小分子センサー
ローダミンは、小分子センサーでよく使われる蛍光分子です。

小分子センサーは、溶液中の金属イオンの存在を検出する効果的な方法です。[1]多くの種類がありますが、ほとんどの小分子センサーは、金属に選択的に結合し、その金属が蛍光サブユニットの変化を引き起こすサブユニットで構成されています。この変化は小分子センサーのスペクトルで観察でき、顕微鏡やフォトダイオードなどの検出システムを用いてモニタリングできます。[2]様々な用途向けに様々なプローブが存在し、それぞれ特定の金属に対する解離定数、蛍光特性、感度が異なります。小分子センサーは、生物系中の低濃度の金属イオンをモニタリングすることで、生物学的プロセスを調べる方法として大きな期待が寄せられています。小分子センサーは定義上小さく、生物系に侵入する可能性があるため、従来のバイオセンシングが効果的でない、または適さない多くの用途に役立ちます。[3]

用途

生物系内の金属イオン濃度の変化を引き起こすナトリウム-カリウムポンプ。

金属イオンは事実上すべての生物系に不可欠であるため、効果的なプローブを用いて金属イオンの濃度を調べることは非常に有利です。金属イオンはガン、糖尿病、その他の疾患の原因の鍵となるため、空間的および時間的な分解能で金属イオンの濃度に関する知見を提供できるプローブを用いて金属イオンをモニタリングすることは、科学界にとって大きな関心事です。[3]小分子センサーには多くの用途が考えられます。魚類における水銀の許容濃度と有害濃度を効果的に区別するために使用できることが示されています。[4]さらに、ある種のニューロンは活動中に亜鉛を取り込むため、これらのプローブは脳内の活動を追跡する方法として使用でき、機能的MRIの効果的な代替手段となる可能性があります。[5]また、線維芽細胞など、金属イオンを取り込んで自己構築する細胞の成長を追跡および定量化することもできます。 [3]小分子センサーを使用して、金属濃度が発生するたびにそれに応じて変化させる他の多くの生物学的プロセスを追跡し、それをモニタリングすることができます。それでも、センサーは特定の環境や検知要件に合わせて調整する必要があります。用途に応じて、金属センサーは特定の種類の金属に対して選択性を持つ必要があり、特に細胞内に高濃度で自然に存在する金属よりも高い親和性で標的金属と結合できる必要があります。さらに、蛍光スペクトルの強い変調を伴う応答を示し、高い信号対雑音比を実現する必要があります。最後に、センサーが使用される生物系に対して毒性を持たないことが不可欠です。[3]

検出のメカニズム

金属の結合による小分子センサーのスペクトルの変化を描いた漫画

小分子センサーに関与する検出メカニズムのほとんどは、標的金属との結合に伴うセンシング分子の蛍光挙動の何らかの変調から構成されています。金属がこのようなセンサーに配位すると、元の蛍光発光が増強または減少することがあります。前者はキレート増強蛍光効果 (CHEF) として知られており、後者はキレート増強消光効果 (CHEQ) と呼ばれています。異なる波長での発光強度を変化させることにより、結果として得られる蛍光スペクトルは、金属の結合および解離時に減衰、増幅、またはシフトする可能性があります。このスペクトルのシフトは、顕微鏡やフォトダイオードなどの検出器を使用して監視できます。[2] [6] 発光が変調されるメカニズムの例を以下に示します。CHEQ または CHEF への関与は、問題の金属および小分子センサーによって異なります。

検出の主なメカニズム

蛍光体

キノリンの構造
ダンシル基化合物の例、ダンシルクロリド

蛍光体は、金属結合イベントの測定、および間接的に金属濃度の測定に不可欠です。多くの種類があり、それぞれ異なる特性があり、さまざまな用途に有利です。完全に単独で小型金属センサーとして機能するものもあれば、金属イオンをキレートまたは結合できるサブユニットと錯体を形成する必要があるものもあります。たとえばローダミンは、金属イオンと結合すると構造変化を起こします。その際に、無色で蛍光を発しないスピロ環式形態から、蛍光を発するピンク色の開環式形態に切り替わります。[2] [8] キノリンベースのセンサーが開発されており、 Cd(II) と発光錯体を形成し、Zn(II) と蛍光錯体を形成します。金属に配位すると、最も低い発光状態が n – π *からπ – π * に変化することで機能すると仮定されています。[2] [9] [10] ダンシル基DNSが金属に結合すると、スルホンアミド水素を失い、結合した金属へ、または結合した金属から電子が移動するPETまたは逆PET機構を介して蛍光消光を引き起こします。[11]

例

亜鉛

亜鉛は生物系において最も一般的な金属イオンの一つである。[6]亜鉛の小分子センサーには以下のものがある。

  • ZX1はジピコリルアミン（DPA）亜鉛結合サブユニットを含む化合物で、溶液中に存在するCaやMgなどの他の種よりも亜鉛に対する親和性が高い。[12]
  • ジンピル-1（ZP1）は、ジクロロフルオレセイン蛍光化合物と、Zn(II)に結合する2-ピコラミン（DPA）種を結合させた化合物です。ZP1は、ジンピルシリーズとして知られる亜鉛センサーファミリーの一部であり、そのメンバーは、特定の親和性と蛍光プロファイルを可能にするためにZP1の変異体です。[3]
  • ZnAF-1センサーは、アリール供与体とキサンテノン受容体から構成され、Zn(II)に結合すると蛍光が大きく変化します。CA3錐体ニューロンにおけるZn(II)の取り込みを研究するために使用されています。[3] [5]
  • GFZnP：二光子顕微鏡を用いた生体試料中のZn2+の検出を目的として、12種類の新規蛍光GFP化学センサーファミリーが開発されました。これらは8-アミノキノリンモチーフとGFPクロモフォアユニットを組み合わせ、Zn2+に対する蛍光応答を増強します。最も効果的なメンバーはGFZnP ED、GFZnP Pic、GFZnP dipicです。GFZnPは合成が簡単で市販されているため、最も入手しやすい二光子Zn2+センサーの一つです。このプローブファミリーの分光学的特性評価では、λex = 450 nmの光励起によりλem = 520 nmで明るい蛍光発光（ε x Φ > 200）を示すことが示されました。プローブの2P作用断面積は、λex、2P=900 nmにおいてδ´Φcomp > 5 GMに達し、最大200倍に増加し、Zn2+に対する最良の2光子プローブの1つとなっています。このセンサーファミリーのほとんどのメンバー、特にGFZnP ED、GFZnP Pic、GFZnP dipicは、ナノモル（nM）範囲の親和性でZn2+に対して高い選択性を示し、優れた水溶性と広いpH範囲（pH > 6）での使用が可能です。選択されたプローブの適用性は、培養細胞および脳切片における落射蛍光顕微鏡および2P顕微鏡検査によって実証されました。この研究は、価値ある新しいファミリーによって、効率的な2光子亜鉛センサーのツールボックスを拡張します。[13]
  • GFZnP OMe：二光子顕微鏡法および関連する生物学・顕微鏡用途向けに、GFPをベースとした代替蛍光Zn2+センサーが発表されました。このセンサーは8-メトキシキノリン骨格で構成されており、l(ex) = 440 nmおよびl(em) = 505 nmで37倍の蛍光増強を示すなど、優れた光物理的特性を有しています。二光子断面積は880 nmで73 GMと高い値を示します。[14]
  • GFZnP BIPY：2,2'-ビピリジンキレート基を有するZn2+選択性蛍光化学センサー。生理学的に関連するpH範囲で効果を発揮し、優れた光物理特性が報告されている。例えば、励起極大波長422 nm、発光極大波長492 nmにおいて、蛍光強度が53倍に増強される。840 nmにおける二光子断面積は3.0 GMと高く、金属イオン選択性にも優れている。二光子顕微鏡を用いたHEK 293細胞培養におけるin vitro実験により、その適用性が実証された。[15]

銅

銅は生物学的に重要な検出対象金属です。銅を対象とするセンサーは数多く開発されており、例えば以下のようなものがあります。

  • CTAP-1は、Cu(I)がアザテトラチアクラウンモチーフに結合し、それが結合したピラゾリン系色素を励起すると、紫外線領域で反応を示すセンサーです。このプローブを使用するには、365 nmで励起します。Cuに結合すると、蛍光強度が増加します。CTAP-1は、Cu結合時にスペクトルが大きく変調し、他の金属よりもCuとの結合に選択的であるため、効果的です。[3] [6]
  • 銅センサー-1（CS1）は、チオエーテルを豊富に含むモチーフから構成され、Cu(I)に結合して可視領域でホウ素ジピロメテン（BODIPY ）色素を励起します。このプローブは、アルカリ土類金属、Cu(II)、およびdブロック金属よりもCu(I)に対して優れた選択性を示します。[3] [6]

鉄

鉄は生物系において広く利用されており、ヘモグロビンにおける役割からよく知られています。鉄を標的とした低分子センサーは数多く存在し、例えば以下のようなものがあります。

コバルト

コバルトプローブ1（CP1）として知られる蛍光プローブ中のCo(II)によるCO結合の切断を利用したコバルトセンサーが作られている。 [17]

水銀

水銀は有毒な重金属であるため、生物系内で水銀を検出できることが重要です。センサーには以下のものがあります。

  • 水銀センサー（MS）は、フルオレセインとナフトフルオレセインの複合体からなるセンサーファミリーです。MS1プローブは、水銀(II)との結合により発光量が増加しますが、他の重金属イオンよりも水銀に対して高い親和性を維持します。[3]
  • S3センサーは、Hg(II)の結合により蛍光が著しく増加するBODIPY複合体をベースにしている。 [3] [18]
  • MF1は、フルオレセイン様キサンテノンレポーターに結合したHg(II)に対するソフトチオエーテルキレート剤を使用しています。水銀との結合時に良好なコントラストと優れた選択性を示します。MF1は十分な感度を有するため、魚類中の水銀毒性レベルの検査への使用が提案されています。[3] [4]

参照

参考文献

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