogenic Assays in Microdevice for the Detection of Single‐Molecule Enzyme Activities of Esterases with Specified Substrate Recognition (2023)
  • Author(s): Ukegawa Tatsuya、Komatsu Toru、Minoda Mayano、Matsumoto Takuya、Iwasaka Takumi、Mizuno Tadahaya、Tachibana Ryo、Sakamoto Shingo、Hanaoka Kenjiro、Kusuhara Hiroyuki、Honda Kazufumi、Watanabe Rikiya、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Advanced Science Volume: 11 Issue: 10 Pages: 2306559-2306559
  • DOI: 10.1002/advs.202306559
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alkyl gallates inhibit serine O-acetyltransferase in bacteria and enhance susceptibility of drug-resistant Gram-negative bacteria to antibiotics (2023)
  • Author(s): Toyomoto Touya、Ono Katsuhiko、Shiba Tomoo、Momitani Kenta、Zhang Tianli、Tsutsuki Hiroyasu、Ishikawa Takeshi、Hoso Kanae、Hamada Koma、Rahman Azizur、Wen Liping、Maeda Yosuke、Yamamoto Keiichi、Matsuoka Masao、Hanaoka Kenjiro、Niidome Takuro、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 14 Pages: 1276447-1276447
  • DOI: 10.3389/fmicb.2023.1276447
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of a cystathionine γ-lyase (CSE) selective inhibitor targeting active-site pyridoxal 5′-phosphate (PLP) via Schiff base formation (2023)
  • Author(s): Echizen Honami、Hanaoka Kenjiro、Shimamoto Kazuhito、Hibi Ryota、Toma-Fukai Sachiko、Ohno Hisashi、Sasaki Eita、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Tsuchiya Yukihiro、Watanabe Yasuo、Otsuka Takao、Saito Hiroaki、Nagatoishi Satoru、Tsumoto Kouhei、Kojima Hirotatsu、Okabe Takayoshi、Shimizu Toshiyuki、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 16456-16456
  • DOI: 10.1038/s41598-023-43536-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of pathway-oriented screening to identify compounds to control 2-methylglyoxal metabolism in tumor cells (2023)
  • Author(s): Yanagi Kouichi、Komatsu Toru、Fujikawa Yuuta、Kojima Hirotatsu、Okabe Takayoshi、Nagano Tetsuo、Ueno Tasuku、Hanaoka Kenjiro、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Communications Chemistry Volume: 6 Issue: 1 Pages: 68-68
  • DOI: 10.1038/s42004-023-00864-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of far-red to near-infrared Si-rhodamines and their application to fluorescence probes (2024)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: The 5th International Conference on Fluorescent Biomolecules and Their Building Blocks (FB3)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動(TICT)機構を利用した分子設計に基づく蛍光プローブの開発 (2024)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] Development of far-red to near-infrared xanthene dyes and their application to fluorescence probes (2023)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: FASEB Science Research Conferences - The Optical Probes Conference: Discovery to Application
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 活性硫黄種を検出する蛍光プローブの開発とその応用 (2023)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 第17回メタボロームシンポジウム セッション：代謝イメージング
  • Invited
• [Presentation] 細胞内局所pHを測定するレシオ型蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 第96回 日本生化学会大会 3S07m 革新的なケミカルテクノロジーと生化学への展開
  • Invited
• [Presentation] Design strategy to control the emission of fluorophores via a twisted intramolecular charge transfer (TICT) process (2023)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka, Shimpei Iwaki, Takuya Myochin, Yasuteru Urano
  • Organizer: 12th Annual Conference of the International Chemical Biology Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動(TICT)機構に基づくニトロレダクターゼ活性検出蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第17回年会
• [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動を消光原理とする新規蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 第35回バイオメディカル分析科学シンポジウム
• [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動を消光機構とするニトロレダクターゼ活性検出蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 第10回バイオ関連化学シンポジウム若手フォーラム
• [Presentation] ねじれ型分子内電荷移動を消光機構とするニトロレダクターゼ活性検出蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 第17回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 立体反発誘導型TICTに基づくミトコンドリア内ニトロレダクターゼ活性検出蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 第17回メタボロームシンポジウム
• [Presentation] Development of a fluorescent probe for detecting nitroreductase activity based on the twisted intramolecular charge transfer (TICT) mechanism (2023)
  • Author(s): 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 大野久史, 花岡健二郎
  • Organizer: 第11回武田科学振興財団薬科学シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TICT機構に基づいたhROS検出近赤外蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 大野 久史、明珍 琢也、炭谷 峻、花岡 健二郎
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Remarks] 慶應義塾大学 薬学部 創薬分析化学講座 ホームページ
  • URL: http://keio-analchem.jp/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] ミトコンドリアにおけるタンパク質合成を検出する蛍光プローブ (2024)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎, 佐々木 栄太, 大野 久史, 炭谷 峻
  • Industrial Property Rights Holder: 慶應義塾
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-028006
  • Filing Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] γ－グルタミルトランスペプチダーゼ５（ＧＧＴ５）を検出する蛍光色素 (2023)
  • Inventor(s): 花岡健二郎, 佐々木, 小川, 有田, 磯部, 前川, 夏目
  • Industrial Property Rights Holder: 慶應義塾
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-178650
  • Filing Date: 2023