Molecular Design and Synthesis of Chromophores for Enhanced Photodynamic Therapy (PDT) and Fluorescence Probes

Abstract

발색단(chromophore)은 특정 파장대의 빛을 흡수하여 들뜬 상태가 되었다가 다시 안정화되는 과정에서 형광 방출, 화학 반응, 전자 전이, 에너지 전달 등 다양한 광화학적 현상을 유발하는 분자이다. 이러한 발색단은 분자 설계 과정에서 화학 구조와 물리적 특성을 조절하여 원하는 광화학적 현상을 유발할 수 있으며, 이러한 조절을 통해 형광 프로브(Fluorescent Probe), 광역동 치료법(Photodynamic therapy, PDT) 등의 응용 분야에서 매우 유용하게 활용될 수 있다. 형광 프로브는 특정 파장의 빛을 흡수하여 형광을 방출하는 광물리적 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 활용하여, 생체 분자 및 조건을 감지하고 생체 내 조직 및 세포의 상세한 이미지를 획득하는 역할을 수행한다. 형광 프로브는 높은 선택성과 감도가 필수 요소이다. 따라서, 발색단의 화학 구조와 물리적 특성을 조절하여 작은 농도에서도 민감한 신호 감지와 정확한 이미징을 가능하게 한다. 또한, 안정성과 생체 적합성은 형광 프로브 설계의 핵심 요소로, 빛, 열, 생체 내 환경에 대한 저항력을 갖추고 원하는 형광 신호를 생체 내에서 안전하게 생성할 수 있어야 한다. 광역동 치료에 사용되는 감광제(photosensitizer, PS)의 특성 중 하나는 특정 파장대의 빛을 흡수하여 광화학적 반응을 통해 활성산소종(Reactive Oxygen Species, ROS)을 발생시킨다. 이때, 발생한 활성산소종은 주변에 존재하는 단백질, 핵산, 지질, 세포막, 소기관에 손상을 주어 세포사멸을 유발한다. 이러한 특성을 이용한 광역동 치료는 특이적으로 비정상 조직인 암세포 사멸을 유도하는 암세포 치료로 활용된다. 따라서, 감광제는 높은 활성산소종 생성 능력을 필수적으로 가져야 하며, 이는 발색단의 화학 구조와 물리적 특성의 조절을 통해 실현시킬 수 있다. 질병의 진단 및 치료를 위한 발색단의 설계 및 합성은 중요한 과제이다. 따라서, 이 연구는 형광 프로브 및 광역동 치료제를 위한 발색단을 디자인하고 합성하는데 있어서 유망한 전략을 제시하였으며, 이를 통해 생체 내에서의 진단 및 치료에 적용될 수 있는 새로운 방향성을 제시하였습니다. 1 장에서는 단일분자로 암 치료(Therapy)와 진단(Diagnosis)을 동시에 할 수 있는 테라노스틱(theranostic) 후보 물질을 설계하고 합성하였다. 후보 물질로 Imidazole, Imidazolium salt, Imidazoline-2-thione와 carbazole, 2-bromobenzene, 2,4-dibromobenzene, sulfonate group이 결합된 heavy-atom-free PSs를 합성했다. 이 중에서, CI는 Imidazole과 Carbazole 결합을 기반으로 저산소 환경에서 높은 활성산소종 생성과 형광 방출 능력을 가지고 있다. 또한, 이 광자 흡수를 통해 HeLa세포에 대한 효율적인 광역동 치료 및 형광 바이오 이미징 능력을 보여준다. 2 장에서는 활성 산소종의 한 종류인 Hypochlorite(OCl-)을 검출하기 위한 형광 프로gGluBN-O를 설계 및 합성하였다. 안정한 구조와 강한 형광을 가지는 1,8-naphthalimide 코어에 Carbamate가 도입된 구조로 Hypochlorite에 대해 높은 선택성 및 감도를 가졌으며, pH에 대해 높은 안정성을 가지는 것을 확인하였다. 3 장에서는 Pyrido[2,3-b]pyrazine과 Quinoxaline코어를 기반으로 확장된 컨쥬게이션 구조를 가진 여러 heavy-atom-free PSs를 설계하고 합성하였다. π-bridge로 연결된 두 개의 Triphenylamine과 추가적인 작용기들을 도입한 DK의 특성을 확인하였다. 합성한 DK구조들의 특성 중 특히 PDT 효율과 관련 있는 singlet oxygen quantum yield는 컨쥬게이션이 확장될수록 크게 증가하는 경향을 보였다. 특히 D-π-A- π’-D 구조를 가진 DK17이 가장 높은 singlet oxygen quantum yield을 보여 광역동 치료제로써 활용 가능성을 가지고 있다. 4 장에서는 1,8-naphthalimide의 4번 자리에 Triphenylamine및 carbazole을 도입한 여러 감광제를 설계하고 합성하였다. NP-TPA, NP-Cbz, NP-Cz 모두 높은 형광 방출 능력과 ROS 생성 능력을 가지고 있었다. 특히, NP-Cz가 가장 높은 singlet oxygen quantum yield를 가지는데, 이는 carbazole을 도입한 NP-Cz는 Triphenylamine이 도입된 NP-TPA보다 Twisted Intramolecular Charge Transfer(TICT) 능력이 떨어져 발생하는 현상으로, 효율적인 광역동 치료 및 형광 바이오 이미징이 가능한 heavy-atom-free PS로써 활용 가능성을 가지고 있다. 결론적으로, 치료 및 진단 목적을 위한 발색단의 설계 및 합성은 질병 진단 및 치료에 중요한 역할을 합니다. 이 연구는 형광 프로브 및 광역학 치료제를 위한 발색단을 설계하고 합성하기 위한 새로운 전략을 제공하여 살아있는 유기체 내에서 진단 및 치료에 적용할 수 있는 새로운 가능성을 열었습니다. |Chromophores has an ability to absorb specific wavelengths of light, leading to various photochemical phenomena such as fluorescence emission, chemical reactions, electron transitions, and energy transfer. These chromophores can be manipulated in the molecular design process to induce desired photochemical behaviors, making them highly useful in applications such as fluorescent probes and photodynamic therapy (PDT). Fluorescence probes, possessing the photophysical properties of absorbing specific wavelengths of light and emitting fluorescence, playing a crucial role in detecting biomolecules and conditions within the living organism, enabling detailed imaging of tissues and cells. High selectivity and sensitivity are indispensable characteristics for fluorescence probes. Therefore, by manipulating the chemical structure and physical properties of the chromophore, fluorescence probes can achieve high quantum yield even at low concentrations, allowing sensitive signal detection and accurate imaging. Furthermore, stability and biocompatibility are vital factors in the design of fluorescence probes, ensuring resistance to light, heat, and physiological environments while safely generating the desired fluorescence signal within the living organism. Photosensitizers (PS), as one of their characteristics, absorbs light at specific wavelengths and generates reactive oxygen species (ROS) through photochemical reactions. The resulting ROS induce cell death by causing damage to surrounding proteins, nucleic acids, lipids, cell membranes, and organelles. PDT harnesses this property to selectively eliminate abnormal tissues, particularly cancer cells. Hence, photosensitizers must possess a high capability to generate ROS, which can be achieved through the modulation of the chromophore's chemical structure and physical properties. The design and synthesis of chromophores for the diagnosis and treatment of diseases are important endeavors. This research presented promising strategies for designing and synthesizing chromophores for fluorescent probes and photodynamic therapy agents, providing new directions for their application in diagnostics and therapeutics within living organisms. In Chapter 1, theranostic candidate materials capable of simultaneous cancer therapy and diagnosis were designed and synthesized. These materials included heavy-atom-free PS synthesized by combining imidazole, imidazolium salt, imidazoline-2-thione, carbazole, 2-bromobenzene, 2,4-dibromobenzene, and sulfonate groups. Among them, CI, based on the combination of imidazole and carbazole, exhibited high ROS generation and fluorescence emission abilities in a low-oxygen environment. Furthermore, it demonstrated efficient PDT and fluorescence bioimaging for HeLa cells through photon absorption. In Chapter 2, we designed and synthesized the fluorescence probe gGluBN-O for detecting Hypochlorite (OCl-). It had a stable structure and strong fluorescence, with a 1,8-naphthalimide core incorporating Carbamate for high selectivity and sensitivity to Hypochlorite and excellent stability against pH variations. In Chapter 3, we designed and synthesized several heavy-atom-free PSs with an extended conjugation structure based on Pyrido[2,3-b]pyrazine and Quinoxaline cores. We investigated the characteristics of DK, which included two Triphenylamine units connected by a π-bridge and additional functional groups. Among the synthesized DK structures, the singlet oxygen quantum yield, particularly relevant to PDT efficiency, exhibited a significant increase with the extension of the conjugation system. Specifically, DK17, with a D-π-A-π'-D structure, showed the highest singlet oxygen quantum yield, highlighting its potential as a PDT agent. In Chapter 4, several photosensitizers were designed and synthesized by introducing triphenylamine and carbazole moieties at the 4th position of 1,8-naphthalimide. NP-TPA, NP-Cbz, and NP-Cz all exhibited high fluorescence emission and ROS generation capabilities. Particularly, NP-Cz with a high singlet oxygen quantum yield of 0.2, attributed to the introduction of carbazole, showed a lower Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) ability compared to NP-TPA with triphenylamine. This suggests the potential utilization of NP-Cz as a heavy-atom-free photosensitizer for efficient photodynamic therapy and fluorescence bioimaging. In conclusion, the design and synthesis of chromophores for therapeutic and diagnostic purposes a crucial role in disease diagnosis and treatment. This research provided novel strategies for designing and synthesizing chromophores for fluorescent probes and PDT agents, carry out new possibilities for their application in diagnostics and therapeutics within living organisms.