초록 ▼

본 연구과제는 SERS 나노입자 프로브, 생체 라만분광영상기술, 생체 영상 진단기술, 체외진단기술의 네 분야를 주된 연구 분야로 함
첫째, SERS 나노입자 프로브는 본 연구의 다른 세부과제에서 진행 중인 SERS 나노입자 플랫폼을 바탕으로 하며, 이는 다중진단이 가능한 여러 SERS 신호 특성을 가짐. 이 나노입자는 생체 및 체외진단을 위해 특정 바이오마커(단백질, 핵산, 생물학적 process 등)에 대해 표적화되며 복합영상을 위해 자성 또는 방사성동위원소로 표지함. 이어 생체적용에 최적화되도록 생체적합성 개선법이 연구되고

본 연구과제는 SERS 나노입자 프로브, 생체 라만분광영상기술, 생체 영상 진단기술, 체외진단기술의 네 분야를 주된 연구 분야로 함
첫째, SERS 나노입자 프로브는 본 연구의 다른 세부과제에서 진행 중인 SERS 나노입자 플랫폼을 바탕으로 하며, 이는 다중진단이 가능한 여러 SERS 신호 특성을 가짐. 이 나노입자는 생체 및 체외진단을 위해 특정 바이오마커(단백질, 핵산, 생물학적 process 등)에 대해 표적화되며 복합영상을 위해 자성 또는 방사성동위원소로 표지함. 이어 생체적용에 최적화되도록 생체적합성 개선법이 연구되고 향후 생체적용이 가능하도록 약동학, 안전성, 독성 자료를 확보하였음.
둘째, 생체 라만분광영상기술을 구현하기 위하여 상용 장비를 도입한 생체 영상시스템 구현, 라만분광장치를 장착한 소동물 생체 라만영상기술 구현, 인체 적용을 위한 프로토타입의 개념 작성을 위한 연구를 진행하였음.
셋째, 생체 SERS 나노입자 영상 진단기술은 본 과제의 핵심으로서, 동물질환모델에서 표적화 SERS 나노입자를 이용한 라만분광영상의 유효성을 평가하였음. 또한 소동물 MRI 및 PET 등 복합영상과 함께 구현할 수 있는 기술을 연구하였음.
넷째, 체외진단기술은 SERS 나노입자를 이용한 체외진단의 개념증명 연구를 진행하고, 이어 여러 바이오마커에 대한 다중 체외진단기법을 구현할 수 있도록 연구하였음. 이어 실제 환자 질환 조직에서 SERS 나노입자 응용 진단기술을 시행, 유효성까지 평가하였음. 최종적으로 multiplex 조직진단 키트를 구현하여 임상실용화 기반을 구축하였음.
최종적으로, 주요 암에 대한 특성 SERS 신호를 가지는 특정 바이오마커 표적 SERS 나노입자를 개발하여 SERS 라만분광영상을 개발하고, 이들의 PET 또는 MRI 복합영상을 구현하였음. 도입 및 개발된 생체 라만분광영상장비를 이용한 생체 SERS 영상을 시행하여 진단 유효성을 확립하고 이를 인체 적용하기 위한 각종 기초 전임상 자료를 확보하였으며, 진단기술은 multiplex 조직진단 키트로 임상실용화를 추구하였음.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

II. Purpose
To develop in vivo Raman spectroscopy imaging and related diagnostic techniques using SERS nanoparticles (NP) that enables multiplex detection and imaging of tens or hundreds of biomarkers
(1) Development of SERS NP targeting multiple biomarkers with one-molecule-level sensitivity<

II. Purpose
To develop in vivo Raman spectroscopy imaging and related diagnostic techniques using SERS nanoparticles (NP) that enables multiplex detection and imaging of tens or hundreds of biomarkers
(1) Development of SERS NP targeting multiple biomarkers with one-molecule-level sensitivity
(2) Development of in vivo Raman imaging instruments and multimodal imaging
(3) Acquisition of data on safety and efficacy of SERS NP for human in vivo use
(4) Development of in vivo image-based and ex vivo tissue-based diagnostic techniques in specific diseases
(5) Development of multiplex diagnostic kits using SERS NP for more than 5 biomarkers

III. Contents
(1) Part I: Development of surface-enhanced Raman spectroscopy tagging material and measurement technique for in vivo imaging
- SERS Dots previously developed by our group are photostable, quantitative, and able to be used in multiplex diagnosis
- SERS NP are tagged with specific targeting materials (e.g. antibody, aptamer, peptide) and also labeled with magnetic, fluorescent, or radioactive materials for multimodal imaging using PET/MRI/optical imaging. Size, shape, and surface-modulation are tried to enhance efficacy and bioavailability. Endoscopy-guided in vivo detection is one of the final goals of the research.
- Laser-equipped intravital confocal microscopy is introduced and equipped with Raman spectroscopic devices to make in vivo Raman imaging system. Furthermore, conceptual prototype of in vivo Raman imaging devices for human application is designed and suggested.

(2) Part II: Development of in vivo Raman spectroscopy and application to diagnosis
- The diagnostic efficacy of biomarker-targeting SERS NP with in vivo Raman imaging is assessed in animal disease models, with aids of multimodal imaging.
- For the human application, bioavailability is improved and data on pharmacokinetics, safety, and toxicity are acquired.
- Multiplex tissue diagnostic techniques are developed and applied in patients' tissues. Diagnostic efficacy is also assessed with comparison of conventional methods. The final goal is to make multiplex tissue-diagnosis kits for one-step diagnosis of multiple biomarkers.

III. Expected Contribution
(1) Tailored therapy guided by multiplex tissue diagnosis and in vivo imaging
- In life-threatening diseases such as cancers, multiple biomarkers are tested in one-step diagnostic procedure with lower price and high efficiency, which enables selection of optimal drug easily and enhance the prognosis of patients.

(2) Development of in vivo imaging and tissue-diagnosis kits using nanobiotechnology
- With the successful results of this research, Raman image-guided surgery, non- or minimally invasive tissue diagnosis based on endoscopic probes or needle-shaped probes are enabled.
- Biomarker-targeting SERS NP for in vivo use and multiplex tissue-diagnosis kits may make new markets in biomedical industries.

(출처 : SUMMARY 7p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 10
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 1절 연구개발의 목적 ... 11
• 1. 생체영상용 SERS 나노표지 기술 및 측정 기술의 개발 ... 11
• 2. 생체 라만분광영상 기법 및 응용 진단기술 개발 ... 11
• 2절 연구개발의 필요성 ... 11
• 1. 다중검지(multiplex detection) 기능의 필요성 ... 11
• 2. 다중생체영상법(multiplex in vivo imaging) 개발의 필요성 ... 12
• 3. 다중검지 및 영상의 돌파기술인 표면증강라만산란 (SERS ... surface-enhanced Raman scattering) 나노입자를 이용한 다중복합 라만영상
• 4. 다중복합 나노 의학 영상의 개발에 있어 MD-PhD 공동연구의 필요성 ... 13
• 5. SERS 나노입자 라만분광영상의 경제적, 산업적 중요성 ... 13
• 3절 연구개발의 범위 ... 14
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 16
• 1절 국내외 관련 분야에 대한 기술개발현황 ... 16
• 1. 세계적 수준 ... 16
• 2. 국내 수준 ... 16
• 2절 연구결과가 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치 ... 16
• 1. SERS 나노입자 개발 및 측정기술 ... 16
• 2. SERS 나노입자를 이용한 체외 진단검사법 ... 17
• 3. 생체 라만분광영상 진단법 ... 18
• 4. SERS 나노입자를 이용한 생체 라만분광영상 진단 ... 18
• 5. 생체 라만분광영상 장비 ... 18
• 6. 내시경타입 생체현미경 기술 ... 19
• 7. 바이오마커 조직영상 기술 ... 19
• 8. 바이오마커 인체영상 기술 ... 19
• 9. 복합생체영상기술 ... 19
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 20
• 1절 1차년도 ... 20
• 1. 라만표지 나노입자의 크기를 조절하기 위하여 마이크로 에멀젼 방법을 사용, 실리카 지지체 크기를 줄임으로써 전체 크기를 조절 ... 20
• 2. 실리카 지지체에 도입하기 위한 금속 나노입자를 제조 ... 20
• 3. 생체 친화도를 높이기 위해 라만 나노입자 표면에 폴리에틸렌글리콜 도입 ... 21
• 4. 폴리에틸렌글리콜이 도입된 라만 나노입자의 표면에 항체를 도입 ... 21
• 5. 라만 표지 나노입자 표면에 다기능성 이미징 기술 도입 ... 22
• 6. 민감한 라만 표지 나노입자의 설계 ... 22
• 7. 다중 광신호의 파장영역대 파악 및 광섬유 프로브를 이용한 라만 신호수집 ... 22
• 8. MKT 사의 Cell-vizio 기술과 라만분광 기능의 병합 전략 수립 ... 23
• 9. 라만 분광기능 병합기술 특허 출원 ... 24
• 10. SERS 나노입자의 생체영상을 예측하기 위한 크기 측정 ... 24
• 11. SERS 나노입자에 동위원소 68Ga 표지 실험 ... 25
• 12. 68Ga이 표지된 SERS 나노입자를 주사한 mouse의 PET 영상 획득 ... 25
• 13. 양자점 나노입자가 도입된 실리카 나노입자(QDs²)의 제조 ... 26
• 14. 다양한 양자점 나노입자가 도입된 QDs² 제조 ... 26
• 15. QDs²의 형광 세기 비교 ... 26
• 16. QDs²의 세포 내 이입을 위한 confocal microscope analysis ... 27
• 2절 2차년도 ... 27
• 1. 항체 도입 SERS 나노입자의 분산성 비교 ... 27
• 2. SERS 나노입자의 동위원소 표지 ... 28
• 3. F-silica 나노입자의 생체영상 ... 29
• 4. APTS 도입 F-silica 나노입자 제작 ... 29
• 5. 5종류의 SERS 나노입자에 대한 SERS 복합 신호 비교 ... 31
• 6. 최적화 SERS 나노입자 선별 및 생체 영상 ... 32
• 7. SERS 나노입자의 체외 진단 응용 ... 33
• 8. 양자점 나노입자가 도입된 QDs²의 in vivo 이식 실험 및 영상화 ... 34
• 9. 라만 표지 나노입자의 동일한 표면을 갖는 형광, QD, 자성, 68Ga 방사능 동위원소 도입 나노입자 제조 ... 34
• 10. 형광과 라만 이미징이 동시에 가능한 라만 표지 형광 실리카 나노 입자 제조 ... 36
• 11. 다중 분석용 은 나노입자가 코팅된 실리카 구체 제조 및 라만 분석 ... 36
• 12. 라만 표지 나노입자의 디자인 및 제조 ... 37
• 13. 광섬유 다발 프로브를 이용한 실시간 형광 이미징 기술과 스펙트럼 측정 기능의 병합 장치 제작/형광 이미징과 스펙트럼을 동시에 측정 ... 38
• 14. 수집된 다중의 신호로부터 광섬유 자체의 신호를 분리할 수 있는 광경로 구축 ... 38
• 3절 3차년도 ... 39
• 1. F-silica-NP의 표면 처리 연구를 통한 SERS dot 나노입자 표면 개질의 선행연구 ... 39
• 2. SERS 나노입자에 PET 영상을 위한 동위원소 18F의 표지와 나노입자 특성 연구 ... 40
• 3. Cell vizio 영상 장비에서 QD를 이용한 형광 detection ... 41
• 4. Maestro 형광 영상 장비에서 F-SERS dot을 이용한 organ distribution ... 41
• 5. Cell vizio 영상 장비에서 F-SERS dot을 이용한 라만 detection ... 42
• 6. Maestro 장비를 이용한 QD²의 생체 분포 평가 ... 42
• 7. 고민감성 QD² (QDs2) 나노입자를 이용한 lymph node targeting실험 ... 42
• 8. Magnetic QD²(M-QD²) 입자의 자성, 형광 특성 확인 ... 44
• 9. HeLa 세포 내로의 M-QD²이입 및 공초점 형광현미경 관찰 ... 44
• 10. M-QD²의 세포 이입 및 Maestro 장비를 이용한 형광 측정 ... 44
• 11. mQD²를 이용한 PET/MRI 연구를 위한 MRI phantom 이미지 측정 ... 45
• 12. 라만 표지 나노입자의 표면과 동일한 실리카 표면을 갖는 QD 담지 실리카 나노입자를 생체 내에 주입하고 형광 이미지 분석을 시행하였음 ... 45
• 13. 라만 SERS 신호 측정 가능 영역 선정 ... 47
• 14. 광섬유 다발 프로브 기반의 실시간 형광 이미징과 스펙트럼 측정 장치를 이용하여, in vitro 시료에서 SERS 신호를 측정함 ... 47
• 15. In vitro 시료에 대하여 다중 측정 가능성 확인 ... 48
• 16. 세포 수준의 In vitro에서의 형광 이미지와 스펙트럼을 동시에 측정 ... 48
• 4절 4차년도 ... 49
• 1. Human Epidermal Growth factor Receptor (Her2) 발현 ... 49
• 2. HeLa 세포에서 cell vizio 영상을 이용할 경우, fluorescence 및 raman signal이 in vitro (8 well)에서 동시 측정이 가능한지 확인함 ... 49
• 3. Subcutaneous xenograft model 구축 ... 50
• 4. Orthotopic breast cancer model 확립 ... 50
• 5. Bladder cancer cell line의 orthotopic xenograft modeling ... 51
• 6. Positron emission tomography (PET) 영상 촬영 ... 51
• 7. Her2 antibody conjugated F-SERS dot의 targeting 확인 ... 52
• 8. F-SERS dot의 in vivo active targeting study ... 53
• 9. Her2/EGFR-antibody conjugated F-SERS dot의 in vivo active targeting study ... 54
• 10. In vivo active targeting한 breast tumor 조직을 section하여 confocal image를 촬영함 ... 55
• 11. 형광-라만 표지물질의 in vitro, ex-vivo, 가상 in vivo 및 in vivo 측정 ... 55
• 12. Her2 항체를 통한 유방암 및 방광암 모델링을 위한 Western blot 수행 ... 57
• 13. 자성 나노입자 방사성동위원소 표지용 68Ga 담지 ... 57
• 14. 생체 안정성/독성 기초자료 확보 ... 57
• 15. SERS 나노 입자를 이용한 소동물에서의 in vivo 라만신호 측정 ... 59
• 16. 형광 이미징을 위한 다기능성 나노입자에 도입될 형광 염료 선택 ... 60
• 17. 다중 생체 측정 시스템의 형광 이미징에 최적화된 광학 시스템 구성 ... 62
• 18. 체외 생체 시료 상에서 다중 측정 장치를 이용한 형광 이미징과 SERS 스펙트럼 동시 측정 가능성 확인 ... 62
• 5절 5차년도 ... 62
• 1. 형광-SERS 다기능성 나노입자를 활용한 내시경형 다중 측정 장치의 높은 신호 민감도 확인 ... 62
• 2. 체외 생체 시료 상에서 다중 측정 장치의 형광 이미징 및 라만 분석 능력 확보 ... 63
• 3. 생체 내 독성 최소화를 위해 병변에 나노입자를 직접 분사하는 국소 투여 전략 수립 ... 63
• 4. F-SERS dot 구성 ... 64
• 5. Dual detection을 통해 관찰된 Fluorescence 및 Raman signal ... 64
• 6. F-SERS dot 농도에 따른 Fluorescence 및 Raman signal의 변화 ... 64
• 7. 형광-SERS 다기능성 나노입자와 내시경 형 다중 측정 장치를 활용하여 유방암 조직이 발현된 소동물의 생체 내 다중 영상 진단 기술 구현 ... 65
• 8. In vivo에서 FRES를 통한 tumor detection ... 66
• 9. FRES 시스템에서 확인되는 형광 signal ... 66
• 10. Fluorescence singal detection을 위한 후보군들의 absorbance spectrum ... 66
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 68
• 1절 연도별 연구목표 ... 68
• 2절 연구개발목표의 달성도 ... 69
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 71
• 1절 SERS 나노입자 생체영상의 활용방안 ... 71
• 1. 기대할 수 있는 활용 방식 ... 71
• 2. 추가연구 및 기술이전을 통한 기업화 가능 모델 ... 71
• 2절 SERS 나노입자의 응용 및 체외 진단검사 기술의 활용방안 ... 71
• 1. 기대할 수 있는 활용 방식 ... 71
• 2. 추가연구 및 기술이전을 통한 기업화 가능 모델 ... 71
• 3절 다른 연구에의 응용 및 기업화 추진방안 ... 72
• 1. 다양한 입자의 표면 활성화 및 유도체화 기술 및 방사성동위원소 표지기술의 활용 ... 72
• 2. 방사성동위원소 표지 입자를 활용한 핵의학 영상의 획득 및 활용 ... 72
• 3. SERS 나노입자를 이용한 다중복합 생체 라만영상의 가능성 ... 72
• 4. SERS 나노입자 라만분광영상을 이용한 진단기술의 활용 가능성 ... 72
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 73
• 제7장 연구시설·장비 현황 ... 74
• 제8장 참고문헌 ... 75
• 끝페이지 ... 77