Design and Synthesis of Fluorescent Probes Utilizing Structural Dynamics of Small Organic Molecules

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 16H00823
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 花岡 健二郎 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (70451854)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2017: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 薬学 / 分子認識 / 分析科学 / 有機化学 / 生体分子 / アゾ化合物 / 蛍光プローブ / 光増感剤 / レポーターシステム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、有機小分子での分子の動きを制御することによって、光照射によって生じる「分子の励起状態」を制御し、光機能性分子（蛍光プローブや光増感剤）を開発することを目指している。
本年度は、「低酸素環境下で活性化する光増感剤の開発」に成功している。本研究成果は、学術論文(J. Am. Chem. Soc., 139, 13713-13719 (2017))にて発表を行った。以下にその詳細を示す。
生体内における異常な低酸素状態はがんや虚血性疾患などと密接に関与しており、HIF-1の活性化等を介し様々な生体反応を惹起する。低酸素環境を認識し発蛍光する蛍光プローブは、生体内の低酸素応答を理解する上で有用なツールとなり、これまでに開発に成功している。本研究では、低酸素環境で活性化し光増感能を示す機能性光増感剤の開発を行った。
これまでに開発に成功している低酸素環境を検出する蛍光プローブの分子デザインでは、アゾ基が低酸素環境選択的に還元的開裂反応を受けること、及びアゾ化合物が一般的に無蛍光物質であることに着目している(Angew. Chem. Int. Ed., 52, 13028-13032 (2013)&ACS Chem. Biol., 12, 558-563 (2017))。すなわち、蛍光団の共役系にアゾ基を導入することで蛍光を消失させ、低酸素環境依存的にアゾ基が還元的開裂を受けることで蛍光が回復する低酸素感受性蛍光プローブである。これら分子設計コンセプトを基に機能性光増感剤を分子設計した。すなわち、重原子効果により高い効率で一重項酸素を生成することが知られているSe-ローダミン色素の誘導体としてdiMe SeRを開発し、その色素共役系にアゾ基を導入したdiMe azoSeRを合成した。本プローブを生細胞へと応用したところ、低酸素下で光照射により細胞死を誘導することに成功した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Washington State University(米国)
• [Journal Article] Development of an Azo-Based Photosensitizer Activated under Mild Hypoxia for Photodynamic Therapy (2017)
  • Author(s): Piao Wen、Hanaoka Kenjiro、Fujisawa Tomotsumi、Takeuchi Satoshi、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Terai Takuya、Tahara Tahei、Nagano Tetsuo、Urano Yasuteru
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 139 Issue: 39 Pages: 13713-13719
  • DOI: 10.1021/jacs.7b05019
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fluorescent Probes and Selective Inhibitors for Biological Studies of Hydrogen Sulfide- and Polysulfide-Mediated Signaling (2017)
  • Author(s): Yoko Takano, Honami Echizen, Kenjiro Hanaoka
  • Journal Title: Antioxid. Redox Signal. Volume: 27 Issue: 10 Pages: 669-683
  • DOI: 10.1089/ars.2017.7070
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Silicon-substituted Xanthene Dyes and their Unique Photophysical Properties for Fluorescent probes (2017)
  • Author(s): Takayuki Ikeno, Tetsuo Nagano, Kenjiro Hanaoka
  • Journal Title: Chem. Asian J. Volume: 12 Issue: 13 Pages: 1435-1446
  • DOI: 10.1002/asia.201700385
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an Azoreductase-based Reporter System with Synthetic Fluorogenic Substrates (2017)
  • Author(s): Narae Shin, Kenjiro Hanaoka, Wen Piao, Takuya Miyakawa, Tomotsumi Fujisawa, Satoshi Takeuchi, Shodai Takahashi, Toru Komatsu, Tasuku Ueno, Takuya Terai, Tahei Tahara, Masaru Tanokura, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 12 Issue: 2 Pages: 558-563
  • DOI: 10.1021/acschembio.6b00852
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Discovery and Mechanistic Characterization of Selective Inhibitors of H2S-producing Enzyme: 3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase (3MST) Targeting Active-site Cysteine Persulfide (2017)
  • Author(s): K. Hanaoka, K. Sasakura, Y. Suwanai, S. Toma-Fukai, K. Shimamoto, Y. Takano, N. Shibuya, T. Terai, T. Komatsu, T. Ueno, Y. Ogasawara, Y. Tsuchiya, Y. Watanabe, H. Kimura, C. Wang, M. Uchiyama, H. Kojima, T. Okabe, Y. Urano, T. Shimizu, T. Nagano
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 40227-40227
  • DOI: 10.1038/srep40227
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification of Lung Inflammation-Related Elevation of Acylamino Acid Releasing Enzyme (APEH) Activity Using an Enzymomics Approach (2016)
  • Author(s): Yoko Takano, Kenjiro Hanaoka, Kazuhito Shimamoto, Ryo Miyamoto, Toru Komatsu, Tasuku Ueno, Takuya Terai, Hideo Kimura, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 64 Issue: 11 Pages: 1533-1538
  • DOI: 10.1248/cpb.c16-00540
  • NAID: 130005268073
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Single Fluorescent Probe to Visualize Hydrogen Sulfide and Hydrogen Polysulfides with Different Fluorescence Signals (2016)
  • Author(s): Wei Chen, Armando Pacheco, Yoko Takano, Jacob J. Day, Kenjiro Hanaoka, Ming Xian
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 55 Issue: 34 Pages: 9993-9996
  • DOI: 10.1002/anie.201604892
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of Practical Red Fluorescent Probe for Cytoplasmic Calcium Ions with Greatly Improved Cell-membrane Permeability (2016)
  • Author(s): Kazuhisa Hirabayashi, Kenjiro Hanaoka, Takahiro Egawa, Chiaki Kobayashi, Shodai Takahashi, Toru Komatsua, Tasuku Ueno, Takuya Terai, Yuji Ikegaya, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Journal Title: Cell Calcium Volume: 60 Issue: 4 Pages: 256-265
  • DOI: 10.1016/j.ceca.2016.06.002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Unexpected photo-instability of 2,6-sulfonamide-substituted BODIPYs and its application to development of caged GABA (2016)
  • Author(s): Aoi Takeda, Toru Komatsu, Hiroshi Nomura, Naka Masamitsu, Norio Matsuki, Yuji Ikegaya, Takuya Terai, Tasuku Ueno, Kenjiro Hanaoka, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 17 Issue: 13 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1002/cbic.201600097
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detection of NAD(P)H-dependent enzyme activity by time-domain ratiometry of terbium luminescence (2016)
  • Author(s): Takuya Terai, Hiroki Ito, Kenjiro Hanaoka, Toru Komatsu, Tasuku Ueno, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters Volume: 26 Issue: 9 Pages: 2314-2317
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2016.03.038
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Silicon-substituted Xanthene Dyes and Their Application to Fluorescent Probes (2016)
  • Author(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照
  • Journal Title: Journal of Synthetic Organic Chemistry, Japan Volume: 74 Issue: 5 Pages: 512-520
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.74.512
  • NAID: 130005159422
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 有機小分子の柔らかさを利活用した 蛍光プローブの開発とその応用 (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-24
  • Invited
• [Presentation] In vivoでのpH定量を可能とする近赤外レシオ型蛍光プローブの開発と応用 (2017)
  • Author(s): 高橋 翔大、花岡 健二郎、浦野 泰照
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-24
• [Presentation] ローダミン色素を母核とした細胞質滞留性近赤外蛍光Ca2+プローブの開発 (2017)
  • Author(s): 沼澤 宏治、花岡 健二郎、石川 智愛、池谷 裕二、浦野 泰照
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-24
• [Presentation] 活性イオウ分子を検出する蛍光プローブの 開発と応用 (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: レドックス・ライフイノベーション第170委員会 第12回シンポジウム
  • Place of Presentation: 奈良女子大学（奈良県 奈良市）
  • Year and Date: 2017-03-16
  • Invited
• [Presentation] Development of Silicon-substituted Fluorophores and their Application to Fluorescence Probes (2017)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: RACI Centenary Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of far-red to near-infrared fluorophores and their Applications to Fluorescent probes for hypoxia (2017)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: Federation of Asian Society for Molecular Imaging (FASMI)2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of far-red to near-infrared small-molecules fluorophores and their application to fluorescence probes (2017)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: ICBS 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ケイ素置換キサンテン蛍光団から拓く蛍光プローブの開発 (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 第69回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] 有機小分子の構造ダイナミクスを利活用した蛍光プローブのデザイン・合成 (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 新学術領域「柔らかな分子系」第6回全体合同会議
• [Presentation] 新規消光団の創製から拓くイメージングプローブの開発 (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
  • Invited
• [Presentation] シッフ塩基形成を利用したcystathionine γ-lyase (CSE)阻害剤の開発 (2017)
  • Author(s): 越膳 ほなみ、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • Organizer: 新学術領域「柔らかな分子系」第6回全体合同会議
• [Presentation] 新規蛍光団の創製から拓く蛍光イメージング (2017)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 分野横断ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 低酸素環境下で活性化する光増感剤の開発 (2016)
  • Author(s): 花岡 健二郎、朴 文、長野 哲雄、浦野 泰照
  • Organizer: 第14回がんとハイポキシア研究会
  • Place of Presentation: 岐阜グランドホテル（岐阜県 岐阜市）
  • Year and Date: 2016-11-04
• [Presentation] Development of Practical Red Fluorescent Probe for Cytoplasmic Calcium Ions with Greatly Improved Cell-membrane Permeability (2016)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka, Kazuhisa Hirabayashi, Takahiro Egawa, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • Organizer: 5th Annual ICBS Conference
  • Place of Presentation: マディソン（アメリカ）
  • Year and Date: 2016-10-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非対称Siローダミン蛍光色素群の合成とレシオ型pH蛍光プローブの開発 (2016)
  • Author(s): 花岡 健二郎、鏡味 優、長野 哲雄、浦野 泰照
  • Organizer: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂（石川県 金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Sulfane sulfurを可逆的に検出する蛍光プローブの開発とその応用 (2016)
  • Author(s): 髙野 陽子、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • Organizer: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂（石川県 金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Development of Far-red to Near-infrared Fluorophores and their Applications to Fluorescent Probes (2016)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: The Third FB3 Meeting
  • Place of Presentation: 天津大学（中国）
  • Year and Date: 2016-07-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] N-Ph rhodamine類の消光機構に基づく蛍光プローブの開発と応用 (2016)
  • Author(s): 岩木慎平、花岡健二郎、浦野泰照
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第11年会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府 京都市）
  • Year and Date: 2016-06-15
• [Presentation] Sulfane sulfurを可逆的に検出する蛍光プローブの開発とその応用 (2016)
  • Author(s): 髙野 陽子、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第11回年会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府 京都市）
  • Year and Date: 2016-06-15
• [Presentation] 非対称Siローダミン蛍光色素群の合成と レシオ型pH蛍光プローブ開発への応用 (2016)
  • Author(s): 鏡味 優、花岡 健二郎、長野 哲雄、浦野 泰照
  • Organizer: 第11回日本分子イメージング学会総会・学術集会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2016-05-28
• [Presentation] Development of fluorescent probes for H2S and sulfane sulfur and their application to biological study (2016)
  • Author(s): Kenjiro Hanaoka
  • Organizer: The 9th International Conference on the Biology, Chemistry, and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • Year and Date: 2016-05-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In vivoイメージングを目指した小分子可視化プローブの開発と応用：近赤外蛍光プローブ及びMRIプローブ (2016)
  • Author(s): 花岡 健二郎
  • Organizer: 第55回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 富山国際会議場（富山県 富山市）
  • Year and Date: 2016-04-26
  • Invited
• [Remarks] 薬品代謝化学教室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~taisha/index.html
• [Remarks] 薬品代謝化学教室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~taisha/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 新規無蛍光性ローダミン類 (2018)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • Industrial Property Rights Holder: 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-038018
  • Filing Date: 2018
• [Patent(Industrial Property Rights)] Activatable型光音響プローブ (2017)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-039786
  • Filing Date: 2017-03-02
• [Patent(Industrial Property Rights)] 近赤外蛍光カルシウムプローブ (2016)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、高橋 翔大
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2016-235425
  • Filing Date: 2016-12-02
• [Patent(Industrial Property Rights)] 近赤外蛍光レシオ型プローブ (2016)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、高橋 翔大
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2016-235426
  • Filing Date: 2016-12-02
• [Patent(Industrial Property Rights)] 深赤色Ca2+蛍光プローブ (2016)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、沼澤 宏治
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2016-12-01
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 近赤外蛍光葉酸受容体可視化プローブ (2016)
  • Inventor(s): 花岡 健二郎、浦野 泰照、沼澤 宏治
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2016-12-02
  • Overseas