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

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 16H00823
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2017年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Washington State University(米国)
• [雑誌論文] Development of an Azo-Based Photosensitizer Activated under Mild Hypoxia for Photodynamic Therapy (2017)
  • 著者名/発表者名: Piao Wen、Hanaoka Kenjiro、Fujisawa Tomotsumi、Takeuchi Satoshi、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Terai Takuya、Tahara Tahei、Nagano Tetsuo、Urano Yasuteru
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 39 ページ: 13713-13719
  • DOI: 10.1021/jacs.7b05019
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fluorescent Probes and Selective Inhibitors for Biological Studies of Hydrogen Sulfide- and Polysulfide-Mediated Signaling (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoko Takano, Honami Echizen, Kenjiro Hanaoka
  • 雑誌名: Antioxid. Redox Signal. 巻: 27 号: 10 ページ: 669-683
  • DOI: 10.1089/ars.2017.7070
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Silicon-substituted Xanthene Dyes and their Unique Photophysical Properties for Fluorescent probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Ikeno, Tetsuo Nagano, Kenjiro Hanaoka
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 12 号: 13 ページ: 1435-1446
  • DOI: 10.1002/asia.201700385
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an Azoreductase-based Reporter System with Synthetic Fluorogenic Substrates (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ACS Chem. Biol. 巻: 12 号: 2 ページ: 558-563
  • DOI: 10.1021/acschembio.6b00852
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery and Mechanistic Characterization of Selective Inhibitors of H2S-producing Enzyme: 3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase (3MST) Targeting Active-site Cysteine Persulfide (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 40227-40227
  • DOI: 10.1038/srep40227
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of Lung Inflammation-Related Elevation of Acylamino Acid Releasing Enzyme (APEH) Activity Using an Enzymomics Approach (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoko Takano, Kenjiro Hanaoka, Kazuhito Shimamoto, Ryo Miyamoto, Toru Komatsu, Tasuku Ueno, Takuya Terai, Hideo Kimura, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • 雑誌名: ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＆ ＰＨＡＲＭＡＣＥＵＴＩＣＡＬ ＢＵＬＬＥＴＩＮ 巻: 64 号: 11 ページ: 1533-1538
  • DOI: 10.1248/cpb.c16-00540
  • NAID: 130005268073
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Single Fluorescent Probe to Visualize Hydrogen Sulfide and Hydrogen Polysulfides with Different Fluorescence Signals (2016)
  • 著者名/発表者名: Wei Chen, Armando Pacheco, Yoko Takano, Jacob J. Day, Kenjiro Hanaoka, Ming Xian
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 号: 34 ページ: 9993-9996
  • DOI: 10.1002/anie.201604892
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Practical Red Fluorescent Probe for Cytoplasmic Calcium Ions with Greatly Improved Cell-membrane Permeability (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa Hirabayashi, Kenjiro Hanaoka, Takahiro Egawa, Chiaki Kobayashi, Shodai Takahashi, Toru Komatsua, Tasuku Ueno, Takuya Terai, Yuji Ikegaya, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • 雑誌名: Cell Calcium 巻: 60 号: 4 ページ: 256-265
  • DOI: 10.1016/j.ceca.2016.06.002
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unexpected photo-instability of 2,6-sulfonamide-substituted BODIPYs and its application to development of caged GABA (2016)
  • 著者名/発表者名: Aoi Takeda, Toru Komatsu, Hiroshi Nomura, Naka Masamitsu, Norio Matsuki, Yuji Ikegaya, Takuya Terai, Tasuku Ueno, Kenjiro Hanaoka, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 17 号: 13 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1002/cbic.201600097
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of NAD(P)H-dependent enzyme activity by time-domain ratiometry of terbium luminescence (2016)
  • 著者名/発表者名: Takuya Terai, Hiroki Ito, Kenjiro Hanaoka, Toru Komatsu, Tasuku Ueno, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 巻: 26 号: 9 ページ: 2314-2317
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2016.03.038
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ケイ素置換キサンテン蛍光団の創製と蛍光プローブへの応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照
  • 雑誌名: 有機合成化学協会誌 巻: 74 号: 5 ページ: 512-520
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.74.512
  • NAID: 130005159422
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • 査読あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • 年月日: 2017-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高橋 翔大、花岡 健二郎、浦野 泰照
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • 年月日: 2017-03-24
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 沼澤 宏治、花岡 健二郎、石川 智愛、池谷 裕二、浦野 泰照
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • 年月日: 2017-03-24
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 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
  • 発表場所: 奈良女子大学（奈良県 奈良市）
  • 年月日: 2017-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Silicon-substituted Fluorophores and their Application to Fluorescence Probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka
  • 学会等名: RACI Centenary Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of far-red to near-infrared fluorophores and their Applications to Fluorescent probes for hypoxia (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka
  • 学会等名: Federation of Asian Society for Molecular Imaging (FASMI)2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of far-red to near-infrared small-molecules fluorophores and their application to fluorescence probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka
  • 学会等名: ICBS 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 新学術領域「柔らかな分子系」第6回全体合同会議
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 日本薬学会第138年会
  • 招待講演
• [学会発表] シッフ塩基形成を利用したcystathionine γ-lyase (CSE)阻害剤の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越膳 ほなみ、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • 学会等名: 新学術領域「柔らかな分子系」第6回全体合同会議
• [学会発表] 新規蛍光団の創製から拓く蛍光イメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 分野横断ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 低酸素環境下で活性化する光増感剤の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎、朴 文、長野 哲雄、浦野 泰照
  • 学会等名: 第14回がんとハイポキシア研究会
  • 発表場所: 岐阜グランドホテル（岐阜県 岐阜市）
  • 年月日: 2016-11-04
• [学会発表] Development of Practical Red Fluorescent Probe for Cytoplasmic Calcium Ions with Greatly Improved Cell-membrane Permeability (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka, Kazuhisa Hirabayashi, Takahiro Egawa, Tetsuo Nagano, Yasuteru Urano
  • 学会等名: 5th Annual ICBS Conference
  • 発表場所: マディソン（アメリカ）
  • 年月日: 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎、鏡味 優、長野 哲雄、浦野 泰照
  • 学会等名: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 石川県立音楽堂（石川県 金沢市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 髙野 陽子、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • 学会等名: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 石川県立音楽堂（石川県 金沢市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] Development of Far-red to Near-infrared Fluorophores and their Applications to Fluorescent Probes (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka
  • 学会等名: The Third FB3 Meeting
  • 発表場所: 天津大学（中国）
  • 年月日: 2016-07-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 岩木慎平、花岡健二郎、浦野泰照
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第11年会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府 京都市）
  • 年月日: 2016-06-15
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 髙野 陽子、花岡 健二郎、島本 一史、浦野 泰照
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第11回年会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府 京都市）
  • 年月日: 2016-06-15
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 鏡味 優、花岡 健二郎、長野 哲雄、浦野 泰照
  • 学会等名: 第11回日本分子イメージング学会総会・学術集会
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-05-28
• [学会発表] Development of fluorescent probes for H2S and sulfane sulfur and their application to biological study (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenjiro Hanaoka
  • 学会等名: The 9th International Conference on the Biology, Chemistry, and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県 仙台市）
  • 年月日: 2016-05-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 花岡 健二郎
  • 学会等名: 第55回日本生体医工学会大会
  • 発表場所: 富山国際会議場（富山県 富山市）
  • 年月日: 2016-04-26
  • 招待講演
• [備考] 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
• [備考] 薬品代謝化学教室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~taisha/
• [産業財産権] 新規無蛍光性ローダミン類 (2018)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • 権利者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-038018
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] Activatable型光音響プローブ (2017)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、池野 喬之
  • 権利者名: 国立大学法人 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-039786
  • 出願年月日: 2017-03-02
• [産業財産権] 近赤外蛍光カルシウムプローブ (2016)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、高橋 翔大
  • 権利者名: 国立大学法人 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2016-235425
  • 出願年月日: 2016-12-02
• [産業財産権] 近赤外蛍光レシオ型プローブ (2016)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、高橋 翔大
  • 権利者名: 国立大学法人 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2016-235426
  • 出願年月日: 2016-12-02
• [産業財産権] 深赤色Ca2+蛍光プローブ (2016)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、沼澤 宏治
  • 権利者名: 国立大学法人 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2016-12-01
  • 外国
• [産業財産権] 近赤外蛍光葉酸受容体可視化プローブ (2016)
  • 発明者名: 花岡 健二郎、浦野 泰照、沼澤 宏治
  • 権利者名: 国立大学法人 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2016-12-02
  • 外国