Hydrogen sulfide (H2S) has recently been identified as a biological response modifier. Here, we report the design and synthesis of a novel fluorescence probe for H2S, HSip-1, utilizing azamacrocyclic copper(II) ion complex chemistry to control the fluorescence. HSip-1 showed high selectivity and high sensitivity for H2S, and its potential for biological applications was confirmed by employing it for fluorescence imaging of H2S in live cells.

A far-red to near-infrared (NIR) fluorescence probe, MMSiR, based on Si-rhodamine, was designed and synthesized for sensitive and selective detection of HOCl in real time. MMSiR and its oxidized product SMSiR have excellent properties, including pH-independence of fluorescence, high resistance to autoxidation and photobleaching, and good tissue penetration of far-red to NIR fluorescence emission. The value of MMSiR was confirmed by real-time imaging of phagocytosis using a fluorescence microscope. wsMMSiR, a more hydrophilic derivative of MMSiR, permitted effective in vivo imaging of HOCl generation in a mouse peritonitis model. This probe is expected to be a useful tool for investigating the wide range of biological functions of HOCl.

Detection of chelatable zinc (Zn2+) in biological studies has attracted much attention recently, because chelatable Zn2+ plays important roles in many biological systems. Lanthanide complexes (Eu3+, Tb3+, etc.) have excellent spectroscopic properties for biological applications, such as long luminescence lifetimes of the order of milliseconds, a large Stoke's shift of >200 nm, and high water solubility. Herein, we present the design and synthesis of a novel lanthanide sensor molecule, [Eu-7], for detecting Zn2+. This europium (Eu3+) complex employs a quinolyl ligand as both a chromophore and an acceptor for Zn2+. Upon addition of Zn2+ to a solution of [Eu-7], the luminescence of Eu3+ is strongly enhanced, with high selectivity for Zn2+ over other biologically relevant metal cations. One of the important advantages of [Eu-7] is that this complex can be excited with longer excitation wavelengths (around 340 nm) as compared with previously reported Zn2+-sensitive luminescent lamthanide sensors, whose excitation wavelength is at too high an energy level for biological applications. The usefulness of [Eu-7] for monitoring Zn2+ changes in living HeLa cells was confirmed. This novel Zn2+-selective luminescent lanthanide chemosensor [Eu-7] should be an excellent lead compound for the development of a range of novel luminescent lanthanide chemosensors for biological applications.

The absorption and emission wavelengths of group 14 pyronines and rhodamines, which contain silicon, germanium, or tin at the 10 position of the xanthene chromophore, showed large bathochromic shifts compared to the original rhodamines, owing to stabilization of the LUMO energy levels by σ*−π* conjugation between group 14 atom-C (methyl) σ* orbitals and a π* orbital of the fluorophore. These group 14 pyronines and rhodamines retain the advantages of the original rhodamines, including high quantum efficiency in aqueous media (Φfl = 0.3−0.45), tolerance to photobleaching, and high water solubility. Group 14 rhodamines have higher values of reduction potential than other NIR light-emitting original rhodamines, and therefore, we speculated their NIR fluorescence could be controlled through the photoinduced electron transfer (PeT) mechanism. Indeed, we found that the fluorescence quantum yield (Φfl) of Si-rhodamine (SiR) and Ge-rhodamine (GeR) could be made nearly equal to zero, and the threshold level for fluorescence on/off switching lies at around 1.3−1.5 V for the SiRs. This is about 0.1 V lower than in the case of TokyoGreens, in which the fluorophore is well established to be effective for PeT-based probes. That is to say, the fluorescence of SiR and GeR can be drastically activated by more than 100-fold through a PeT strategy. To confirm the validity of this strategy for developing NIR fluorescence probes, we employed this approach to design two kinds of novel fluorescence probes emitting in the far-red to NIR region, i.e., a series of pH-sensors for use in acidic environments and a Zn2+ sensor. We synthesized these probes and confirmed that they work well.

Hydrogen peroxide is believed to play a role in cellular signal transduction by reversible oxidation of proteins. Here, we report the design and synthesis of a novel fluorescence probe for hydrogen peroxide, utilizing a photoinduced electron transfer strategy based on benzil chemistry to control the fluorescence. The practical value of this highly sensitive and selective fluorescence probe, NBzF, was confirmed by its application to imaging of hydrogen peroxide generation in live RAW 264.7 macrophages. NBzF was also employed for live cell imaging of hydrogen peroxide generated as a signaling molecule in A431 human epidermoid carcinoma cells.

Based on the findings that the azo functional group has excellent properties as the hypoxia-sensor moiety, we developed hypoxia-sensitive near-infrared fluorescent probes in which a large fluorescence increase is triggered by the cleavage of an azo bond. The probes were used for fluorescence imaging of hypoxic cells and real-time monitoring of ischemia in the liver and kidney of live mice.

Reactive oxygen species (ROS) operate as signaling molecules under various physiological conditions, and overproduction of ROS is involved in the pathogenesis of many diseases. Therefore, fluorescent probes for visualizing ROS are promising tools with which to uncover the molecular mechanisms of physiological and pathological processes and might also be useful for diagnosis. Here we describe a novel fluorescence probe, FOSCY-1, operating in the physiologically favorable near-infrared region. The probe consists of two differentially ROS-reactive cyanine dyes connected by a linker; reaction of the more susceptible dye with ROS releases intramolecular fluorescence quenching of the less susceptible dye. We successfully applied this probe to detect ROS produced by HL60 cells and porcine neutrophils and for imaging oxidative stress in a mouse model of peritonitis.

The cysteine prodrug N-acetyl cysteine (NAC) is widely used as a pharmacological antioxidant and cytoprotectant. It has been reported to lower endogenous oxidant levels and to protect cells against a wide range of pro-oxidative insults. As NAC itself is a poor scavenger of oxidants, the molecular mechanisms behind the antioxidative effects of NAC have remained uncertain. Here we show that NAC-derived cysteine is desulfurated to generate hydrogen sulfide, which in turn is oxidized to sulfane sulfur species, predominantly within mitochondria. We provide evidence suggesting the possibility that sulfane sulfur species produced by 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase and sulfide:quinone oxidoreductase are the actual mediators of the immediate antioxidative and cytoprotective effects provided by NAC.

We have developed a series of novel near-infrared (NIR) wavelength-excitable fluorescent dyes, SiR-NIRs, by modifying the Si–rhodamine scaffold to obtain emission in the range suitable for in vivo imaging. Among them, SiR680 and SiR700 showed sufficiently high quantum efficiency in aqueous media. Both antibody-bound and free dye exhibited high tolerance to photobleaching in aqueous solution. Subcutaneous xenograft tumors were successfully visualized in a mouse tumor model using SiR700-labeled anti-tenascin-C (TN-C) antibody, SiR700-RCB1. SiR-NIRs are expected to be useful as labeling agents for in vivo imaging studies including multicolor imaging, and also as scaffolds for NIR fluorescence probes.

Novel ratiometric, near-infrared fluorescent pH probes with various pKa values have been designed and synthesized on the basis of aminocyanine bearing a diamine moiety, and their photochemical properties were evaluated. Under acidic conditions, these pH probes showed a 46- to 83-nm red shift of the absorption maximum. This change is sufficiently large to permit their use as ratiometric pH probes, and is reversible, whereas monoamine-substituted aminocyanines showed irreversible changes because of their instability under acidic conditions. Furthermore, the pKa values of these probes can be predicted from the calculated pKa values of the diamine moieties, obtained from the SciFinder database. This design strategy is very simple and flexible, and should be applicable to develop NIR pH probes for various applications.