倉田奨励金研究報告書｜2018 年度（第 50 回）助成■受領№1381

近赤外領域における高効率二光子吸収性・蛍光発光性を有する新奇ピレン誘導体の開発

代表研究者

仁子 陽輔

高知大学教育研究部総合科学系複合領域科学部門

1．研究⽬的助教

光発光性を⽰す傾向にある。もう⼀⽅はポリメチ

蛍光イメージングとは、⽣細胞や⽣体中に導⼊ン⾻格を有する⾊素群（シアニン類）であり、⼆した蛍光⾊素を励起（光照射）・発光させることで光⼦吸収波⻑は短波⻑でありながらも、強⼒な⼆その発光点付近を画像化する光学技術であり、⾼光⼦吸収性と蛍光発光性を⽰す。そこで本研究でい時空間分解能を有することに特徴がある。中では、上記ピレンとポリメチン⾻格、中でも強⼒なも、⾊素分⼦が⽰す⾮線形光学現象「⼆光⼦吸収」

⼆光⼦吸収性を有する⾼輝度性⾊素であるスクアを利⽤した⼆光⼦蛍光イメージングでは、⽣体透レイン構造（SQ）をハイブリッドしたPYSQを設

過性の⾼い近⾚外光での⾊素励起が可能となるた計した（Scheme1）。

め、⽣体“深部”の細胞・組織・器官の観察をも実

まず、1-アミノピレンを原料としたインドール現する。こうした⼆光⼦蛍光イメージング技術が誘導体1の合成を⾏った。続いて、同インドール構進展することで、例えば⽣体内の免疫細胞などの造からインドレニン誘導体2を合成し、続く⽔素添動態観察が可能となり、様々な炎症性疾患の機加によって3を得た。同化合物をメチル化して4を構・治療法の解明に繋がると期待される。

得た後、四⾓酸エステルとの縮合によって⽬的物

本研究課題では、⼆光⼦蛍光イメージングによPYSQを得た。

る⽣体内観察可能深度の⾶躍的向上を⽬的とし、「⻑波⻑領域での⾼効率⼆光⼦吸収性と蛍光発光性を両⽴した新奇蛍光⾊素開発」を推進する。より具体的には、⽣体分⼦（リボフラビンなど）による阻害を限りなく⼩さくし得る>900nm領域における⾼効率⼆光⼦吸収と>600nm領域における蛍光発光を⽰す蛍光⾊素分⼦の開発を⾏っていく。

2．研究内容2.1 ピレン−スクアレインハイブリッド型⾊素
PYSQ の設計と合成
本研究を推進する上で、研究代表者は⼆種類の蛍光発⾊団に着⽬した。⼀つはピレンであり、その誘導体は⽐較的⻑波⻑領域に⼆光⼦吸収性と蛍Scheme1．PYSQ の合成

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2.2 PYSQ の光物性
培養細胞のイメージングに多⽤されるSQと⽐較しつつ、PYSQの有機溶媒中における種々の光物 性 を 測 定 し た （ Figure1 ）。 SQ は 遠 ⾚ 領 域（~650nm）に⼀光⼦吸収と蛍光を⽰すのに対し、PYSQ は ⼤ 幅 に レ ッ ド シ フ ト し た 近 ⾚ 外 領 域（>700nm）に⼀光⼦吸収と蛍光発光性を⽰した。
また、PYSQの輝度（モル吸光係数×蛍光量⼦収率）は125,000M-1cm-1 （1,4-ジオキサン中）を超え、SQと同等かそれ以上の値となったことから、PYSQ⾮常に⾼輝度な近⾚外蛍光⾊素であると⾔える。
次に、PYSQとSQのジオキサン溶媒中における光安定性の⽐較を⾏った（Figure2）。両⾊素において、同じ吸光度となる波⻑で⼀定時間光励起しながら蛍光強度をモニタリングしたところ、SQの蛍光強度は3時間後には20%弱ほど低下したのに対し、PYSQは10%程度の低下にとどまった。したがって、PYSQはSQよりも⾼い光安定性を有し

Figure1. SQ および PYSQ の（上）一光子吸収ていることがわかる。

（下）蛍光スペクトル（測定溶媒：1, 4-dioxane）

最後に、PYSQおよびSQの⼆光⼦吸収スペクトルの測定を⾏った（Figure3）。PYSQは、1300nm付近においてSQの4倍に相当する4000GM（GM：⼆光⼦吸収の効率を表す単位。汎⽤⾊素のローダミンBが200GM）という巨⼤な⼆光⼦吸収断⾯積を⽰した。さらに特筆すべき点として、PYSQは1000nm付近においても1000~2000GMという⼤きな値を⽰したことが挙げられる。⼆光⼦蛍光イ
メージングにおいて、1300nmという波⻑は⽣体中の⽔分⼦に吸収される（＝阻害される）上、励起光源が殆ど存在しないために実際には利⽤性が低Figure2. SQ および PYSQ の光安定性試験（測いという⽋点がある。他⽅、1000nm付近には⾼出定溶媒：1, 4-dioxane）⼒で駆動する「超短パルスファイバーレーザー」と呼ばれる安価かつ可搬性に優れた光源が存在す

こうしたPYSQの特性は、基本的にはピレンとるため、同領域に⼆光⼦吸収性があるというのはいう剛直かつ広いπ電⼦共役系を有する分⼦を利⽤上極めて⼤きな利点となる。したがって、SQに適⽤したことで得られたものである。他⽅こPYSQはファイバーレーザーで⼆光⼦励起が可能れまでに、クロスカップリング反応によってSQとな⾼輝度近⾚外蛍光⾊素であると⾔える。

ピレンをビニル基、あるいはエチニル基で連結し倉田奨励金研究報告書｜2018 年度（第 50 回）助成
たハイブリッド⾊素が開発された例がある（K. D.
Belfield et al. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 7829）。
しかし、今回のPYSQはそれらのハイブリッド⾊素よりもさらに30~40nmほど⻑波⻑領域で光吸収・蛍光性を⽰すことから、今回の分⼦設計で特に重要であったのはSQのインドール部分をピレン⾻格へと拡張した点にあり、この設計が最も効果的にSQ誘導体におけるπ電⼦共役系を拡張させるのだと考えられる。
2.3 まとめ
ピレンを基盤としたスクアライン誘導体を合成することにより、汎⽤蛍光団であるSQよりも⾼輝度かつ安定で、さらに⽣体透過性の⾼い近⾚外領域に蛍光性を有する新奇⾊素 PYSQを開発することができた。また、PYSQは当初の⽬標としていた900nmより⻑波⻑、特にファイバーレーザー励起が可能な1000nm付近において強⼒な⼆光⼦吸収性があることが判明した。
他⽅、PYSQを⽣体⼆光⼦蛍光イメージングへと応⽤するのには未だ⼤きな壁が存在する。
PYSQは⽣体透過性の⾼い近⾚外領域での蛍光発光を可能とするものの、同領域の蛍光を効率的に検出する光電⼦倍増管を備えた⼆光⼦蛍光顕微鏡は殆ど存在しないのである。したがって、今後は顕微鏡作成を可能とする研究者との共同関係を強化していき、PYSQを活⽤した⽣体超深部観察に取り組んでいきたいと考えている。

Figure3. SQ および PYSQ の二光子吸収スペクトル（測定溶媒：1, 4-dioxane）

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３．発表（研究成果の発表）
1.

2.

4．謝辞

磯江真綺，⼤⻄省三，鈴⽊康孝，川俣純，⾦本研究の遂⾏にあたり、⼆光⼦吸収断⾯積測定

野⼤助，波多野慎悟，渡辺茂，仁⼦陽輔，⾼や⼆光⼦蛍光イメージングは、⼭⼝⼤学⼤学院創効率⼆光⼦吸収性・近⾚外発光性を両⽴した成科学研究科の鈴⽊康孝准教授・川俣純教授のごスクアライン型ピレン誘導体の開発，⾼知化協⼒を得て⾏われました。また、未だ実験途中で

学シンポジウム2019，⾼知⼯科⼤学 永国寺キはあるものの、マウスを⽤いた⼆光⼦蛍光イメー

ャンパス, ⾼知 (2019/10/12)

ジングにおいて愛媛⼤学医学系研究科の今村健志

特願 2019-153789，仁⼦陽輔，波多野慎悟，教授・川上良介准教授にご助⼒いただきました。

渡辺茂，磯江真綺，“ピレン蛍光⾊素”，国⽴

最後に、筆者の研究室は設⽴して間もなく、あら⼤学法⼈⾼知⼤学，2019年8⽉26⽇出願

ゆる設備に不⾜がある中、⽇⽴財団のご⽀援により数多くの実験を⾏うことができましたこと、深く感謝申し上げます。