Analysis of Biodistribution of Natural Products Using MALDI-TOF MS and Surface Immobilization of Phenolic Compounds Using Surface Chemistry = MALDI-TOF MS를 이용한 천연물 생체분포도 작성과 표면화학을 이용한 페놀기 함유 분자의 표면 고정화
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2019
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 대학원 : 생명공학과 2019. 2
발행연도
2019
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
50 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 여운석
UCI식별코드
I804:11004-200000169202
소장기관
석사학위동안 페놀화합물을 사용하여 질량분석기를 사용한 생체분포도 작성과 금 기판위의 표면 고정화를 수행하였다. 천연물, 특히 페놀화합물은 항암 효과, 면역 효과, 항산화 효과 등 다양한 생체내 효능으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 페놀화합물의 다양한 생활성, 생물학적, 약학적 효능에 대한 연구를 위해 체내에서 작용하는 장기와 대사과정을 아는 것이 중요하다. 이를 위해, 석사과정의 연구로 페놀화합물의 생체분포도를 작성하는 연구와 금 표면위에 페놀화합물의 생활성 표면의 고정화 연구를 소개하겠다.
첫 번째 주제는 매트릭스 보조 레이저 탈착 비행시간형 질량분석기(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)를 이용한 마우스 내 페놀화합물의 생체분포도를 작성하는 연구이다. 페놀화합물의 효능, 구조, 메커니즘 등을 밝히는 연구들이 활발히 진행되고 있으며 이러한 연구에 앞서 페놀화합물들이 체내에서의 효과를 극대화하기 위해서는 페놀화합물들의 생체 분포도를 작성하는 것이 중요하다. 하지만 페놀화합물의 특성으로 빠르게 대사되 사라져 생체분포도 작성에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위하여 빠르고 효율적인 분석법이 필요하므로 작은 분자들의 분석에 용이한 질량분석기를 사용한 분석법이 가장 적합하다고 생각된다. 특히 질량분석기들 가운데 간단하고 빠르며 정확한 분석이 가능한 MALDI-TOF MS를 사용하는 것이 좋을 것이라 생각하였다. 이를 바탕으로, 마우스의 페놀화합물의 생체분포도를 작성하기 위하여 MALDI-TOF MS를 사용한 분석 연구를 수행하였다. 이를 위해, 페놀화합물 중 모델 물질로 면역효과 등으로 잘 알려진 오미자의 대표물질 중 하나인 gomisin H을 마우스에 주입하고 일정 시간 이후 장기를 적출하여 각각의 장기로부터 gomisin H를 추출하였다. 이러한 추출물은 gomisin J (Internal Standard, IS)와 함께 MALDI-TOF MS를 사용하여 분석을 진행하였다. 정확한 정량을 위하여 gomisin H 와 gomisin J를 사용하여 교정 곡선(Calibration Curve)을 작성하였으며 교정 곡선과 질량분석 자료를 사용하여 장기 별 gomisin H의 정량을 하고 이를 바탕으로 마우스의 gomisin H의 생체내 분포도를 작성하였다. 그 결과 간에서 가장 많은 양이 분포하였고 그 다음으로 간장과 뇌에서 많은 양이 분포되었다. 이 방법을 통하여 페놀화합물의 정확한 정량을 바탕으로 생체분포도 작성이 가능하였으며 이를 바탕으로 페놀화합물의 작용을 증진하는 연구에 도움이 될 것이라 생각된다. 또한 이 방법을 활용하여 마우스 내 천연물의 다중 검지를 통한 천연물 성분간의 상호작용 분석 연구도 가능할 것이다.
두 번째 연구주제는 금 표면에 페놀화합물의 고정화를 위한 새로운 방법 제시에 관한 연구이다. 페놀화합물을 활용한 응용연구를 진행하기 위해 물질을 여러 디바이스에 고정화 작업이 필요하다. 페놀화합물을 표면에 고정화를 하는 대부분의 연구는 물질 내 작용기를 사용하여 고정시키며 특히, 수산화기를 사용하여 고정화를 시키므로 이후 수행되는 연구에 제약을 야기한다. 이를 보완하기 위하여 페놀화합물에 새로운 작용기를 도입하고자 Mannich-type condensation 반응을 사용하여 카복실기, 티올기, 아자이드기를 도입시킨다. 이후 금 표면에 자기조립 단분자층을 형성시키고 이후 다양한 화학 반응을 사용하여 새로운 작용기가 도입된 페놀화합물과 표면과의 결합을 진행하였다. 이 표면을 사용한 응용연구를 위해 생체활성을 유지하는 것이 중요하며 표면물질의 활성유지 여부를 확인하고자 효소반응을 진행하였으며 이를 통해 표면고정화 이후 생체활성이 유지되는 것을 확인 가능하였다. 이때 MALDI-TOF MS 와 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 사용하여 분석하였다. 이를 통해 페놀화합물의 생활성을 유지하는 고정화 방법을 통해 수산화기를 사용한 다양한 응용연구를 수행하는 데에 큰 도움이 될 것이라 생각된다.
In this thesis, I report two research subjects of phenolic compounds; their biodistribution in body and their surface immobilization. Natural products, especially phenolic compounds have been intensively studied due to their various biological activities and chemical effects. Phenolic compounds have various beneficial pharmacological activities such as anticancer, antimicrobial, and anti-inflammatory effects with very little toxicity. Therefore, tremendous efforts have been made for finding their different bioactivities in body to facilitate therapeutic target validations. In this respect, I introduce two parts of subjects regarding analysis of biodistribution of phenolic compounds in mice using mass spectrometry and immobilization of the phenolic compounds on gold surfaces.
In Chapter 1, I report on a method for analysis biodistribution of phenolic compound by using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry (MS). It is hard to investigate bioactivities of phenolic compounds, which are rapidly metabolized and eliminated in body. Therefore, fast and efficient analysis methods are required for tracking their biodistribution. As such, a use of MS for small molecules analysis has various advantages including accuracy, simplicity, and high sensitivity for eligible candidate to biodistribution study of phenolic compound in mice tissue. Herein, I studied biodistribution of natural products using MALDI-TOF MS. I employed a model natural product, gomisin H, a lignin with anti-inflammatory, anti-hepatotoxic, anti-pyretic, and anti-asthmatic properties. After intravenously injecting gomisin H into mice, it was extracted from each organ either with or without perfusion of blood and then analyzed by MALDI-TOF MS using a standard calibration curve against a reference compound. MS analysis showed that a large proportion of the injected gomisin H was accumulated in the liver, and relatively large amount existed in kidney and brain compared with other tissues. I believe that this study can be widely used for research that related to natural products effect and further study of natural small molecules reaction in tissue. In addition, this method would be able to the multiplexing capability of MS for analyzing drug-drug interactions.
In Chapter 2, I report on a method for immobilizing phenolic compound on gold via surface chemistry. It is required to strategies for immobilization of phenolic molecules on materials for application study, such as identifying specific protein or aptamer and enzyme assay of biologically active phenolic compound. As such, diverse immobilization methods have been reported using hydroxy group of phenol, which are hampered the phenol functionality. Therefore, I studied immobilization of phenolic compound on gold without compromising the phenol functionality. Organic functional groups are introduced on the phenolic compounds by Mannich-type condensation reaction. Introduced phenolic molecules are immobilized to self-assembled monolayers on gold via various surface chemistries. Sulfotransferase enzyme assay are performed as a practical application. The surface reactions were analyzed by MALDI-TOF MS and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A simple, fast, and reliable immobilization method for various phenolic compounds while maintaining their biological activities was developed while maintaining the hydroxyl functionality so that their biological activities were not compromised. This method can be a general and practical platform for the immobilization method of various phenol-containing molecules on surfaces of various materials.
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