바이오인

핵심내용

-Macromolecular Rapid Communications 표지 게재, 골프공 형태로 제조하여 반응성과 이동성 탁월

 □ 국내 연구진이 조영제나 형광물질과 같은 바이오이미징 물질을 운반할 수 있는 수㎛ 크기의 골프공 모양 생분해성 미립자를 개발했다. 골프공처럼 표면에 보조개(dimple) 같은 요철이 있는 이 미립자는 기존 구형의 매끄러운 미립자보다 세포와의 상호작용 우수하여 세포안으로 함입되는 능력이 훨씬 뛰어난 것으로 판명되었다.

 ○ 공주대학교 신소재공학과 조국영 교수와 충남대학교 분석화학기술대학원 임용택 교수가 공동으로 수행한 이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구)의 지원으로 수행되었으며 고분자 분야 유수저널 Macromolecular rapid communications 3월 12일자 온라인판에 표지논문으로 게재되었다.

 (논문명: Biodegradable Microparticles with Surface Dimples as a Bi-Modal Imaging Contrast Agent ) 

□ 세포나 조직의 영상을 얻기 위한 MRI나 CT 촬영에 이용되는 나노입자는 너무 작아 체내에서 완전 배출되지 않고 장기에 축적되거나 자기장 환경에서 자성을 띠고 서로 뭉치는 등 세포 독성을 가질 수 있다는 한계가 있다.

 ○ 때문에 나노입자를 그대로 주입하기보다 생체친화성을 높이기 위해 생체에서 분해될 수 있는 고분자에 담아 주입하기 위한 연구가 계속되고 있다. 그 가운데 표면이 울퉁불퉁한 공이 매끄러운 공보다 공기저항을 덜 받는다는 점에 착안하여 골프공 구조의 미립자를 제조하기 위한 연구가 계속되어 왔다. 
 ○ 하지만 기존에는 미립자의 표면에 원하는 요철을 내기 위해서는 여러 공정이 필요하고 생분해성 고분자에는 적용이 어려운 등의 한계가 있었다.

□ 연구팀은 고분자 유기방울의 표면을 수많은 미세 유기방울들이 도장을 찍듯 돌아다니는 기름방울임프린팅(droplet imprinting) 방법(사진설명 그림.1 참조)을 통해 단일공정으로 골프공 모양의 생분해성 미립자를 만들어냈다. 

 ○ 이렇게 골프공 모양으로 제조된 미립자는 동일한 재료를 이용한 표면이 매끄러운 미립자와 비교를 하였을 때 외부자극에 의한 반응성과 이동성이 증가하고 표면에 보조개와 같은 요철패턴으로 인한 표면적이 증가하여 세포와의 상호작용이 원활해 세포안으로 더 효율적으로 들어갈 수 있었다.

 ○ 연구팀은 제조된 미립자를 이용하여 수지상 세포(Dendritic cell)*에 함입 후 MRI 이미지와 형광현미경 이미지를 통해 골프공 미립자가 매끄러운 미립자보다 현저히 잘 함입되는 것을 확인하였다. 

     * 수지상 세포(Dendritic cell) : 인체에 바이러스 감영이나 종양과 같은 비정상적인 세포가 생겼을 때 이를 인식하고 T-세포에 공격을 요청하는 손가락 또는 나뭇가지 모양의 세포

□ 조 교수는 “본 연구를 통해 제조된 골프공 모양의 미립자는 생체친화성이 높은 의료용 분야 이미징 물질로서 세포의 궤적거동(cell tracking)을 위한 자기공명영상(MRI)과 광학이미지(optical imaging)가 동시에 발현하는 영상의학 이외에도 약물방출, 조직공학과 같은 다양한 의료용 분야에 큰 기여를 할 전망”이라고 연구의의를 밝혔다.

 (Macromolecular rapid communications 표지)

상세내용

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

   자연에 존재하는 박테리아, 적혈구, 그리고 대식세포 등은 단순히 둥글고 매끄러운 형태가 아닌 특이한 모양, 크기, 표면 현상과 같은 물리적인 특성으로 인체 내에서 기능적 역할을 한다는 것이 최근 알려졌고 이러한 발견을 바탕으로 최근 바이오분야에서는 기존 매끄러운 구형의 미립자가 아닌 특이한 모양을 갖는 미립자의 제조와 이의 응용에 대한 관심이 증가하고 있다.

   비록 연구가 초기단계이나 비구형의 입자의 세포내의 함입, 식세포작용과 혈액 내 순환으로 입자의 모양이 바이오분야에서 향상된 특성을 나타낸다는 것이 보고되고 있다. 그러나 특이 형상의 입자 제조는 용이하지 않아 미립자 표면의 형상 제어, 다른 형태의 미립자 등의 비구형의 미립자 제조방법의 개발이 중요하다. 

   우리는 최근에 생분해성 고분자를 이용하여 150㎛ 크기를 갖는 골프공 모양의 미립자를 제조하였다. 이 구조의 미립자는 표면의 복잡한 구조 때문에 포착하기 쉬워 cell tracking 과 같은 바이오이미징 분야에서 관심이 높다. 하지만 미립자가 세포내로 안정적으로 들어가기 위해서는 미립자의 크기를 작게 만들 필요가 있다. 따라서 이번 연구에서는 새로운 기법을 통해 세포내에 들어갈 수 있는 수 ㎛ 크기인 골프공 모양의 미립자를 제조하였으며, 제조된 미립자를 이용해 세포내의 함입을 통해 바이오분야에 적용이 가능함을 확인 한 것이 특징이다.

2. 연구내용

   본 연구를 통해 단일공정으로 조영제를 담지하고 표면에 dimple 구조를 가지는 수㎛의  미립자를 제조하였다.

   구체적으로는 상전이 유기물질과 생분해성 고분자(Poly(D,L-lactide -co-glycolide), PLGA) 용액을 각각 분산시킨 뒤 혼합하여 수많은 상전이 유기물질 방울들이 고분자 액체 유기 방울 표면에 도장을 찍듯이 찍고 다니는 방법(droplet imprinting)을 통해 dimple 구조의 미립자를 제조하였다.
 
   이렇게 제조된 골프공 모양의 미립자는 Fluorescence micros image와 MR image를 통해 형광물질인 Rhodamine 6G와 contrast agent로써 MnFe2O4가 담지되었음을 확인하였다.

   또한 Dendritic cells(DCs)을 대상으로 Rhodamine 6G와 MnFe2O4가 담지된 골프공 모양의 미립자의 세포내 함입을 Fluorescence micros 이미지를 통해 확인한 결과 세포 내부에 골프공 모양의 미립자가 들어간 것을 확인 할 수 있었다. 제조된 골프공 모양과 표면이 매끄러운 미립자를 비교하여 cellular uptake를 평가한 결과 골프공 모양의 미립자가 표면이 매끄러운 미립자보다 세포내로 들어가는 능력이 뛰어난 것으로 나타났다. 이로써 특이 형태의 입자가 기존의 매끄러운 구형의 미립자보다 더 효율적으로 바이오 응용분야에 적용될 수 있다는 것을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구를 통하여 생분해성 고분자를 이용한 바이오이미징 물질(MRI 조영제와 형광물질)이 담지된 미립자를 제조하여 바이오이미징 분야에 적용이 가능하며, 세포와의 상호작용이 우수한 구조의 미립자로 세포내의 internalization 능력이 뛰어난 특성으로 cell tracking 과 같은 분야에 큰 기여를 할 것으로 예상한다.

용   어   설   명

1. Macromolecular Rapid Communications
 ○ 고분자 공학 분야 저널 중에서 상위 10%에 속하는 유수의 저널로, 고분자 분야에서 가장 최신의 중요도가 높은 연구내용을 속보 형식으로 만 게재하는 저널이다. Impact factor는 4.6이다. (고분자 공학 분야에서 리뷰 논문을 제외한 최고 높은 Impact factor는 5.479이다.)

2. 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)
 ○ 고주파를 이용하여 체내에 가장 많이 존재하는 수소 원자핵으로부터 받은 미세한 신호를 컴퓨터로 재구성하여 인체의 모든 부위를 영상화하는 장비

3. 조영제(contrast agent)
 ○ 자기공명영상(MRI) 촬영이나 컴퓨터단층(CT) 촬영과 같은 방사선 검사 때에 조직이나 혈관이 잘 보이도록 각 조직의 X선 흡수차를 인위적으로 크게 함으로써 영상의 대비(contrast)를 크게 해주는 약품

4. 컴퓨터단층촬영장치(Computed Tomography, CT)
 ○ 여러 각도에서 엑스선이나 초음파를 인체에 투영하고 이를 컴퓨터로 재구성하여 인체 내부 단면의 모습을 화상으로 처리하는 장치

5. 생분해성 고분자(biodegradable polymer)
 ○ 생물의 대사활동이 분해과정에 관여하며 저분자량 화합물로 변하는 고분자물질을 말한다. 특히 생분해성 고분자로 이루어진 0.01~100㎛ 가량의 미립자를 생분해성 미립자라고 한다.

사   진   설   명

그림 1.  표면에 dimple 구조를 갖는 수㎛ 크기의 미립자 제조 방법

표면에 dimple을 만들 수 있는 상전이 유기상 물질과 고분자 물질을 각각 수상에 분산 후 한 곳에서 교반을 하면 표면에 dimple을 가지는 수 마이크로미터 크기의 미립자가 제조 됨.
이는 고분자 유기 방울 표면에 작은 수많은 상전이 액체 유기 방울이 붙었다 떨어지면서 dimple의 자취를 남기게 됨.

그림 2.  골프공 모양 미립자의 세포내 함입(internalization) 및 MR 이미지
형광물질과 MRI 조영제 물질을 첨가된 골프공 모양의 미립자를 형광현미경 사진과 MRI 사진을 통해 담지된 사실을 확인 할 수 있으며, 제조된 이 골프공 미립자를 이용하여 수지상세포내에 함입을 형광현미경 사진을 통하여 세포내에 함입되었음을 확인

그림 3.  골프공 모양의 미립자에 대한 주사전자현미경 사진
단순한 공정으로 제조 할 수 있는 골프공 모양의 미립자의 주사전자 현미경 사진.
유기 액체방울이 고분자 유기 액체 방울 표면에 붙었다가 떨어지면서 사진과 같이 표면에 dimple이 형성 되게 됨

그림 4.  수지상세포내에 딤플의 유무에 따른 입자의 세포내 유입 데이터
세포에 들어간 입자들을 감지하여 base peak(입자가 없는 세포)보다 오른쪽으로 이동될 수록 많은 양의 입자가 세포안으로 들어간 것으로 그래프에서 보면 dimple이 없는 입자(붉은색)도 들어가지만 dimple이 있는 입자(파란색)가 더 오른쪽으로 치우쳐있어 세포 내로의 유입이 더 많은 것을 의미(둥근 입자에 비해 250-300% 향상된 효율을 보임).