Nanobiotechnology

1. 양자점의 생물학적 응용

반도체 나노입자인 양자점은 발광 효율이 높고, 광탈색 현상이 일어나지 않으며 발광 파장을 쉽게 조절할 수 있어 생체 내 영상과 향후 의료 영상에 음영 조영제로의 가능성이 크다. 그러나 양자점을 생체에 응용하기 위해서는 생체 적합성을 고려해야 한다. 현재까지 연구되어온 양자점들은 주로 Cd, Pb, Hg와 As 같이 독성의 원소들을 포함하여 생체 내에서 사용하는데 한계를 갖고 있다. 본 연구실에서는 InP나 ZnTe/ZnSe, CuInS2 , AgInS2와 같이 중금속 원소를 포함하지 않는 비독성 양자점의 합성을 연구하고 있다. 고효율로 발광하면서도 안정한 비독성 양자점을 합성하기 위해 다양한 용매와 전구체에 대한 연구가 진행되고 있으며, 새로운 비독성 양자점의 합성방법을 통해 생체 내 이미징에 이용할 수 있는 양자점 개발에 한 발 더 다가설 수 있을 것으로 기대된다.

2. 양자점의 생물학적 응용을 위한 표면개질 및 생분자체 접합

고효율의 양자점을 만들기 위해서 고온의 유기용매상에서 합성하기 때문에 생체 내 영상에 활용하기 위해서는 양자점의 표면 성질에 대한 선행 연구가 필요 하다. 본 연구실에서는 양자점을 수용액에 안정하게 분산시키면서, 공유결합 또는 정전기적 인력을 이용해 생체분자와 결합이 가능한 표면분자를 양자점에 도입하는 연구를 진행하고 있으며, 특히 양쪽성 이온을 가진 표면 안정화 분자체로 양자점을 표면 처리하여 다양한 pH와 이온 농도에서 분산력을 잃지 않는 양자점을 합성할 수 있었다. 양쪽성 이온 분자체로 안정화된 양자점은 생체 내 환경에서도 수화크기를 유지하기 때문에 체내 잔류 시간이 길어 체내에서 효율적인 표적화가 가능할 것으로 예상되며 분산력을 유지하는 동시에 그 외의 다른 대상에 대한 비특이적 결합을 최소화할 수 있다. 또한 표면에 양쪽성 이온 분자체를 갖는 양자점에 특이적인 결합을 유도하는 항체, 압타머 및 펩타이드 등의 생분자체를 양자점 표면에 결합시킬 수 있다. 이를 이용해 특정 세포를 표지 하거나 특이적인 결합을 유도할 수 있었다.

그림1. 유기 용매에서 합성된 양자점의 표면개질 모식도. 양쪽성 이온 리간드를 도입함으로써 비특이적 결합을 최소화할 수 있었음. 양자점 표면에 존재하는 리간드에 biomolecule을 도입하여 특성 세포에 특이적으로 타겟팅 할 수도 있음.

그림2. HER2/neu 항체와 양자점의 복합체를 HER2를 발현하는 A431 세포와 HER2를 발현하지 않는 HeLa 세포에 HER2항체-양자점 복합체를 처리한 후 관찰한 형광현미경 사진.
HeLa 세포는 약간의 비특이적 흡착에 의한 형광을 보이는 반면, A431 세포는 항체-양자점 복합체의 선택적 표지에 의하여 양자점 형광이 나타남. (Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 1558-1566)

3. 양자점-항체 복합체를 이용한 암 진단 연구

암은 다른 질환과는 달리 이질성(heterogeneity)을 갖기에 암의 성격 및 환경이 환자마다 또는 암의 병기(stage)에 따라서 매우 다른 특성을 갖는다. 여러 가지 형광 파장을 갖는 양자점들을 이용하면 다중 종양 표지가 가능하며 빠르게 암을 판별할 수 있을 것으로 예상된다. 최근 발생률이 급격히 높아지고 있는 대장암은 초기 발견이 매우 중요한데, 주로 대장 내시경을 통해 진단이 이루어지지만 육안으로 검출하기 때문에 발견하지 못할 확률이 존재하며, 용종의 모양이 혹처럼 생기지 않고 평평하다면 더욱 놓칠 확률이 높아진다. 또한 조직을 떼어낸 뒤 동결절편병리검사를 하여 암을 판별하기 때문에 다소 시간이 오래 걸리며 채취하는 조직 개수의 제한이 있다는 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 형광을 갖는 양자점에 대장암에 과발현되는 여러 가지 단백질에 특이적으로 결합하는 항체들을 각각 도입하여 다중 양자점-항체 복합체를 합성하여 다중 영상을 얻어 형광 신호로 진단하는 방법에 관하여 연구하였다. 서로 다른 색상의 양자점에 metalloproteinases (MMP) 9, MMP 14, 및 carcinoembryonic antigen (CEA) 항체를 각각 결합하였고, 대장암 마우스 모델의 대장 조직과 대장암 환자 조직에 대해 이 양자점-항체 프로브를 도포하여 짧은 시간이 지난 후 조직을 씻어내고 암 조직에 특이적으로 결합된 양자점의 형광신호를 통해 암을 표지할 수 있었으며, 육안으로는 판별되지 않은 선종 또한 검출 할 수 있었다. 다중 형광 신호로 다양한 대장암 표지자들을 동시에 관찰하여 얻은 형광 이미지를 합·곱 연산하는 이미지 프로세싱을 통해 한 개의 프로브만으로는 놓칠 수 있는 암 조직을 검출할 수 있음을 보였다. 이러한 방법은 실시간으로 대장 내시경시 의료진들에게 프로세싱 된 형광 이미지를 제공함으로써 좀 더 정확한 판단을 하는데 도움을 주어 암의 초기 발견율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

그림3. 세 가지 대장암 표지자가 도입된 다중 항체-양자점 복합체의 다중 형광 신호 이미지 (ACS Nano, 2014, 8, 8896-8910)

4. 근적외선 영역에서 발광하는 양자점 프로브

650-1700 nm 사이의 근적외선 영역은 가시광선 영역에 비해 낮은 광흡수 및 산란 특성을 보이기 때문에 향상된 생체 조직 투과 능력을 가지는 것으로 알려져 있다. 650-950 nm 의 제1 근적외선영역은 최근 동물 모델의 형광 이미징에 널리 쓰여왔으나, 상대적으로 1000-1700 nm 의 제1 근적외선영역은 더욱 낮은 광산란 영역을 가지기 때문에 높은 공간 분해능을 가지는 심부 조직 광영상화가 가능할 것이다. 근적외선 영역 발광체로서 양자점은 높은 양자 효율, 발광 특성 조절의 용이함 등의 장점을 가지고 있다. 제1근적외선 영역 발광체로서 CdTeSe, CuInS2 등이 높은 광안정성과 50%이상의 양자효율을 보이는 것으로 알려져 있으며, 제2근적외선 영역 발광체로서도 PbS, Ag2S 등이 개발 중이며 10% 이상의 양자효율을 보이는 것으로 보고 되어 임상 및 전임상 형광 이미징에 사용되고 있다.

그림4. (좌) NIR-II영역에서 발광하는 두 종류 양자점의 형광 스펙트럼. (우) NIR-II 양자점을 정맥주사한 쥐 모델의 형광 이미지

제2근적외선 영역에서 발광하는 양자점에 소광체를 연결하고, 암 미세 환경에서 많이 발현되는 효소에 의하여 연결이 끊어져 선택적으로 형광 신호가 회복되는 암 미세환경 감응 프로브를 합성하였다. 해당 프로브는 양자점에서 여기된 exciton의 전자가 표면에 연결된 methylene blue로 photoexcited electron transfer(PET) 되게 하였으며, 양자점과 메틸렌 블루의 연결 펩타이드가 암 미세 환경에 많이 발현되는 matrix metalloproteinase (MMP)에 의해 선택적으로 절단되어 암 조직 근처에서만 높은 발광 신호를 보이도록 하였다. 해당 양자점은 PbS/CdS/ZnS core/shell/shell 구조로 합성되었으며 core와 shell의 conduction band가 비슷한 에너지 준위를 가지는 quasi type-II 구조로, 전자가 비편재화되어 있어 methylene blue로의 전자 이동이 잘 일어나도록 디자인되었다. ex vivo 실험 결과 암 미세환경 감응 프로브는 대장암 조직에서 10분 이내에 150~300%의 형광 신호 변화를 나타내었으며, 정상 대장에서는 신호 변화를 보이지 않았다. 또한 일반 양자점의 형광 신호는 대장암 조직에서 어떠한 형광 신호의 변화도 보이지 않았다.

그림5. 암 미세 환경에서 형광이 회복되는 근적외선 양자점 프로브의 모식도

5. 양자점-폴리머 복합체와 산소 민감성 인광 염료 분자체를 이용한 산소 프로브로의 응용

양자점을 수용액 상에 분산시킬 수 있는 방법으로 폴리에틸렌이민 기반의 양친매성 폴리머를 합성하고, 이를 이용한 캡슐화 방법을 개발하여 양자점-폴리머 복합체를 제작하였다. 양자점-폴리머 복합체는 100 nm 정도의 안정적이고 균일한 수화 크기를 가졌다. 표면의 양전하로 인해 세포 표면의 음전하와 효과적으로 상호 작용하기 때문에 유전자 전달 및 세포 표지에 활용 될 수 있다. 양자점-폴리머 복합체 표면에 GFP silencing RNAs을 도입하여 유전자 전달이 가능함을 보였고, 정전기적 인력을 이용해 히알루론산을 양자점-폴리머 복합체의 표면에 도입하였을 때 100배 이상의 세포 특이적 형광 표지 능력을 가짐을 검증하였다. 또한 폴리머 내부의 소수성 부분에 양자점과 산소 민감성 인광 염료를 동시에 포획시켜 산소 프로브를 제작하고, 세포와 spheroid 모델에서 성공적으로 산소 농도 감지에 따른 형광 신호비를 측정하였다.

그림6. 양자점-폴리머 복합체의 합성 모식도 (가장 윗쪽), 양자점-폴리머 복합체를 이용한 응용: 양자점 세포표지, GFP 유전자 발현 억제 siRNA 전달, 히알루론산을 도입을 이용한 특이적인 세포 표지, 형광 신호비를 이용한 산소분압 감지로의 응용 (시계반대방향). (ACS Nano, 2015, 9, 6511-6521)