KR20160090096A - 업컨버팅 나노입자 및 특이적 리셉터를 포함하는 당뇨병 진단용 복합체 - Google Patents

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Abstract

혈액 내 당뇨병 인자인 당화혈색소를 검출하기 위한 근적외선 광원에 의해 여기되는 업컨버팅 나노입자 및 발광 공명 에너지 전달기반의 플랫폼을 제공하고자 한다.

Description

업컨버팅 나노입자 및 특이적 리셉터를 포함하는 당뇨병 진단용 복합체{A composite compound comprising upconverting nanoparticle and specific receptor}
본 발명은 업컨버팅 나노입자 및 특이적 리셉터를 포함하는 당뇨병 진단용 복합체에 관한 것으로, 구체적으로 근적외선 광원(NIR)에 의해 여기 되는 업컨버팅 나노입자(UCNPs)의 발광 공명 에너지 전달(LRET)에 기반한 혈액 내 당뇨병 인자인 당화혈 색소(HbA1c) 측정을 통해 당뇨병을 진단할 수 있는 복합체, 이를 포함하는 진단 키트, 및 이의 제조방법 등에 관한 것이다.
당화혈색소는 장기간 동안 혈중 혈당 농도를 알기 위해 사용하는 혈색소의 한 형태로 당뇨환자에서 혈당이 잘 조절되지 않을 경우 위 수치는 증가하게 된다. 현재 당화혈색소 측정 방법 중 전하 차이에 근거한 검사법에는 이온 교환 크로마토그래피법, 고속 액체 크로마토그래피법(HPLC) 및 전기영동법 등이 있다. 구조적 차이를 이용한 검사법에는 친화크로마토그래피법(affinity chromatography)과 면역분석법(immunoassay)이 있다.
이 중 표준화된 방법인 HPLC법은 기술적으로 복잡하고 비용이 높으며 측정 속도도 느리다. 또한 실제 시료 안에 존재하는 다양한 부산물에 의한 매트릭스 효과(matrix effect)로 인해 균질한(homogeneous) 한 상태에서 당화혈색소을 측정하기 어려워 시료의 전처리 및 검출 과정에 있어서 세척 등의 과정이 요구되고 있다.
형광 공명 에너지 전달(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET)에 기반한 바이오 센서를 이용하면 생체 분자의 결합을 균질한한 상태에서 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 사용되는 유기형광 물질 및 양자점(Q-dot)을 여기시키기 위해 사용되는 자외선 또는 가시광선(UV or visible light)에 의한 생체분자 물질의 손상 및 시료 내 발광하는 여러 부산물에 의한 비특이적 신호가 유발될 수 있다는 문제가 있다.
최근 많이 이용되고 있는 업컨버팅 나노입자는 여기시킬 때 근적외선을 사용하므로 앞서 언급된 문제점을 해결할 수 있으며 업컨버팅 나노입자 기반의 발광 공명 에너지 전달을 도입하면 균질한 한 상태에서 당화혈색소을 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
Chem. Eur. J. 2014, 20 (10), 2888-2894 Anal.Chem. 2009, 81, 88783-8789 Anal. Biochem. 444 (2014) 47-56
본 발명에서는 혈액 내 당뇨병 인자인 당화혈색소를 검출하기 위해, 근적외선 광원에 의해 여기되는 업컨버팅 나노입자를 포함하고 발광 공명 에너지 전달을 기반으로 하는 플랫폼을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 (i) 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터, 및 (ii) 상기 특이적 리셉터와 결합되어 있는 업컨버팅 나노입자를 포함하는 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 복합체를 포함하는 당뇨병 진단용 키트에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (a') 표면 개질된 업컨버팅 나노입자, 및 (a'') 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터가 각각 별도의 용기에 담겨 있도록 구성되어 있는 당뇨병 진단용 키트에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 인체에서 분리된 혈액을 본 발명의 여러 구현예에 따른 복합체와 접촉시키는 단계, (B) 상기 혈액과 접촉된 복합체에 대해서 근적외선 광원을 조사하고 발광 세기를 측정하는 단계를 포함하는 당뇨병 진단방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 항체 및 상기 항체와 결합되어 있는 업컨버팅 나노입자를 포함하는 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 플랫폼은 당화혈색소 농도가 증가함에 따라 업컨버팅 나노입자-항체 복합체에서 당화혈색소로 에너지가 전달되는 양이 증가하게 된다. 그에 따라 업컨버팅 나노입자-항체 복합체로부터 감쇠되는 발광되는 신호를 정량적으로 얻을 수 있다.
도 1a는 아비딘과 바이오틴의 결합을 보여주고 있고, 도 1b는 업컨버팅 나노입자-항체로 구성된 복합체에서 주게(donor)로부터 당화혈색소 받게(acceptor)로 발광공명 에너지 전달이 일어나는 것을 모식적으로 도식화한 것이다.
도 2는 실시예에서 합성된 업컨버팅 나노입자에 대한 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 3은 실시예에서 합성된 업컨버팅 나노입자를 근적외선 980 nm 다이오드 레이저에 조사 하에 발광되는 빛의 이미지 및 스펙트럼 결과이다.
도 4는 실시예에서 합성된 업컨버팅 나노입자에 당화혈색소 특이적 항체를 결합시키기 위해 카르복실기로 표면 개질한 업컨버팅 나노입자의 투과전자현미경 이미지 및 제타전위(zeta-potential) 분석 결과이다.
도 5는 실시예에서 합성된 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 980 nm 다이오드 레이저에 조사 하에 발광되는 빛에 대한 스펙트럼 및 당화혈색소의 흡광 스펙트럼 결과이다.
도 6은 실시예에서 합성된 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 당화혈색소 존재 하에 발광 공명 에너지 전달에 의한 감쇠된 발광신호의 스펙트럼 결과이다.
도 7은 실시예에서 합성된 다양한 농도의 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 당화혈색소 유무에 따른 발광신호의 감쇠효율 정도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예에서 업컨버팅 나노입자-항체 복합체와 당화혈색소와의 다양한 반응시간 별, 당화혈색소 유무에 따른 발광신호의 감쇠효율 정도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예에서 최적화된 조건에서 다양한 농도의 당화혈색소 가 포함된 표준 시료에 따른 발광신호의 감쇠를 나타낸 스펙트럼 및 감쇠효율 정도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예에서 최적화된 조건에서 다양한 농도의 당화혈색소 가 포함된 실제 혈액 시료에 따른 발광신호의 감쇠효율 정도를 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 일 구현예에 따른 진단 키트에 대한 평면 모식도 및 입체 모식도이다.
본 발명의 일 측면은 (i) 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터, 및 (ii) 상기 특이적 리셉터와 결합되어 있는 업컨버팅 나노입자를 포함하는 복합체에 관한 것이다. 달리 언급하면 본 발명의 위 측면은 (i) 업컨버팅 나노입자, 및 (ii) 상기 업컨버팅 나노입자와 결합되어 있는 1개 이상의, 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터를 포함하는 복합체에 관한 것이다.
혈액 내 당뇨병 인자인 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터와 업컨버팅 나노입자의 복합체를 주게로, 검출하고자 하는 당화혈색소를 받게로 이용하여 주게의 들뜬 상태의 에너지가 받게로 전달되는 발광 공명 에너지 전달을 통하여 감쇠된(quenched) 발광신호를 통한 당화혈색소을 검출한다.
일 구현예에 따르면, 상기 복합체는 당화혈색소 검출용 또는 당뇨병 진단용으로 사용되는 복합체이다.
다른 구현예에 따르면, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터는 당화혈색소에 대해 특이적으로 결합할 수 있는 물질로서, 항체, 효소, DNA, 압타머, 펩타이드 핵산(PNA), 리간드 중에서 선택된 1종 이상이다.
이와 같이, 상기 항체는 안티-HbA1c 모노클로날 항체, 안티-HbA1c 폴리클로날 항체, 안티-당화(glycated) 알부민 모노클로날 항체, 안티-당화(glycated) 알부민 폴리클로날 항체 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 효소는 당분해 효소일 수 있다. 상기 DNA는 당화혈색소 결합 압타머일 수 있다. 또한, 상기 리간드는 보론산일 수 있다.
특히, 상기 항체는 안티-HbA1c 모노클로날 항체인 경우에는 위에서 열거한 다른 특이적 리셉터에 비해서 거대분자인 당화혈색소를 특이적으로 잡을 수 있고, 리셉터 말단의 표면 개질화 및 전처리 과정이 필요 없다는 점에서 더욱 유리하다.
또한 보론산은 HbA1c와 충분히 잘 결합하는 바, 반응식 1에서 R기에 아민기를 포함하는 보론산을 사용하는 경우, 카르복실화되어 있는 업컨버팅 나노입자와 결합하여 복합체를 형성시킨 후 HbA1c 와의 반응에 사용할 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00001
또 다른 구현예에 따르면, 상기 업컨버팅 나노입자는 히토류 원소를 주성분으로 포함한다. 구체적인 일 구현예에 따르면, 상기 업컨버팅 나노입자는 이트륨(Y) 또는 이터븀(Yb) 중에서 선택된 1종 이상과 활성제 (activator)로는 얼븀(Er), 홀뮴(Ho), 툴륨(Tm) 중에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
구체적인 다른 구현예에 따르면, 상기 업컨버팅 나노입자는 아래 1, 2 또는 3 의 화학적 조성을 갖는다.
[화학식 1]
NaYF₄: 20% Ybㅃ■, 2% Erㅃ■
[화학식 2]
NaYF₄: 20% Ybㅃ■, 2% Hoㅃ■
[화학식 3]
NaYF₄: 20% Ybㅃ■, 2% Tmㅃ■
또 다른 구현예에 따르면, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터와 상기 업컨버팅 나노입자는 물리적 결합 또는 화학적 결합에 의해 서로 결합되어 있다. 구체적인 일 구현예에 따르면, 상기 물리적 또는 화학적 결합의 예에는 공유결합, 이온결합 또는 흡착 등을 들 수 있다.
이 중에서, 특히 공유결합은 아래와 같은 방법으로 형성할 수 있는 바, 업컨버팅 나노입자 표면에 도입된 알데하이드기와 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터와의 결합 형성은 아래와 같은 단계에 의해서 이루어질 수 있다.
(A) 업컨버팅 나노입자에 실리카를 코팅하는 단계, (B) 상기 업커버팅 나노입자에 코팅된 실리카에 아민기를 도입하는 단계, (C) 상기 아민기를 알데하이드기로 변환하는 단계, (D) 상기 알데하이드기와 상기 효소의 아민기, 항체의 아민기, DNA 말단의 아민기 또는 아미노페닐보론산과 같은 리간드의 아민기와 결합시키는 단계.
이때, 상기 (A) 단계는 업컨버팅 나노입자와 테트라에틸 오소실리케이트를 반응시킴으로써 수행될 수 있고, 상기 (B) 단계는 아미노프로필트리메톡실레인을 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 (C) 단계는 글루타르알데하이드를 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 (D) 단계는 반응식 2와 같이 상기 효소의 아민기, 항체의 아민기, DNA 말단의 아민기, 리간드의 아민기가 업컨버팅 나노입자의 알데하이드기와 쉬프베이스(schiff base) 구조를 형성함으로써 수행될 수 있다.
[반응식 2]
Figure pat00002
또한 상기 공유결합은 업컨버팅 나노입자의 표면에 도입된 에폭시기와 상기 효소, 항체, 리간드 또는 DNA와의 결합에 의해서도 이루질 수 있는데, 구체적으로 아래와 같은 단계에 의해 이루어질 수 있다.
(A) 업컨버팅 나노입자에 실리카를 코팅하는 단계, (B) 상기 업커버팅 나노입자에 코팅된 실리카에 에폭시기를 도입하는 단계, (C) 상기 에폭시기를 효소나 항체 또는 리간드의 아민기와 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한 (C) 단계에서 상기 에폭시기를 효소의 아민기, 항체의 아민기, DNA 말단의 아민기나 싸이올기, 또는 리간드의 아민기와 결합시킬 수도 있다.
상기 (A) 단계는 업컨버팅 나노입자와 테트라에틸 오소실리케이트를 반응시킴으로써 수행될 수 있고, 상기 (B) 단계는 글리시독시프로필 트리메톡실레인을 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 (C) 단계는 반응식 3과 4와 같이 상기 효소의 아민기, 항체의 아민기, DNA 말단의 아민기 또는 싸이올기, 또는 리간드이 아민기가 업컨버팅 나노입자의 에폭시기와 공유결합을 형성함으로써 수행될 수 있다.
[반응식 3]
Figure pat00003
[반응식 4]
Figure pat00004
또한 상기 공유결합은 업컨버팅 나노입자의 표면에 도입된 카르복시기와 상기 효소, 항체, 리간드 또는 DNA와의 결합에 의해서도 이루질 수 있는데, 이에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터는 항체이고, 상기 결합은 상기 업컨버팅 나노입자의 표면에 도입된 카르복실기와 상기 항체의 아민기 사이의 아미드 결합이다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 결합은 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 히드록실석식이미드(NHS) 사이의 반응에 의한 것이다.
이에 대해서 좀더 구체적으로 살펴보면, 카르복실화 실리카 코팅 업컨버팅 나노입자에 EDC를 첨가하여 카르복실기를 활성화시키게 된다. 즉 EDC는 반응 활성화를 위해 투입되어 일종의 불안정한 중간체를 형성하는 바, 최종적인 복합체 구조에는 포함되지 않는다. 이후, NHS를 첨가하여 NHS-에스테르 결합을 형성시킨다. 이러한 EDC/NHS 반응 후, 항체를 첨가함으로써 항체의 아민기와 아미드 결합을 통해 안정한 공유결합을 형성하여 업컨버팅 나노입자-항체로 구성된 복합체를 합성할 수 있다.
[반응식 5]
또 다른 구현예에 따르면, 상기 업컨버팅 나노입자는 실리카 코팅 또는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 캡슐화에 의해 표면이 개질되어 있다.
실리카 코팅 또는 PEG 캡슐화는 항체와의 복합체를 형성하기 위해 업컨버팅 나노입자에 관능기를 도입하는 방법으로서, 우선 실리카 코팅에 대해서는 위에서 살펴본 바와 같이 실리카 코팅 후 알데하이드기, 에폭시기 또는 카르복시기를 도입하게 되고, 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
다른 한편으로는 업컨버팅 나노입자에 PEG 캡슐화를 시킴으로써 카르복시기를 도입할 수도 있는 바, PEG-인지질(PEG-phospholipids)을 이용하여 업컨버팅 나노입자를 에워싸 마이셸 구조를 형성함으로써 물에 잘 분산되며 카르복실기를 띄는 업컨버팅 나노입자를 얻을 수 있다.
구체적으로, 업컨버팅 나노입자에 1,2-디미리스토일-sn-글리세로-3-포스포에타놀아민-N-[메톡시(폴리에틸렌 글리콜)-2000] (mPEG (2000))와 1,2-디스테아로일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민-N-[카르복시(폴리에탄올글리콜)-2000] (DSPE-PEG(2000) Carboxylic Acid)을 혼합 및 교반한 뒤, 반응용매를 날리고 세척함으로써 얻을 수 있다.
위에서 설명한 공유결합 외에도 이온결합과 흡착 등과 같은 비공유 결합을 통해서도 업컨버팅 나노입자와 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터가 결합될 수 있다.
이러한 비공유 결합의 예로서, 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), 뉴트라비딘(neutravidin)과 같은 단백질과 바이오틴(biotin)과 같은 화학 물질과의 결합을 이용할 수도 있다. 이러한 결합은 항체와 항원과의 반응처럼 매우 큰 친화력을 가지는 것으로 알려져 있다.
이러한 결합은 아래 여러 원인이 복합적으로 작용한 결과인 것으로 볼 수 있다. 우선 위 단백질의 결합 주머니(binding pocket)와 바이오틴 사이의 매우 상보적인 모양을 원인으로 들 수 있고, 둘째 바이오틴이 위 결합 자리에 있을 때 형성되는 거대한 수소결합의 네트워크를 원인으로 볼 수도 있다. 마지막으로, 바이오틴이 결합하는 결합 주머니는 소수성이므로 이러한 결합자리에 있을 때 바이오틴에 의해 만들어지는 소수성 상호작용에 의해 형성되는 반데르발스 인력을 이유로 들 수 있다.
따라서, 업컨버팅 나노입자를 위에 열거한 단백질의 아민과 결합시킴으로써 업컨버팅 나노입자와 위 열거한 단백질과의 복합체를 형성하는 한편, 항체에 바이오틴을 결합시키거나 압타머 말단에 바이오틴을 결합시키고 나서, 위 언급한 결합을 이용한다면 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 또는 나노입자-압타머 복합체를 형성할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 업컨버팅 나노입자의 평균 직경은 40 내지 45 nm이고, 상기 실리카 코팅의 평균 두께는 8 내지 10 nm이다.
항체를 포함한 다양한 리셉터를 결합시키고 세척 및 반응함에 있어서 UCNPs의 크기가 상기 범위의 상한 값을 초과하면 가라앉을 가능성이 있어 바람직하지 않으며, 하한 값 미만인 경우에는 본 발명의 효과를 충분히 발현하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않다.
또한, 실리카 코팅의 두께가 상기 범위의 상한 값을 초과하면 에너지 주게와 받게 사이의 거리가 너무 멀어서 효과적으로 에너지 전달이 일어나지 않게 되고, 상기 하한 값 미만이면 본 발명의 효과를 충분히 발현하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 복합체를 포함하는 당뇨병 진단용 키트에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (a') 표면 개질된 업컨버팅 나노입자, 및 (a'') 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터가 각각 별도의 용기에 담겨 있도록 구성되어 있는 당뇨병 진단용 키트에 관한 것이다.
이러한 키트 내에는 (b) 근적외선 광원을 추가로 포함될 수도 있다. 근적외선 광원으로는 파장이 980nm인 다이오드 레이저를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 키트에는 (c) 디텍터가 추가로 포함될 수도 있다. 상기 디텍터는 복합체 그 자체의 발광 세기와 혈액 처리된 복합체의 발광 세기를 각각 측정할 수 있는 성능을 갖춘 것이다.
또한, 상기 키트는 상기 디텍터로부터 복합체 그 자체의 발광 세기 수치와 혈액 처리된 복합체의 발광 세기 수치를 각각 제공받아, 복합체 그 자체의 발광 세기를 기준으로 혈액 처리된 복합체 발광 세기의 감쇠된 정도를 연산할 수 있는 연산부를 추가로 포함할 있고, 또한 그 감쇠된 정도를 정량적 또는 정성적으로 표시할 수 있는 디스플레이부를 추가로 포함할 수 있다.
이러한 진단 키트에 대한 평면 모식도 및 입체 모식도를 각각 도 11a 및 도 11b에 제시하였다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 인체에서 분리된 혈액을 본 발명의 여러 구현예에 따른 복합체와 접촉시키는 단계, (B) 상기 혈액과 접촉된 복합체에 대해서 근적외선 광원을 조사하고 발광 세기를 측정하는 단계를 포함하는 당뇨병 진단방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 항체 및 상기 항체와 결합되어 있는 업컨버팅 나노입자를 포함하는 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 제조방법은 (A) 업컨버팅 나노입자에 실리카를 코팅하는 단계, (B) 상기 업커버팅 나노입자에 코팅된 실리카에 아민기를 도입하는 단계, (C) 상기 아민기를 카르복실기로 변환하는 단계, (D) 상기 카르복실기와 항체의 아민기를 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계는 업컨버팅 나노입자와 테트라에톡시 실란을 반응시킴으로써 수행된다. 상기 (B) 단계는 아미노프로필 트리메톡실라인을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 (C) 단계는 숙신산 무수물을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 (D) 단계는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 히드록실석식이미드(NHS) 사이의 반응에 의해 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명에서는 혈액 내 당뇨병 인자인 당화혈색소를 검출하기 위한 근적외선 광원에 의해 여기되는 업컨버팅 나노입자 및 발광 공명 에너지 전달 기반의 플랫폼이 제공된다.
상기 업컨버팅 나노입자는 두 개 이상의 광자의 순차적인 흡수로 인하여 근적외선 영역의 빛을 흡수하여 여기 파장(excitation wavelength)보다 더 단파장 영역인 자외선 또는 가시광선 영역에서 발광하는 물질이다. 큰 신호 세기의 발광, 우수한 안정성 및 생체 적합성의 특성을 가지고 있으며 호스트(host), 활성제(activator), 증감제(sensitizer)의 종류 및 농도 등의 조절로 발광하는 신호의 파장을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 상기 업컨버팅 나노입자를 여기시킬 때 근적외선을 사용하므로 항체나 효소와 같은 검출하고자 하는 물질의 손상을 보호할 수 있으며 실제 시료 내에 존재하는 다양한 부산물에 의해 유발되는 매트릭스 효과로 인한 검출 신호의 감소 및 비 특이적 반응들이 발생하는 문제점들을 막을 수 있다.
상기 업컨버팅 나노입자-항체 복합체를 형성하기 위해 업컨버팅 나노입자 표면을 개질할 수 있다. 폴리에틸렌글리콜에 의한 업컨버팅 나노입자의 캡슐화(encapsulation) 및 실리카에 의한 코팅 방법을 이용할 수 있다. 상기 업컨버팅 나노입자 평균 직경은 약 40 내지 45 nm이며, 실리카 코팅에 의해 평균 코팅 두께 8 내지 10 nm로 코팅될 수 있다. 상기 두께로 코팅된 사기 업컨버팅 나노입자 는 근적외선에 응답하며 수용액에 잘 분산되어 생체물질과의 결합을 형성할 수 있다.
이와 같이, 표면 개질된 상기 업컨버팅 나노입자를 이용하여 상기 업컨버팅 나노입자-복합체를 형성함으로써, 업컨버팅 나노입자에 다양한 물질을 제한 없이 고정할 수 있다. 상기 고정되는 리셉터는 항체, 효소, DNA, 압타머, PNA(peptide nucleic acids) 및 리간드로 구성되는 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 업컨버팅 나노입자-항체 복합체는 물리적 또는 화학적 결합으로 형성될 수 있다. 화학적 결합의 예로서 공유 결합, 이온 결합 등을 형성된 경우가 있을 수 있고, 물리적 결합의 예로는 흡착 등의 경우가 있을 수 있다.
상기 업컨버팅 나노입자-항체 복합체는 주게 역할을 할 수 있고, 주게의 근적외선 조사 하에 발광되는 신호의 파장과 유사한 흡광도를 가지는 물질은 받게 역할을 할 수 있다. 이때, 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 항체와 검출 물질과의 특이적인 항원-항체 결합에 의해 주게에서 받게로 발광공명 에너지 전달이 일어나게 된다. 검출 대상인 받게 농도가 증가할수록 업컨버팅 나노입자의 발광되는 신호양이 점점 감소하게 된다. 즉, 감쇠된 발광 신호를 통해 정량적으로 검출 대상을 검출할 수 있다. 검출 대상의 흡광도의 파장에 겹쳐질 수 있는 발광 신호를 갖는 상기 업컨버팅 나노입자를 이용하면 복합체와 검출 대상과의 특이적 결합에 의한 발광공명 에너지 전달을 통한 감쇠된 발광신호로 다양한 검출 대상을 효과적으로 검출할 수 있게 된다.
도 1b는 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 주게에서 당화혈색소 받게로 발광공명 에너지 전달이 일어나는 것을 모식적으로 도식화한 것이다. 검출 대상인 당화혈색소 존재 시, 발광되는 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 발광 신호 에너지가 당화혈색소로 전달되어 감쇠된 발광 신호를 얻을 수 있게 된다.
다음은 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 제조에 관하여 구체적인 예시를 들어 설명한 것이고, 상기 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 제조 방법이 이에 한정되지는 않는다.
먼저, 업컨버팅 나노입자의 전구체 재료에 용매를 혼합한 혼합 용액에 열처리를 한 후, 상온까지 식힌 후 수산화나트륨과 암모늄 플로라이드를 포함하는 메탄올을 첨가하였다. 이후, 질소가스 하에 열처리를 하여 1 시간 동안 반응을 지속한 뒤 상온까지 식히고 나서, 에탄올로 침전을 잡아 세척하여 업컨버팅 나노입자를 얻었다.
상기 실리카 코팅으로 표면 개질된 업컨버팅 나노입자는 업컨버팅 나노입자를 계면활성제(Igepal CO-520) 및 암모니아와 함께 초음파 분쇄기를 이용하여 분산시킨 뒤 실리카 전구체인 테트라에톡시실란(Tetraethylorthosilicate)을 적상(dropwise)하여 6 시간 동안 상온에서 반응한 뒤 아세톤으로 침전을 잡고 에탄올과 2번 세척하였다. 이후, 2% 아미노프로필트리메톡실라인(APTMS)을 첨가하여 실리카가 코팅된 업컨버팅 나노입자에 아민기를 도입시켰다. 최종적으로 숙신산 무수물(succinic anhydride)을 이용하여 아민기를 카르복실기로 치환하였다.
상기 카르복실기로 개질된 업컨버팅 나노입자의 카르복실기와 항체의 아민기의 아미드 결합을 형성하는 반응에 의해 상기 화학적 결합을 형성시킬 수 있다. 아미드 결합 형성에 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC)와 N-히드록실석식이미드(NHS)의 EDC/NHS 반응이 이용될 수 있도록, 예를 들어 개질된 카르복실화 실리카 코팅 업컨버팅 나노입자에 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 N-히드록실석식이미드(NHS)를 함께 첨가하여 반응시킬 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
실시예
시험예 1: 합성된 업컨버팅 나노입자의 특성 확인
0.78 mmol YCl3 (Yttrium(III) chloride, 이트륨 클로라이드), 0.2 mmol YbCl3 (이터븀 클로라이드, Ytterbium(III) chloride), 0.02 mmol ErCl3 (얼븀 클로라이드, Erbium(III) chloride)를 올레산(oleic acid) 8 mL과 옥타데센(octadecene) 15 mL의 혼합 용액에 넣고 질소 가스 하에서 교반하면서 160 ℃까지 열처리를 한 뒤 진공 상태에서 30 분 동안 유지시킨 후 상온으로 식혔다. 이후, 0.25 M 수산화나트륨과 0. 4M 암모늄 플로라이드를 포함하는 메탄올을 첨가하였다. 질소 가스 하에 300 ℃까지 열처리를 하여 1 시간 동안 반응을 지속한 뒤 상온까지 식힌 후 에탄올로 침전을 잡아 세척하여 업컨버팅 나노입자를 얻었다.
합성된 상기 업컨버팅 나노입자를 투과전자현미경을 이용하여 모양 및 크기를 확인하였다. 도 2는 합성된 업컨버팅 나노입자에 대하여 투과전자현미경으로 얻은 이미지이다. 격자구조의 육각형 모양을 갖고 평균 직경은 약 40 내지 45 nm인 업컨버팅 나노입자이 얻어졌다.
도 3은 상기 합성된 업컨버팅 나노입자를 근적외선 980 nm 다이오드 레이저에 조사 하에 발광되는 빛에 대하여, 발광 및 형광 스펙트로미터(fluorescence and luminescence spectrometer, 제조사: Shinco(Korea), 모델명- FS-2)를 사용하여 540-550 nm (green light), 및 650-670 nm (red light) 에서 주요 피크를 가지는 스펙트럼 결과 및 발광되는 초록빛의 신호 이미징을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 실리카가 코팅된 업컨버팅 나노입자의 특성 확인
상기 카르복실기로 개질된 실리카 코팅 업컨버팅 나노입자를 투과전자현미경 및 제타전위 분석기를 이용하여 크기 및 표면 전위를 확인하였다. 도 4의 투과전자현미경 이미지를 통해 카르복실기로 개질된 실리카 코팅 업컨버팅 나노입자가 약 8 nm 에서 10 nm의 코팅 두께를 가지는 것을 확인하였다. 또한 포텐셜 분석기(Zeta-potential analyzer) (제조사: Photal Otsuka electronics (Japan), 모델명: ELS Z)를 이용하여 표면에 개질된 카르복실기로 인하여 입자 표면이 개질 전 5.80 mV에서 카르복실기로 개질 후 -17.39 mV와 같이 음전하로 하전된 것을 확인하였다.
시험예 3: 합성된 업컨버팅 나노입자-항체 복합체와 당화혈색소 사이의 발광 공명 에너지 전달 확인
도 5는 합성된 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 근적외선 980 nm 다이오드 레이저에 조사 하에 발광되는 빛에 대한 스펙트럼 및 당화혈색소의 흡광 스펙트럼 결과이다. 업컨버팅 나노입자-항체 복합체가 발광하는 500 내지 560 nm 부근의 신호와 검출하고자 하는 당화혈색소의 흡광 신호가 서로 상당 부분 겹치는 것을 확인할 수 있었다. 이는 항체와 검출 대상인 당화혈색소와의 특이적인 결합에 의한 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 주게에서 당화혈색소 받게로 발광공명 에너지 전달이 일어날 수 있다는 가능성을 제시하였다.
도 6은 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 당화혈색소 존재 하에 감쇠된 발광신호 스펙트럼을 나타내는 결과이다. 17% 내지 22 % 당화혈색소 첨가 시, 업컨버팅 나노입자-항체 복합체와의 반응 후 약 50% 감쇠된 발광 신호를 얻을 수 있었다. 이를 통해 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 주게에서 당화혈색소 받게로 효과적인 발광 공명 에너지 전달이 일어난 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 합성된 다양한 농도의 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 당화혈색소 유무에 따른 발광신호의 감쇠 효율(quenching efficiency) 정도를 나타낸 그래프로 합성된 복합체가 0.005 배로 희석될 때 감쇠 효율 정도가 가장 큰 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예에서 업컨버팅 나노입자-항체 복합체와 당화혈색소와의 다양한 반응시간 별, 당화혈색소 유무에 따른 발광신호의 감쇠 효율 정도를 나타낸 그래프로 10 분 이상 반응을 시켰을 때 항체와 검출 대상인 당화혈색소와의 특이적인 결합으로 인한 발광공명 에너지 전달이 효과적으로 일어나는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 혈액 시료에서의 발광공명 에너지 전달에 의한 당화혈색소 검출
도 9는 실시예에서 최적화된 조건(0.005 배 희석된 농도의 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 및 10 분의 반응시간)에서 다양한 농도의 당화혈색소이 포함된 표준 시료(제조사: Biorad, 시약명: Lyphochekㄾ Hemoglobin A1C Linearity Set)에 따른 발광 신호의 감쇠를 나타낸 스펙트럼 및 감쇠 효율 정도를 나타낸 그래프이다. 검출 대상인 받게 농도에 따라 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 발광되는 신호양이 점점 감소한 것을 확인할 수 있었다. 그래프에 나타난 당화혈색소 포함 정도에 따른 서로 다른 4가지 시료(레벨 1 내지 4)에 대하여 각각 약 21%에서 49%의 감쇠 효율을 보였다.
도 10은 실시예에서 최적화된 조건에서 다양한 농도의 당화혈색소가 포함된 실제 혈액 시료에 따른 발광 신호의 감쇠 효율 정도를 나타낸 그래프이다. 5.1%에서 11.5%까지 다양한 함량의 당화혈색소이 포함된 실제 혈액 시료에 대하여 당화혈색소 농도가 증가함에 따라 감쇠된 발광 효율 정도가 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
상기 결과로부터, 혈액 내 당화혈색소 농도가 증가할수록 업컨버팅 나노입자-항체 복합체 주게에서 당화혈색소 받게로 발광공명 에너지 전달이 잘 일어나 업컨버팅 나노입자-항체 복합체의 발광신호를 당화혈색소가 흡수하여, 발광신호의 감쇠 효율 정도를 증가시키는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. (i) 업컨버팅 나노입자, 및 (ii) 상기 업컨버팅 나노입자와 결합되어 있는 1개 이상의, 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터를 포함하는 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합체는 당뇨병 진단용인 것을 특징으로 하는 복합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터는 당화혈색소에 대해 특이적으로 결합할 수 있는 물질로서, 항체, 효소, DNA, 압타머, 펩타이드 핵산(PNA), 리간드 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 항체는 안티-HbA1c 모노클로날 항체인 것을 특징으로 하는 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 업컨버팅 나노입자는 히토류 원소를 주성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터와 상기 업컨버팅 나노입자는 물리적 결합 또는 화학적 결합에 의해 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 당화혈색소 검출용 복합체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터는 항체이고,
    상기 결합은 상기 업컨버팅 나노입자의 표면에 도입된 카르복실기와 상기 항체의 아민기 사이의 아미드 결합인 것을 특징으로 하는 복합체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결합은 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 히드록실석식이미드(NHS) 사이의 반응에 의한 것임을 특징으로 하는 복합체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 업컨버팅 나노입자는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 캡슐화 또는 실리카 코팅에 의해 표면이 개질되어 있는 것을 특징으로 하는 복합체.
  10. 제7항에 있어서, 상기 업컨버팅 나노입자의 평균 직경은 40 내지 45 nm이고,
    상기 실리카 코팅의 평균 두께는 8 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 복합체.
  11. (a) 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 당뇨병 진단용 키트.
  12. (a') 표면 개질된 업컨버팅 나노입자, 및 (a'') 상기 당화혈색소에 대한 특이적 리셉터가 각각 별도의 용기에 담겨 있도록 구성되어 있는 당뇨병 진단용 키트.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 키트는 (b) 근적외선 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 당뇨병 진단용 키트.
  14. 제13항에 있어서, 상기 키트는 (c) 디텍터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 당뇨병 진단용 키트.
  15. (A) 인체에서 분리된 혈액을 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복합체와 접촉시키는 단계, (B) 상기 혈액과 접촉된 복합체에 대해서 근적외선 광원을 조사하고 발광 세기를 측정하는 단계를 포함하는 당뇨병 진단방법.
  16. 항체 및 상기 항체와 결합되어 있는 업컨버팅 나노입자를 포함하는 복합체의 제조방법으로서, 상기 제조방법은 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법:
    (A) 업컨버팅 나노입자에 실리카를 코팅하는 단계,
    (B) 상기 업커버팅 나노입자에 코팅된 실리카에 아민기를 도입하는 단계,
    (C) 상기 아민기를 카르복실기로 변환하는 단계,
    (D) 상기 카르복실기와 항체의 아민기를 결합시키는 단계.
  17. 제16항에 있어서, 상기 (A) 단계는 업컨버팅 나노입자와 테트라에톡시 실란을 반응시킴으로써 수행되고,
    상기 (B) 단계는 아미노프로필 트리메톡실라인을 이용하여 수행되며,
    상기 (C) 단계는 숙신산 무수물을 이용하여 수행되고,
    상기 (D) 단계는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 히드록실석식이미드(NHS) 사이의 반응에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 복합체 제조방법.
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