살아있는 세포 내 업컨버팅 나노입자의

3차원 분포 및 궤적 영상 촬영

 

- 업컨버팅 나노입자(UCNP)를 실시간 3D 촬영하는 현미경법 개발

- 이강택·김민곤 교수팀, Nanoscale 논문 게재…암 치료제 효능 연구 등 활용

 

 

(그림 1) 살아있는 세포 내에서 업컨버팅 나노입자(초록색 부분)와 세포 핵(빨간색 부분)의 3차원 분포 이미지(왼쪽)와 업컨버팅 나노입자의 3차원 궤적 이미지(오른쪽)

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 살아있는 세포 안으로 주입된 업컨버팅 나노입자*(upconverting nanoparticle·UCNP)들의 분포와 움직임을 3차원으로 실시간 촬영할 수 있는 새로운 대면적 이광자 현미경법(wide-field two-photon microscopy)을 개발했다.

 

  o 이번 연구는 독특한 발광 특성, 세포 친화적인 화학적 특성 등을 가지고 있어 생체세포 이미지 촬영과 나노의학 분야와 함께 에너지 분야에서 가장 유망한 발광성 나노 소재인 UCNP 관련 연구에 중요한 전환점을 제공한 것으로 평가된다. 

 

  * 업컨버팅 나노입자(UCNP) : 근적외선(980nm)을 이광자 흡수(two-photon upconversion)한 후 가시광선 (525, 545, 650nm)을 방출하는 나노 입자. 광안정성(photostability)이 높고 세포 독성이 낮은 특징을 지니고 있어 수 시간 동안 연속적으로 세포 촬영을 할 수 있다. 또한 광원으로 근적외선을 사용하기 때문에 세포 내에서 자기형광(autofluorescence)이 발생하지 않아 세포 내 배경 잡음이 대폭 감소된다. 이번 연구에서는 지름이 30nm이며 란탄계열의 이온이 도핑돼 있는 나노 입자가 사용되었다.

 

 

 

 

□ 연구팀은 UCNP를 이미징 프로브로 사용해 기존 콘포컬 현미경법(confocal microscopy)의 여러 기능을 구현하면서 동시에 대면적 이미징 방식인 에피 형광 현미경법(epi-fluorescence microscopy)을 통해 세포의 3차원 고속 촬영에 성공했다.

 

  o 이 기술을 이용할 경우 세포 안에 있는 UCNP가 분포한 모습을 약 1초 만에 단일 입자 수준에서 3차원 이미지로 얻을 수 있다. 이를 연속적으로 수행할 경우 다양한 세포 역학(cell dynamics)의 실시간 추적이 가능해진다.

 

□ 연구팀은 에피 형광 현미경법을 이용하는 동시에 z-축으로 빠르고 정밀한 스캔 능력을 가지는 현미경을 구축하여 3차원 이미지 영상을 1초 내에 찍을 수 있도록 했다.

 

  o 연구팀은 z-축 대면적 스캐닝 방식으로 인해 초점이 맞지 않게 된 이미지(defocused image)의 경우 수학적인 입자 위치 결정(localization) 과정을 통해 제거하고, 수 나노미터 수준의 위치 오차만을 가진 3차원 UCNP 이미지를 재구성했다.

 

□ 공동 교신저자인 GIST 화학과 이강택 교수는 “이번 연구 결과는 실시간으로 살아있는 세포 내에서 나노 입자를 3차원으로 이미징하는 새로운 현미경 기술을 제공한 것”이라며 “암세포 치료를 위한 약물이나 RNA 등의 유전체 전달 과정을 단일 세포 수준에서 실시간으로 관찰해 그 효능을 정확하게 파악하는 데 활용할 수 있다”라고 밝혔다.

 

 

    

 

       

 

(왼쪽 위부터 시계방향으로) 이강택 교수, 김민곤 교수. 박진호 학생, 조홍리 학생, 송요한 박사

 

 

 

□ 이번 연구는 이강택 교수(생물리화학 연구실)와 김민곤 교수(바이오센서 및 바이오포토닉스 연구실)가 주도하고 조홍리 석사과정생, 송요한 박사후연구원, GIST대학 4학년 박진호 학생(이상 공동 제1저자)이 수행했으며, 조은정 박사과정생, GIST대학 4학년 고영창 학생, 신규진 학생(석박통합과정)이 공동저자로 참여했다.

 

  o 이번 연구는 나노과학 분야의 세계적인 학술지인 나노스케일(Nanoscale·Impact factor: 7.394) 10월 28일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Fast and background-free three-dimensional (3D) live-cell imaging with lanthanide-doped upconverting nanoparticles)       <끝>

 

 

 

대외협력팀