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한빛사 인터뷰
한빛사 인터뷰
- 등록2013-12-27
- 조회8,718
Adv. Funct. Mater., Volume 22, Issue 9, pages 1843–1849, May 9, 2012, DOI: 10.1002/adfm.201102930
Ultrasensitive, Biocompatible, Quantum-Dot-Embedded Silica Nanoparticles for Bioimaging
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
양자점(quantum dot)은 나노크기의 반도체 물질로서, 벌크상태와는 발광 파장이 달라지는 양자제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이고, 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드 갭(band gap)에 따른 에너지를 방출하게 됩니다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 복수의 색채를 발하게 할 수 있는데, 기존 널리 사용되는 유기색소에 비하여 20배 가량 밝고, 포토블리칭에 대하여 100배 가량 안정하며, FWHM (full width at a half maximum) 기준으로 40 nm 또는 그 이하의 좁은 스팩트럼선 폭(spectral line width)을 가지며 표지물질의 수가 많아, 전자, 광통신, 바이오시스템, 신소재 등 다양하고도 광범위한 분야에 걸쳐 연구가 이루어지고 있습니다. 특히, 양자점 나노입자를 이용하여 세포 내에 양자점을 침투시켜 양자점으로부터 발산되는 형광을 외부에서 측정하는 연구를 시작으로, 나노입자를 이용한 바이오 분야로의 접근은 최근 들어 크게 각광받고 있습니다. 그러나, 소수성 표면성질과 독성에 대한 문제의 해결은 양자점을 생물학적으로 이용하기 위해서 필수이나, 이를 위한 생체적합성(biocompatible) 처리 및 친수성 처리시 발광효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있습니다.
강한 신호를 내면서도 친수성 나노입자를 제조하는 기술은 바이오 이미징을 위한 핵심기술이며, 이를 위해 크게 2가지 관점에서 초고민감성 나노양자점 (QD2)를 제작하였습니다. 우선 실리카 나노입자 지지체에 많은 수(500여개)의 단일양자점 (QD)을 도입하여 하나의 입자가 기존 단일양자점보다 더욱 강하고 밝은 형광색을 내도록 만들었고, 또한 단일 양자점 자체에 여러 겹의 껍질(shell)을 도입하여 표면 개질 시에도 발광효율이 저하되지 않도록 함으로써 기존 양자점보다 형광세기가 강한 양자점을 개발하였습니다. 이때, 비슷한 양자효율을 나타내는 같은 개수의 단일양자점 나노입자와 비교하였을 경우 많은 수의 나노입자가 실리카에 함유되어 있음으로 인해, 대략 200배의 밝은 신호가 나타났으며, 여러 겹의 껍질을 가진 양자점 나노입자의 경우 표면개질 시에도 양자효율이 떨어지지 않았고, 그 결과 기존 단일 껍질에 비해서 대략 5배 정도의 밝은 신호를 확인 할 수 있었습니다.
In vivo 실험에서 QD2 나노 입자를 HeLa cell에 이입 후 마우스에 이식하였을 경우 10일까지도 세포추적이 가능하였습니다. 특히, QD2가 이입된 HeLa 세포를 마우스 피하에 이식하였을 때, 단지 400개의 HeLa 세포에서도 형광영상이 가능하였습니다. 이번 연구에서 개발한 초고민감성 나노구조체는 나노입자 기반 소량의 바이오마커 분석에도 유용한 도구로 사용될 수 있을 것이며, 생체이미징분야에서 관심있는 세포를 생체내에서 추적하는 데 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
본 연구는 Advanced Functional Materials의 Cover Story로 선정됨.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
제가 연구를 진행했던 곳은 서울대 핵의학과 이동수교수님 연구실입니다. 이번 연구는 서울대 화학생물공학부 이윤식교수님 연구실과 공동협력연구로 진행하였고 전봉현 박사님과 함께 공동실무로 연구를 수행하였습니다. 저희 생체분자영상 및 치료 연구실은 생체분자영상기술을 기반으로 1) 다양한 퇴행성뇌질환 치료를 위한 재생의학분야에 기여하고 있으며, 2) 나노기술을 이용해 생체수준에서 암질환을 진단치료하기 위한 암표적 테라그노시스응용연구를 집중적으로 진행하고 있습니다. 줄기세포 추적 및 분화영상기술, 질환표적 마이크로RNA 영상기술, 나노기술 기반 암표적치료연구, 생체적합성 지지체 기반 약물 전달 영상 및 질환치료 연구 등을 주업무로 진행하고 있습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
제가 소속되어 있는 핵의학교실은 내부적으로는 다학제간 학문분야로 물리, 화학, 생물, 뇌인지, 의학분야가 모여있어 협력연구환경이 잘 갖춰져 있고 저로서는 융합연구의 좋은 기회로 활용할 수 있었습니다. 특히 외부적으로는 전국의 기초원천나노기술 전문가와 연구네트워크가 잘 구축되어 있어 원천나노기술을 임상에 응용하기 위한 나노의학연구를 수월하게 진행할 수 있고 나노응용연구에 조금이나마 관여할 수 있게 되어 큰 자부심을 가지고 있습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
성공적인 혁신은 단독플레이로 한 연구자가 평생을 노력하여 얻어지는 것이 아니라, 각 분야의 전문가들이 서로의 의견을 공유하고 긴밀한 협력을 이루어 질 수 있는 것이라고 생각합니다. 저희 생체나노분자영상분야에서 다루고 있는 질환표적치료, 맞춤의학, 유전체의학기반 바이오마커탐색 및 약물전달등 21세기 의학으로 손꼽히는 분야 역시 개인플레이로는 성공할 수 없고 수많은 전문분야집단이 소통의 네트워크를 통해 꾸준히 쌓아가는 것이라고 생각합니다. 자기 분야에 국한하지 말고 open mind로 소통의 문을 열어두는 것이 필요할 것으로 생각됩니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
재생의학분야에서는 현재 clinical unmet needs를 바탕으로 다양한 질환모델을 이용하여 분화활성영상기술 및 표면활성지지체 응용연구를 계획중이며, 특히 나노의학분야에서는 실질적으로 임상에 적용할 수 있는 나노소재를 발굴하고, 생체나노분자영상기술을 이용하여 생체적용시 생길 수 있는 다양한 제한점들을 극복하기 위한 연구를 진행중에 있습니다.
양자점(quantum dot)은 나노크기의 반도체 물질로서, 벌크상태와는 발광 파장이 달라지는 양자제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이고, 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 자체적으로 해당하는 에너지 밴드 갭(band gap)에 따른 에너지를 방출하게 됩니다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 복수의 색채를 발하게 할 수 있는데, 기존 널리 사용되는 유기색소에 비하여 20배 가량 밝고, 포토블리칭에 대하여 100배 가량 안정하며, FWHM (full width at a half maximum) 기준으로 40 nm 또는 그 이하의 좁은 스팩트럼선 폭(spectral line width)을 가지며 표지물질의 수가 많아, 전자, 광통신, 바이오시스템, 신소재 등 다양하고도 광범위한 분야에 걸쳐 연구가 이루어지고 있습니다. 특히, 양자점 나노입자를 이용하여 세포 내에 양자점을 침투시켜 양자점으로부터 발산되는 형광을 외부에서 측정하는 연구를 시작으로, 나노입자를 이용한 바이오 분야로의 접근은 최근 들어 크게 각광받고 있습니다. 그러나, 소수성 표면성질과 독성에 대한 문제의 해결은 양자점을 생물학적으로 이용하기 위해서 필수이나, 이를 위한 생체적합성(biocompatible) 처리 및 친수성 처리시 발광효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있습니다.
강한 신호를 내면서도 친수성 나노입자를 제조하는 기술은 바이오 이미징을 위한 핵심기술이며, 이를 위해 크게 2가지 관점에서 초고민감성 나노양자점 (QD2)를 제작하였습니다. 우선 실리카 나노입자 지지체에 많은 수(500여개)의 단일양자점 (QD)을 도입하여 하나의 입자가 기존 단일양자점보다 더욱 강하고 밝은 형광색을 내도록 만들었고, 또한 단일 양자점 자체에 여러 겹의 껍질(shell)을 도입하여 표면 개질 시에도 발광효율이 저하되지 않도록 함으로써 기존 양자점보다 형광세기가 강한 양자점을 개발하였습니다. 이때, 비슷한 양자효율을 나타내는 같은 개수의 단일양자점 나노입자와 비교하였을 경우 많은 수의 나노입자가 실리카에 함유되어 있음으로 인해, 대략 200배의 밝은 신호가 나타났으며, 여러 겹의 껍질을 가진 양자점 나노입자의 경우 표면개질 시에도 양자효율이 떨어지지 않았고, 그 결과 기존 단일 껍질에 비해서 대략 5배 정도의 밝은 신호를 확인 할 수 있었습니다.
In vivo 실험에서 QD2 나노 입자를 HeLa cell에 이입 후 마우스에 이식하였을 경우 10일까지도 세포추적이 가능하였습니다. 특히, QD2가 이입된 HeLa 세포를 마우스 피하에 이식하였을 때, 단지 400개의 HeLa 세포에서도 형광영상이 가능하였습니다. 이번 연구에서 개발한 초고민감성 나노구조체는 나노입자 기반 소량의 바이오마커 분석에도 유용한 도구로 사용될 수 있을 것이며, 생체이미징분야에서 관심있는 세포를 생체내에서 추적하는 데 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
본 연구는 Advanced Functional Materials의 Cover Story로 선정됨.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.
제가 연구를 진행했던 곳은 서울대 핵의학과 이동수교수님 연구실입니다. 이번 연구는 서울대 화학생물공학부 이윤식교수님 연구실과 공동협력연구로 진행하였고 전봉현 박사님과 함께 공동실무로 연구를 수행하였습니다. 저희 생체분자영상 및 치료 연구실은 생체분자영상기술을 기반으로 1) 다양한 퇴행성뇌질환 치료를 위한 재생의학분야에 기여하고 있으며, 2) 나노기술을 이용해 생체수준에서 암질환을 진단치료하기 위한 암표적 테라그노시스응용연구를 집중적으로 진행하고 있습니다. 줄기세포 추적 및 분화영상기술, 질환표적 마이크로RNA 영상기술, 나노기술 기반 암표적치료연구, 생체적합성 지지체 기반 약물 전달 영상 및 질환치료 연구 등을 주업무로 진행하고 있습니다.
3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
제가 소속되어 있는 핵의학교실은 내부적으로는 다학제간 학문분야로 물리, 화학, 생물, 뇌인지, 의학분야가 모여있어 협력연구환경이 잘 갖춰져 있고 저로서는 융합연구의 좋은 기회로 활용할 수 있었습니다. 특히 외부적으로는 전국의 기초원천나노기술 전문가와 연구네트워크가 잘 구축되어 있어 원천나노기술을 임상에 응용하기 위한 나노의학연구를 수월하게 진행할 수 있고 나노응용연구에 조금이나마 관여할 수 있게 되어 큰 자부심을 가지고 있습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
성공적인 혁신은 단독플레이로 한 연구자가 평생을 노력하여 얻어지는 것이 아니라, 각 분야의 전문가들이 서로의 의견을 공유하고 긴밀한 협력을 이루어 질 수 있는 것이라고 생각합니다. 저희 생체나노분자영상분야에서 다루고 있는 질환표적치료, 맞춤의학, 유전체의학기반 바이오마커탐색 및 약물전달등 21세기 의학으로 손꼽히는 분야 역시 개인플레이로는 성공할 수 없고 수많은 전문분야집단이 소통의 네트워크를 통해 꾸준히 쌓아가는 것이라고 생각합니다. 자기 분야에 국한하지 말고 open mind로 소통의 문을 열어두는 것이 필요할 것으로 생각됩니다.
5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
재생의학분야에서는 현재 clinical unmet needs를 바탕으로 다양한 질환모델을 이용하여 분화활성영상기술 및 표면활성지지체 응용연구를 계획중이며, 특히 나노의학분야에서는 실질적으로 임상에 적용할 수 있는 나노소재를 발굴하고, 생체나노분자영상기술을 이용하여 생체적용시 생길 수 있는 다양한 제한점들을 극복하기 위한 연구를 진행중에 있습니다.
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