바이오이미징을 위한 수용성 고형광성 디아릴에텐의 합성과 특성에 관한 연구

Abstract

자극반응물질들은 바이오센서, 약물전달, 스마트 광학시스템 등의 다양한 분야에서 중요성이 증가함에 따라 함께 주목 받고 있다. 그 중 빛은 가장 우수한 자극으로 꼽힌다. 그 이유는 접근성, 빠른 반응성, 물리적접촉이 없다는 점, 좁은 지역에 초점을 맞추기 쉽다는 점 때문이다. 이러한 장점들은 생체 내 세포의 구조 및 움직임을 파악하고 추적하는데 유리하며, 더욱이나 초고해상도 현미경의 등장으로 인해 바이오 이미징에서 광변색성 물질을 사용한 연구가 급증하고 있다. 이는 기존의 형광체들과 다르게 형광을 켜고, 끄는 방법을 이용한다면, 형광체의 형광을 세포의 자가형광과 구별하여 높은 명암비를 가진 이미지를 얻을 수 있기 때문이다. 다양한 광변색성 물질군 중 디아릴에텐은 가장 우수한 피로안정성과 열적 안정성을 가진다. 또한 빛자극에 의한 정반응은 빠르고, 역반응은 느려서 빛에 의해 정보를 빠르게 읽어 드리며, 정보를 읽는 동안 상태가 안정적이게 유지 될수 있다는 장점이 있다. 하지만 기존의 디아릴에텐은 형광체와 연결하거나 섞어서 에너지 전달을 이용한 형광이 꺼지는 시스템에 이용 되어 왔다. 이는 형광이 켜지는 시스템에 비해 낮은 명암 비를 가진다는 단점을 가진다. 이러한 문제가 형광이 켜지는 디아릴에텐이 발표되고 해결되었지만, 물에 녹이기 힘들다는 단점으로 인해 여전히 한계점을 가지고 있다. 이러한 불 수용성 단점을 해결하기 위해 나노입자를 이용하여 왔지만, 나노입자는 오스트발트 숙성 현상에 의해 입자가 뭉치게 되고 생체내에서 독성을 가질수 있게 된다. 이외에도 분자단위로 이미지를 얻을 수 없다는 점과 단분자와 다르게 상대적으로 큰 크기와 무게로 보다 작은 세포의 움직임을 추적하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 원인 들로 인해 수용성 디아릴에텐의 개발이 요구 되고 있다. 형광이 꺼지는 디아릴에텐의 연구를 바탕으로 형광이 켜지는 수용성 디아릴에텐을 만들기 위해 단당류와 카르복실산을 이용한 예가 보고 되었지만, 순수한 물에 녹지 않는 다는 점 및 상대적으로 높은 pKa 값으로 인해 좁은 pH 범위에서의 제한된 활용성을 가진다는 단점을 가지고 있다. 이를 해결한다면 단분자로써 이상적인 바이오이미징 형광체 일 뿐 아니라 나아가 앞으로 회절한계인 200 nm를 넘어선 고해상도 현미경을 통한 분야에서도 큰 가능성을 볼 수 있을 것으로 예상된다. Chapter 2 에서는 수용성 디아릴에텐을 설계하고 합성하였다. 새롭게 합성한 수용성 디아릴에텐은 기존에 보고된 수용성 디아릴에텐과 다르게 넓은 범위의 pH 값을 가지고 물에 대한 용해도가 높다는 것을 알수 있다. 또한 높은 흡수계수와 발광 수율, 높은 피로저항성, 빠른 고리화 반응과 느린 고리화의 역반응으로 높은 명암 비의 이미지를 안정적으로 얻을 수 있다. 이를 통해 우수한 광변색성 물질로서 세포 내에서의 활용가능성을 파악 하였다. Chapter 3 에서는 Hela 세포를 배양한 후 수용성 디아릴에텐을 Hela 세포 내에 흡수 시켰다. 공초점 현미경으로 새롭게 합성한 광변색성 물질이 세포내에 흡수되고, 형광이 안정적으로 꺼졌다 켜지는 것을 확인하였다. 이 물질이 초고해상도 현미경에서 작동하는지 Hela 세포 내에서 pump-probe 실험을 진행 하였다. 실제적으로 초고해상도 현미경에 사용하기 위해선 라벨링을 해야 한다. 이를 위해 양전하를 가진 나노입자에 전기적으로 광변색 물질을 붙였다. 공초점 현미경으로 확인한 결과 전기적 결합이 유효한 것을 확인하였고, 앞으로 바이오 이미징 및 초고해상도 이미지에 기대되는 물질이라는 것을 알 수 있었다.