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提出了一种可点击的网箱化合物的光化学特性的合成和测量方案。
笼状化合物能够以光介导操作细胞生理学与高时空分辨率。然而,目前可用的笼类组结构多样性有限,在不牺牲其光分解效率的情况下进行合成改性方面的困难,是扩大活细胞笼内化合物范围的障碍应用。由于coumarin型光凝组化学改性是制备具有不同物理和化学特性的笼状化合物的一种有前途的方法,我们报道了一种可修改可降解的可点击笼状化合物的合成方法。通过铜(I)催化惠氏循环,可轻松与各种功能单元配合。模块化平台分子包含(6-bromo-7-羟基纤维素-4-基)甲基(Bhc)组作为光环组,与传统2硝基苯基相比具有较高的光分析效率。介绍了制备含有胺、酒精和卡比酸盐的可点击笼状化合物的一般程序。其他特性,如水溶性和细胞靶向能力,可以很容易地融入可点击的笼体化合物中。此外,还测量了物理和光化学特性,包括光分析量子产量,发现其优于相应的Bhc笼体化合物。因此,上述议定书可被视为现有笼体中缺乏结构多样性的潜在解决办法。
笼状化合物是设计合成分子,其原始功能被共价附着的光可移动保护组暂时掩盖。有趣的是,与生物相关的分子的笼状化合物为细胞生理学1、2、3、4、5的时空控制提供了不可或缺的方法。 ,6.1977年,恩格斯和施莱格报告cAMP的2-硝基酯作为cAMP7的膜渗透和光基衍生物。第二年,卡普兰报告了ATP(NPE-ATP)的1-(2-硝基)乙酯,并将这种化合物命名为"笼"ATP8。自那时以来,一系列光化学可拆卸保护组,如2-硝基苯基,p-羟基苯丙胺9,2-(2-硝基苯)乙醚10,11,7-硝基多林-1-yls12, 13,和(库马林-4-基)甲基14,15,16已用于制备笼体化合物。
具有理想的附加特性(如膜渗透性、水溶性和细胞靶向能力)的笼体化合物的合成有望促进细胞生物学应用。由于这些分子的物理和光化学性质主要取决于用于制备它们的光化学可拆卸保护组的化学结构,因此需要多种光凝组。然而,目前具有高光照效率的锥类群体的结构多样性有限。这可能是增加使用笼内化合物的障碍。
为了解决这个问题,通过对现有可拆卸保护组的化学修改或设计具有优越光物理和光化学特性的新型光实验室色光量,扩大了光凝组的阵容。例子包括硝基二苯酚(NDBF)17,[3-(4,5-二甲氧基-2-硝基)-2-丁基](DMNPB)18,19,钙敏2-硝基苯基光笼20,替代couinyl甲基(DEAC45021,DEAdcCM22,7-azetidinyl-4-甲基古马林23,和硫化古马林24,青宁衍生物(CyEt-pan)25,和BODIPY衍生物26,27。
此外,我们之前开发了(6-布罗莫-7-羟基古马林-4-基)甲基(Bhc)组,并成功地合成了神经递质28、第二信使29、30和寡核苷酸31,32,33显示大单光和双光子激发横截面。如果额外的特性可以很容易地安装到笼组,而不损害其光敏性,那么笼化化合物的剧目可以扩大34,35,36,37,38,39.因此,我们设计了模块化笼体化合物,包括三个部分,即作为光响应核心的Bhc组,用于安装附加功能的化学手柄,以及要屏蔽的分子40,41.
因此,本文为制备与生物相关的分子的笼体化合物提供了一种实用的方法。本协议描述了为光笼组准备可点击的平台的方法,引入其他功能以扩大笼内化合物的清单,测量其物理和光化学特性,以及可点击的笼状化合物的细胞类型选择性靶向,用于进一步细胞应用。
1. 可点击笼化合物的模块化笼式paBhc组合成28,41
2. 可点击的笼体化合物的制备
注:以下程序可应用于制备含有羟基、氨基和碳化物功能组的其他可点击的笼状化合物。
3. 将功能单元安装到可点击的笼体中
4. 笼内化合物的光溶性未密封反应
5. 以可点击的笼状化合物为目标,带有光环配体
注:使用前,在Dulbecco的改性鹰培养基(DMEM,低葡萄糖,丙酸钠,l-谷氨酰胺)中保持HeLa细胞,并辅以含有1%抗生素(硫酸链霉素、青霉素和氨基林)的10%胎儿牛血清(FBS),37 °C 和 5% CO2.
6. 使用可点击的笼体化合物对激酶定位进行光介调制
注:使用前,在火腿的F-12介质中保持CHO-K1细胞,在37°C和5%CO2下辅以10%的FBS。
一些生物上有趣的分子,包括甲酰酸和帕利塔塞尔的可点击笼体化合物,被成功合成(图1)28,41。水溶性和细胞靶向能力等附加特性通过铜(I)催化汇氏循环("点击"反应)引入paBhcmoc-PTX(图2)。这些可点击的笼式PTX然后光解,在350nm照射时产生其父PTX(图3),可点击的笼体化合物的物理和光化学特性在表1中总结。可点击的笼状化合物2+-glc-pabhmoc-PTX(+dis 0.14)和paBhc-AA(+dis 0.083)的量子产量是传统Bhc笼化合物2+-Bhcmoc-PTX(+dis)的两倍多。 0.040) 和 Bhc-AA (+dis 0.038)43.此外,对含有葡萄糖的2°c-paBhmoc-PTX水溶性也有所改进。
在活细胞实验中,成功地实现了将paBhc-Hex-FITC/Halo靶向培养的哺乳动物细胞,暂时表达出HaloTag蛋白和表皮生长因子受体(EGFR)的融合蛋白。在细胞膜上观察到paBhc-HEx-FITC/Halo荧光的荧光(图4)。使用paBhc笼状化合物实现了激酶亚细胞定位的光介导调制。据报道,在存在甲氧乙酸(AA)44的情况下,二乙二醇激酶(DGK+)的易位被激活。CHO-K1细胞暂时表达GFP-DG+用AA或paBhc-AA(5 )进行治疗。AA的添加导致DGK+的亚细胞定位的调制(图5A,B)。在暴露于紫外线后的paBhc-AA处理细胞的定位中,DGK+的定位也发生了类似的变化(图5C,D)。
图1:可点击笼化合物的制备。
a) 试剂和条件:a. 乙基 4 氯乙酸酯/康克 H2SO4/rt/7 天/91% 产量,b. 1 M HCl/回流/3 天/97% 产量。c. N-甲基丙二甲胺/HCHO/EtOH,然后加入(1)和热在回流17小时/79%的产量。(B) 可点击的笼状胺、PTX和甲抗酸的合成。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:将功能单元安装到可点击的笼体中。
(A) 通过铜(I)催化汇氏循环合成水溶性笼式PTX。(B) 含有HaloTag配体的可点击笼状化合物的结构,用于细胞靶向。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:2°C-paBhcmoc-PTX(6)的光裂。
K-MOPS溶液(pH 7.2)中的样品(10μM)在350nm下进行辐照。(A) 典型的 HPLC 跟踪为6的光力(测量值为 254 nm)。在指定的照射时间对样品进行了分析。(B) 6光的发光时间课程。蓝色圆圈显示消耗6。实线显示最小二乘曲线适合6的简单衰减指数。红色方块显示 PTX 的收率。误差条表示标准差 (+SD)。请点击此处查看此图的较大版本。
图4:用paBhc-六十六-FITC/Halo(8)孵育的培养哺乳动物细胞的荧光图像。
用pcDNA3-Halo-EGFR转染的细胞在37°C下用2μM溶液孵育,在37°C下孵育30分钟。图像是在用PBS+反复洗涤后获得的。模拟处理的HEK293T细胞(A:差分干扰对比度(DIC)图像和D:荧光图像)。HEK293T细胞(B和E)和HeLa细胞(C和F)瞬时地表达光晕-EGFR(B和C:DIC图像和E和F:荧光图像)。请点击此处查看此图的较大版本。
图5:用Bhc笼状阿激酸孵育的CHO-K1细胞紫外线照射后的荧光图像。CHO-K1细胞用融合蛋白DGK®-EGFP转染。
(A) 转染细胞的荧光图像.(B) 加入10μM的阿罗西酮酸溶液后100s。(C) 在20秒紫外线照射(330-385nm)后,在37°C(D)100秒下用10μM的paBhc-AA(5)溶液孵育细胞。请点击此处查看此图的较大版本。
化合物 | •最大(nm)a | Φ最大(M-1厘米-1)b | [disc] | [] dd | 溶解度 (μM)e |
PTX | 1.0 | ||||
2'-Bhcmoc-PTX | 340 | 10500 | 0.040 | 400 | 55 |
2' -paBhcmoc-PTX | 359 | 9300 | 0.059 | 670 | 8.3 |
2' -glc-Bhcmoc-PTX | 373 | 12300 | 0.14 | 1280 | 650 |
Bhc-AA | 341 | 10800 | 0.038 | 390 | |
paBhc-AA | 366 | 10300 | 0.083 | 750 |
表1:可点击笼体化合物的物理和光化学性质。
a. 吸收最大(纳米),b.摩尔吸收在±最大(M +1 cm+1),c.在350nm时起始材料消失的量子产量,d.摩尔吸收的产物和350nm的消失量子产量,e.饱和溶液在K-MOPS(pH 7.2)中的浓度(μg mL+1)。
我们之前开发了各种生物活性分子的Bhc笼体化合物,具有高光溶效率28,45,46,47。为了扩大BhcCc的系列,我们还报告了模块化笼体化合物的平台,通过引入各种功能单元32、40、41可以很容易地修改。因此,本议定书是一种合成可点击的Bhccccc组前体的方法,该前体可通过铜(I)催化汇氏循环进行修改。可点击前体paBhch2OH(2) 的合成是通过从市售的4-布罗莫索西诺(图1A)开始的四步反应序列实现的。本协议的优点是不需要费力的纯化步骤(例如,柱色谱分离)。
由于可点击前体paBhCH2OH (2) 可用于掩盖各种功能组,使用2作为前体合成可点击的笼状胺、醇和碳水化合物化合物(图1B)。胺被改性为碳水化合物,而酒精被改为碳酸盐。在一般程序1和2中,CDI用于制备可点击的碳水化合物,而4-硝基氯丁二酯用于制备碳酸盐。如反应机制所示,两种试剂都可用于制备碳水化合物和碳酸盐。还应注意的是,所需笼体化合物的产量取决于要关在的分子的化学结构。其他例子可在我们以前的报告28、30、33、48中见。
然后,使用对报告的过程49稍加修改执行单击修改。添加三苯基(三苯基甲基)胺基配体是获得所需产品良好到高产量所必需的。由于各种阿齐德从商业来源和文献程序都很容易获得,我们可以制备各种模块化笼体化合物,具有额外的特性,如水溶性和细胞靶向能力(图2)。
然后根据报告的程序28,50测量光干的量子收率。图3显示,2°c-paBhmoc-PTX的光解消耗和PTX的释放分别以单指数衰减和上升为近似值,表明辐射没有内部滤波或不希望的次生效应。与先前报告的Bhc笼状化合物相比,可点击的paBhc笼状化合物的光裂量子产量(*)和光分解效率(*)得到观察。43.由于Bhc笼状化合物的光分解效率(*)比2-硝基苯基型笼状化合物48高出一百倍以上,因此由于paBhc笼组的存在,其明显改善是明显的该系统的优势。
作为概念验证实验,将亲水性莫伊蒂引入2°-paBhcmoc-PTX(4),并将细胞靶向利带引入化合物3(图2)。2°C-paBhcmoc-PTX的水溶性比母体PTX高650倍(表1)。选择性细胞靶向是使用标记探针系统实现的,而带有HaloTag配体的paBhcmoc-HEx-FITC/Halo(8)成功地瞄准了表达HaloTag/EGFR融合蛋白的培养哺乳动物细胞膜(图 4.使用可点击的笼体化合物5(图5)也实现了激酶亚细胞定位的光介导调制。
最后,我们成功地演示了一种制备可点击平台的方法,用于制备具有生物趣味的分子的光笼化合物,这种化合物可通过额外的特性(如水溶性和细胞)轻松修改。定位能力。由于paBhccc基块可用于制备具有可修改功能组的任何分子,因此本协议的应用并不限于本文所述的分子。使用模块化平台,即paBhc凝固组,可以轻松制备所需的笼状化合物,并通过点击修改调节其物理和化学特性。
我们没有什么可透露的。
这项工作得到了JSPS KAKENHI赠款编号JP16H01282(TF)的支持,这是用于创新领域"记忆动力"科学研究的助学金,以及JP19H05778(TF),"摩尔电影"。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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