KR101220989B1 - Intracellular Delivery of Cargo Using Nanosyringe Array - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운반 목적의 카르고(cargo)를 포함하는 나노주사기 어레이의 개방된 상부에 세포들을 접촉시키는 단계를 포함하는 운반 목적의 카르고를 세포내 운반방법에 관한 것이다. 본 발명은 세포-기반 치료, 인 비보 이미징 및 트랙킹을 포함하는 다양한 응용 및 세포내 기능을 이해하기 위한 생물학적 연구에 이용될 수 있다.The present invention relates to a method for intracellular delivery of cargo for delivery purposes comprising the step of contacting cells with an open top of a nanoinjector array comprising cargo for delivery purposes. The present invention can be used in biological research to understand a variety of applications and intracellular functions, including cell-based therapies, in vivo imaging and tracking.

나노주사기 어레이, 나노튜브, 탄소, 세포내 운반 Nano syringe array, nanotubes, carbon, intracellular transport

Description

나노주사기 어레이를 이용한 세포내 카르고 운반{Intracellular Delivery of Cargo Using Nanosyringe Array}Intracellular Delivery of Cargo Using Nanosyringe Array

본 발명은 운반 목적의 카르고를 세포내 운반방법 및 세포 내 카르고(cargo) 운반체에 관한 것이다.The present invention relates to an intracellular delivery method for intracellular cargo and an intracellular cargo vehicle.

간엽줄기세포(Asahara, T., et al., Gene Ther., 7:451-457(2000); Mazhari, R. and Hare, J. M., Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med., 4:S21-S26(2007); Dazzi, F. and Horwood, N. J., Curr. Opin. Oncol., 19:650-655(2007); Au, P., et al., Blood, 111:4551-4558(2008); Lee, K. B., et al., Stem Cells, 25:2964-2971(2007)) 또는 면역 세포(Ljunggren, H.-G. and Malmberg, K.-J., Nat. Rev. Immunol., 7:329-339(2007); Matter, M., et al., Cancer Res., 67:7467-7476 (2007); Kwon, E. D., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94:8099-8103(1997))를 이용한 세포치료법에 대한 관심이 증가하는 가운데, 세포 내로 유전물질을 운반(Cemazar, M., et al., Cancer Gene Ther., 9:399-406(2002); Pack, D. W., et al., Nat. Rev. Drug Discov., 4:581-593 (2005); Dalby, B., et al., Methods, 33:95-103(2004)) 및 인 비보 트랙킹을 위한 형광 또는 자성 나노입자로 세포를 표지(LaVan D. A., et al., Nature Biotechnol., 21:1184-1191(2003); Lei, Y., et al., Bioconjugate Chem., 19:421-427(2008); Jaiswal, J. K., et al., Nat. Biotechnol., 21:47-51(2003); Rogers, W. J., et al., Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med., 3:554-562(2006); Ahrens, E. T., et al., Nat. Biotechnol., 23:983-987(2005))하기 위한 효율적인 장치(device) 및 방법에 대한 필요가 증가하고 있다. 이러한 장치들은 외력 없이 다양한 외부 고분자들(macromolecules) 또는 나노물질들의 세포 내 운반을 매우 효율적으로 동시에 촉진시키는 것이 바람직하며 세포 생존율에 해로운 영향을 미치지 않는 것이 바람직하다.Mesenchymal stem cells (Asahara, T., et al., Gene Ther., 7: 451-457 (2000); Mazhari, R. and Hare, JM, Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med. , 4: S21- S26 (2007); Dazzi, F. and Horwood, NJ, Curr. Opin.Oncol . , 19: 650-655 (2007); Au, P., et al. , Blood , 111: 4551-4558 (2008); Lee, KB, et al. , Stem Cells , 25: 2964-2971 (2007)) or immune cells (Ljunggren, H.-G. and Malmberg, K.-J., Nat. Rev. Immunol. , 7: 329 -339 (2007); Matter, M., et al. , Cancer Res. , 67: 7467-7476 (2007); Kwon, ED, et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 94: 8099- 8103 (1997)), with increasing interest in cell therapies, carrying genetic material into cells (Cemazar, M., et al. , Cancer Gene Ther. , 9: 399-406 (2002); Pack, DW) , et al. , Nat. Rev. Drug Discov. , 4: 581-593 (2005); Dalby, B., et al. , Methods , 33: 95-103 (2004)) and fluorescence for in vivo tracking or Labeling cells with magnetic nanoparticles (LaVan DA, et al. , Nature Biotechnol. , 21: 1184-1191 (2003); Lei, Y., et al. , Bioconjugate Chem. , 1 9: 421-427 (2008); Jaiswal, JK, et al. , Nat. Biotechnol. , 21: 47-51 (2003); Rogers, WJ, et al. , Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med. , 3: 554-562 (2006); Ahrens, ET, et al. , Nat. Biotechnol. 23: 983-987 (2005). There is an increasing need for efficient devices and methods. Such devices preferably simultaneously and efficiently promote the intracellular transport of various foreign macromolecules or nanomaterials without external force and preferably do not adversely affect cell viability.

세포의 원형질막은 세포 공학 및 표지, 그리고 세포 치료법에서 외부 고분자의 운반을 방해하는 넘기 힘든 장벽이다. 이 장벽을 뚫기 위해서, 특히 기계적인 방법을 이용한 많은 시도들이 있었다. 유전물질의 운반은 통상적으로 마이크로-인젝터 방법(micro-injector method)(Zhang, Y. and Yu, L. C., BioEssays, 30: 606-610(2008); Tsulaia, T. V., et al., J. Biomed. Sci., 10:328-336(2003); Leonetti, J. P., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 88:2702-2706(2003))을 이용하여 성공적으로 이루어져 왔지만 이는 미세(micro-sized) 바늘에 의한 세포막 상의 손상이 야기되는 난점이 있다. 최근에 Bertozzi 들은 원자힘 현미경 팁(atomic force microscope tip)에 부착된 기능화(functionalized) 탄소 나노튜브가 세포 생존율에 영향 없이 양자점(quantum dots; QDs)을 세포 내로 운반할 수 있 다는 것을 보고하였다(Chen, X., et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104:8218-8222(2007)). 마이크로-인젝터 방법 및 탄소 나노튜브 나노-인젝터 시스템(carbon nanotube nano-injector system)은 모두 시간 함수로서 하나의 세포 내로 카르고(cargo)(예컨대, 유전자들 또는 나노입자들)의 한정된 운반(즉, 저속) 및 주입 위치를 조절하기 위해 복잡한 현미경 도구의 필요를 포함한 여러 한계점들을 가지고 있다. 최근에 수많은 세포 내로 동시적인 유전자 운반이 탄소 나노파이버 어레이(carbon nanofiber array)(McKnight, T. E. et al., Nanotechnology, 14:551-556(2003); McKnight, T. E., et al., Nano Lett., 4:1213-1219 (2004); Mann, D. G. J., et al., ACSNANO, 2:69-76(2008)) 또는 고 종횡비(aspect ratio)를 갖는 실리콘 나노와이어 어레이(silicon nanowire array)(Kim, W., et al., J. Am. Chem. Soc., 129:7228-7229(2007))를 이용하여 확인되었지만 실질적인 적용에 한계가 있는데, 그 이유는 다음과 같다. 첫째, 나노파이버(다양한 두께와 길이를 가진)로 세포를 관통하기 위하여 원심 분리에 의한 외부 중력이 필요한데 이는 세포에 심각한 손상을 야기한다. 둘째, 탄소 파이버 표면에 물리적으로 흡착되거나 공유결합된 소량의 플라스미드 DNA 만이 세포 내 운반에 유용하다. 셋째, 플라스미드 DNA같은 다양한 혼합물의 운반이 제한적으로 가능한데, 이는 다른 특성 및 형태를 가진 다양한 카르고(cargo)를 로딩할 수 있는 구획(compartment)의 부재 때문이다. 결과적으로, 외력을 가할 필요가 없고 세포 생존율에 해로운 효과 없이 다양한 외부 고분자의 세포내 운반을 매우 효과적으로 동시에 촉진시킬 수 있는 디바이스에 대한 요구가 당업계에 대두되고 있다.Plasma membranes of cells are an insurmountable barrier to the transport of foreign polymers in cell engineering, labeling, and cell therapy. Many attempts have been made to break through this barrier, especially using mechanical methods. Delivery of the dielectric material is typically carried out by the micro-injector method (Zhang, Y. and Yu, LC, BioEssays , 30: 606-610 (2008); Tsulaia, TV, et al. , J. Biomed. Sci. , 10: 328-336 (2003); Leonetti, JP, et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 88: 2702-2706 (2003)) The difficulty lies in the damage on the cell membranes by needles. Bertozzi recently reported that functionalized carbon nanotubes attached to atomic force microscope tips can carry quantum dots (QDs) into cells without affecting cell viability (Chen). , X., et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 104: 8218-8222 (2007). Both the micro-injector method and the carbon nanotube nano-injector system are limited delivery (ie, genes or nanoparticles) of cargo (eg genes or nanoparticles) into one cell as a function of time. Low speed) and the need for complex microscopic tools to control the injection position. In recent years, simultaneous gene transfer into numerous cells has been reported in carbon nanofiber arrays (McKnight, TE et al. , Nanotechnology , 14: 551-556 (2003); McKnight, TE, et al. , Nano Lett., 4: 1213-1219 (2004); Mann, DGJ, et al. , ACSNANO , 2: 69-76 (2008)) or silicon nanowire arrays with high aspect ratios (Kim, W , et al. , J. Am. Chem. Soc. , 129: 7228-7229 (2007)), but there are limitations to practical applications for the following reasons. First, external gravity by centrifugation is necessary to penetrate the cells with nanofibers (of various thicknesses and lengths), which causes severe damage to the cells. Second, only a small amount of plasmid DNA that is physically adsorbed or covalently attached to the carbon fiber surface is useful for intracellular transport. Third, the transport of various mixtures, such as plasmid DNA, is limitedly possible because of the absence of compartments capable of loading various cargoes with different characteristics and forms. As a result, there is a need in the art for a device that does not need to exert external force and can simultaneously and effectively promote intracellular transport of various foreign polymers without detrimental effect on cell viability.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 카르고(cargo)의 세포 내 운반을 위해 나노주사기 어레이를 개선하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 조절 가능한 높이를 갖는 수직배향 나노주사기 어레이를 이용하여 간단하면서 정교한 세포 내 운반을 위한 새로운 플랫폼(platform)을 개발하였다. 본 발명을 통해 다양한 물질, 예컨대 플라스미드 DNA 및 양자점(quantum dots)을 다양한 세포, 예컨대 암세포 및 인간 간엽줄기세포의 세포질로 효과적으로 운반할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.We sought to improve the nanoinjector array for intracellular transport of cargo. As a result, the inventors have developed a new platform for simple and sophisticated intracellular delivery using an array of vertically aligned nanoinjectors with adjustable heights. The present invention has been accomplished by confirming that various substances such as plasmid DNA and quantum dots can be efficiently transported into the cytoplasm of various cells such as cancer cells and human mesenchymal stem cells.

따라서 본 발명의 목적은 운반 목적의 카르고를 세포내 운반방법을 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a method for intracellular delivery of cargo for transport purposes.

본 발명의 다른 목적은 세포 내 카르고(cargo) 운반체를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an intracellular cargo carrier.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 운반 목적의 카르고(cargo)를 포함하는 나노주사기 어레이의 개방된 상부에 세포들을 접촉시키는 단계를 포함하는 운반 목적의 카르고를 세포내 운반방법이다. According to one aspect of the invention, the invention is a method for intracellular delivery of cargo for delivery purposes comprising the step of contacting cells with an open top of a nanoinjector array comprising cargo for transportation purposes.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 개방 포탈(open portal)의 관상 구조(tubular structure)를 가지는 나노튜브의 어레이 및 (b) 상기 나노튜브의 표면에 코팅된 친수성 또는 양친매성(amphiphilic) 고분자를 포함하는 세포 내 카르고(cargo) 운반체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a nanotube comprising: (a) an array of nanotubes having a tubular structure of an open portal; and (b) a hydrophilic or amphiphilic coating on the surface of the nanotubes. Provided are intracellular cargo carriers comprising amphiphilic polymers.

본 발명자들은 유전물질 및 나노입자들의 세포 내 운반을 위해 나노주사기 어레이를 개선하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 조절 가능한 높이를 갖는 수직배향 나노주사기 어레이(CNSAs)(Kim, Y.-S., et al., Nanotechnology, accepted (2008))를 이용하여 간단하면서 정교한 세포 내 운반을 위한 새로운 플랫폼(platform)을 개발하였다. 본 발명을 통해 다양한 물질, 예컨대 플라스미드 DNA 및 양자점(quantum dots)을 다양한 세포, 예컨대 암세포 및 인간 간엽줄기세포의 세포질로 효과적으로 운반할 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors have sought to improve the nanoinjector array for intracellular transport of genetic material and nanoparticles. As a result, the inventors used vertically aligned nanoscanner arrays (CNSAs) (Kim, Y.-S., et al., Nanotechnology , accepted (2008)) with adjustable heights for simple and sophisticated intracellular delivery. We have developed a new platform. The present invention has been accomplished by confirming that various substances such as plasmid DNA and quantum dots can be efficiently transported into the cytoplasm of various cells such as cancer cells and human mesenchymal stem cells.

본 발명에서 사용된 '양자점(quantum dots; QDs)'이라는 용어는 일반적으로 도트의 크기에 의존하여 상이한 색상에서 빛을 흡수하고 재빨리 재방출하는 반도체 또는 금속 나노입자를 의미한다. 나노 크기의 결정상으로서 나노 크기의 단결정 자체나 나노 크기의 단결정들이 집합된 형태라고 할 수 있는 나노크리스탈(Nanocrystal)은 크게 차원에 따라 구분되는데, 0차원에 해당하는 점이나 단일 구(sphere), 1차원에 해당하는 나노선, 나노막대, 나노바늘, 2차원에 해당하는 나 노디스크 등이 있다. 0차원 나노크리스탈에 해당하는 형태인 점은 흔히 양자점(Quantum Dot)이라고 부르며 지름이 수~수십 나노미터의 물방울 형태의 반구들이 기판 상에 흩어진 형태로 볼 수 있다. 양자점의 크기를 아주 작게 해서 정상상태의 물질파보다도 짧은 영역으로 제한시키면 에너지 준위를 높일 수 있다. 에너지 상태에 따라 각 물질이 여기되었을 때 방출하는 빛의 색깔이 달라지므로 양자점의 크기를 조절함으로써 방출하는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 따라서 아주 작은 양자점들 자체가 발광원이 된다면 세포 단위 치료법, 인 비보 이미징 및 트랙킹을 포함하는 다양한 응용 및 세포내 기능을 이해하기 위한 생물학적 연구에 이용될 수 있다.As used herein, the term 'quantum dots' (QDs) generally refers to semiconductor or metal nanoparticles that absorb light in different colors and quickly re-emit depending on the size of the dots. Nanocrystals, which can be called nanoscale single crystals or nanoscale single crystals, are largely divided according to their dimensions.The point corresponding to the 0 dimension or a single sphere, 1 Dimensions include nanowires, nanorods, nanoneedles, and two-dimensional nanodisks. The dot, which corresponds to the 0-dimensional nanocrystal, is commonly called a quantum dot and can be seen as a pattern of hemispheres in the form of droplets ranging from several tens to several tens of nanometers in diameter. If the size of the quantum dot is made very small and limited to a shorter region than the steady state material wave, the energy level can be increased. Depending on the energy state, the color of light emitted when each material is excited changes the wavelength of light emitted by controlling the size of the quantum dots. Thus, if the tiny quantum dots themselves are luminescent sources, they can be used in biological applications to understand various applications and intracellular functions, including cell therapy, in vivo imaging and tracking.

본 명세서에서 용어 “종횡비(aspect ratio)”는 나노구조의 제1축의 길이를 제2축 및 제3축의 길이를 평균값으로 나눈 것으로서, 상기 제2축 및 제3축의 길이는 서로 거의 동일하다.As used herein, the term “aspect ratio” is obtained by dividing the length of the first axis of the nanostructure by the average of the lengths of the second axis and the third axis, and the lengths of the second axis and the third axis are substantially the same.

본 발명의 방법에 따르면, 잘 정돈된 동공 구조(well-ordered pore structure)를 가지는 AAO 템플레이트를 두-단계 양극산화 공정(two-step anodization process)으로 변형시킨다. 이러한 양극산화 공정을 통해 얻어진 AAO 템플레이트는 높이를 조절할 수 있는 수직배향 탄소 나노주사기 어레이(carbon nanosyringe arrays; CNSAs)에 이용한다. 두 단계 양극산화 공정은 이온 밀링 및 화학적 에칭 과정으로 구성되어 있다. 이온 밀링 공정은 0.3 M 옥살릭산 용액에서 14℃에서 12시간 동안 양극산화 하여 실시하며, 그 후 인산, 크롬산 및 3차-탈이온수의 혼합물(6:1.8:92.9 wt%)로 60℃에서 12시간 동안 양극산화 하는 화학적 에칭 과정을 실시한다.According to the method of the present invention, the AAO template having a well-ordered pore structure is transformed into a two-step anodization process. The AAO template obtained through this anodization process is used for vertically adjustable carbon nanosyringe arrays (CNSAs). The two-stage anodization process consists of ion milling and chemical etching. The ion milling process is carried out by anodizing for 12 hours at 14 ° C. in a 0.3 M oxalic acid solution, followed by 12 hours at 60 ° C. with a mixture of phosphoric acid, chromic acid and tertiary-deionized water (6: 1.8: 92.9 wt%). A chemical etching process is carried out to anodize.

탄소 침적(carbon deposition)은 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition; 열 CVD)(Kaatz, F. H., et al., Materials Science and Engineering: C, 141-144(2003)), 액상 에피탁시(liquid phase epitaxy)(Oh S. J., et al., Appl. Phys. Lett., 84:3738-3740(2004)), 기상 에피탁시(vapor phase epitaxy)(Klein, P. B., et al., Appl. Phys. Lett., 79:3527-3529(2001)) 또는 분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy)(Chang, J. H., et al., Appl. Phys. Lett., 79:785-787(2001)) 등을 이용하여 실시할 수 있다. 본 발명의 탄소 침적은 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition; 열 CVD)을 이용하여 실시한다. 탄소막을 열 처리하는 과정 동안 아르곤(Ar) 기체를 CVD 챔버 안으로 도입한다. 아세틸렌의 열분해(pyrolysis)에 의해 AAO 동공들의 표면에 탄소막을 침적시키기 위해 아세틸렌(C2H2) 및 암모니아(NH3)의 기체 혼합물(1:9 유량비(flow rate ratio))을 600℃에서 1시간 동안 CVD 챔버 안으로 도입한다(100mL/min).Carbon deposition includes thermal chemical vapor deposition (thermal CVD) (Kaatz, FH, et al. , Materials Science and Engineering: C , 141-144 (2003)), liquid epitaxy phase epitaxy (Oh SJ, et al. , Appl. Phys. Lett. , 84: 3738-3740 (2004)), vapor phase epitaxy (Klein, PB, et al. , Appl. Phys. Lett. , 79: 3527-3529 (2001)) or molecular beam epitaxy (Chang, JH, et al. , Appl. Phys. Lett. , 79: 785-787 (2001)). Can be carried out. Carbon deposition of the present invention is carried out using thermal chemical vapor deposition (thermal CVD). Argon (Ar) gas is introduced into the CVD chamber during the heat treatment of the carbon film. A gas mixture (1: 9 flow rate ratio) of acetylene (C 2 H 2 ) and ammonia (NH 3 ) was deposited at 600 ° C. to deposit a carbon film on the surface of AAO pores by pyrolysis of acetylene. It is introduced into the CVD chamber for a time (100 mL / min).

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 운반 목적의 카르고(cargo)는 화학물질, 나노입자, 펩타이드, 폴리펩타이드, 핵산, 탄수화물 또는 지질이다.According to a preferred embodiment of the invention, the cargo for transport is a chemical, a nanoparticle, a peptide, a polypeptide, a nucleic acid, a carbohydrate or a lipid.

본 발명의 구현예에 따르면, 본 발명의 나노주사기 어레이는 개방 포탈(open portal)의 관상 구조(tubular structure)를 가지는 나노튜브로 이루어져 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노튜브는 나노튜브를 형성하기 위한 주형에 의해 둘러싸여 있으며 상기 주형의 상단부가 에칭되어 나노튜브가 노출되어 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 노출된 나노튜브의 높이는 40-200 nm이며, 보다 바람직하게는 70-130 nm이다.According to an embodiment of the present invention, the nanoscanner array of the present invention consists of nanotubes having a tubular structure of an open portal. According to a preferred embodiment of the invention, the nanotubes are surrounded by a template for forming the nanotubes and the top end of the template is etched to expose the nanotubes. According to a preferred embodiment of the invention, the height of the exposed nanotubes is 40-200 nm, more preferably 70-130 nm.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노튜브는 탄소, 실리콘, 귀금속, 실리콘 다이옥사이드 또는 티타늄 다이옥사이드로 제조된다. According to a preferred embodiment of the invention, the nanotubes are made of carbon, silicon, precious metals, silicon dioxide or titanium dioxide.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노주사기는 20-200 nm의 직경을 가진다. According to a preferred embodiment of the invention, the nanoscanner has a diameter of 20-200 nm.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노주사기 어레이는 한쪽 말단이 기판 상에 위치해 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노주사기는 세포 내로 침투되며 침투되는 나노주사기의 높이는 40-200 nm이다. 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 침투되는 나노주사기의 높이는 70-130 nm이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the nanoscanner array is located at one end on the substrate. According to a preferred embodiment of the present invention, the nanoinjector is infiltrated into the cell and the height of the infiltrated nanoinjector is 40-200 nm. According to a more preferred embodiment of the invention, the height of the penetrated nanoinjector is 70-130 nm.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 나노주사기의 표면은 친수성 또는 양친매성(amphiphilic) 고분자에 의해 코팅되어 있다. 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 나노주사기는 양친매성(amphiphilic) 고분자에 의해 코팅되어 있다. According to a preferred embodiment of the invention, the surface of the nanoscanner is coated with a hydrophilic or amphiphilic polymer. According to a more preferred embodiment of the present invention, the nanoscanner is coated with an amphiphilic polymer.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 양친매성(amphiphilic) 고분자는 다음 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 방법:According to a preferred embodiment of the present invention, the amphiphilic polymer (amphiphilic) polymer is characterized in that represented by the following formula (1):

화학식 1Formula 1

Figure 112009063065609-pat00001
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상기 화학식에서, R1은 실릴알킬기, (알콕시실릴)알킬기, (하이드록시실릴)알킬기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 치환 또는 비치환된 아랄킬기, 또는 치환 또는 비치환된 알카릴기이고; R2는 PEG(polyethylene glycol), 덱스트란 또는 폴리비닐피롤리돈이며; R3는 알데하이드, 에폭시, 할로알킬, 1차아민, 티올, 말레이미드, 에스테르, 카르복실기 또는 히드록실기이며; R4, R5 및 R6는 서로 독립적으로, H 또는 C1-C5 알킬기이며; X 및 Y는 서로 독립적으로 산소, 황 또는 질소 원자이고; l, m 및 n은 서로 독립적으로 1-10,000의 정수이다.In the above formula, R 1 is a silylalkyl group, (alkoxysilyl) alkyl group, (hydroxysilyl) alkyl group, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted aralkyl group, or substituted or unsubstituted Ring alkaryl group; R 2 is polyethylene glycol (PEG), dextran or polyvinylpyrrolidone; R 3 is an aldehyde, epoxy, haloalkyl, primary amine, thiol, maleimide, ester, carboxyl group or hydroxyl group; R 4 , R 5 and R 6 are, independently from each other, H or a C 1 -C 5 alkyl group; X and Y are independently of each other an oxygen, sulfur or nitrogen atom; l, m and n are each independently an integer of 1-10,000.

상기 화학식 1에서 R1의 정의에 사용되는 용어 실릴알킬은 알킬기(바람직하게는 탄소수 1-10의 실릴알킬기)로 치환된 실릴기를 의미한다. 예를 들어, 실릴알킬은 실릴메틸, 실릴에틸, 실릴프로필 및 실릴부틸을 포함한다. 용어 (알콕시실릴)알킬은 알콕시-치환된 실릴알킬기(바람직하게는 탄소수 1-10의 (알콕시실릴)알킬)를 의미한다. 예를 들어, (알콕시실릴)알킬은 트리메톡시실릴에틸, 트리메톡시실릴프로필, 트리메톡실릴부틸, 트리메톡실릴펜틸, 트리에톡시실릴에틸, 트리 에톡시실릴프로필, 트리에톡실릴부틸, 트리메톡실릴펜틸, 메틸디메톡시실릴에틸, 메틸디메톡시실릴프로필, 디메틸메톡시실릴에틸 및 디메틸메톡시실릴프로필을 포함한다. 용어 (하이드록시실릴)알킬은 하이드록실-치환된 실릴알킬(바람직하게는 탄소수 1-10의 (하이드록시실릴)알킬)을 의미하며, 예컨대, 트리하이드록시실릴에틸, 트리하이드록시실릴프로필, 트리하이드록시실릴부틸 및 트리하이드록시실릴펜틸을 포함한다.The term silyl alkyl used in the definition of R 1 in formula (I) means a group substituted by a silyl group (preferably a silyl group having a carbon number of 1-10). For example, silylalkyl includes silylmethyl, silylethyl, silylpropyl and silylbutyl. The term (alkoxysilyl) alkyl refers to an alkoxy-substituted silylalkyl group (preferably (alkoxysilyl) alkyl having 1 to 10 carbon atoms). For example, (alkoxysilyl) alkyl may be trimethoxysilylethyl, trimethoxysilylpropyl, trimethoxysilylbutyl, trimethoxysilylpentyl, triethoxysilylethyl, triethoxysilylpropyl, triethoxysilylbutyl, Trimethoxysilylpentyl, methyldimethoxysilylethyl, methyldimethoxysilylpropyl, dimethylmethoxysilylethyl and dimethylmethoxysilylpropyl. The term (hydroxysilyl) alkyl means hydroxyl-substituted silylalkyl (preferably (hydroxysilyl) alkyl having 1 to 10 carbon atoms), for example trihydroxysilylethyl, trihydroxysilylpropyl, tri Hydroxysilylbutyl and trihydroxysilylpentyl.

용어 “아랄킬”은 하나 또는 그 이상의 알킬기에 의한 구조에 결합된 아릴기를 의미하며, 예컨대 벤질기 및 페닐프로필기이다. 용어, “알카릴”은 하나 또는 그 이상의 아릴기로 이루어진 구조에 결합된 알킬기를 의미한다. The term "aralkyl" refers to an aryl group bonded to the structure by one or more alkyl groups, such as benzyl and phenylpropyl groups. The term "alkaryl" refers to an alkyl group bonded to a structure consisting of one or more aryl groups.

바람직하게는, 화학식 1에서 R1은 (알콕시실릴)알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 치환 또는 비치환된 아랄킬기, 또는 치환 또는 비치환된 알카릴기이고, 보다 바람직하게는 (C1-6 알콕시실릴)C1-10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-30 알킬기, 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 아랄킬기로서 C1-5 알킬기에 페닐기에 결합된 것, 또는 치환 또는 비치환된 알카릴기로서 페닐기에 C1-5 알킬기가 결합된 것이며, 가장 바람직하게는 (C1-3 알콕시실릴)C1-5 알킬기, 치환 또는 비치환된 C8-20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20 알콕시기, 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 아랄킬기로서 C1-5 알킬기에 페닐기에 결합된 것, 또는 치환 또는 비치환된 알카릴 기로서 페닐기에 C1-5 알킬기가 결합된 것이다.Preferably, in Formula 1, R 1 is a (alkoxysilyl) alkyl group, a substituted or unsubstituted C 6-30 alkyl group, a substituted or unsubstituted C 6-30 alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted A substituted aralkyl group or a substituted or unsubstituted alkaryl group, more preferably a (C 1-6 alkoxysilyl) C 1-10 alkyl group, a substituted or unsubstituted C 6-30 alkyl group, a substituted or unsubstituted phenyl group , A substituted or unsubstituted aralkyl group bound to a C 1-5 alkyl group with a phenyl group, or a substituted or unsubstituted alkaryl group bound with a C 1-5 alkyl group, most preferably (C 1- 3 alkoxysilyl) C 1-5 alkyl group, substituted or unsubstituted C 8-20 alkyl group, substituted or unsubstituted C 6-20 alkoxy group, substituted or unsubstituted phenyl group, C 1 as substituted or unsubstituted aralkyl group It is coupled to the phenyl group in -5 alkyl group, or a substituted or non-substituted phenyl ring as an alkaryl group A C 1-5 alkyl group is bonded to.

본 발명의 방법은 인위적인 가력(加力) 없이 실시된다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 카르고의 세포 내로의 운반은 세포 자체에 작용하는 중력에 의해 자발적인 방식으로 일어난다.The method of the present invention is carried out without artificial force. According to a preferred embodiment of the invention, the transport of cargo into the cells takes place in a spontaneous manner by gravity acting on the cells themselves.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 세포는 정상세포, 암세포, 줄기세포 또는 면역세포이다. 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 세포는 암세포 또는 인간 간엽줄기세포이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the cells are normal cells, cancer cells, stem cells or immune cells. According to a more preferred embodiment of the invention, the cells are cancer cells or human mesenchymal stem cells.

본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 노출된 탄소 나노주사기에 양친매성 폴리머 코팅을 실시하는데, 양친매성 폴리머의 화학식 2로 다음과 같다.According to a specific embodiment of the present invention, the amphiphilic polymer coating is performed on the exposed carbon nanoinjector, which is represented by Chemical Formula 2 of the amphiphilic polymer.

화학식 2(2)

Figure 112009063065609-pat00002
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상기 화학식에서 l, m 및 n은 2:2:1의 몰비를 가지는 폴리머이다. 본 발명에서 이용된 양친매성 폴리머(1 wt%)와 CNSA를 24시간 동안 이멀젼시켜 탄소 나노주사기의 소수성 표면을 친수성 표면으로 전환시킨다. 이러한 표면 공정 단계는 관상 CNSA 주사기의 속빈 코어(구획 스페이스, compartment space)로 카르 고(cargo)가 로딩(모세혈관 활동에 의해)되기 위해 필요한데, 이는 세포내 운반을 위해 표적화된 카르고가 일반적으로 수용액에 용해 또는 흩어져있기 때문이다. 본 발명의 구현예에 따르면, 노출된 탄소 나노주사기는 개방 포탈(open portal)의 관상 구조(tubular structure)로서 50 nm 내지 200 nm의 직경을 가진다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 탄소 나노주사기는 50 nm 내지 150 nm, 보다 바람직하게는 50 nm 내지 100 nm, 보다 더 바람직하게는 50 nm 내지 60 nm, 가장 바람직하게는 50 nm의 직경을 가진다.In the formula, l, m and n are polymers having a molar ratio of 2: 2: 1. Amphiphilic polymer (1 wt%) and CNSA used in the present invention are emulsified for 24 hours to convert the hydrophobic surface of the carbon nanoinjector into a hydrophilic surface. This surface processing step is necessary for the cargo to be loaded (by capillary activity) into the hollow core (compartment space) of the coronary CNSA syringe, which is typically an aqueous solution of targeted cargo for intracellular delivery. This is because it is dissolved or scattered on. According to an embodiment of the present invention, the exposed carbon nanoinjector has a diameter of 50 nm to 200 nm as a tubular structure of an open portal. According to a preferred embodiment of the invention, the carbon nanoinjector has a diameter of 50 nm to 150 nm, more preferably 50 nm to 100 nm, even more preferably 50 nm to 60 nm, most preferably 50 nm. .

마지막 단계로, CNSA에 분주된 세포들은 세포 자체 중력에 의한 자발적인 방식으로 관통되며(Kim, W., et al., J. Am. Chem. Soc., 129:7228-7229(2007)), 카르고(cargo)의 세포내 운반이 뒤이어 일어난다.As a final step, cells seeded in CNSA are penetrated in a spontaneous fashion by the cell's own gravity (Kim, W., et al. , J. Am. Chem. Soc. , 129: 7228-7229 (2007)). Cargo's intracellular transport follows.

본 발명의 구현예에 따르면, 카르고는 유전물질, 펩타이드, 단백질, 지질, 다당류, 유기분자 및 양성자(quantum dots)이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 카르고는 플라스미드 DNA 및 양성자이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 유전물질은 비-바이러스 유전자 벡터, 플라스미드 DNA, RNA, RNAi, siRNA 및 바이러스 입자이다. 본 발명의 보다 더 바람직한 구현예에 따르면, 유전물질은 플라스미드 DNA이다.According to an embodiment of the invention, the cargo is a genetic material, peptide, protein, lipid, polysaccharide, organic molecule and quantum dots. According to a preferred embodiment of the invention, the cargo is plasmid DNA and protons. According to a preferred embodiment of the invention, the genetic material is a non-viral gene vector, plasmid DNA, RNA, RNAi, siRNA and viral particles. According to a more preferred embodiment of the invention, the genetic material is plasmid DNA.

본 발명의 구현예에 따르면, 카르고의 표지는 녹색 형광 단백질(green fluorescence protein), 방사능동위원소(예컨대, C14, I125, P32 및 S35), 화학물질(예컨대, 바이오틴), 형광물질[예컨대, 플루오레신, FITC(fluoresein Isothiocyanate), 로다민 6G(rhodamine 6G), 로다민 B(rhodamine B), TAMRA(6-carboxy-tetramethyl-rhodamine), Cy-3, Cy-5, Texas Red, Alexa Fluor, DAPI(4,6-diamidino-2-phenylindole) 및 Coumarin], 발광물질, 화학발광물질(chemiluminescent) 및 FRET(fluorescence resonance energy transfer)이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 카르고의 표지는 녹색 형광 단백질(green fluorescence protein)이다.According to an embodiment of the invention, the label of cargo is a green fluorescence protein, a radioisotope (eg, C 14 , I 125 , P 32 and S 35 ), a chemical (eg, biotin), fluorescence Substances [e.g. fluorescein, fluoresein Isothiocyanate (FITC), rhodamine 6G (rhodamine 6G), rhodamine B (rhodamine B), 6-carboxy-tetramethyl-rhodamine (TAMRA), Cy-3, Cy-5, Texas Red, Alexa Fluor, DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole) and Coumarin], luminescent material, chemiluminescent and fluorescence resonance energy transfer (FRET). According to a preferred embodiment of the invention, the label of the cargo is a green fluorescence protein.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 세포는 암세포, HEK 293 세포, NIH3T3 세포, 마우스 흑색종 세포, HaCat 세포, B16F10 세포 및 인간 간엽줄기세포(MSC)이다. 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 세포는 암세포 및 인간 간엽줄기세포이다.According to a preferred embodiment of the invention, the cells are cancer cells, HEK 293 cells, NIH3T3 cells, mouse melanoma cells, HaCat cells, B16F10 cells and human mesenchymal stem cells (MSCs). According to a more preferred embodiment of the invention, the cells are cancer cells and human mesenchymal stem cells.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(i) 본 발명은 수직배향 탄소 나노주사기 어레이에 기초한 세포내 운반에 관한 새로운 플랫폼을 제조하는 것이다.(i) The present invention is to create a new platform for intracellular transport based on vertically aligned carbon nanoinjector arrays.

(ii) 본 발명에 따르면, 플라스미드 DNA 및 양자점을 암세포 및 인간 간엽줄기세포의 세포질로 효과적으로 운반할 수 있다.(ii) According to the present invention, plasmid DNA and quantum dots can be effectively transported into the cytoplasm of cancer cells and human mesenchymal stem cells.

(iii) 본 발명에 따르면, 다양한 카르고를 CNSA의 속빈 관상 구획으로 로딩할 수 있으며 변형없이 나이브하게 세포의 세포질로 운반할 수 있으며 세포내 운반이 자발적으로(즉, 외력이 필요없는) 그리고 동시에 많은 세포(즉, 높은 스루풋, high-throughput)에서 일어난다.(iii) According to the present invention, various cargoes can be loaded into the hollow coronary compartments of CNSA and can be transported to the cytoplasm of cells naïve without modification and intracellular transport is spontaneous (ie, no external force required) and simultaneously It occurs in cells (ie high-throughput).

(iv) 본 발명에 따르면, CNSA 플랫폼은 세포-기반 치료, 인 비보 이미징 및 트랙킹을 포함하는 다양한 응용 및 세포내 기능을 이해하기 위한 생물학적 연구에 이용될 수 있다.(iv) In accordance with the present invention, the CNSA platform can be used for biological applications to understand various applications and intracellular functions, including cell-based therapy, in vivo imaging and tracking.

위에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 유전물질 및 나노입자의 세포내 운반을 위한 탄소 나노주사기 어레이(Carbon Nanosyringe Arrays; CNSAs) 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 플라스미드 DNA 및 양자점을 암세포 및 인간 간엽줄기세포의 세포질로 효과적으로 운반하는 운반 시스템을 제공한다. 본 발명의 방법에 따르면, 다양한 카르고를 변형없이 나이브하게 세포의 세포질로 자발적으로 운반할 수 있다.As described in detail above, the present invention provides a method of carbon nanosyringe arrays (CNSAs) for intracellular transport of genetic material and nanoparticles. The present invention also provides a delivery system for effectively delivering plasmid DNA and quantum dots to the cytoplasm of cancer cells and human mesenchymal stem cells. According to the method of the present invention, various cargoes can be spontaneously delivered to the cytoplasm of the cells naïve without modification.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험 방법Experimental Method

재료material

모든 유기 용매를 추가적인 정제 없이 원상태로 사용하였다. PEGFPC1 벡터 DNA(4.7kbp; Novagen, Madison, WI)를 Escherichia coli DH5α에서 증폭하였고 Endofree 플라스미드 기가 프랩 키트(Qiagen, Valencia, CA, USA)로 정제되었다. 리포펙타민 2000(LipofectamineTM 2000) 및 생존율/세포독성 키트는 인비트로젠(Carlsbad, CA)으로부터 구입하였다.All organic solvents were used intact without further purification. PEGFPC1 vector DNA (4.7 kbp; Novagen, Madison, Wis.) Was amplified in Escherichia coli DH5α and Endofree plasmid groups were purified with the Frap Kit (Qiagen, Valencia, CA, USA). Lipofectamine 2000 and viability / cytotoxicity kit were purchased from Invitrogen (Carlsbad, CA).

측정Measure

배율 ×100, ×200, ×400 및 ×630(1.4 개구) 오일 대물렌즈가 장착된 라이카 DMRBE 현미경(Leica DMRBE microscope; Leica Microsystem AG, Wetzlar, Germany)을 이용하여 형광이미지를 관찰하였다. 메타모프 이미징 소프트웨어(Universal Imaging Co., Downingtown, PA, USA)에 의해 구동되는 CoolSNAPTMfix CCD 카메라를 이용하여 이미지를 얻었다. 유전자 발현 후에 Expo32 ADC 분석 프로그램으로 구동되는 Coulter EPICS XLTM 세포계산기(Beckman Coulter, Inc., Fullerton, CA)를 이용하여 세포를 측정하였다. S4700 전자 현미경(Hitachi Ltd., Tokyo, Japan)을 이용한 주사형 전자 현미경에 의해 탄소 나노주사기 상의 세포 형태를 조사하였다.Fluorescence images were observed using a Leica DMRBE microscope (Leica Microsystem AG, Wetzlar, Germany) equipped with magnifications × 100, × 200, × 400 and × 630 (1.4 aperture) oil objective. Images were obtained using a CoolSNAP fix CCD camera powered by Metamorph Imaging Software (Universal Imaging Co., Downingtown, PA, USA). After gene expression, cells were measured using a Coulter EPICS XL cytometer (Beckman Coulter, Inc., Fullerton, Calif.) Run with an Expo32 ADC analysis program. The cell morphology on carbon nanoinjectors was examined by scanning electron microscopy using S4700 electron microscope (Hitachi Ltd., Tokyo, Japan).

CNSA 플랫폼의 제조Manufacturing of the CNSA Platform

AAO 나노템플레이트의 제조: Preparation of AAO Nano Templates :

매우 잘 정돈된 다공성(highly ordered porous) AAO 템플레이트를 두-단계(two-step) 양극산화 공정을 통해 제조하였다. 50 nm 동공 직경을 가지는 AAO를 제조하기 위해, 15V의 인가전위(applied potential)하에서 퍼클로릭산 및 에탄올(1:5, v/v)의 혼합물로 5℃에서 경면을 형성하도록 고순도(99.9995) 알루미늄 포일(Goodfellow)을 5분 동안 탈지화(degrease) 및 전해연마(electropolish)하였다. 전-전해연마된 알루미늄 포일을 40 V의 일정한 전압 하에서 0.3 M 옥살릭산 용액에서 14℃에서 12시간 동안 양극산화하였다. 불규칙한 동공 패턴을 가지는 전-양극산화된 옥사이드 막을 인산, 크롬산 및 3차-탈이온수의 혼합물(6:1.8:92.9 wt%)로 60℃에서 12시간 동안 화학적 에칭을 실시해 제거하였다. 두 번째 양극처리를 첫 번째 양극산화 단계와 같은 조건(0.3 M 옥살릭산 용액, 14℃, 40 V)으로 3시간 동안 실시하였다. 상기 AAO 나노템플레이트는 육각형 패턴이었고, 적절한 50 nm 직경 및 6 μm 길이 동공의 매우 일정한 어레이를 가졌다.Highly ordered porous AAO templates were prepared via a two-step anodization process. To prepare AAO with 50 nm pore diameter, high purity (99.9995) aluminum to form a mirror at 5 ° C. with a mixture of perchloric acid and ethanol (1: 5, v / v) under an applied potential of 15 V. Goodfellow was degrease and electropolish for 5 minutes. The electro-polished aluminum foil was anodized for 12 hours at 14 ° C. in a 0.3 M oxalic acid solution under a constant voltage of 40 V. The pre-anodized oxide film with irregular pupil pattern was removed by chemical etching at 60 ° C. for 12 hours with a mixture of phosphoric acid, chromic acid and tertiary-deionized water (6: 1.8: 92.9 wt%). The second anodization was carried out for 3 hours under the same conditions as the first anodization step (0.3 M oxalic acid solution, 14 ° C., 40 V). The AAO nanotemplate was a hexagonal pattern and had a very constant array of appropriate 50 nm diameter and 6 μm long pupils.

탄소 나노튜브 성장: Carbon Nanotube Growth :

탄소막을 촉매 없이 열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition; 열 CVD) 방법을 이용하여 제조된 AAO 템플레이트의 동공에서 배양하였다. 열처리과정 동안 아르곤(Ar) 기체를 CVD 챔버 안으로 도입하였다. 아세틸렌의 열분해(pyrolysis)에 의해 AAO 동공들의 표면에 탄소막을 침적시키기 위해, 아세틸렌(C2H2) 및 암모니아(NH3)의 기체 혼합물(1:9 유량비(flow rate ratio))을 600℃에 서 1시간 동안 CVD 챔버 안으로 도입하였다(100mL/min).The carbon film was incubated in the cavity of an AAO template prepared using a thermal chemical vapor deposition (thermal CVD) method without a catalyst. Argon (Ar) gas was introduced into the CVD chamber during the heat treatment process. In order to deposit the carbon film on the surface of AAO pupils by pyrolysis of acetylene, a gas mixture (1: 9 flow rate ratio) of acetylene (C 2 H 2 ) and ammonia (NH 3 ) was added at 600 ° C. Was introduced into the CVD chamber for 1 hour (100 mL / min).

탄소 나노주사기의 부분적 노출: Partial Exposure of Carbon Nanoinjectors :

처음에 침전된 탄소 표면막을 AAO 표면이 노출될 때까지 Ar 이온 밀링에 의해 제거하는 단계 및 AAO 막을 60℃에서 인산, 크롬산 및 3차-탈이온수의 혼합물(6:1.8:92.9 wt%)의 에칭 용액에 이멀젼함으로써 부분적으로 에칭하는 단계를 통해 탄소 나노주사기를 부분적으로 노출시켰다. 노출된 탄소 나노주사기의 길이를 이멀젼 시간을 조정하여 매우 체계적으로 조절할 수 있다.Removing the first precipitated carbon surface film by Ar ion milling until the AAO surface is exposed and etching the AAO film at 60 ° C. with a mixture of phosphoric acid, chromic acid and tertiary-deionized water (6: 1.8: 92.9 wt%) The carbon nanoscanner was partially exposed through the step of partially etching by emulsifying the solution. The length of the exposed carbon nanoinjector can be controlled very systematically by adjusting the emulsion time.

양친매성 폴리머 코팅되기 전에 세포내 운반 과정동안 감염을 피하기 위해 아세톤 및 에탄올에서 연속적인 소킹으로 CNSA를 멸균하였다. 코팅 시에, CNSA를 양친매성 폴리머 용액(밀리포어 물에서 1 wt%)에 24시간 동안 담근 후, 밀리포어 물로 세 번 세척하고 100℃ 오븐에서 건조시켰다.CNSA was sterilized by continuous soaking in acetone and ethanol to avoid infection during the intracellular transport process before the amphiphilic polymer coating. Upon coating, CNSA was soaked in amphiphilic polymer solution (1 wt% in Millipore water) for 24 hours, then washed three times with Millipore water and dried in 100 ° C. oven.

세포 배양 및 시약Cell Culture and Reagents

NIH3T3 세포(American Type Culture Collection, Manassas, VA)를 접착 배양으로 유지하였고 10%(v/v) 우태아혈청(fetal bovine serum; FBS, GIBCO) 및 100 IU/mL 스트렙토마이신(GIBCO)이 첨가된 DMEM 배지(Dulbecco's Modified Eagle's Medium; GIBCO-Invitrogen, Grand Island, NY)에서 37℃ 항습도 항온기를 이용하여 단일 막으로 배양하였다. 인간 MSC를 NIH3T3 세포 배양과 같은 보충물을 포함하는 저-글루코오스(low-glucose) DMEM 배지에서 유지하였다.NIH3T3 cells (American Type Culture Collection, Manassas, VA) were maintained in adhesive culture and added with 10% (v / v) fetal bovine serum (FBS, GIBCO) and 100 IU / mL streptomycin (GIBCO). Incubated in DMEM medium (Dulbecco's Modified Eagle's Medium; GIBCO-Invitrogen, Grand Island, NY) with a single membrane using a 37 ° C humidity cabinet. Human MSCs were maintained in low-glucose DMEM medium containing supplements such as NIH3T3 cell cultures.

카르고 로딩 및 CNSA-매개 세포내 운반Cargo Loading and CNSA-mediated Intracellular Transport

카르고의 세포내 운반을 위해 플라스미드 DNA(400 μg/mL) 또는 양자점 (1 nM) 중 하나를 포함하는 한방울의 물을 CNSA에 위치시켜 12시간 동안 반응시켰다. 그 후에 로딩되지 않은 카르고를 제거하기 위해 마이크로피펫을 사용하여, 카르고가 로딩된(cargo-loaded) CNSA를 밀리포어 물로 세척하였다. 24-웰 세포 배양 플레이트의 웰(1×105 세포/웰)에서 세포를 CNSA에 분주하였고, 37℃에서 5% CO2/95% 공기 하에서 12시간 동안 배양하였다. 처리된 세포를 트립신/EDTA 및 부드러운 피펫팅을 이용하여 CNSA로부터 분리시켰다. 분리된 세포들을 24-웰 세포 배양 플레이트로 다시 분주하고 12시간 동안 접착을 한 후에, 카르고의 세포내 운반을 조사하였다.For intracellular delivery of cargo, a drop of water containing either plasmid DNA (400 μg / mL) or quantum dots (1 nM) was placed in CNSA and allowed to react for 12 hours. The cargo-loaded CNSA was then washed with Millipore water using a micropipette to remove unloaded cargo. Cells were dispensed into CNSA in wells (1 × 10 5 cells / well) of 24-well cell culture plates and incubated at 37 ° C. under 5% CO 2 /95% air for 12 hours. Treated cells were isolated from CNSA using trypsin / EDTA and gentle pipetting. The isolated cells were dispensed back into 24-well cell culture plates and allowed to adhere for 12 hours before intracellular transport of cargo was examined.

한편, 가력을 이용한 CNSA-매개 세포내 운반 실험을 하였다. 위와 동일하게 CNSA를 준비하고 CNSA 표면에 5 nM Qdot605(Quantum Dot Corporation)를 24시간 로딩시켰다. 이어, Qdot605가 로딩된 CNSA에 활성 림포사이드 세포(활성화제인 PMA(phorbol 12-myristate 13-acetate)와 이오노마이신 처리된 세포)를 씨딩하였다. 그런 다음, 원심력(800 g 또는 1000 g)로 세포를 아래쪽으로 이동시킨 다음, 24시간 동안 인큐베이션 하고, Qdot605의 세포내 운반을 조사하였다.On the other hand, the CNSA-mediated intracellular transport experiment using the force was performed. CNSA was prepared as above and 5 nM Qdot605 (Quantum Dot Corporation) was loaded on CNSA surface for 24 hours. Next, active lymphoside cells (activator PMA (phorbol 12-myristate 13-acetate) and ionomycin treated cells) were seeded on CNSA loaded with Qdot605. Cells were then moved downward by centrifugal force (800 g or 1000 g), incubated for 24 hours, and intracellular delivery of Qdot605 was investigated.

세포독성 어세이(Cytotoxic Assays in vitroin vitro ))

100 μL 배지를 포함하는 96-웰 플레이트에 12시간 동안 CNSA에서 배양된 NIH3T3 세포를 재분주 하였다(5×103 세포/웰). 24시간 후에 배지를 아스피레이트하고 PBS로 두 번 세척하였다. 신선한 배양액(100 μL)을 각 웰에 첨가하고, 그 후에 20 μL의 MTT 용액(PBS에 2.5 mg/mL)을 더하였다. 세포를 37℃에서 4시간 동안 추가적으로 배양하였다. 배지를 주의깊게 아스피레이트하였다. 세포를 200 μL 다이메틸설폭사이드(DMSO)에 용해시킨 후, FL600 마이크로플레이트 판독기(Bio-Tek Inc., Winooski, VT)를 이용하여 570 nm에서 각 웰의 흡광도를 측정하였다. 데이터를 대조군과 비교하여 살아있는 세포의 퍼센트로 표현하였다.NIH3T3 cells incubated in CNSA for 12 hours were re-divided (5 × 10 3 cells / well) into 96-well plates containing 100 μL medium. After 24 hours the medium was aspirated and washed twice with PBS. Fresh culture (100 μL) was added to each well, after which 20 μL of MTT solution (2.5 mg / mL in PBS) was added. The cells were further incubated at 37 ° C. for 4 hours. The medium was carefully aspirated. After lysing the cells in 200 μL dimethylsulfoxide (DMSO), the absorbance of each well was measured at 570 nm using a FL600 microplate reader (Bio-Tek Inc., Winooski, VT). Data is expressed as percent of live cells compared to control.

주사형 전자 현미경(scanning electron microscope)Scanning electron microscope

12시간 동안 CNSA에서 배양한 후에, NIH3T3 세포를 3% 글루타알데하이드 용액에서 고정하고 PBS 완충액으로 세척하였으며, 그레이드 에탄올 시리즈로 탈수시킨 후에 동결 건조시켰다. S4700 SEM(Hitachi Ltd., Tokyo, Japan)을 이용하여 세포를 관찰하였다.After incubation in CNSA for 12 hours, NIH3T3 cells were fixed in 3% glutaaldehyde solution, washed with PBS buffer, dehydrated with grade ethanol series and lyophilized. Cells were observed using S4700 SEM (Hitachi Ltd., Tokyo, Japan).

실험 결과Experiment result

도 1a는 본 발명의 CNSA 플랫폼을 이용한 카르고의 세포내 운반에 대한 전체적인 과정을 예시한다. 다음 연속적인 화학적 및 물리적 단계들을 포함하여 CNSA 플랫폼을 준비한다: i) 나노다공성 양극산화된 알루미늄 산화물(anodized aluminum oxide, AAO)의 준비하는 단계; ii) AAO의 빈 동공안에 탄소 침적하는 단계; 및 iii) 조절 가능한 높이의 탄소 나노주사기 어레이에 노출시키기 위한 이온 밀링(ion milling) 및 화학적 에칭(chemical etching)을 실시하는 단계. 도 1b는 AAO 막으로부터 약 80 nm 내지 120 nm의 노출길이를 갖는 CNSA의 전형적인 주사형 전자 현미경 이미지를 나타낸다. 하나의 탄소 나노주사기의 투과형 전자 현미경 이미지에서 보여지듯이(도 5 참조), 각각의 나노주사기는 약 50 nm의 외직경 및 개방 포탈을 가지는 관상구조이다. 다음 단계로, 물속에 분산되어 안정적인 코트 탄소 나노튜브(coat carbon nanotube)를 형성하는 양친매성 폴리머(물에 1 wt%로 존재)(Park, S., et al., Chem. Comm., 2876-2878(2008))를 포함하는 CNSA의 처리에 의해 나노주사기의 소수성 표면을 친수성 표면으로 전환시킨다. 도 1c는 양친매성 폴리머의 화학적 구조를 나타낸다. 이러한 표면 공정 단계는 관상 CNSA 주사기의 속빈 코어(구획 스페이스, compartment space)로 카르고가 로딩(모세혈관 활동에 의해)되기 위해 필요한데, 이는 세포내 운반을 위해 표적화된 카르고들이 일반적으로 수용액에 용해 또는 흩어져있기 때문이다. 마지막 단계로, CNSA에 분주된 세포들은 세포 자체 중력에 의한 자발적인 방식으로 관통되며(Kim, W., et al., J. Am. Chem. Soc., 129:7228-7229(2007)), 카르고의 세포내 운반이 뒤이어 일어난다.1A illustrates the overall process for intracellular delivery of cargo using the CNSA platform of the present invention. Prepare a CNSA platform, including the following successive chemical and physical steps: i) preparing nanoporous anodized aluminum oxide (AAO); ii) carbon deposition in the vacant cavity of the AAO; And iii) performing ion milling and chemical etching to expose to an array of carbon nanoinjectors of adjustable height. 1B shows a typical scanning electron microscope image of CNSA with an exposure length of about 80 nm to 120 nm from an AAO film. As shown in transmission electron microscopy images of one carbon nanoscanner (see FIG. 5), each nanoscanner is a tubular structure with an outer diameter of about 50 nm and an open portal. In the next step, an amphiphilic polymer (at 1 wt% in water) dispersed in water to form a stable coat carbon nanotube (Park, S., et al. , Chem. Comm. , 2876- 2878 (2008)) to convert the hydrophobic surface of the nanoinjector into a hydrophilic surface. 1C shows the chemical structure of an amphipathic polymer. This surface processing step is necessary for the cargo to be loaded (by capillary activity) into the hollow core (compartment space) of the coronary CNSA syringe, in which the targeted cargoes for intracellular transport are usually dissolved or dissolved in aqueous solution. It is scattered. As a final step, cells seeded in CNSA are penetrated in a spontaneous fashion by the cell's own gravity (Kim, W., et al. , J. Am. Chem. Soc. , 129: 7228-7229 (2007)). Intense intracellular transport follows.

본 발명자들은 모델 카르고로서 증가된 녹색 형광 단백질(EGFP)-인코디드 플라스미드 DNA(pEGFP)를 이용하여 유전 물질에 대한 세포내 운반 플랫폼으로서 CNSA의 가능성을 조사하였다. 다양한 높이(40, 80, 120 및 160 nm)로 이루어진 일련의 CNSA들을 이용하여 세포내 운반에 가장 적합한 높이를 조사하였다. 카르고를 로딩하기 위해 CNSA 조각 (~ 1 cm×1 cm)에 pEGFP(100 μg/mL)에 포함하는 한방울의 물을 처리하였고, 가벼운 세척에 의해 로딩되지 않은 pEGFP를 제거하였다. NIH3T3 세포를 pEGFP 로딩된 CNSA에 분주하여 배양하였다. 상업적으로 가장 유용한 비바이러스 유전자 운반벡터 중의 하나인 리포펙타민 2000(LipofectamineTM 2000)을 양성대조군으로 이용하였다. 도 2 (a 및 b)는 각각 CNSA (80 nm 및 120 nm 높이를 가진) 또는 리포펙타민 2000을 처리한 후, NIH3T3 세포의 전형적인 형광 현미경 이미지 및 유세포분석 막대그래프를 나타낸다. 40, 80, 160 nm 높이의 CNSA 또한 높은 유전자 발현을 초래하였지만(세포유동분석에 따르면 ~ 24-30%), 120 nm 높이의 CNSA가 가장 높은 유전자 발현 효율을 보였다(~ 34%). 한편, 좀더 낮은 유전자 운반 효율이 양친매성 폴리머 코팅이 없는 CNSA를 이용했을 때 보여졌는데(도 6 참조), 이것은 양친매성 폴리머 코팅이 카르고(cargo) 로딩에 중요함을 의미한다. 리포펙타민 2000과 비교하여 CNSA 플랫폼의 상대적으로 낮은 유전자 발현은 빈 플라스미드 DNA의 핵이 아닌 세포질로의 직접 운반에 유리할 수 있다; 하지만, CNSA 플랫폼의 유전자 발현 정도는 다른 비바이러스 벡터들보다 더욱 더 높다(Nishikawa, M. and Huang, L., Hum. Gene Ther., 12:861-870(2001); Kodama, K., et al., Curr. Med. Chem., 13:2155-2161(2006)). 80 nm 및 120 nm로 형성된 CNSA 상에서 배양한 후에 NIH3T3 세포에서 수행된 MTT 세포 증식 어세이는 대조군에 비해 모두 85% 이상의 생존율을 가지며 세포에 독성이 없음을 보여주었다(도 1c). 이러한 생존율은 ~ 50 nm 직경의 나노주사기에 의한 침윤과정 동안 원형질 막에 야기되는 최소한의 손상에 따른 것이다. 리포펙타민 2000이 오직 유전자 운반 같은 특별한 적용에서만 이용되지만 세포에 독성을 가지기 때문에(도 1c)(Bell, H., et al., Neuroreport, 30:793-798(1998); Filion, M. C. and Phillips, N. C., Int. J. Pharm., 162:159-170(1998)), 본 발명의 CNSA 플랫폼이 더 효과적인 접근법을 제공한다. 본 발명자들은 160 nm로 셋팅된 CNSA가 유사한 유전자 발현의 정도(~ 30%)를 나타냄에도 불구하고, 그 경우 더 짧은 CNSA에 비해 운반 플랫폼으로부터 접착된 후에 세포 생존율이 의미있게 감소함을 관찰하였다. 이러한 이유로 본 발명자들은 이후의 실험에서 120 nm 높이의 CNSA를 사용하였다.We investigated the possibility of CNSA as an intracellular delivery platform for genetic material using increased green fluorescent protein (EGFP) -encoded plasmid DNA (pEGFP) as a model cargo. A series of CNSAs of varying heights (40, 80, 120 and 160 nm) were used to investigate the best height for intracellular delivery. In order to load the cargo, CNSA pieces (˜1 cm × 1 cm) were treated with a drop of water contained in pEGFP (100 μg / mL) and unloaded pEGFP was removed by a light wash. NIH3T3 cells were cultured by aliquoting to pEGFP loaded CNSA. Lipofectamine 2000, one of the most useful non-viral gene transport vectors, was used as a positive control. 2 (a and b) show typical fluorescence microscopy images and flow cytometry histograms of NIH3T3 cells after treatment with CNSA (with 80 nm and 120 nm height) or Lipofectamine 2000, respectively. CNSA at 40, 80, and 160 nm height also resulted in high gene expression (-24-30% according to cell flow analysis), but CNSA at 120 nm height showed the highest gene expression efficiency (-34%). On the other hand, lower gene transfer efficiency was seen when using CNSA without an amphiphilic polymer coating (see FIG. 6), which means that the amphiphilic polymer coating is important for cargo loading. Relatively low gene expression of the CNSA platform compared to lipofectamine 2000 may be beneficial for direct delivery of empty plasmid DNA into the cytoplasm but not to the nucleus; However, the gene expression of the CNSA platform is much higher than other nonviral vectors (Nishikawa, M. and Huang, L., Hum. Gene Ther. , 12: 861-870 (2001); Kodama, K., et. al. , Curr. Med. Chem., 13: 2155-2161 (2006). MTT cell proliferation assays performed on NIH3T3 cells after incubation on CNSA formed at 80 nm and 120 nm showed that all had a viability of at least 85% and no toxicity to the cells compared to the control (FIG. 1C). This survival rate is due to the minimal damage to the plasma membrane during infiltration by a ~ 50 nm diameter nanoscanner. Since lipofectamine 2000 is only used in specific applications such as gene delivery but is toxic to cells (FIG. 1C) (Bell, H., et al. , Neuroreport, 30 : 793-798 (1998); Filion, MC and Phillips) , NC, Int. J. Pharm ., 162: 159-170 (1998), the CNSA platform of the present invention provides a more effective approach. We observed that although CNSA set at 160 nm exhibited a similar degree of gene expression (˜30%), cell viability was significantly reduced after adhesion from the transport platform in that case compared to shorter CNSA. For this reason we used a 120 nm high CNSA in subsequent experiments.

다른 카르고에 대한 CNSA 플랫폼의 유용성을 알아보기 위하여 본 발명자들은 120 nm 높이의 CNSA를 이용하여 양자점의 세포내 운반을 조사하였다. 도 2d는 양자점(QDs; 3 nm 크기, 형광파장[λem] = 525 nm)을 포함하는 CNSA에서 배양된 NIH3T3 세포의 전형적인 형광 이미지를 보여준다. 예상한 대로 많은 높은 형광 점들이 핵이 아니라 세포질에서 발견되었는데, 이는 양자점들이 세포질로 직접 운반되었음을 나타내준다. 120 nm 높이의 CNSA는 세포 중심에 있는 핵으로 침윤되지 않을 정도로 충분히 작은 것처럼 보인다. 본 발명자들은 CNSA 플랫폼의 부재시에 양자점으로 처리된 세포에서 어떠한 형광점도 관찰할 수 없었다. 이러한 결과는 수용액에 분산 또는 용해된 다양한 카르고의 세포내 운반에 있어서 효과적인 CNSA 플랫폼의 유용성을 명확히 증명한다. 형광 표지로서 양자점을 이용하여 살아있는 세포의 세포질에서 타겟 단백질을 트랙킹하고자 하는 많은 관심들이 있었 다. 하지만, 양자점 표지된 단백질을 그 원모습으로 세포질에 운반하는 것은 매우 어려웠는데, 이는 전형적으로 엔도사이토시스(endocytosis) 후에 엔도조멀 베지클에 싸여져서 트랙킹에 실패하게 되기 때문이다. 본 발명의 CNSA 플랫폼은 네이키드 양자점-단백질 접합체를 세포질로 직접 운반함으로써 이 문제점을 극복할 수 있게 한다.To investigate the usefulness of the CNSA platform for different cargoes, we investigated the intracellular transport of quantum dots using CNSA 120 nm high. 2D shows a typical fluorescence image of NIH3T3 cells cultured in CNSA containing quantum dots (QDs; 3 nm size, fluorescence wavelength [λ em ] = 525 nm). As expected, many high fluorescence dots were found in the cytoplasm and not in the nucleus, indicating that the quantum dots were transported directly into the cytoplasm. The 120 nm high CNSA appears small enough not to infiltrate the nucleus at the center of the cell. We could not observe any fluorescent dots in cells treated with quantum dots in the absence of CNSA platform. These results clearly demonstrate the usefulness of the CNSA platform for the intracellular transport of various cargoes dispersed or dissolved in aqueous solutions. There have been many interests in using quantum dots as fluorescent labels to track target proteins in the cytoplasm of living cells. However, it was very difficult to transport the quantum dot labeled protein into the cytoplasm in its original form, since it is typically wrapped in an endozomal vesicle after endocytosis and fails to track. The CNSA platform of the present invention makes it possible to overcome this problem by delivering naked quantum dot-protein conjugates directly into the cytoplasm.

본 발명의 CNSA 플랫폼의 적용을 추가적으로 알아보기 위하여 본 발명자들은 인간 간엽줄기세포(human mesenchymal stem cells; MSCs)에서 pEGFP 및 양자점의 세포내 운반을 조사하였는데, 이는 유전물질을 세포로 운반 또는 인 비보 트랙킹을 위해 형광 또는 자성 나노입자로 세포를 표지하는 효과적인 장치 또는 방법이 광범위하게 요구되기 때문이다. NIH3T3 세포의 실험에서 기술한 바와 같이, 인간 MSC를 pEGFP 또는 양자점 중 하나를 포함하는 CNSA에 분주하고 배양하였다. 도 3 (a 및 b)은 결과적으로 얻어진 형광 이미지 및 유세포분석 결과이다. 대부분의 세포는 NIH3T3 세포에서 보여진 것(CNSA의 경우 ~ 30% 대 리포펙타민 2000의 경우 ~ 42%)과 유사한 녹색 형광 밀도 및 발현 효율을 보였는데, 이는 효과적인 유전자 운반 및 발현을 나타낸다. 양자점의 운반은 세포질에만 매우 높은 명확한 형광 양자점을 가짐으로써 아주 성공적이었다(도 3c). 이후 본 발명자들은 120 nm 높이의 CNSA가 인간 MSC 막의 투과성에 영향을 미치는 지의 여부를 조사하기 위해 라이브/데드 어세이(live/dead assay)를 실시하였다. 대부분의 세포가 살아있었는데(도 3d), 이는 CNSA로 처리된 후에 세포내 투과성에 거의 영향이 없음을 나타내준다. 따라서, 본 발명의 CNSA 플랫폼은 세포 치료 및 인 비보 트랙킹을 포함하는 응용에서 인간 MSC로 유전물질 및 양자점 모두의 운반에 있어서 효과적인 장치이다. 본 발명자들은 세포가 어떻게 본 발명의 CNSA(120 nm)와 조화되는 지를 조사하기 위해서, NIH3T3 세포는 주사형 전자 현미경 관찰을 위해 고정된 후에 어레이 상에서 배양되었다. 도 4a(저배율)는 CNSA의 표면 전체에 걸쳐서 퍼져있는 모폴로지를 가지는 건강한 세포를 명백하게 보여준다. 도 4b는 나노주사기에 처해진 세포를 고배율에서 보여준다. 화살표에서 알 수 있듯이, 각각의 나노주사기는 세포를 관통하는 융기된 형태(embossed-like shape)로 나타난다. 비록 주사형 전자 현미경 이미지가 CNSA-매개 세포내 운반 기작에 대한 직접적인 증거를 제공하지는 않을 지라도, 세포가 중력으로 인한 탄소 나노주사기에 의해 처음에 관통되고 나노주사기 안에 카르고가 세포의 세포질로 확산됨을 알 수 있다. 한편, 가력을 추가적으로 인가한 경우의 효과를 확인하였다. 도 7은 800 g의 원심력을 인가한 경우의 컨포컬(100 X) 현미경 사진으로서 양자점이 세포내로 운반되었음을 알 수 있다.In order to further investigate the application of the CNSA platform of the present invention, the inventors investigated the intracellular transport of pEGFP and quantum dots in human mesenchymal stem cells (MSCs), which carry genetic material into cells or in vivo tracking. This is because there is a broad need for an effective device or method for labeling cells with fluorescent or magnetic nanoparticles. As described in the experiments of NIH3T3 cells, human MSCs were dispensed and cultured in CNSA containing either pEGFP or quantum dots. 3 (a and b) are the resulting fluorescence images and flow cytometry results. Most cells showed green fluorescence density and expression efficiency similar to that seen in NIH3T3 cells (˜30% for CNSA versus 42% for lipofectamine 2000), indicating effective gene transport and expression. The transport of quantum dots was very successful by having clear fluorescent quantum dots very high only in the cytoplasm (FIG. 3C). We then conducted a live / dead assay to investigate whether 120 nm high CNSA affects the permeability of human MSC membranes. Most cells were alive (FIG. 3D), indicating little effect on intracellular permeability after treatment with CNSA. Thus, the CNSA platform of the present invention is an effective device for the delivery of both genetic material and quantum dots to human MSCs in applications involving cell therapy and in vivo tracking. In order to investigate how cells are matched with the CNSA (120 nm) of the present invention, NIH3T3 cells were cultured on an array after being fixed for scanning electron microscopy. 4A (low magnification) clearly shows healthy cells with morphology spread across the surface of CNSA. 4B shows the cells subjected to the nanoinjector at high magnification. As indicated by the arrows, each nanoinjector appears in an embossed-like shape that penetrates the cell. Although scanning electron microscopy images do not provide direct evidence of the CNSA-mediated intracellular transport mechanism, it is found that the cells are initially penetrated by gravity-induced carbon nanoinjectors and cargo diffuses into the cytoplasm of the cells in the nanoinjectors. Can be. On the other hand, the effect of applying additional force was confirmed. 7 is a confocal (100 ×) micrograph when 800 g of centrifugal force is applied, indicating that the quantum dots are transported into the cells.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described the specific part of the present invention in detail, it is apparent to those skilled in the art that the specific technology is merely a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereto. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

도 1(a)는 본 발명에서 카르고(cargo)의 세포내 운반에서 카본 나노주사기 어레이의 구조 및 이용에 대한 개략도이다: (i) 잘 정돈된 동공 구조의 다공성 AAO 템플레이트에서 탄소막 침적(deposition)을 위한 열 CVD 방법; (ii) 이온 밀링에 의한 AAO 템플레이트로부터 최상층 탄소 표면의 제거 및 탄소 나노주사기를 노출하기 위한 화학적 에칭; (iii) 양친매성 폴리머에 의한 탄소 나노주사기의 표면 코팅 및 운반 목적 카르고(cargo)의 로딩; 및 (iv) 탄소 나노주사기 플랫폼을 이용한 세포내 운반. 도 1(b)는 80 내지 120 nm의 높이로 노출된 CNSA의 주사형 전자 현미경 이미지이다. 도 1(c)는 코팅 탄소 나노주사기에 이용된 양친매성 폴리머의 화학적 구조이다.1 (a) is a schematic diagram of the structure and use of the carbon nanoinjector array in the intracellular transport of cargo in the present invention: (i) Carbon film deposition in a well-ordered pore structured porous AAO template. Thermal CVD methods for; (ii) chemical etching to remove the top layer carbon surface from the AAO template by ion milling and to expose the carbon nanoinjectors; (iii) surface coating of carbon nanoinjectors with amphiphilic polymers and loading of cargo for transport; And (iv) intracellular delivery using a carbon nanoinjector platform. 1 (b) is a scanning electron microscope image of CNSA exposed to a height of 80-120 nm. Figure 1 (c) is the chemical structure of the amphipathic polymer used in the coated carbon nanoinjector.

도 2a-2d는 본 발명의 CNSAs를 이용하여 NIH3T3 세포 내로 다양한 카르고(cargo)들의 운반을 보여준다. pEGFP-로딩된 CNSAs (80 nm 및 120 nm 높이) 및 양성대조군 벡터로서 pEGFP/리포펙타민(LipofectamineTM) 2000 복합체를 각각 처리한 후 GFP를 발현하는 NIH3T3 세포의 형광 이미지 (도 2(a)) 및 유세포분석 그래프 (flow-cytometry histogram profiles;도 2(b))이다. 눈금 막대(scale bar)는 20 μm를 나타낸다. 도 2(b)에서 점선 및 실선은 각각 유전자 운반 전 및 후에 NIH3T3 세포의 유세포분석을 나타낸다. 도 2(c)는 12시간 동안 CNSA에서 배양되거나 6시간 동안 리포펙타민 2000으로 처리된 NIH3T3 세포의 생존율이다. 도 2(d)는 양자점(QDs, 형광파장[λem] = 525 nm)이 로딩된 CNSA 상에 처리된 NIH3T3 세포의 전형적인 형광 이미지이다. 눈금 막대(scale bar)는 20 μm를 나타낸다.2A-2D show the transport of various cargoes into NIH3T3 cells using CNSAs of the invention. Fluorescence images of NIH3T3 cells expressing GFP after treatment with pEGFP-loaded CNSAs (80 nm and 120 nm height) and pEGFP / Lipofectamine 2000 complex as positive control vectors, respectively (FIG. 2 (a)) And flow-cytometry histogram profiles; FIG. 2 (b)). Scale bars represent 20 μm. The dashed line and solid line in FIG. 2 (b) represent flow cytometry of NIH3T3 cells before and after gene delivery, respectively. FIG. 2 (c) is the viability of NIH3T3 cells incubated in CNSA for 12 hours or treated with lipofectamine 2000 for 6 hours. 2 (d) is a typical fluorescence image of NIH3T3 cells treated on CNSA loaded with quantum dots (QDs, fluorescence wavelength [λ em ] = 525 nm). Scale bars represent 20 μm.

도 3는 본 발명에서 120 nm 높이의 pEGFP-로딩된 CNSAs 및 양성대조군 벡터로서 pEGFP/리포펙타민 2000 복합체를 각각 처리한 후 얻어진 GFP를 발현하는 인간 MSC의 형광 이미지 (도 3(a)) 및 유세포분석 그래프 (flow-cytometry histogram profiles;도 3(b))이다. 눈금 막대(scale bar)는 20 μm를 나타낸다. 도 3(c)는 양자점(QDs, 형광파장[λem] = 525 nm)이 로딩된 CNSA 상에 처리된 인간 MSC의 전형적인 형광 이미지이다. 눈금 막대(scale bar)는 20 μm를 나타낸다(×630). 도 3(d)는 24시간 동안 CNSA에서 배양한 후 수행한 인간 MSC의 라이브/데드 어세이이다(×400).FIG. 3 shows fluorescent images of human MSCs expressing GFP obtained after treatment of pEGFP-loaded CNSAs and pEGFP / lipopeptamine 2000 complexes as positive control vectors, respectively, at 120 nm height (FIG. 3A) and Flow-cytometry histogram profiles (FIG. 3 (b)). Scale bars represent 20 μm. 3 (c) is a typical fluorescence image of human MSC treated on CNSA loaded with quantum dots (QDs, fluorescence wavelength [λ em ] = 525 nm). Scale bars represent 20 μm (× 630). 3 (d) is a live / dead assay of human MSCs performed after incubation in CNSA for 24 hours (× 400).

도 4은 본 발명에서 24시간 동안 80 nm 높이의 CNSA에서 배양된 NIH3T3 세포의 주사형 전자 현미경 이미지이다: (a) ×500 및 (b) ×100K. 도 4(b)에서 화살표는 세포에서 나노주사기 침윤 영역을 분명하게 나타낸다.4 is a scanning electron microscope image of NIH3T3 cells incubated in CNSA at 80 nm height for 24 hours in the present invention: (a) x 500 and (b) x 100 K. The arrow in FIG. 4 (b) clearly shows the nanoinjector infiltrated area in the cell.

도 5는 본 발명에서 외벽이 약 7 nm 두께인 약 50 nm 직경의 속빈 탄소 나노주사기의 투과형 전자 현미경 이미지이다.5 is a transmission electron microscope image of a hollow carbon nanoinjector of about 50 nm diameter with an outer wall of about 7 nm thick in the present invention.

도 6은 양친매성 폴리머 코팅이 없는 pEGFP-로딩된 CNSAs의 유전자 운반 효과를 나타내는 그래프이다. CNSA의 노출 길이는 40 nm(a), 80 nm(b), 120 nm(c) 및 160 nm(d)이다.FIG. 6 is a graph showing the gene transfer effect of pEGFP-loaded CNSAs without an amphiphilic polymer coating. The exposure lengths of CNSA are 40 nm (a), 80 nm (b), 120 nm (c) and 160 nm (d).

도 7은 양친매성 폴리머 코팅된 본 발명의 CNSAs를 이용하여 가력을 추가적으로 인가한 경우 양자점의 세포 내 운반 결과를 보여주는 컨포컬 사진이다.7 is a confocal photograph showing intracellular transport results of quantum dots when additional force is applied using amphiphilic polymer coated CNSAs of the present invention.

Claims (30)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) 개방 포탈(open portal)의 관상 구조(tubular structure)를 가지는 나노튜브의 어레이 및 (b) 상기 나노튜브의 표면에 코팅된 양친매성(amphiphilic) 고분자를 포함하는 세포 내 카르고(cargo) 운반체로, intracellular cargo comprising (a) an array of nanotubes having a tubular structure of an open portal, and (b) an amphiphilic polymer coated on the surface of the nanotubes. With carrier, 상기 나노튜브 내 속빈 코어(compartment space)는 카르고의 로딩(loading) 위치이고 상기 속빈 코어의 표면은 상기 양친매성 고분자로 코팅되어 있으며;The hollow core in the nanotube is the loading position of the cargo and the surface of the hollow core is coated with the amphiphilic polymer; 상기 운반체에 의한 카르고의 세포 내로의 운반은 세포 자체에 작용하는 중력에 의해 자발적인 방식으로 일어나고;The transport of cargo by the carrier into the cell occurs in a spontaneous manner by gravity acting on the cell itself; 상기 양친매성(amphiphilic) 고분자는 다음 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 운반체:The amphiphilic polymer is a carrier, characterized in that represented by the following formula (1): 화학식 1Formula 1
Figure 112012062643222-pat00012
Figure 112012062643222-pat00012
상기 화학식에서, R1은 실릴알킬기, (알콕시실릴)알킬기, (하이드록시실릴)알킬기, 치환 또는 비치환된 알킬기, 치환 또는 비치환된 알콕시기, 치환 또는 비치환된 아릴기, 치환 또는 비치환된 아랄킬기, 또는 치환 또는 비치환된 알카릴기이고; R2는 PEG(polyethylene glycol), 덱스트란 또는 폴리비닐피롤리돈이며; R3는 알데하이드, 에폭시, 할로알킬, 1차아민, 티올, 말레이미드, 에스테르, 카르복실기 또는 히드록실기이며; R4, R5 및 R6는 서로 독립적으로, H 또는 C1-C5 알킬기이며; X 및 Y는 서로 독립적으로 산소, 황 또는 질소 원자이고; l, m 및 n은 서로 독립적으로 1-10,000의 정수이다..In the above formula, R 1 is a silylalkyl group, (alkoxysilyl) alkyl group, (hydroxysilyl) alkyl group, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted Aralkyl group or a substituted or unsubstituted alkaryl group; R 2 is polyethylene glycol (PEG), dextran or polyvinylpyrrolidone; R 3 is an aldehyde, epoxy, haloalkyl, primary amine, thiol, maleimide, ester, carboxyl group or hydroxyl group; R 4 , R 5 and R 6 are, independently from each other, H or a C 1 -C 5 alkyl group; X and Y are independently of each other an oxygen, sulfur or nitrogen atom; l, m and n are each independently an integer of 1-10,000.
제 18 항에 있어서, 상기 운반체는 상기 나노튜브의 내부에 운반 목적의 카르고로서 화학물질, 나노입자, 펩타이드, 폴리펩타이드, 핵산, 탄수화물 또는 지질을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 운반체.19. The carrier of claim 18, wherein the carrier further comprises a chemical, nanoparticle, peptide, polypeptide, nucleic acid, carbohydrate or lipid as a cargo for transport within the nanotube. 제 18 항에 있어서, 상기 나노튜브는 탄소, 실리콘, 귀금속, 실리콘 다이옥사이드 또는 티타늄 다이옥사이드로 제조된 것을 특징으로 하는 운반체.19. The carrier of claim 18, wherein said nanotubes are made of carbon, silicon, precious metals, silicon dioxide or titanium dioxide. 제 18 항에 있어서, 상기 나노튜브는 20-200 nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 운반체.19. The carrier of claim 18, wherein said nanotubes have a diameter of 20-200 nm. 제 18 항에 있어서, 상기 운반체는 기판을 추가적으로 포함하며 상기 나노튜브는 한쪽 말단이 상기 기판 상에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 운반체.19. The carrier of claim 18, wherein said carrier further comprises a substrate and said nanotubes are located at one end on said substrate. 제 18 항에 있어서, 상기 나노튜브는 세포 내로 침투되며 침투되는 나노튜브의 높이는 40-200 nm인 것을 특징으로 하는 운반체.19. The carrier of claim 18, wherein the nanotubes penetrate into the cell and the height of the nanotubes penetrated is 40-200 nm. 제 23 항에 있어서, 상기 침투되는 나노튜브의 높이는 70-130 nm인 것을 특징으로 하는 운반체.The carrier of claim 23, wherein the height of the nanotubes to penetrate is 70-130 nm. 제 18 항에 있어서, 상기 나노튜브는 나노튜브를 형성하기 위한 주형에 의해 둘러싸여 있으며 상기 주형의 상단부가 에칭되어 나노튜브가 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 운반체. 19. The carrier of claim 18, wherein the nanotubes are surrounded by a template for forming nanotubes and the top of the template is etched to expose the nanotubes. 제 25 항에 있어서, 상기 노출된 나노튜브의 높이는 40-200 nm인 것을 특징으로 하는 운반체.27. The carrier of claim 25, wherein the height of the exposed nanotubes is 40-200 nm. 제 26 항에 있어서, 상기 노출된 나노튜브의 높이는 70-130 nm인 것을 특징으로 하는 운반체.27. The carrier of claim 26, wherein the height of the exposed nanotubes is 70-130 nm. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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