Er wordt een protocol gepresenteerd voor de synthese en meting van de fotochemische eigenschappen van modulaire gekooide verbindingen met aanklikbare delen.
Gekooide verbindingen maken de foto-gemedieerde manipulatie van de celfysiologie met hoge spatiotemporele resolutie. De beperkte structurele diversiteit van de momenteel beschikbare kooien-groepen en de moeilijkheden bij synthetische modificatie zonder afbreuk te doen aan de efficiëntieverbeteringen van fotolyse zijn echter belemmeringen voor het uitbreiden van het repertoire van gekooide verbindingen voor levende cellen Toepassingen. Aangezien de chemische modificatie van coumarin-type foto-caging groepen een veelbelovende benadering is voor de bereiding van gekooide verbindingen met diverse fysische en chemische eigenschappen, rapporteren we een methode voor de synthese van klikbare gekooide verbindingen die kunnen worden gewijzigd gemakkelijk met verschillende functionele units via de koper (I)-gekatalyseerde Huisgen cyclisering. Het modulaire platform molecuul bevat een (6-Broom-7-hydroxycumarine-4-yl) methyl (BHC) groep als een foto-caging groep, die een hoge fotolyse efficiëntie vertoont in vergelijking met die van de conventionele 2-nitrobenzyls. Er worden algemene procedures gepresenteerd voor het bereiden van klikbare gekooide verbindingen die aminen, alcoholen en carboxylaten bevatten. Extra eigenschappen zoals de oplosbaarheid in water en de mogelijkheid van de celtargeting kunnen gemakkelijk worden opgenomen in klikbare gekooide verbindingen. Bovendien werden de fysische en fotochemische eigenschappen, waaronder de fotolyse Quantum yield, gemeten en bleken ze superieur te zijn aan die van de corresponderende BHC gekooide verbindingen. Het beschreven protocol zou daarom kunnen worden beschouwd als een mogelijke oplossing voor het gebrek aan structurele diversiteit in de beschikbare gekooide verbindingen.
Gekooide verbindingen zijn ontworpen synthetische moleculen waarvan de oorspronkelijke functies worden tijdelijk gemaskeerd door covalent bijgevoegde foto-verwijderbaar bescherming groepen. Interessant is dat gekooide verbindingen van biologisch relevante moleculen een onmisbare methode vormen voor de spatiotemporele controle van de cellulaire fysiologie1,2,3,4,5 ,6. In 1977 rapporteerden Engels en Schlaeger de 2-nitrobenzylester van cAMP als membraan permeabel en fotolabile derivaat van cAMP7. Het volgende jaar, Kaplan rapporteerde de 1-(2-nitrofenyl) ethyl ester van ATP (NPE-ATP) en noemde deze compound “gekooide” ATP8. Sindsdien, een reeks van fotochemisch verwisselbare bescherming groepen zoals 2-nitrobenzyls, p-hydroxyphenacyls9, 2-(2-nitrofenyl) ethyls10,11, 7-nitroindolin-1-Yls12, 13, en (coumarin-4-yl) methyls14,15,16 zijn gebruikt voor de bereiding van gekooide verbindingen.
De synthese van gekooide verbindingen met wenselijk aanvullende eigenschappen zoals membraan permeabiliteit, oplosbaarheid in water, en cellulaire targeting vermogen zou worden verwacht dat het vergemakkelijken van de biologische toepassingen van de cel. Aangezien de fysische en fotochemische eigenschappen van deze moleculen voornamelijk afhangen van de chemische structuur van de fotochemisch verwijderbare beschermende groepen die worden gebruikt om ze voor te bereiden, is een divers repertoire van foto-caging groepen vereist. De structurele diversiteit van de momenteel beschikbare kooien-groepen die hoge fotolysisefficiënties vertonen, is echter beperkt. Dit kan een belemmering vormen voor het verhogen van het gebruik van gekooide verbindingen.
Om dit probleem aan te pakken, is het repertoire van foto-caging groepen uitgebreid door de chemische modificatie van bestaande fotoroemovable Bescherm groepen of het ontwerp van nieuwe fotolabile chromophores met superieure fotomophysical en fotochemische eigenschappen. Voorbeelden zijn nitrodibenzofuraan (ndbf) 17, [3-(4, 5-dimethoxy-2-nitrofenyl) -2-butyl] (dmnpb) 18,19, een calcium-gevoelige 2-nitrobenzyl photocage20, gesubstitueerde coumarinylmethyls (DEAC45021 , Deadccm22, 7-azetidinyl-4-methylcumarin23, en styryl coumarinen24), cyanine derivaten (cyet-pan)25, en bodipy derivaten26,27.
Bovendien, we eerder ontwikkeld de (6-Broom-7-hydroxycoumarin-4-yl) methyl (BHC) groep en met succes gesynthetiseerd verschillende gekooide verbindingen van neurotransmitters28, tweede boodschappers29,30, en oligonucleotiden31,32,33 exposeren grote een-en twee-Fobe excitatie doorsneden. Als extra eigenschappen gemakkelijk kunnen worden geïnstalleerd in de kooien groepen zonder afbreuk te doen aan hun lichtgevoeligheid, dan kan het repertoire van gekooide verbindingen worden uitgebreid34,35,36, 37,38,39. We hebben daarom modulaire gekooide verbindingen ontworpen die uit drie delen bestaan, namelijk de BHC-groep als een foto-responsieve kern, chemische handvatten voor de installatie van extra functionaliteiten, en de moleculen die moeten worden gemaskeerd40, 41.
Dus, dit artikel biedt een praktische methode voor de bereiding van gekooide verbindingen van biologisch relevante moleculen. Het huidige protocol beschrijft methoden voor het opstellen van een klikbare platform voor foto-caging groepen, de invoering van extra functionaliteiten om het repertoire van gekooide verbindingen uit te breiden, de meting van hun fysische en fotochemische eigenschappen en het celtype selectieve targeting van een klikbare gekooide compound voor verdere mobiele toepassing.
We ontwikkelden eerder BHC gekooide verbindingen van verschillende biologisch actieve moleculen die hoge fotolytische efficiënties vertonen28,45,46,47. Met als doel het uitbreiden van het repertoire van BHC kooien groepen, rapporteerden we ook platforms van modulaire gekooide verbindingen die gemakkelijk kunnen worden gewijzigd door de introductie van verschillende functionele eenheden32,40,41. Het huidige protocol vertegenwoordigt daarom een methode voor de synthese van een klikbare precursor van BHC kooien groepen die kan worden gewijzigd via de koper (I)-gekatalyseerde huisgen cyclisering. De synthese van de klikbare precursor, paBhcCH2Oh (2), werd bereikt via een vier stappen-reactie sequentie beginnend bij de in de handel verkrijgbare 4-bromoresorcinol (Figuur 1a). Het voordeel van dit protocol is dat er geen moeizame zuiveringsstappen nodig zijn (bijv. kolom chromatografische scheidingen).
Als klikbaar precursor paBhcCH2Oh (2) kan worden gebruikt om verschillende functionele groepen te maskeren, klikbaar gekooide verbindingen van amines, alcoholen, en carbonzuren werden gesynthetiseerd met behulp van 2 als de precursor (Figuur 1b). Amines werden gewijzigd als hun carbamaten terwijl alcoholen werden gemodificeerd als hun carbonaten. In algemene procedures 1 en 2 werd CDI gebruikt voor de bereiding van klikbare carbamaten, terwijl 4-nitrofenyl chloroformaat werd gebruikt voor de bereiding van carbonaten. Zoals aangegeven door het reactiemechanisme, kunnen beide reagentia worden gebruikt voor de bereiding van carbamaten en carbonaten. Er moet ook worden opgemerkt dat de opbrengst van de gewenste gekooide verbinding afhankelijk is van de chemische structuur van het molecuul dat moet worden gekooide. Andere voorbeelden zijn te zien in onze vorige rapporten28,30,33,48.
Klik op modificatie werd vervolgens uitgevoerd met een lichte wijziging van de gerapporteerde procedure49. De toevoeging van tris (triazolylmethyl) amine-gebaseerde liganden is noodzakelijk om de gewenste producten te verkrijgen in goede tot hoge opbrengsten. Aangezien een verscheidenheid van aziden gemakkelijk beschikbaar zijn zowel uit commerciële bronnen als uit literatuur procedures, kunnen we verschillende modulaire gekooide verbindingen met extra eigenschappen, zoals oplosbaarheid in water en cellulaire targeting vermogen (Figuur 2) voorbereiden.
De kwantum opbrengst van fotolyse werd vervolgens gemeten volgens een gerapporteerde procedure28,50. Figuur 3 toont aan dat de fotolytische consumptie van 2 ‘glc-paBhcmoc-PTX en de vrijlating van PTX werden benaderd door single-exponentiële verval en stijging, respectievelijk, suggereren geen innerlijke filtering van de straling of ongewenste secundaire effecten. Er werden verbeterde fotolyse kwantum opbrengsten (Φ) en fotolysisefficiënties (εφ) waargenomen voor de klikbare pabhc gekooide verbindingen in vergelijking met die van de eerder gerapporteerde BHC gekooide verbindingen (tabel 1)41, 43. aangezien de efficiëntie van fotolyse (εφ) van BHC gekooide verbindingen meer dan 100 maal hoger is dan die van 2-nitrobenzyl-type gekooide verbindingen48, is de duidelijke verbetering als gevolg van de aanwezigheid van pabhc kooien groepen duidelijk een voordeel voor dit systeem.
Als proof-of-concept-experiment werd een hydrofiele groep geïntroduceerd in 2-paBhcmoc-PTX (4) en een cellulaire targeting ligand werd geïntroduceerd in Compound 3 (Figuur 2). De oplosbaarheid in water van 2 ‘glc-paBhcmoc-PTX was 650 maal hoger dan die van de ouder PTX (tabel 1). Selectieve cellulaire targeting werd bereikt met behulp van een tag-probe-systeem, en paBhcmoc-hex-FITC/Halo (8) met het halotag ligand werd met succes getarget op het celmembraan van gekweekte zoogdiercellen die het halotag/EGFR-fusie-eiwit uitdrukken ( Figuur 4). Foto-gemedieerde modulatie van de subcellulaire lokalisatie van een kinase werd ook bereikt met behulp van een klikbare gekooide compound 5 (Figuur 5).
Concluderend hebben we met succes een methode gedemonstreerd voor de voorbereiding van klikbare platformen voor fotogekooide verbindingen van biologisch interessante moleculen die gemakkelijk kunnen worden gewijzigd met extra eigenschappen, zoals oplosbaarheid in water en een cellulaire targetingmogelijkheid. Aangezien de pabhc kooien groep kan worden gebruikt om moleculen met veranderbare functionele groepen voor te bereiden, is de toepassing van dit protocol niet beperkt tot de hierin beschreven moleculen. Met behulp van een modulair platform, namelijk de pabhc kooien groep, kunnen de gewenste gekooide verbindingen gemakkelijk worden voorbereid, en hun fysische en chemische eigenschappen kunnen worden gemoduleerd via Klik modificatie.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI Grant Number JP16H01282 (TF), een subsidie-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek naar innovatieve gebieden “Memory dynamisme” en JP19H05778 (TF), “MolMovies.”
acetonitrile, EP | Nacalai | 00404-75 | |
acetonitrile, super dehydrated | FUJIFILM Wako | 010-22905 | |
Antibiotic-Antimycotic, 100X | Thermo Fisher | 15240062 | |
4-bromoresorcinol | TCI Chemicals | B0654 | |
N,N’-carbonyldiimidazole | FUJIFILM Wako | 034-10491 | |
chloroform | Kanto | 07278-71 | |
Copper (II) Sulfate Pentahydrate, 99.9% | FUJIFILM Wako | 032-12511 | |
dichloromethane, dehydrated | Kanto | 11338-05 | |
N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIPC) | TCI Chemicals | D0254 | |
4-dimethylaminopyridine | TCI Chemicals | D1450 | |
dimethylsulfoxide, dehydrated -super- | Kanto | 10380-05 | |
DMEM – Dulbecco's Modified Eagle Medium | Sigma | D6046-500ML | |
dual light source fluorescence illuminator, IX2-RFAW | Olympus | ||
Ethanol (99.5) | FUJIFILM Wako | 054-07225 | |
Ethyl 4-Chloroacetoacetate | TCI Chemicals | C0911 | |
Ham's F-12 with L-Glutamine and Phenol Red | FUJIFILM Wako | 087-08335 | |
hydrochloric acid | FUJIFILM Wako | 087-01076 | |
inverted fluorescent microscope IX-71 | Olympus | ||
ISOLUTE Phase Separator, 15 mL | Biotage | 120-1906-D | |
L-(+)-Ascorbic Acid Sodium Salt | FUJIFILM Wako | 196-01252 | |
laser scanning fluorescence confocal microscopy, FLUOVIEW FV1200/IX-81 | Olympus | ||
Lipofectamine 2000 Transfection Reagent | Thermo Fisher | 11668027 | lipofection reagent |
3-(N-morpholino)propanesulfonic acid | Dojindo | 345-01804 | MOPS |
4-nitrophenylchloroformate (4-NPC) | TCI Chemicals | C1400 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium, no phenol red | Thermo Fisher | 11058021 | reduced serum medium contains no phenol red |
1,10‐Phenanthroline Monohydrate | Nacalai | 26707-02 | |
Photochemical reactor with RPR 350 nm lamps | Rayonet | ||
Potassium Trioxalatoferrate (III) trihydrate | FUJIFILM Wako | W01SRM19-5000 | |
Sodium Acetate Trihydrate | Nacalai | 31115-05 | |
Sodium Bicarbonate | FUJIFILM Wako | 199-05985 | |
Sulfuric Acid, 96-98% | FUJIFILM Wako | 190-04675 | |
Tris(3-hydroxypropyltriazolylmethyl)amine (THPTA) | ALDRICH | 762342-100MG | |
tri‐Sodium Citrate Dihydrate | Nacalai | 31404-15 | |
Xenon light source, MAX-303 | Asahi Spectra |