質問回答（文献セミナー）
B4 梅田大輝
1.

触媒回転するような化学発光分子の例は存在するか。
Ru(bpy)32+を用いる電気化学発光では、トリプロピルアミンは使いつぶしになるものの、Ru 錯体は再生されていました。また、オワンクラゲなどの生物発光に利用されるアポタンパク質も再生するようですが、複合体を形成するセレンテラジンは使いつぶしのようでした。光などで外部からエネルギーを供給しないのが化学/生物発光なので、どうしても何かしらは使いつぶしになってしまうと思います。[13][14]2.

P.12 のスライド(下図)について、ΦCL(化学発光量子収率)が向上する理由はなぜか。

ドナー・アクセプター型の蛍光分子では、強力なアクセプター基を使うことで発光波長の長波長化とΦF(蛍光量子収率)の向上が見込まれることが(経験側的に？)分かっているらしいです。したがって、EWG の導入によってドナー・アクセプター的な分子構造を作り出すことで、ジオキセタン分解後に生じるエステル(図の矢印右)のΦF が高まり、その結果、ΦF に比例するΦCL も向上したということみたいです。長波長化については、EWG の導入によって LUMO が下がることで説明することができそうですが、ΦF の向上についてはよくわかってなさそうでした。ちなみに、Cl の置換基は、OH の Pka を上昇させ、CIEEL 機構による分子内反応を起こりやすくする目的で入れているらしいです。[3][4][5]13.

P.13 のスライド(上図)について、トリガー基を脱保護する際の条件でジオキセタンのO-O 骨格が切断されたりしないのか。例えば、H2S で 2 電子的に還元されないのか。

特に、ジオキセタン骨格が H2S で切断されるなどの記述は見当たりませんでした。これらの化学発光プローブのジオキセタン骨格はアダマンタン(黄色)によって立体的に安定化されており*、また、これらプローブは実際に in vitro/in vivo で基質選択的なプローブとして働いていることから、ジオキセタン骨格の望まない切断は起こりにく
く、また、起こっていたとしても実用に支障のない程度であると思われます。[6][7]*詳しくは分かっていないようだが、二面角を大きくして歪みを和らげる効果か。

4.

ADLumin-1 が酸素と反応した後の生成物(ADLumin-3)の結合定数は？
値は特に書いてなかったのですが、ADLumin-1 の結合定数を調べたときにつかったグラフの ADLumin-3 バージョンがありました(下図)。これを見る限りだと、
ADLumin-1 の 2.1uM と同じくらいでしょうか…？[1]25.

ADLumin-1 は従来の近赤外蛍光プローブと比較してどれくらいの投与量が必要なのか。
ADLumin-1 の投与量は 4mg/kg で、DAS-CRET を行う場合は、さらに 4mg/kg のCRANAD-3 を添加していました。一方、筆者らの過去の研究である CRANAD-3 による蛍光イメージングでは、0.5mg/kg の投与量となっていました。やはり、化学発光イメージングは、蛍光イメージングよりも投与量が多くなってしまうようです。
[1][2]

6.

P.16 と P.20 のスライドの図(下図)について、WT での発光が ADLumin-1 単体のとき(左)よりも CRANAD-3 との併剤投与(右)で強くなっているのはなぜか。

どちらの画像も open filter 設定で撮ったものとのことで、特定の波長を設定せずに光を検出しています。したがって、DAS-CRET での実験では、ADLumin-1 だけでなく、CRANAD-3 の非特異的な蛍光も拾う分、バックグラウンドが高くなってしまったものと思われます。 [1]7.

下図のような化合物が、重原子効果なしに一重項励起状態から三重項励起状態へ移動できるのはなぜか。
特に理由の記述はありませんでした。狙ってつくった訳ではなく、偶然の産物であるようです。なお、
赤色の BODIPY コアからなる分子(BODIPYCH2Cl)に 30 分の光照射をしても、1O2 の生成は確かめられなかったことから、一重項励起状態から三重項励起状態への項間交差は、赤色部分が青色部分と結合することによって促進されるものと推定されています。したがって、青色のルミノール骨格はCRET のきっかけとなる一重項励起状態を齎すだけでなく、項間交差を起こしやすくする働きもあるのかもしれません。[10]38.

P.28 のスライド(下図)について、pH7.4 における反応が吸熱反応になるのはなぜか。

特に本文中に記述はありませんでした。ともすると、pH7.4 での反応は、負電荷を帯びた分子同士が接近しなくてはならないため、エネルギー的に不利なのかもしれません。[8]9.

P.28 のスライド(上図)について、がん組織での pH はこんなに低いものか。
pH4.5~5.0 というのはリソソームの液性を表しているようです。転移性大腸がんなどの悪性化したヒトがん組織では、リソソームが細胞膜と融合して内容物を細胞外へと放出することがあるようであり、このことをもとに、がん微小環境の pH が 4.5~5.0と言っているのかもしれません。しかしながら、実際の pH はそこまで下がらず、生体内の基本的な環境である pH7.4 から 6.5 程度へシフトするらしいです。なお、このような場合であっても、環境の pH は化合物の pKa(7.0)よりも小さくなるため、pHによるがん組織選択性という主張は覆らないと思われます。[8][9]10. Imaging と PDT では、骨格が同じなのに酸化機構が異なるのはなぜか。
Imaging で紹介した ADLumin-1 も、CL 開始型 PDT で紹介した Br-Cla も、セレンテラジンとよばれる化学発光体に含まれるイミダゾピラジノン骨格を有しているにも拘わらず、前者では自動酸化(3O2)で、後者ではスーパーオキシドアニオン(O2-)で酸化反応が起こると説明されていました。ここでは、これらの酸化機構の違いについて考えます。まず、セレンテラジンの化学発光が、溶媒に 20%程度の水が含まれるだけで消光するという報告があったため、生体内で、ADLumin-1 が自動酸化されるとい
4う機構に疑問が抱かれました。セレンテラジンの 3O2 との化学発光反応は、SET によるセレンテラジンラジカルと O2-の生成と、これらの再結合によるジオキセタノンの生成を経ると考えられていますが、上述した消光現象を調べた論文では、極性溶媒中で O2-の寿命が短くなることが消光の原因であると主張しています。このことと、
ADLumin-1 が凝集 Aβ中の疎水的環境に結合するという分子ドッキングの結果をあわせて考えると、結合部位の低極性環境がスーパーオキシドアニオンの寿命を延ばし、自動酸化による化学発光反応を可能にしている、という説明ができるかもしれません。この場合、ADLumin-1 は、生体内のいたるところで自動酸化されるのではな
く、Aβと結合したときなどの限られた条件で酸化が進行すると考えられるため、ある程度の選択性が生じている可能性があります。なお、Br-Cla についても、O2-が極性環境中で低寿命であることを考慮すると、セレンテラジンとの反応はがん組織の極近傍でしか起こらないことが想定されるため、副作用の小ささが期待できます。以上をまとめると、セレンテラジンの酸化機構の違いについては次のように説明できる可能性があります。
・セレンテラジンは ROS と反応して化学発光可能だが、非極性環境では自動酸化による化学発光経路も存在する。
・ADLumin-1 では、ROS が存在しないため*ROS との反応は起こらないが、Aβ結合時に非極性環境となるため、自動酸化によって化学発光が生じる。
・Br-Cla では、非極性環境にないため自動酸化はおこらないが、がん微小環境に存在する寿命の短いスーパーオキシドアニオンと反応して化学発光が生じる。
[1][8][11][12]* AD 患者脳には ROS が存在すると言われているので、もしかすると生体内での ADLumin-1 の化学発光は、自動酸化機構以外の機構が関わっている可能性もあるかもしれません。論文中では、ROS と反応させても 3O2 でバブリングさせたときほど化学発光は見られなかったと述べていましたが、H2O2 や O2-との反応では、コントロールと有意差がありそうな結果だったため、ROS との反応は起こりうるものと予想されます。

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5https://www.pnas.org/content/112/31/9734
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