Development of Magnetic Nanoparticle-based Multi-mode Nanoprobes and Their Biomedical Applications : 자성 나노입자 기반의 다중모드 나노프로브 개발 및 생물 의학적 응용에 대한 연구
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 일반대학원, 2016
학위논문사항
Thesis(doctoral)-- 연세대학교 일반대학원 : 화학과 2017. 2
발행연도
2016
작성언어
영어
주제어
DDC
540
발행국(도시)
대한민국
형태사항
xvii, 93 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 천진우
소장기관
Magnetic nanoparticles that can convert magnetic field into other types of physical stimuli such as mechanical force and thermal energy or induce local magnetic field distortion can serve as a tool for controlling and monitoring cellular/molecular activities. Based on these signal transducing capabilities, magnetic nanoparticles have continuously demonstrated their applicability in the biomedical fields such as magnetic resonance imaging (MRI), magnetic cell attraction, magnetic hyperthermia, and drug delivery systems.
In this dissertation, magnetic nanoparticles functionalized with additional magnetic materials or modified with adequate surface coating are developed as a platform material for multi-mode nanoprobes and are tested to assess their imaging and therapeutic capabilities.
In the first chapter, characteristic features of magnetic nanoparticles which make the nanoparticles attractive transducer for biology and medicine are introduced. Synthesis of magnetic nanoparticles and surface coating methods to provide colloidal stability and various functional moieties are discussed. The concept of multi-mode nanoprobe and multi-modal imaging is also discussed.
In the second chapter, an artifact filtering imaging nanoprobe consisting of magnetic nanoparticle and metal-organic framework is developed. The nanoprobe provides high T1-MRI and T2-MRI contrast effects through synergistic enhancement of its respective components. The dual-mode imaging effects endow the nanoprobe an AND logic capability, which can be utilized to eliminate artifacts and enhance accuracy of MRI imaging. The artifact filtering ability of the nanoprobe is demonstrated in in vivo MRI stem cell tracking studies.
In the third chapter, a magnetic nanoparticle-based multi-mode nanoprobe for guiding and tracking stem cell migration is demonstrated. By transfecting stem cells with magnetic nanoparticles, migratory route of stem cells can be controlled and, thus, a large amounts of stem cells can be delivered to target lesion resulting in enhanced therapeutic effects. Termed magnetotactic stem cells, the location of these cells can also be non-invasively tracked by using MRI.
자성나노입자는 자기장을 기계적 힘이나 열에너지 등 다양한 종류의 물리적 자극으로 변환하거나 국소적인 자기장 변화를 일으킬 수 있는 성질이 있으며, 이 같은 특성은 세포 및 분자 활동의 조절이나 관찰을 위한 도구로서 사용될 수 있다. 자성나노입자는 이러한 특성을 바탕으로 자기공명영상, 자기온열치료, 약물 및 세포 전달 등 다양한 생물의학 분야에 응용되고 있다.
본 학위논문에서는, 자성나노입자 표면에 다른 종류의 자성물질 혹은 다양한 표면개질 분자들을 도입하여, 진단 및 치료가 가능한 다중모드 나노프로브를 구현하고 그 생물의학적 응용성을 타진해 보았다.
서론에서는 생물 및 의학 응용에 있어서 자성나노입자가 갖는 적합성에 대해 소개하고, 자성나노입자의 합성 및 표면개질 방법에 대해 설명한다. 또한, 다중모드 나노프로브 및 다중모드 이미징의 개념과 장점에 대해서 설명한다.
본론에서는 자성나노입자와 자성을 나타내는 배위고분자로 이루어진 이중모드 자기공명영상 나노프로브에 대해 보고한다. 개발 나노프로브는 자기공명영상의 두 가지 영상모드인T1과T2에서 모두 높은 조영효과를 나타내도록 설계되어 있다. 이러한 이중모드 조영효과를 바탕으로 AND 논리연산의 구현이 가능하며, 이는 자기공명영상에서 빈번히 나타나는 다양한 영상오류신호를 제거하여 영상의 정확도를 향상시킬 수 있다. 개발 나노프로브의 영상오류신호 제거 능력은 동물모델에서 확인했으며 뇌에 주입된 줄기세포의 이동을 성공적으로 추적 했다.
더 나아가, 자성나노입자 기반의 다중모드 나노프로브를 이용한 줄기세포 이동의 추적과 조절에 대한 연구를 보고한다. 자성나노입자를 줄기세포에 표지함으로써, 자기장을 통해 줄기세포의 이동경로를 조절할 수 있었으며 많은 양의 세포를 병변으로 이동시킬 수 있었다. 뿐만 아니라 주자성(走磁性) 줄기세포라고 명명된 본 자성나노입자 표지 줄기세포는 그 이동 및 위치를 자기공명영상을 통해 비침습적으로 추적 가능함을 확인하였다.
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