[논문 리뷰] Frequency Doubling Nanocrystals for Cancer Theranostics

Davide Staedler, Thibaud Magouroux외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 27.

Photodynamic Therapy Research Studies인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 암 치료 및 진단를 위한 주파수 제곱의 나노결정체(조화파 나노입자, HNP)를 비스무트 페리트(BFO) 기반으로 도입한다. 이는 두 번째 조화파 발생을 통해 파장 전환 영상 및 치료를 가능하게 하며, 펌프 레이저의 파장을 파장에서 적외선(영상)에서 가시광선(치료)으로 조절함으로써, 현장에서 깊은 자외선 방사선(270 nm)을 생성하여, 광감작제나 비특이적 활성화 없이 폐암 세포에서 DNA 이중균열과 세포 사멸을 유도한다.

ABSTRACT

A novel bio-photonics approach based on the nonlinear optical process of second harmonic generation by non-centrosymmetric nanoparticles is presented and demonstrated on malignant human cell lines. The proposed method allows to directly interact with DNA in absence of photosensitizing molecules, to enable independent imaging and therapeutic modalities switching between the two modes of operation by simply tuning the excitation laser wavelength, and to avoid any risk of spontaneous activation by any natural or artificial light source.

연구 동기 및 목표

• 비선형 광학 나노입자를 이용해 영상과 치료를 분리하는 새로운 치료 및 진단 플랫폼을 개발한다.
• 현장에서 깊은 자외선 방사선을 생성함으로써 광감작제를 사용하지 않고 직접 세포 내 DNA 손상을 유도한다.
• 펄스형 피코초 레이저 자극에 의존함으로써 비특이적 활성화 위험을 제거한다.
• 비대칭 구조를 가진 나노입자를 이용해 고대비 영상 및 표적화된 광세포독성을 동시에 구현할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 비대칭 구조를 가진 비스무트 페리트(BFO) 조화파 나노입자(HNP)를 사용하여 피코초 레이저 자극에 의해 두 번째 조화파(SH) 빛을 생성한다.
• 영상용으로 790 nm 파장의 조정 가능한 Ti:Sapphire 레이저를 이용해 이중광자 자극을 통해 SH 방출(파란색)을 발생시키고, 치료용으로 540 nm 파장의 비공선 광학 매개변환기(Non-collinear optical parametric amplifier)를 사용한다.
• 비내림형 탐지 및 스펙트럼 필터링을 통해 세포 형광(예: FM1-43FX)으로부터 SH 신호를 분리하기 위해 다중광자 현미경을 시행한다.
• A549 및 HTB-182 폐암 세포에 540 nm 가시광선 펄스(30 fs, 15 mW, 1 kHz)를 30~120초 동안 조사하여 DNA 손상과 세포 사멸을 유도한다.
• γH2AX에 대한 면역형광 염색을 통해 DNA 이중균열(DSB)을 정량 분석하고, 캐스파제-3/7 활성도와 형태학적 분석을 통해 세포 사멸을 평가한다.
• 세포 생존율 평가를 위해 MTT 시험을, 촉매 활성도 평가를 위해 DTT 시험을, 반응성 산소종(ROS) 생성 평가를 위해 DHE/DCFH-DA를 사용한 생체 적합성 시험을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 HNP의 두 번째 조화파 발생이 광감작제 없이 비침습적 영상 및 표적화된 세포 내 DNA 손상을 가능하게 하는가?
• RQ2 치료 효과가 가시광선 레이저 자극 및 현장에서 생성된 깊은 자외선 방사선(270 nm)에 의존하는가?
• RQ3 피코초 펄스 자극에 의존함으로써 자연 또는 인공 광원에 의한 비특이적 활성화를 피할 수 있는가?
• RQ4 단지 자극 파장을 전환하기만 하여 영상과 치료 효과를 분리할 수 있는가?
• RQ5 BFO HNP의 생체 적합성 프로파일은 인간 암 세포주에서 세포독성과 산화 스트레스 측면에서 어떠한가?

주요 결과

• BFO HNP에 대한 가시광선 540 nm 자극이 현장에서 270 nm 깊은 자외선 방사선을 생성함을 비선형 광학 반응 및 스펙트럼 분석을 통해 확인하였다.
• γH2AX 면역형광 염색을 통해 DNA 이중균열(DSB)이 정량적으로 검출되었으며, 레이저 조사 시간과 HNP 농도가 증가할수록 강도가 증가하였다.
• 세포 사멸은 유일하게 가시광선 자극(120초) 조건에서 관찰되었으며, 캐스파제-3/7 활성이 뚜렷하게 증가하였다. 반면 적외선 영상 조건에서는 세포 사멸이 관찰되지 않았다.
• 100 µg/mL BFO HNP에 72시간 노출 후 세포 생존율이 75% 이상 유지되어 낮은 세포독성과 양호한 생체 적합성을 나타내었다.
• BFO HNP는 농도에 비례하여 DTT 소비를 보였지만, DHE 및 DCFH-DA 측정 결과, 대조군 대비 ROS 생성은 유의미하게 증가하지 않았다.
• 치료 효과는 레이저 조사 영역에 엄격히 국한되어 있었고, 적외선 자극 조건에서는 관찰되지 않아 자발적 활성화가 없고 고공간 선택성이 있음을 확인하였다.