KR101731140B1 - Photoacoustic image agent comprising a melanin naoparticle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질병의 진단 및/또는 치료에 유용하게 사용될 수 있는 멜라닌 나노입자를 포함하는 광음향 영상화제에 관한 것이다.The present invention relates to a photoacoustic imaging agent comprising melanin nanoparticles useful for diagnosis and / or treatment of diseases.
Description
본 발명은 질병의 진단 및/또는 치료에 유용하게 사용될 수 있는 멜라닌 나노입자를 포함하는 광음향 영상화제에 관한 것이다.The present invention relates to a photoacoustic imaging agent comprising melanin nanoparticles useful for diagnosis and / or treatment of diseases.
광음향 효과에 기초한 광음향 영상화는 멜라닌 및 헤모글로빈과 같은 내재적 생물학적 분자를 가시화함으로써 생물학적 정보를 제공하는 생물의학적 영상화 양식(modality)으로서 많은 관심을 받고 있다. 생물의학적 영상화로서 광음향 영상화의 높은 잠재력은 높은 민감성, 다중모드 영상화 및 영상-유도(image-guided) 치료법을 갖는 실시간 및 표적화된 영상화를 아우르는 진단 및 치료의 관점에서 나노물질의 광음향 반응에 기초한 외생 조영제(exogenous contrast agent)의 개발에 의해 보다 가속화되고 있다.
Photoacoustic imaging based on photoacoustic effects has received much attention as a biomedical imaging modality that provides biological information by visualizing intrinsic biological molecules such as melanin and hemoglobin. The high potential of photoacoustic imaging as biomedical imaging is based on the photoacoustic response of nanomaterials in terms of diagnosis and treatment, including real-time and targeted imaging with high sensitivity, multi-mode imaging and image-guided therapy It is being accelerated by the development of exogenous contrast agents.
이와 관련하여, 광음향 효과를 나타내는 적합한 나노 탐침의 개발은 광음향 영상화의 효율성을 향상시키고 다양한 생물의학적 적용을 최적화하기 위한 나노기법에 있어서 중요한 기술적 이슈이다. 게다가, 광음향 효과를 나타내는 나노 탐침의 개발 및 인공적 조작은 나노물질에 기반한 광음향 영상화의 기본적인 이해에 대한 다른 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 원칙적으로, 광음향 효과는 표적을 국부적으로 가열하여 결과로서 열팽창을 유발하는 짧은 펄스 방사(short-pulsed radiation)의 흡수를 통한 음파의 생성에 기인한다. 흡광계수와 흡수된 광자를 열로 전환하는 전환효율은 분자수준 흡수체와 같은 나노물질에 기초한 광음향 영상화에 있어서 광음향 신호를 생성하는 주요 인자임에도 불구하고, 나노물질의 표면환경은 광음향 효과의 효율을 결정하는 다른 변수를 제공한다. 열적 팽창을 수반하는 광음향 효과는 나노물질로부터 주위 매질로의 열적 변환을 통해 국부적으로 가열된 주변 매질로부터 생성되므로, 열적 전달 및 발산 다이나믹스와 관련된 표면 환경은 나노물질에 기초한 광음향 효과를 생성하는 민감한 인자이다.
In this regard, the development of suitable nanoprobes representing photoacoustic effects is an important technical issue in nanotechnology to improve the efficiency of photoacoustic imaging and optimize various biomedical applications. In addition, the development and artificial manipulation of nanoprobes that exhibit photoacoustic effects can provide another important insight into the fundamental understanding of photoacoustic imaging based on nanomaterials. In principle, the photoacoustic effect is due to the generation of sound waves through the absorption of short-pulsed radiation which causes local expansion of the target resulting in thermal expansion. Although the extinction coefficient and the conversion efficiency of converting the absorbed photons into heat are key factors in generating photoacoustic signals in photoacoustic imaging based on nanomaterials such as molecular level absorbers, Lt; / RTI > Since the photoacoustic effect associated with thermal expansion is generated from a locally heated surrounding medium through thermal conversion from the nanomaterial to the surrounding medium, the surface environment associated with the thermal transfer and dissipative dynamics creates a photoacoustic effect based on the nanomaterial It is a sensitive factor.
따라서, 나노물질에 기초한 광음향 반응에 대한 기본적인 이해를 위한 새로운 형태의 나노물질의 개발 및 조작은 광음향 영상화를 일으키는 조영제를 고안하고 최적화하는 것에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있다.
Thus, the development and manipulation of new forms of nanomaterials for a basic understanding of photoacoustic reactions based on nanomaterials can provide important clues to devising and optimizing contrast agents that cause photoacoustic imaging.
한편, 멜라닌(melanin)은 식물, 동물, 원생 생물 등 여러 생명체들의 다양한 부위에 존재하는 생물학적 고분자(bio-polymer)로서, 흑갈색의 유멜라닌(eumelanin)과 황적색의 페오멜라닌(pheomelanin)으로 분류된다. 상기 유멜라닌은 3,4-디하이드록시-L-페닐알라닌(3,4-dihydroxy-L-phenylalanine, L-DOPA) 또는 2-(3,4-디하이드록시페닐)에틸아민(2-(3,4-dihydroxyphenyl)ethylamine, dopamine)으로부터 파생된 것이고, 상기 페오멜라닌은 시스테인(cysteine), 글루타티온(glutathione) 등의 머캅토기(-SH) 함유 물질 존재하에서 L-DOPA 또는 도파민(dopamine)으로부터 파생된 것이다. 여기서, 유멜라닌은 포유류에서 우세하게 존재하는 형태의 멜라닌으로서, 카테콜아민(catecholamine)의 산화로 유발된 o-퀴논(o-quinones)의 아민기(amine group) 부분의 분자 내 첨가(intramolecular addition)에 의해 형성된 인돌 유닛(indole units)을 포함하는 불균일한 구조의 생체 고분자로 알려져 있다.
Melanin, on the other hand, is a bio-polymer present in various parts of life, including plants, animals, and protists. It is classified as black-brown eumelanin and yellow-red pheomelanin. The above eumelanin may be 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (L-DOPA) or 2- (3,4-dihydroxyphenyl) , 4-dihydroxyphenyl) ethylamine, dopamine), and the peomelanin is derived from L-DOPA or dopamine in the presence of a mercapto group (-SH) containing substance such as cysteine or glutathione will be. Herein, eumelanin is a predominant form of melanin in mammals, and is involved in the intramolecular addition of the amine group portion of o-quinones induced by the oxidation of catecholamine And is known as a biomolecule having a nonuniform structure including indole units formed by the polymer.
이러한 멜라닌은 오징어 먹물 등에 존재하는 등 자연계에 존재하는 물질이므로 종래 자연계로부터 분리하여 얻을 수 있고, 또는 효소에 의한 반응이나 산화제에 의한 반응을 포함하는 인공합성 방법에 의해서도 얻을 수 있다.
Since melanin exists in nature such as in squid ink and the like, it can be obtained by separating from the natural world, or can be obtained also by an artificial synthesis method including a reaction with an enzyme or a reaction with an oxidizing agent.
이에 본 발명자들은 광음향 영상화를 위한 나노물질의 개발 및 이의 신호를 증폭시킬 수 있는 방법을 찾기 위하여 예의 연구노력한 결과, 아미드기를 갖는 화합물 및 카르복시산을 갖는 화합물을 표면에 도입한 멜라닌 나노입자가 산성조건에서 선택적으로 응집되며 응집시 이의 광음향 신호를 급격히 향상시킬 수 있으므로 상기 표면을 개질한 나노입자를 산성을 나타내는 병변 검출을 위한 조영제로 사용할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
[선행기술문헌]
Biomacromolecules. 14(10), 제3491-3497쪽(2013.08.29.)The present inventors have made intensive research to find a method for developing a nanomaterial for photoacoustic imaging and amplifying the signal, and as a result, it has been found that the melanin nanoparticle incorporating a compound having an amide group and a compound having a carboxylic acid on the surface is in an acidic condition And the photoacoustic signal of the nanoparticles can be rapidly increased during coagulation. Therefore, the present invention has been accomplished by confirming that the nanoparticles modified with the surface can be used as a contrast agent for detecting lesions showing acidity.
[Prior Art Literature]
Biomacromolecules. 14 (10), 3491-3497 (2013.08.29.)
본 발명은 질병의 진단 및/또는 치료에 유용하게 사용될 수 있는 멜라닌 나노입자를 포함하는 광음향 영상화제를 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a photoacoustic imaging agent comprising melanin nanoparticles which can be usefully used for diagnosis and / or treatment of diseases.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 멜라닌 나노입자를 포함하는 광음향 영상화제를 제공한다.
In order to solve the above problems, the present invention provides a photoacoustic imaging agent comprising melanin nanoparticles.
본 발명에서 사용하는 용어 "광음향"이란, 물질이 빛을 흡수하여 국부적으로 온도가 상승하고 이것이 압력으로서 물질 중을 전파하는 현상을 의미하는 것으로, 미소한 빛의 흡수를 고감도로 측정할 수 있고 또한 일반 광학적 방법으로는 측정하기 어려운 시료의 측정도 가능하기 때문에 분광법에 이용된다. 본 발명에서 사용하는 용어 "광음향 영상화제"란, 이러한 광음향 효과를 나타내는 물질을 의미하는 것으로, 이의 신호를 측정하여 영상화할 수 있는 물질을 의미하는 것으로, 광음향 효과에 기초하여 개발된 혼성 생물의학적 영상화 양태(hybrid biomedical imaging modality)이다. 상기 광음향 영상화는 비-이온화 레이저 펄스(non-ionizing laser pulse)를 조사하며, 상기 레이저에 의해 전달된 에너지는 조직 또는 조영제에 의해 흡수되고 열로 전환되어 일시적인 열탄성 팽창(transient thermoelastic expansion)을 유발하며 나아가 광대역(wideband; 예컨대, MHz)의 초음파 방출을 유도한다. 이때 생성되는 초음파는 초음파 변환기에 의해 검출되어 영상을 형성한다. 방출되는 초음파 방출 즉, 광음향 신호의 세기는 국부 에너지 축적(local energy deposition)에 비례한다. 상기 광음향 영상화는 조사된 광을 흡수하여 발생되는 현상이므로 광학적 흡수(optical absorption)은 상기 광음향 영상화를 위한 중요한 요소이다. 생물학적 조직에서 광학적 흡수는 헤모글로빈 또는 멜라닌과 같은 내재적 분자에 의해 또는 외부로부터 도입된 조영제(contrast agent)에 의한다.
The term "photoacoustic" used in the present invention means a phenomenon in which a substance absorbs light and locally rises in temperature and propagates through the substance as a pressure, so that the absorption of minute light can be measured with high sensitivity It is also used in spectroscopy because it is also possible to measure samples that are difficult to measure with ordinary optical methods. The term "photoacoustic imaging agent " used in the present invention means a material exhibiting such a photoacoustic effect, which means a material capable of measuring and imaging signals thereof, It is a hybrid biomedical imaging modality. The photoacoustic imaging irradiates a non-ionizing laser pulse, wherein the energy delivered by the laser is absorbed by the tissue or contrast agent and converted into heat to cause a transient thermoelastic expansion And further induces a wideband (e.g., MHz) ultrasound emission. At this time, the generated ultrasonic waves are detected by an ultrasonic transducer to form an image. The emitted ultrasonic emission, ie the intensity of the photoacoustic signal, is proportional to the local energy deposition. Since the photoacoustic imaging is a phenomenon generated by absorbing the irradiated light, optical absorption is an important factor for the photoacoustic imaging. In biological tissues, optical absorption is by an intrinsic molecule such as hemoglobin or melanin or by a contrast agent introduced from the outside.
본 발명에 따른 광음향 영상화제는 의학적 영상화에 있어서 용이한 검출을 위해 투여되는 물질로서, 체내에 투여되므로 매우 안전한 물질이어야 하며 즉시 발현될 수 있어야 하고 드물기는 하지만 피검자에서 알레르기 반응 등이 없어야 한다. 본 발명에서는 이러한 광음향 영상화제로서 체내에서 안전하고 광음향 효과가 우수한 멜라닌 나노입자를 사용한다.
The photoacoustic imaging agent according to the present invention is a substance to be administered for easy detection in medical imaging. Since it is administered into the body, it must be a very safe substance and should be able to be expressed immediately and rarely have allergic reaction in the subject. In the present invention, such a photoacoustic imaging agent uses melanin nanoparticles which are safe in the body and excellent in photoacoustic effect.
본 발명에서 사용하는 용어 "멜라닌 나노입자"는, 나노미터 수준의 평균 직경을 갖는 매우 작은 멜라닌 입자를 의미한다. 바람직하게는 상기 멜라닌 나노입자는 30 nm 내지 600 nm의 직경을 가질 수 있다.
The term "melanin nanoparticles" as used herein means very small melanin particles having an average diameter on the order of nanometers. Preferably, the melanin nanoparticles may have a diameter of from 30 nm to 600 nm.
상기 멜라닌 나노입자는 아민기 또는 티올기 등의 작용기와 반응성이 높아 이러한 작용기를 갖는 화합물로 멜라닌 나노입자의 표면을 용이하게 개질할 수 있다.
The melanin nanoparticles are highly reactive with functional groups such as an amine group or a thiol group, and thus the surface of the melanin nanoparticles can be easily modified with a compound having such a functional group.
상기 멜라닌 나노입자는 자연계에 존재하는 것을 분리하여 사용할 수 있다. 예컨대, 오징어 먹물로부터 추출하여 사용할 수 있다. 또는 도파민, DOPA 또는 시스테인의 멜라닌 전구체로부터 합성하여 사용할 수 있다. 예컨대, 도파민·H+X- 함유 수용액(여기서, H+X-는 산임)과 염기(base)의 화학 반응에 의해 형성된 도파민을 산화시키면서 중합반응(polymerization)시켜 멜라닌을 제조할 수 있다. 상기 염기 첨가시 도파민·H+X-와 염기의 몰비를 조절하면, 멜라닌을 일정한 형상을 갖는 입자 상태로 제조할 수 있고, 나아가 나노미터 수준으로 입자 크기가 조절된 멜라닌 입자를 제조할 수 있다.
The melanin nanoparticles can be separated and used in nature. For example, it can be extracted from squid ink and used. Or a melanin precursor of dopamine, DOPA or cysteine. For example, melamine can be produced by polymerizing dopamine while oxidizing dopamine formed by a chemical reaction between a dopamine · H + X - containing aqueous solution (where H + X - is an acid) and a base. When the molar ratio of dopamine · H + X - and base is adjusted during the addition of the base, melanin can be produced in a particle state having a uniform shape, and further, melanin particles having a particle size adjusted to a nanometer level can be produced.
본 발명에서 사용되는 멜라닌 나노입자는 그 자체로 광음향 효과가 있기 때문에 특별한 개질 없이도 광음향 영상화제로 사용할 수 있다. 멜라닌 나노입자만으로는 광음향 신호는 약하고 원하는 위치 예컨대 암이나 염증성 질환과 같은 질병의 병변에 특이적으로 신호를 발생하는 것이 아니므로, 바람직하게는 멜라닌 나노입자를 응집시키는 것으로 그 신호를 강화할 수 있다.
The melanin nanoparticles used in the present invention can be used as a photoacoustic imaging agent without special modification due to its own photoacoustic effect. The melanin nanoparticle alone does not produce a signal specifically for a lesion of a disease such as a cancer or an inflammatory disease because the photoacoustic signal is weak, and the signal can be enhanced by agglutinating the melanin nanoparticles.
놀랍게도, 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자는 특정 조건에서 응집되는 것을 확인하였고, 이에 따라 광음향 신호가 강화된다는 것을 확인하였다. 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자가 응집되는 조건은 다양할 수 있다. 일례로, 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자는 산성 조건에서 응집될 수 있으며, 금속이온 존재 하에 응집될 수 있으며, 또는 생체 분자 존재하에 응집될 수 있다. 이의 조건을 구체적으로 설명한다.
Surprisingly, it has been confirmed that the melanin nanoparticles according to the present invention are aggregated under specific conditions, thereby confirming that the photoacoustic signal is strengthened. The conditions under which the melanin nanoparticles according to the present invention coagulate may vary. For example, the melanin nanoparticles according to the present invention can be aggregated under acidic conditions, aggregated in the presence of metal ions, or aggregated in the presence of biomolecules. The conditions thereof will be described in detail.
먼저, 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자는 산성 조건에서 응집될 수 있으며, 이는 멜라닌 나노입자의 표면에 산성 조건에서 응집할 수 있는 기능기를 도입함으로써 가능하다.
First, the melanin nanoparticles according to the present invention can be aggregated under acidic conditions, which can be achieved by introducing functional groups capable of aggregating on the surface of melanin nanoparticles under acidic conditions.
산성 조건에서 응집할 수 있는 기능기의 일례로는, 카르복시기와 아민기를 들 수 있다. 카르복시기와 아민기는 산성 조건에서 이온화하여 서로 인력이 생기므로, 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자의 표면에 이러한 카르복시기와 아민기를 가지는 화합물을 도입하면, 특정 산성 조건에서 이온화하여 각각 이웃한 멜라닌 나노입자 표면의 카르복시기 및 아민기와 인력이 생겨 멜라닌 나노입자가 서로 응집할 수 있다.
Examples of functional groups capable of aggregating under acidic conditions include carboxyl groups and amine groups. Since carboxyl groups and amine groups are ionized under acidic conditions to attract each other, when a compound having such a carboxyl group and an amine group is introduced onto the surface of the melanin nanoparticles according to the present invention, ionization occurs at a specific acidic condition and the surface of each neighboring melanin nanoparticle Melanin nanoparticles can aggregate with each other due to carboxyl groups and amine groups and attraction.
상기 산성 조건은 바람직하게는 pH 2 내지 6인 것이 바람직하다. 이러한 특징으로 인해 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자는 광음향 영상화에 의한 병변의 진단에 유용하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 염증성 질환, 암질환 등의 다양한 질환이 나타나는 병변에서 국부적으로 세포 환경이 산성을 띠게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 표면이 개질된 나노입자를 체내에 주입하면 체내를 순환하다가 산성을 띠는 병변에서 응집되어 강한 광음향 신호를 방출할 수 있다. 특히, 멜라닌 나노입자의 경우 흡수파장이 약 700 nm로 상대적으로 투과성이 높은 적외선에 가까운 장파장을 흡수하고 음파를 방출하므로 체외에서 병변을 진단할 수 있는 장점이 있다.
The acidic condition is preferably
상기 카르복시기 또는 아민기를 가지는 화합물의 일례는 각각 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 화합물이다. Examples of the compound having a carboxyl group or an amine group are compounds represented by the following formulas (1) and (2), respectively.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[화학식 2](2)
또는or
상기 식에서,In this formula,
R는 C1 -6 알킬렌이다
R is a C 1 -6 alkylene
상기 화학식 1 및 2는 모두 아민기를 가지고 있으며, 이러한 아민기(화학식 1의 경우 하나의 아민기)를 통하여 멜라닌 나노입자의 표면에 개질될 수 있다. 개질된 멜라닌 나노입자는 상기 화학식 1 및 2의 말단의 아민기와 카르복시기를 가지고 있기 때문에, 특정 산성 조건에서 이온화하여 각각 이웃한 멜라닌 나노입자 표면의 카르복시기 및 아민기와 인력이 생겨 멜라닌 나노입자가 서로 응집할 수 있다.
The above general formulas (1) and (2) all have amine groups and can be modified on the surface of the melanin nanoparticles through such amine groups (one amine group in the case of Formula (1)). Since the modified melanin nanoparticles have an amine group and a carboxyl group at the terminal ends of the
바람직하게 상기 X는 에틸렌(-CH2CH2-)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 X는 멜라닌 나노입자가 응집체를 형성하는 경우, 입자 간에 일정한 간격을 유지하여 개별 입자의 열장(thermal field) 중첩에 의해 증폭된 광음향 신호를 발생할 수 있도록 할 수 있는 한, 제한없이 선택될 수 있다.
Preferably X is ethylene (-CH 2 CH 2 -), but is not limited thereto. The X can be selected without limitation as long as melanin nanoparticles form agglomerates so that they can generate a photoacoustic signal amplified by overlapping the thermal field of the individual particles while maintaining a constant gap between the particles have.
또한, 본 발명의 멜라닌 나노입자는 표면에 폴리에틸렌글리콜이 추가로 개질될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 폴리에틸렌글리콜은 멜라닌 나노입자가 수용액에 잘 분산될 수 있도록 한다. 상기 폴리에틸렌글리콜의 분자량은 1 kDa 내지 40 kDa인 것이 바람직하다. 이와 같이 수용액에 대한 분산성이 향상된 나노입자는 체내에서 오래 존재할 수 있으므로 주사제나 경구투여제 등으로 전신투여하여도 상기 멜라닌 나노입자가 특정 조직이나 세포에 도달할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있다. 상기 폴레에틸렌글리콜은 말단의 티올기를 통하여 멜라닌 나노입자의 표면에 개질될 수 있으며, 따라서 일반식 mPEG-SH인 것이 바람직하다.
In addition, the melanin nanoparticles of the present invention may further be modified with polyethylene glycol on the surface thereof. The polyethylene glycol used in the present invention allows the melanin nanoparticles to be well dispersed in an aqueous solution. The molecular weight of the polyethylene glycol is preferably 1 kDa to 40 kDa. Since the nanoparticles having improved dispersibility in aqueous solution can be present in the body for a long time, sufficient time can be secured for the melanin nanoparticles to reach specific tissues or cells even by systemic administration with an injection or an oral administration agent . The polyethylene glycol may be modified on the surface of the melanin nanoparticles through the terminal thiol group, and therefore, it is preferable that the polyglycol is a general formula mPEG-SH.
본 발명에 따른 멜라닌 나노입자가 응집되는 다른 조건으로서, 금속이온 존재 하에 응집될 수 있다.
As another condition for the melanin nanoparticles according to the present invention to aggregate, they can be aggregated in the presence of metal ions.
금속 이온 존재하에 멜라닌 나노입자가 응집할 수 있는 기능기의 일례로는, 금속 이온과 배위결합이 가능한 기능기를 들 수 있다. 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자의 표면에 금속 이온과 배위결합이 가능한 기능기를 가지는 화합물이 도입된 경우, 금속 이온 존재시 이러한 기능기가 금속 이온과 배위결합하게 되고, 또한 금속 이온이 다른 기능기와 배위 결합하게 되어, 결과적으로 멜라닌 나노입자가 응집할 수 있다. 상기 금속 이온은 Na, Mg, Al, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd, Pb 등의 전이금속 및 알칼리 토금속인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 이온과 배위결합이 가능한 기능기를 가지는 화합물의 일례는 하기 화학식 3 또는 4로 표시되는 화합물을 들 수 있다. An example of a functional group capable of aggregating melanin nanoparticles in the presence of a metal ion is a functional group capable of coordinating with a metal ion. When a compound having a functional group capable of coordinating with metal ion is introduced on the surface of the melanin nanoparticle according to the present invention, the functional group is coordinatively bonded to the metal ion in the presence of the metal ion, and the metal ion is coordinated with another functional group As a result, the melanin nanoparticles can aggregate. The metal ion is preferably a transition metal such as Na, Mg, Al, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd or Pb and an alkaline earth metal. Examples of the compound having a functional group capable of coordinating with the metal ion include a compound represented by the following formula (3) or (4).
[화학식 3](3)
[화학식 4][Chemical Formula 4]
상기 식에서, X는 -COOH, -NH2, 카테콜, 또는 포스페이트이다.
Wherein, X is -COOH, -NH 2, catechol, or phosphate.
상기 화학식 3 및 4는 아민기 또는 티올기를 가지고 있으며, 이러한 아민기또는 티올기를 통하여 멜라닌 나노입자의 표면에 개질될 수 있다. 개질된 멜라닌 나노입자는 상기 화학식 3 및 4의 말단의 금속 이온과 배위결합이 가능한 기능기를 가지고 있기 때문에, 금속 이온이 존재하게 되면 복수의 멜라닌 나노입자가 금속 이온과 배위 결합하여 멜라닌 나노입자가 서로 응집할 수 있다.
The above formulas 3 and 4 have an amine group or a thiol group and can be modified on the surface of the melanin nanoparticle through the amine group or the thiol group. Since the modified melanin nanoparticles have a functional group capable of coordinating with the terminal metal ion of the above formulas 3 and 4, when the metal ion is present, a plurality of melanin nanoparticles coordinate-bond with the metal ion to form melanin nanoparticles It can coalesce.
본 발명에 따른 멜라닌 나노입자가 응집되는 다른 조건으로서, 특정 생체 분자 존재 하에 응집될 수 있다.As another condition for the melanin nanoparticles according to the present invention to aggregate, they can be aggregated in the presence of specific biomolecules.
본 발명에 따른 멜라닌 나노입자를 포함하는 광음향 영상화제는 암이나 염증분위와 같은 병변의 조건에서 응집되어 광음향 신호를 현저히 향상시킬 수 있다. 또한 물에 잘 분산되고, 세포 독성이 없으며, 생체 내 잔류시간이 길어 광음향 영상화제로서 질병의 진단 및/또는 치료에 유용하게 사용될 수 있다.The photoacoustic imaging agent comprising the melanin nanoparticles according to the present invention can agglomerate under conditions of lesions such as cancer or inflammatory spots, thereby significantly improving photoacoustic signals. Also, it is well dispersed in water, has no cytotoxicity, and has a long residence time in vivo, so that it can be useful for diagnosis and / or treatment of diseases as a photoacoustic imaging agent.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 따라 합성된 멜라닌-유사 나노입자의 (a) TEM 이미지, 및 상기 나노입자의 (b) 몰농도 및 (c) 흡광도에 대한 광음향 신호를 나타낸 도이다. 비교예로는 메틸렌블루 및 금 나노로드를 사용하였다.
도 2는 본 발명에 따른 멜라닌 나노입자의 응집에 따른 광음향 신호에 대한 영향을 나타낸 도이다. (a)는 산성조건에서 응집되도록 고안된 멜라닌 나노입자의 표면 개질 및 응집을 나타낸 개략도이다. 나노입자 표면에 도입된 시트라콘아미드는 산성조건에서 가수분해하여 입자 상의 양성 표면전하를 변화시켜 결과적으로 나노입자의 응집을 유도한다. (b)는 중성조건과 비교하여 산성조건에서 표면 개질된 멜라닌 나노입자를 포함하는 튜브의 광음향 종단면 이미지(photoacoustic slice vertical images)를 나타낸 도이다. (c)는 산성 및 중성조건에서 개별 함유물로부터의 시간에 대한 광음향 신호궤적을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 개질된 멜라닌 나노입자의 산성 및 중성조건에서 유체역학적 반경(hydrodynamic radii) 및 광학적 특성을 나타낸 도이다. (a)는 산성 및 중성조건에서 시간에 따른 유체역학적 반경의 변화를 나타낸 도이다. (b)는 산성 및 중성조건에서 시간에 따른 광학적 산란에 의한 흡광도(λ=700 nm)의 변화를 나타낸 도이다. (c)는 산성조건에서 표면 개질된 멜라닌 나노입자의 시간에 따른 광음향 신호, 유체역학적 반경 및 흡광도(λ=700 nm) 변화를 함께 나타낸 도이다. 시간이 지남에 따라 응집이 진행되어 입자의 유체역학적 반경이 증가하고 이에 따라 광음향 신호의 비선형적으로 증가하였다.
도 4는 멜라닌 나노입자의 응집에 따른 광음향 신호의 증폭 및 이에 대한 기전을 나타낸 도이다. (a)는 입자크기 변화에 따른 광음향 신호의 변화를 나타낸 도이며, (b)는 농도와 광음향 신호의 상관관계를 나타낸 도이다. (c)는 나노입자화된 광음향 영상화제로부터의 광음향 신호 발생 및 입자의 응집에 따른 신호 증폭을 설명하는 기전을 개략적으로 나타낸 도이다.1 is a diagram showing a photo-acoustic signal for (a) a TEM image of melanin-like nanoparticles synthesized according to a specific embodiment of the present invention, (b) molar concentration of the nanoparticles and (c) absorbance. Methylene blue and gold nanorods were used as comparative examples.
2 is a graph showing the influence of the melanin nanoparticles according to the present invention on the photoacoustic signal caused by agglomeration. (a) is a schematic diagram showing the surface modification and agglomeration of melanin nanoparticles designed to agglomerate under acidic conditions. Citraconamide, introduced on the surface of nanoparticles, hydrolyzes under acidic conditions to change the positive surface charge on the particle and consequently induces aggregation of the nanoparticles. (b) is a diagram showing photoacoustic slice vertical images of a tube comprising surface modified melanin nanoparticles under acidic conditions compared to neutral conditions. (c) shows the photoacoustic signal trajectory over time from the individual inclusions under acidic and neutral conditions.
Figure 3 shows the hydrodynamic radii and optical properties of the surface modified melanin nanoparticles according to the invention under acidic and neutral conditions. (a) shows changes in hydrodynamic radius over time under acidic and neutral conditions. (b) shows the change of absorbance (λ = 700 nm) due to optical scattering over time under acidic and neutral conditions. (c) is a graph showing changes in photoacoustic signals, hydrodynamic radius and absorbance (λ = 700 nm) of the surface-modified melanin nanoparticles over time under acidic conditions. Over time, agglomeration progressed and the hydrodynamic radius of the particles increased, resulting in a nonlinear increase in the photoacoustic signal.
FIG. 4 is a diagram showing the amplification of a photoacoustic signal caused by agglomeration of melanin nanoparticles and the mechanism thereof. (a) shows a change in photoacoustic signal according to a particle size change, and (b) shows a correlation between a concentration and a photoacoustic signal. (c) schematically illustrate the mechanism for explaining the photoacoustic signal generation from nanosized photoacoustic imaging agents and signal amplification due to particle agglomeration.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시에에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
제조예Manufacturing example 1: 멜라닌 나노입자의 제조 1: Preparation of melanin nanoparticles
대한민국 등록특허 제10-1227322호에 기재된 방법에 따라 멜라닌 나노입자를 제조하였다.
Melanin nanoparticles were prepared according to the method described in Korean Patent No. 10-1227322.
구체적으로, 도파민 하이드로클로라이드(Dopamine hydrochloride; (3,4-dihydroxyphenethylamine)HCl) 180 ㎎을 탈이온수(deionized water) 90 ㎖에 용해시켜 몰 농도가 약 10.5 m㏖/l인 도파민·HCl 함유 수용액(pH = 6.8)을 제조하였다. 이후, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 도파민·HCl 함유 수용액을 50℃의 온도에서 1N의 NaOH 760 ㎕와 혼합하여(도파민·HCl : NaOH = 1 : 0.8 몰 비율) 중화반응시키면서, 5 시간 동안 공기 중에서 교반하여 중합반응을 수행하였다. 이어서, 교반 후 얻은 반응 생성물을 상온하에서 약 18,000 rpm의 속도로 약 20분간 원심 분리하여 정제하되, 이를 3회 반복하였다. 이후, 약 4,000 rpm의 속도로 약 10분간의 원심분리를 통해 크기 선별(size selection)을 실시하여 물에 분산되어 있는 멜라닌 입자 70 ㎎을 얻었는데, 이때 수득된 멜라닌 입자는 약 80 ~ 100 ㎚의 지름을 갖는 구형이었다.
Specifically, 180 mg of Dopamine hydrochloride (3,4-dihydroxyphenethylamine) HCl was dissolved in 90 ml of deionized water to obtain an aqueous solution containing about 10.5 mmol / l of dopamine · HCl (pH = 6.8). 7, the dopamine · HCl-containing aqueous solution was mixed with 760 μl of 1N NaOH at a temperature of 50 ° C. (dopamine · HCl: NaOH = 1: 0.8 molar ratio) The polymerization reaction was carried out by stirring in air. Subsequently, the reaction product obtained after stirring was purified by centrifugation at room temperature for about 20 minutes at a rate of about 18,000 rpm, which was repeated three times. Thereafter, size selection was carried out by centrifugation at about 4,000 rpm for about 10 minutes to obtain 70 mg of melanin particles dispersed in water. The obtained melanin particles had a size of about 80 to 100 nm It was spherical with diameter.
여기서, 상기 혼합 용액이 자발적으로 산화함에 따라, 도파민·HCl 함유 수용액의 pH는 약 6.8에서 NaOH의 첨가 직후 약 9.25으로 변하였다가, 점점 중성으로 변하여 NaOH 첨가 후 약 5 시간 후에는 pH 6.6 정도로 변하였다. 이때, 상기 혼합 용액의 색은 투명 → 옅은 노란색(pale yellow) → 어두운 갈색(dark brown)으로 변화하였다. 상기 수득한 멜라닌 입자의 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM) 이미지를 도 1(a)에 나타내었다.
Here, as the mixed solution spontaneously oxidizes, the pH of the aqueous solution containing dopamine · HCl changed from about 6.8 to about 9.25 immediately after the addition of NaOH, and gradually became neutral. After about 5 hours from the addition of NaOH, Respectively. At this time, the color of the mixed solution changed from transparent to pale yellow to dark brown. A transmission electron microscope (TEM) image of the obtained melanin particles is shown in Fig. 1 (a).
상기 멜라닌 나노입자로부터의 광물리적 특성을 확인하기 위하여 5 mJ/㎠의 레이저 흐름을 적용하여 λ=700 nm에서 광음향 반응을 몰농도에 대해 플롯하여 멜라닌 나노입자의 광음향 신호 향상능을 널리 사용되는 외생(exogenous) 광음향 영상화 조영제인 금 나노로드 및 메틸렌블루(methylene blue)와 비교하여 평가하였다. 몰농도에 상응하는 광음향 신호 증가율에 있어서 메틸렌블루 및 금 나노로드는 멜라닌 나노입자에 비해 각각 15.1 및 8.1배 더 높은 값을 나타내었다. 광음향 효과의 효율성이 흡수 및 흡수된 광자의 열로의 전환율에 임계적으로 의존함을 고려하여, 멜라닌 나노입자의 열적 전환율을 상응하는 흡광도에 대해 광음향 신호를 플롯하여 측정할 수 있다. 도 1c에 나타난 바와 같이, 나노입자화된 유기흡수체인 멜라닌 나노입자는 플라즈몬 나노입자보다 다소 더 높은 향상된 신호를 나타내었으며 한편, 메틸렌블루는 멜라닌 나노입자보다 2.2배 더 높은 반응을 나타내었다. 단량체의 초분자적(supramolecular) 나노응집체(nanoaggregate)로서 묘사된 폴리도파민의 최근 제안된 구조적 모델로부터 멜라닌 나노입자의 구조가 자연적 멜라닌의 광물리적 특성과 관련된 자연적 멜라닌의 구조와 유사함을 확인하였다.
In order to confirm the photophysical properties from the melanin nanoparticles, photoacoustic reaction was plotted against molar concentration at λ = 700 nm by applying a laser flow of 5 mJ /
따라서, 멜라닌 나노입자의 광음향 향상능은 생물계에서 광보호기능을 유발하는 자연적 멜라닌의 광-물리적 특성을 대표하는 넓은 띠 흡수 및 강한 비방사성 방출 특성을 유도하는 그 구조적 특성으로부터 유래할 수 있다.
Thus, the photoacoustic enhancement capability of melanin nanoparticles can be derived from its structural properties, which lead to broad band absorption and strong non-radioactive emission characteristics, which represent the photo-physical properties of natural melanin causing photoprotection in biological systems.
실시예Example 1: 멜라닌 나노입자의 표면 개질 및 나노입자의 응집 1: Surface modification of melanin nanoparticles and aggregation of nanoparticles
멜라닌 나노입자의 응집과 광음향 반응 간의 상관관계를 연구하기 위하여, 입자의 표면에 가수분해되기 쉬운 시트라콘산 아미드(citraconic amide)를 도입함으로써 산성 환경에서 응집되도록 멜라닌 나노입자의 표면을 개질하였다(도 2a).
In order to investigate the correlation between the aggregation of melanin nanoparticles and the photoacoustic response, the surface of the melanin nanoparticles was modified to incorporate citraconic amide, which is easily hydrolyzed on the surface of the particles, in an acidic environment 2a).
멜라닌 나노입자의 표면은 마이클 첨가 반응의 Schiff 염기를 통해 아민 또는 티올기로 기능화된 분자로 용이하게 개질될 수 있으므로, 잠재적 생체적합성 및 무수 시트라콘산과의 추가적인 반응을 위한 아민 말단기를 제공하기 위하여 mPEG-SH와 에틸렌디아민의 혼합물을 도입하였다.
Since the surface of the melanin nanoparticles can be easily modified to molecules functionalized with amines or thiol groups via Schiff bases in Michael addition reactions, it is possible to use mPEG as an amine terminal group for potential biocompatibility and further reaction with citraconic anhydride A mixture of -SH and ethylenediamine was introduced.
구체적으로, 30 mg의 mPEG-SH(2kDa)과 90 μmol의 에틸렌디아민을 10 mL의 MelNP용액(1 mg/mL)에 넣고 1시간 동안 격렬히 교반시킨 후 여러 번의 원심분리와 재분산을 통해 mPEG-SH과 에틸렌디아민으로 표면처리된 MelNP를 얻을 수 있었다. 이후 30 μmol의 시트라콘산과 포스페이트 버퍼 용액(pH 9) 5 mL를 표면처리된 5 mL의 MelNP용액(1 mg/mL)에 첨가하여 12시간 동안 격렬히 교반시킨 후 여러 번의 원심분리와 재분산을 통해 시트라콘산이 반응된 MelNP를 얻을 수 있었다.
Specifically, 30 mg of mPEG-SH (2 kDa) and 90 μmol of ethylenediamine were added to 10 mL of MelNP solution (1 mg / mL) and stirred vigorously for 1 hour. After several centrifugation and redispersion, mPEG- MelNP surface treated with SH and ethylenediamine could be obtained. Then, 5 mL of 30 μmol citraconic acid and phosphate buffer solution (pH 9) was added to the surface-treated 5 mL of MelNP solution (1 mg / mL), stirred vigorously for 12 hours, and centrifuged and redispersed several times Melanoprecipitated with citraconic acid was obtained.
멜라닌 나노입자 상에 도입된 일차 아민기는 무수 시트라콘산과 반응하여 아미드결합을 형성하였으며, 이때 각 단계에서 제타전위를 특정하여 표면 개질의 각 단계를 모니터할 수 있었다. 멜라닌 나노입자에 대한 모든 표면 개질 단계 후 상기 입자는 산성 환경에서 특이적으로 응집되었다. 반면, 개질되지 않은 멜라닌 나노입자 및 PEG화한 멜라닌 나노입자는 중성 및 산성환경 모두에서 각각 비특이적 응집 또는 안정성을 나타내었다. 상기 멜라닌 나노입자의 표면 개질과정 및 pH 변화에 따른 응집 기전을 도 2(a)에 나타내었다.
The primary amine groups introduced on the melanin nanoparticles were reacted with citraconic anhydride to form amide bonds, where each step of surface modification could be monitored by specifying zeta potentials at each step. After all surface modification steps to melanin nanoparticles, the particles aggregated specifically in an acidic environment. On the other hand, unmodified melanin nanoparticles and PEGylated melanin nanoparticles showed nonspecific aggregation or stability, respectively, in both neutral and acid environments. FIG. 2 (a) shows the coagulation mechanism of the melanin nanoparticles according to the surface modification process and pH change.
산성조건에서 개질된 멜라닌 나노입자 표면으로부터의 광음향 신호의 변이를 측정하여 중성조건에서의 결과와 비교하여 광음향 반응의 응집 유도 증폭을 확인하였다. 도 2에 나타난 바와 같이, 산성조건에서 표면 개질된 멜라닌 나노입자를 포함하는 튜브의 광음향 종단면 이미지는 시간이 지남에 따라 증가하는 세기를 나타내는 반면 중성조건에서의 결과는 안정하였다. 각 함유물(inclusion)으로부터 광음향 신호의 시간 궤적(time course)은 산성조건에 노출된 후 1시간까지 증가하는 신호 세기를 나타내었으며, 향상된 세기는 90분까지 안정하였다. 흥미롭게도, 향상된 광음향 신호는 중성조건에서의 결과와 비교하여 27배 더 높은 값을 나타내었다(도 2c).
The change of the photoacoustic signal from the surface of modified melanin nanoparticles in acidic condition was measured and compared with the result in neutral condition, the coagulation induction amplification of photoacoustic reaction was confirmed. As shown in FIG. 2, the photoacoustic cross-sectional image of the tube containing the surface modified melanin nanoparticles under acidic conditions exhibited increasing intensity over time, while the results under neutral conditions were stable. The time course of the photoacoustic signal from each inclusion showed signal intensity increasing up to 1 hour after exposure to acidic conditions, and the enhanced intensity was stable up to 90 minutes. Interestingly, the improved photoacoustic signal exhibited a 27-fold higher value compared to the results under neutral conditions (Figure 2c).
실시예Example 2: 나노입자의 응집에 의한 2: due to aggregation of nanoparticles 광음향Photoacoustic 신호의 비선형적 증가 Nonlinear increase of signal
표면 개질된 멜라닌 나노입자로부터의 광음향 신호의 현저한 증폭은 이들의 물리적 응집과 밀접하게 관련되었다. 멜라닌 나노입자의 pH-유도 응집을 가능하게 한 표면 화학의 결과로서, 멜라닌 나노입자의 유체역학적 반경(hydrodynamic radius)은 산성조건에서 증가되어 중성조건에서의 결과보다 10.8배 높은 값을 나타내었다(도 3a). 특히, 산성조건에서 유체역학적 반경의 증가율은 약 60 내지 90분에 포화되었으며, 이는 광음향 신호의 증폭에서의 경향과 일치하였다.
Significant amplification of photoacoustic signals from surface modified melanin nanoparticles was closely related to their physical agglomeration. As a result of the surface chemistry that enabled pH-induced aggregation of melanin nanoparticles, the hydrodynamic radius of melanin nanoparticles increased 10.8-fold higher than that of neutral conditions (Fig. 3a). In particular, the rate of increase in hydrodynamic radius in acidic conditions was saturated in about 60-90 min, consistent with the trend in amplification of photoacoustic signals.
광음향 반응의 변화에 관여하는 다른 인자는 나노입자화된 흡수체(absorber)에 의한 흡수이다. 이러한 견지에서, 유체역학적 반경의 증가로 인해 광학적 산란의 발생에 의해 유도되는 흡수(λ=700 nm)의 증가는 광음향 신호의 응집-유도 증폭과 관련된 중요한 인자일 수 있다. 그러나, 광학적 산란에 의한 흡광도 변화는 중성조건에서의 결과와 비교하여 단지 1.3배 더 높으며 광음향 신호 및 유체역학적 반경의 변화에 비교하면 무시할 만하다. 또한 광학적 산란 증가율은 산성조건에 노출 후 30분 이내에서 안정화되며 이는 광음향 신호 및 유체역학적 반경에 대한 결과와 일치하지 않는다. 따라서, 변화량 및 그 경향에 있어서 물리적 응집이 광학적 산란보다 광음향 신호의 현저한 증가를 유도하는 주된 인자일 수 있다.
Another factor involved in the change of the photoacoustic response is the absorption by the nanoparticulated absorber. In this regard, the increase in absorption (? = 700 nm) induced by the occurrence of optical scattering due to the increase in hydrodynamic radius may be an important factor associated with the cohesion-induced amplification of photoacoustic signals. However, the change in absorbance due to optical scattering is only 1.3 times higher compared to the results under neutral conditions and is negligible compared to changes in photoacoustic signals and hydrodynamic radius. Also, the optical scattering growth rate is stabilized within 30 minutes after exposure to acidic conditions, which is inconsistent with the results for photoacoustic signals and hydrodynamic radius. Thus, in terms of variation and trends, physical agglomeration can be a major factor in inducing a significant increase in photoacoustic signals over optical scattering.
멜라닌 나노입자로부터의 광음향 반응의 증폭이 여기 파장에서 광학적 산란의 변이 보다는 주로 이들의 물리적 응집에 의해 촉진됨을 고려할 때, 광음향 반응과 물리적 응집 간의 상관관계는 광음향 신호를 멜라닌 나노입자의 물리적 응집과 관련된 유체역학적 반경의 함수로 플롯팅함으로써 나타낼 수 있다(도 4a). 멜라닌 나노입자로부터의 광음향 신호의 증폭은 응집된 나노입자 주위의 열적 프로파일의 중첩에 의한 국부적 가열의 증가에 의해 유발될 수 있는 유체역학적 반경에 비선형적으로 비례한다. 본 발명에서 멜라닌 나노입자의 응집을 통한 광음향 반응의 증가는 최근 보고된 실리카의 응집을 통한 광음향 반응의 증폭에 대한 결과와 일치하며 이에 대한 제안된 기전은 도 4c에 나타난 바와 같이 나노입자화된 흡수체의 응집에 의해 유도된 광음향 반응의 증폭을 설명하기에 타당하다. 광음향 반응은 일반적으로 나노입자를 둘러싼 유체가 펄스로 주어지는 레이저 에너지를 흡수하는 나노입자에 의해 국부적으로 가열된 환경으로부터 생성된다. 광음향 반응의 증폭은 레이저 펄스폭의 시간 범위 내에서 나노입자 주위 유체의 온도 프로파일의 기울기에 대략적으로 비례하며 결과적으로 광음향 반응의 신호 세기는 나노입자로부터 주변 용매로의 열전달 및 주변 용매의 열발산 다이나믹스의 변화를 유도하는 표면환경에 의해 민감하게 영향을 받는다. 그러나, 상기 모델시스템에는 멜라닌 나노입자를 통한 물리적 응집을 제외하고는 열적다이나믹스와 관련된 표면환경 변화에 기여하는 인자가 존재하지 않는다. 따라서, 멜라닌 나노입자의 응집을 통한 광음향 반응의 증폭은 주로 멜라닌 나노입자를 둘러싼 유체의 중첩된 열유동장(thermal field)으로부터 유래되는 것으로 예상된다.
Considering that the amplification of the photoacoustic response from the melanin nanoparticles is promoted mainly by their physical agglomeration rather than the variation of the optical scattering at the excitation wavelength, the correlation between the photoacoustic response and the physical agglomeration is that the photoacoustic signal is converted to the physical By plotting with a function of the hydrodynamic radius associated with the agglomeration (FIG. 4A). The amplification of photoacoustic signals from melanin nanoparticles is nonlinearly proportional to the hydrodynamic radius that can be caused by an increase in local heating due to superposition of the thermal profile around the aggregated nanoparticles. The increase in photoacoustic response through the aggregation of melanin nanoparticles in the present invention is consistent with the result of amplification of the photoacoustic response through the aggregation of the recently reported silica and the proposed mechanism for this is shown in Figure 4c, It is reasonable to explain the amplification of the photoacoustic response induced by the aggregation of the absorber. Photoacoustic reactions are generally generated from an environment that is locally heated by nanoparticles that absorb the laser energy that is imparted by the fluid surrounding the nanoparticles in a pulse. The amplification of the photoacoustic response is approximately proportional to the slope of the temperature profile of the fluid around the nanoparticles within the time range of the laser pulse width and consequently the signal intensity of the photoacoustic response is proportional to the heat transfer from the nanoparticles to the surrounding solvent and the heat of the surrounding solvent It is sensitively affected by the surface environment that induces changes in divergence dynamics. However, there is no factor in the model system that contributes to surface environmental changes related to thermal dynamics except for physical agglomeration through melanin nanoparticles. Thus, amplification of the photoacoustic response through the aggregation of melanin nanoparticles is expected to result primarily from the superimposed thermal field of the fluid surrounding the melanin nanoparticles.
추가적으로, 멜라닌 나노입자의 농도와 광음향 신호의 비선형 상관관계는 광음향 신호의 증폭이 향상된 음파를 유도하는 나노입자 주변의 열층의 커플링에 의해 유도됨을 제시한다. 나노입자의 농도가 증가함에 따라 브라운 운동을 하는 각각의 단일 나노입자 간의 접촉 기회가 증가될 수 있으므로, 펄스로 주어지는 레이저 흐름 하에서 각각의 멜라닌 나노입자 간의 열적 커플링 가능성은 멜라닌 나노입자의 농도에 따라 증가할 수 있다. 도 4b에 나타난 바와 같이, 물에 균일하게 분산된 멜라닌 나노입자는 1 mg/ml에 달할 때까지 농도에 대해 선형적 광음향 신호 세기를 나타내었으나, 2 mg/ml을 초과하는 농도에서 비선형적 광음향 신호 세기를 나타내었다.
In addition, the nonlinear correlation of the concentration of melanin nanoparticles with the photoacoustic signal suggests that amplification of the photoacoustic signal is induced by the coupling of the thermal layer around the nanoparticles leading to the improved sound wave. As the concentration of nanoparticles increases, the chance of contact between each single nanoparticle in the Brownian motion can be increased, so that the potential for thermal coupling between each melanin nanoparticle under pulsed laser flow depends on the concentration of the melanin nanoparticles . As shown in Figure 4b, the uniformly dispersed melanin nanoparticles in water exhibited linear photoacoustic signal intensity at concentrations up to 1 mg / ml, but nonlinear light at concentrations exceeding 2 mg / ml Acoustic signal intensity.
그 결과로서, 멜라닌 나노입자로부터의 광음향 신호의 증폭은 열적 커플링에 대한 확률을 증가시키는 임계 농도를 초과하는 농도의 증가를 통해 균일하게 분산된 멜라닌 나노입자 수용액에서 생성될 수 있으며, 광음향 반응의 증폭을 유도하는 응집은 광음향 반응과 임계 농도를 초과하는 농도 간의 비선형적 상관관계에 의해 확인할 수 있었다.As a result, the amplification of the photoacoustic signal from the melanin nanoparticles can be produced in a uniformly dispersed aqueous solution of melanin nanoparticles through an increase in concentration exceeding the critical concentration, which increases the probability of thermal coupling, Agglomeration leading to the amplification of the reaction could be confirmed by nonlinear correlation between the photoacoustic response and the concentration exceeding the critical concentration.
Claims (14)
상기 멜라닌 나노입자는 멜라닌 나노입자의 응집에 의해 광음향 신호가 증폭될 수 있도록, 산성 조건에서 응집하는 기능기 또는 전이금속 또는 알칼리 토금속 이온의 존재 하에 응집하는 기능기를 갖도록 표면 처리된 것인, 광음향 영상화제.
As photoacoustic imaging agents comprising melanin nanoparticles,
Wherein the melanin nanoparticles are surface-treated to have functional groups capable of aggregating in the presence of functional groups or transition metals or alkaline earth metal ions that aggregate under acidic conditions so that photoacoustic signals can be amplified by aggregation of melanin nanoparticles. Acoustic imaging.
상기 산성 조건에서 응집하는 기능기는 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 것인, 광음향 영상화제:
[화학식 1]
[화학식 2]
또는
상기 식에서,
X 또는 R는 C1-6 알킬렌이다.
The method according to claim 1,
Wherein the functional groups that aggregate under the acidic conditions are represented by the following formulas (1) and (2):
[Chemical Formula 1]
(2)
or
In this formula,
X or R is C1-6alkylene .
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 식에서, X는 -COOH, -NH2, 카테콜 또는 포스페이트이고,
R는 C1-6 알킬렌이다.
2. The photoacoustic imaging agent according to claim 1, wherein the functional group which coagulates in the presence of the transition metal or alkaline earth metal ion is represented by the following formula 3 or 4:
(3)
[Chemical Formula 4]
Wherein, X is -COOH, -NH 2, catechol or phosphate,
R is C 1-6 alkylene.
The photoacoustic imaging agent of claim 1, wherein the melanin nanoparticles have a diameter of from 30 nm to 600 nm.
The photoacoustic imaging agent according to claim 1, wherein the melanin nanoparticles are extracted from squid ink.
The photoacoustic imaging agent according to claim 1, wherein the melanin nanoparticles are synthesized from at least one melanin precursor selected from the group consisting of dopamine, DOPA, or cysteine.
The photoacoustic imaging agent according to claim 1, wherein the acidic condition is a pH of 2 to 6.
The photoacoustic imaging agent according to claim 1, wherein the melanin nanoparticles are further modified with polyethylene glycol on their surfaces.
The photoacoustic imaging agent according to claim 3, wherein the transition metal or alkaline earth metal is Mg, Al, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd or Pb.
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