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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、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、顕微鏡やフォトダイオードなどの検出システムを使用して監視できる小分子センサーのスペクトルで観察できます。[2]さまざまな用途向けにさまざま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。これらは、生物系内の低濃度の金属イオンを監視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可能性を示しています。定義上小さく、生物系に侵入できることが多いため、他のより伝統的なバイオセンシングがあまり効果的でなかったり適していない多くの用途に役立ちます。[3]
用途
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使用してそ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分解能でその濃度に関する洞察を提供できるプローブを使用してそれらを監視することは、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。魚類の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、一部の種類のニューロンは動作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して機能する可能性があります。[5]また、線維芽細胞などの細胞が自己構築する際に金属イオンを取り込む細胞の成長を追跡して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、発生する金属濃度の変化を監視することで、他の多くの生物学的プロセスを追跡できます。それでも、センサーは特定の環境と感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的である必要があり、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ターゲット金属に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で応答し、高い信号対雑音比を提供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がないことが不可欠です。[3]
検出のメカニズム
小分子センサーに関与するほとんどの検出メカニズムは、標的金属との結合時に感知分子の蛍光挙動に何らかの変調をもたらします。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します。前者はキレート増強蛍光効果 (CHEF) として知られ、後者はキレート増強消光効果 (CHEQ) と呼ばれます。異なる波長での発光強度を変えることで、結果として生じ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、またはシフトします。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] 以下に、発光が変調されるメカニズムの例をいくつか示します。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
- 常磁性蛍光消光、常磁性金属原子に結合すると新しい電子状態が生じる現象[2]
- 光誘起電子移動（PET） 、金属原子の結合による低エネルギー状態のブロック。 [2]
- 光誘起電荷移動（PCT）、共役π系内での電荷移動による複合体のエネルギーレベルの変調。[2]
- 蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）[2]は、励起子をドナーからアクセプターへ移動させ、発光スペクトルを変調させる現象である。 [2] [7]
- エキシマー/エキシプレックス形成、基底状態と励起状態のハイブリッド状態の形成。これは新しい蛍光特性を持っています。[2]
- ケモドシメーターは、金属と結合すると他の種と不可逆的な反応を起こし、新しい蛍光スペクトルを持つ新しい化合物を形成する錯体です。[2]
蛍光体
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を持ち、さまざまな用途に有利です。完全に単独で小さな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が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が失われ、結合した金属との間で電子が移動する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
亜鉛は生物系で最も一般的な金属イオンの一つです。[6]亜鉛の小分子センサーには以下のものがあります。
- 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あり、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、 Zn（II）に結合する2つの2-ピコラミン（DPA）種に結合したジクロロフルオレセイン蛍光化合物を含む化合物です。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)と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: 2光子顕微鏡による生物サンプル中のZn2+の検出用に、12メンバーからなる新しい蛍光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たもので、Zn2+に対する蛍光応答が強化されています。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2光子Zn2+センサーの1つとなっています。プローブファミリーの分光学的特性評価では、λex= 450 nmの光で励起すると、λem= 520 nmで明るい蛍光発光（ε x Φ > 200）が見られます。プローブの 2P 作用断面積は、λex、2P=900 nm で δ´Φcomp > 5 GM に達し、最大 200 倍に増加し、Zn2+ の最高の 2 光子プローブの 1 つとなっています。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、培養細胞と脳切片の落射蛍光顕微鏡と 2P 顕微鏡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: 2光子顕微鏡法および関連する生物学および顕微鏡アプリケーション向けに、GFPベースの代替蛍光Zn2+センサーが発表されました。これは8-メトキシキノリン骨格で構成されています。l(ex) = 440 nmおよびl(em) = 505 nmで37倍の蛍光増強を含む優れた光物理的特性を備えています。2光子断面積は880 nmで73 GMと高いです。[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範囲で効果があり、励起および発光極大がそれぞれ422 nmおよび492 nmで53倍の蛍光増強を含む優れた光物理的特性が報告されています。840 nmで3.0 GMの高い2光子断面積と優れた金属イオン選択性が報告されています。HEK 293細胞培養でのin vitro実験は、2光子顕微鏡を使用して実施され、適用可能性が実証されました。[15]
銅
銅は生物学的に検出が重要な金属です。銅用に開発されたセンサーは数多くあり、その中には次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ベースの染料を励起すると、UV領域で反応を示すセンサーです。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に結合するとスペクトルが大きく変調し、他の金属よりもCu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）はチオエーテルを多く含むモチーフで構成されており、Cu(I)に結合して可視領域でボロンジピロメテン（BODIPY ）染料の励起を引き起こします。このプローブはアルカリ土類金属、Cu(II)、dブロック金属よりもCu(I)に対して優れた選択性を持っています。[3] [6]
鉄
鉄は生物系で多用されており、ヘモグロビンでの役割からよく知られています。鉄には、次のような多くの小分子センサーがあります。
- ピレン-TEMPOでは、鉄がTEMPOに結合すると、Fe(II)が結合していない場合はピレンの蛍光が消えます。しかし、結合するとTEMPOは還元され、ピレンは蛍光を取り戻します。このプローブは、類似の反応が不要なフリーラジカルによって生成される可能性があり、酸性溶液でしか使用できないという制限があります。[6] [16]
- DansSQは、Fe(II)結合により460nmでの蛍光が増加する。これはスチリルキノリンに結合したダンシル基で構成され、Fe(II)結合時に分子内電荷移動を阻害することによって作用する。10 % H 2 O中のアセトニトリルにのみ溶解するという制限がある。[6]
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。センサーには次のものがあります。
- 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で構成されるセンサーファミリーです。MS1プローブは、Hg（II）に結合すると発光が増加しますが、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大幅に増加する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)用のソフトチオエーテルキレート剤を使用しています。水銀との結合時のコントラストが良好で、選択性も良好です。MF1は感度が高いため、魚類の水銀毒性レベルの検査に使用することが提案されています。 [3] [4]
参照
参考文献
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