Organic Imaging Probe Activated by Hypoxia and Ultrasound

Abstract

Effective method of imaging disease for accurate diagnosis and early treatment of disease has been demanded. Functional imaging could observe molecular events occurring in the disease at the cellular level, so effective imaging is possible even in the early stages of disease, which is difficult to judge disease with anatomical imaging methods. An ample amount of research has been executed for molecular imaging to diagnose tumor by using specific environment that appears around tumor cell. Stimulus-sensitive material allows selective imaging of disease or drug delivery by the tumor microenvironment. The stimulus-sensitive substance refers to a substance whose physical properties are changed or chemically altered by the microenvironment expressed in a disease in the body. The use of a stimulus-sensitive material allows selective imaging of disease and delivery of therapeutic agents by the environment expressed around cancer. In this study, we developed a fluorescence activated probe using a stimulus-sensitive material. In case of fluorescence imaging, background noise should be suppressed as much as possible. When the fluorescent material is used without any action, it is difficult to obtain accurate images because of low signal-to-noise. Fluorescence quenching takes place when the fluorescence dye and quencher are in proximity. Activatable image starts by bond cleavage between the fluorescent material and the quencher by cell microenvironments such as enzyme and pH. The self-immolative materials are collapsed by single triggeric event to release multiple end group. In chapter 2, we have developed a dendrimer shaped activatable optical imaging agent that selectively activates fluorescence under hypoxic conditions using a self-immolative structure. Self-quenched optical imaging probe was synthesized by conjugation of fluorescence dye to the end of the dendron. As the nitro group was reduced to an amine group under hypoxic condition, the fluorescence was recovered due to cascade degradation and release of fluorescence dye. The imaging of hypoxic conditions is possible through the increase of fluorescence intensity. Unlike conventional hypoxia sensitive imaging, multiple fluorescence was released by the single trigger. It provide signal amplification characteristic, thus showing possibility of effective diagnostic for hypoxic tumor. External stimuli can induce selective microenvironmental changes at the target site. In chapter 3, it was confirmed that the drug delivery efficiency is enhanced by increasing the cell permeability at the target site by ultrasonic waves and microbubbles. Microbubbles can induce temporary permeabilization of cell membranes by forming strong flow (microjet) by ultrasonic irradiation. When microbubbles-drug carrier complex were injected into the body, ultrasound induced selective drug delivery is possible because cell permeability is selectively increased at the site irradiated with ultrasound. By the in vitro experiment, it was confirmed that ultrasound-mediated increase of cell permeability in the presence of microbubble complex. Through in vivo experiments, ultrasound-induced enhancement of drug delivery efficiency was confirmed by fluorescence imaging.

질병의 정확한 진단과 조기치료를 위해 효과적인 질병의 영상화 방법의 필요성이 요구되어왔다. 기능적 영상화 방법은 질병에서 발생하는 특이적인 환경을 이용하여 영상화 정보를 얻으므로 질병의 초기단계에서도 효과적인 영상화가 가능하다. 이러한 기능적 영상화를 이용한 분자영상은 암세포를 진단하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며 암세포 주위에서 나타나는 특이적인 환경을 이용하여 선택적인 영상화를 수행할 수 있다. 자극 감응형 물질을 이용하면 암 주위에서 발현되는 환경에 의해 선택적인 질병의 영상화 및 치료물질의 전달이 가능하다. 자극 감응형 물질은 체내 질병에서 발현되는 미세환경에 의해 물리적 성질이 변하거나 화학적으로 변화하는 물질을 말한다. 본 연구에서는 자극 감응형 물질을 이용하여 형광 활성화 프로브를 개발하고자 하였음. 형광물질을 이용한 이미징을 수행하려면 형광 노이즈를 최대한 억제하여야 함. 형광물질을 아무런 조치 없이 사용할 경우 표적 부위의 신호가 배경에 가려 제대로 영상화 되지 않을 가능성이 높으므로 FRET 현상을 이용하여 형광을 소광시킨다. 소광은 형광체와 소광물질이 가까이 접근하는 경우 일어나므로 효소, pH 등과 같은 미세환경에 의해 분해되도록 하여 선택적인 영상화를 수행하는 연구가 진행되고 있음. 자기붕괴구조체는 한 번의 자극으로 연쇄붕괴되어 여러 개의 물질을 방출한다. 두 번째 단원에서는 자기붕괴구조체를 이용하여 저산소 조건에서 선택적으로 형광을 활성화하는 덴드리머 형태의 형광조영물질을 개발하였음. 덴드론 말단에 자기소광이 가능한 형광물질을 결합하여 소광된 상태의 조영제를 합성하였다. 저산소 조건에서 니트로기가 아민기로 환원됨에 따라 연쇄붕괴되어 덴드론 말단의 형광물질을 방출하여 형광 복원 거동을 확인하였다. 형광세기 증가를 통해 저산소 조건의 영상화가 가능하고 일반적인 형광 활성화 프로브와 달리 여러 개의 형광물질을 방출하여 신호를 증폭하는 역할을 기대할 수 있어 저산소 조건을 갖는 암세포의 효과적인 진단 가능성을 나타내었다. 외부에서 자극을 가할 경우 목표 부위에 선택적인 미세환경 변화를 유도할 수 있다. 세 번째 단원에서는 초음파와 마이크로버블에 의해 표적 부위의 세포 투과도를 높여 약물전달 효율을 높이는 것을 확인하였다. 마이크로버블은 초음파 캐비테이션에 의해 마이크로젯으로 명명되는 강한 미세기류를 형성하여 세포막의 일시적인 투과도 증가를 유도할 수 있음. 마이크로버블에 약물전달체를 결합하여 체내에 주사한 후 목표 부위에 초음파를 조사하면 초음파가 조사된 부위에 선택적으로 세포 투과도가 증가하므로 선택적인 약물 전달이 가능하다. 세포 수준에서 마이크로버블 복합체가 초음파에 의해 세포 투과도를 높이는 것을 확인하였으며 동물 실험을 통해 초음파 조사 부위에 약물 전달 효율이 높아지는 것을 형광 영상화를 통해 확인하였다.