KR20210113800A - 표적 단백질을 분해하는 방법 및 장치 - Google Patents

표적 단백질을 분해하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

표적 단백질을 분해하기 위해 생체에 주입되는 소형 입자가 개시된다. 개시된 소형 입자는 압전 물질을 포함하는 압전 입자 및 상기 압전 입자의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅을 포함하며, 상기 압전 입자는 음파에 의해 편극 상태가 변화하며, 상기 금속 코팅은 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 전자 에너지 준위가 변한다.

Description

표적 단백질을 분해하는 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR BREAKING DOWN TARGET PROTEINS}
이하의 설명은, 피검체의 체내에 있는 표적 단백질을 분해하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 피검체의 체내에 소형 입자를 주입하고, 외부에서 발생시키는 음향에 의해 소형 입자가 구동되게 함으로써 피검체의 체내 단백질을 분해하는 기술에 관한 것이다.
단백질을 인체에서 중요한 기능을 수행하며 단백질의 기능 이상은 건강에 중대한 영향을 미친다. 예를 들어, 생체 내부에서 기능 이상이 발생한 단백질의 존재는 생체의 신경 퇴행성 질환을 야기할 수 있다. 이러한 신경 퇴행성 질환으로는 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 다 계통 위축 병, 근 위축성 경화증, 프리온 병 및 헌팅턴 병 등을 예로 들 수 있다. 혈관 및 뇌 내에 단백질이 비정상적으로 축적되는 경우, 심혈관 질환 또는 뇌졸중 질환 등 심각한 질병이 야기될 수 있다.
상술한 신경 퇴행성 질환, 심혈관 질환 및 뇌졸중 질환의 공통된 원인 중 하나가 생체 내부의 단백질이 잘못 접히거나 올리고머화(oligomerized) 되어 피브릴(fibril)이 되거나 플라그(plaque)가 되는 것이다. 따라서, 상술한 질병들을 치료하는 방법으로 생체 내부에 비정상적으로 응고되거나 축적된 단백질을 제거하는 기술이 논의되고 있다.
일 예로 대기 플라즈마를 이용하여 생체 내부에 비정상적으로 축적된 단백질을 분해하려는 시도가 있다. 하지만, 생체 내부에서 문제를 일으키는 단백질을 선택적으로, 그리고 효과적으로 제거하기에는 충분한 기능이 발휘되지 못하는 문제가 있다.
적어도 하나의 실시 예에 따르면, 생체 내부에 소형 입자를 주입하고 생체 외부에서 발생시키는 음향에 의해 소형 입자를 구동시킴으로써 생체 내부의 단백질을 분해하는 방법 및 장치가 개시된다.
일 측면에 따르면 생체에 주입되는 소형 입자가 개시된다. 소형 입자는 압전 물질을 포함하는 압전 입자; 및 상기 압전 입자의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅;을 포함하며, 상기 압전 입자는 음파에 의해 편극 상태가 변화하며, 상기 금속 코팅은 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 전자 에너지 준위가 변한다.
상기 압전 입자의 제1 표면은 상기 금속 코팅에 의해 코팅되며 상기 압전 입자의 제2 표면은 상기 금속 코팅에 의해 코팅되지 않을 수 있다.
상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며, 상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며, 상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 호모 에너지 준위보다 낮게 구성될 수 있다.
상기 소형 입자는 상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 산화시킬 수 있다.
상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며, 상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며, 상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 루모 에너지 준위보다 높게 구성될 수 있다.
상기 소형 입자는 상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 환원시킬 수 있다.
상기 압전 물질은 타이타늄산바륨(BTO, Barium titanate), 산화아연(ZnO, Zinc oxide) 및 PMN-PT 중 적어도 하나를과 같은 압전물질을 포함하고, 상기 금속 코팅은 금, 은, 코발트-크롬 합금, 니켈-크롬 합금, 및 아말감 중 적어도 하나를 포함하는 할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 생체 내의 표적 단백질을 분해하는 장치가 개시된다. 개시된 장치는 생체에 주입되며, 압전 물질을 포함하는 압전 입자 및 상기 압전 입자의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅을 포함하는 소형 입자; 및 기 표적 단백질 근처에 위치한 소형 입자를 향해 음파를 발생시키는 음파 발생기를 포함한다.
상기 음파 발생기가 음파를 발생시킴에 따라 상기 압전 입자는 음파에 의해 편극 상태가 변화하며, 상기 금속 코팅은 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 전자 에너지 준위가 변화함으로써 상기 표적 단백질을 산화 또는 환원시킬 수 있다.
상기 음파 발생기는 1.15MHz 내지 2.3MHz의 주파수를 가지는 음파를 발생시킬 수 있다.
상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며, 상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며, 상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 호모 에너지 준위보다 낮게 구성될 수 있다.
상기 소형 입자는 가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 산화시킬 수 있다.
상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며, 기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며, 상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 루모 에너지 준위보다 높게 구성될 수 있다.
상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 환원시킬 수 있다.
상기 압전 물질은 타이타늄산바륨(BTO, Barium titanate), 산화아연(ZnO, Zinc oxide) 및 PMN-PT 중 적어도 하나를과 같은 압전물질을 포함하고, 상기 금속 코팅은 금, 은, 코발트-크롬 합금, 니켈-크롬 합금, 및 아말감 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해 장치를 대략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 소형 입자를 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 소형 입자의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 소형 입자와 표적 단백질 사이의 전자 교환을 나타낸 개념도이다.
도 5는 음파 발생기가 발생시키는 음파에 의해 구동되는 소형 입자(100)가 표적 단백질을 산화시키는 원리를 나타낸 개념도이다.
도 6은 음파 발생기가 발생시키는 음파에 의해 구동되는 소형 입자(100)가 표적 단백질을 환원시키는 원리를 나타낸 개념도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해 장치를 이용한 경우와 비교예에 따른 경우 표적 단백질의 산화율을 비교한 그래프이다.
실시 예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시 예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해 장치를 대략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 표적 단백질 분해 장치는 피검체의 체내에 잘못 접히거나(misfolded) 올리고머화(oligomerized) 되어 피브릴(fibril)이 되거나 플라그(plaque)가 되어 축적된 표적 단백질(20)을 분해할 수 있다. 여기서, 표적 단백질(20)을 분해한다는 것은 표적 단백질(20)을 산화시키거나 환원시켜서 표적 단백질이 축적되지 않고 흩어지도록 하는 것을 포함하는 개념이다.
도 1에서는 피검체의 뇌를 예시적으로 도시했지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 표적 단백질 분해 장치는 피검체의 장기나 기타 다른 부분에 축적된 표적 단백질을 분해하는데 사용될 수도 있다. 또한, 도 1에서는 피검체를 인간으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 표적 단백질 분해 장치의 사용 용도에 따라 피검체는 인간이 아닌 다른 생명체가 될 수도 있다. 표적 단백질 분해 장치는 소형 입자(100)와 표적 단백질 사이의 전자 교환을 유도하여 표적 단백질을 산화시키거나 환원시킬 수 있다.
표적 단백질 분해 장치는 소형 입자(100)와 음파 발생기(200)를 포함할 수 있다. 소형 입자는 피검체의 체내에 주입될 수 있다. 음파 발생기(200)는 음파를 발생시킬 수 있다. 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파에 의해 소형 입자(100)에 포함된 압전 입자의 편극(polarization) 상태가 변할 수 있다. 사용자는 음파 발생기(200)가 음파를 발생시키는 위치를 변경시킴으로써 표적 단백질(20) 근처에 있는 소형 입자(100)를 선택적으로 구동시킬 수 있다. 따라서 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파에 영향을 받는 소형 입자(100)가 표적 단백질(20)과 전자를 교환할 수 있다.
소형 입자(100)는 피검체의 체내에 주입되어 혈관을 통해 피검체의 체내에서 흩어질 수 있다. 이를 위해 소형 입자(100)의 직경은 대략 300nm 이하일 수 있다. 예시적으로 소형 입자(100)의 직경은 250nm 내지 350nm 일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 소형 입자(100)를 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 소형 입자(100)는 압전 물질을 포함하는 압전 입자(110) 및 압전 입자(110)의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅(120)을 포함할 수 있다. 압전 입자(110)의 제1 표면에는 금속 코팅(120)에 의해 코팅되고 제2 표면에는 금속 코팅이 되지 않을 수 있다. 따라서, 압전 입자(110)의 표면은 금속 코팅(120)에 의해 코팅된 영역과 금속 코팅(120)에 의해 코팅되지 않은 영역을 모두 포함할 수 있다. 도 2에서는 압전 입자(110)의 표면 중 절반이 금속 코팅(120)에 의해 코팅된 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전 입자(110)의 표면 중 절반보다 다소 더 넓은 면적 또는 압전 입자(110)의 표면 중 절반보다 다소 더 좁은 면적이 금속 코팅(120)에 의해 코팅될 수 있다.
압전 입자(110)는 압전 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 압전 입자(110)에 음파가 전달되면 압전 입자(110)의 편극 상태가 변할 수 있다. 압전 입자(110)의 편극 상태가 변함에 따라 금속 코팅(120)의 일함수(work function)이 변할 수 있다. 금속 코팅(120)의 일함수가 변한다는 것은 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 변한다는 것을 의미할 수 있다. 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 변함에 따라 금속 코팅(120)은 표적 단백질(20)과 전자를 교환하거나 교환하지 않을 수 있다. 예를 들어, 압전 입자(110)의 편극 벡터(polarization vector)가 금속 코팅(120)을 향할 때에는 금속 코팅(120)의 일함수가 증가할 수 있다. 즉, 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 높아질 수 있다. 반면, 압전 입자(110)의 편극 벡터(polarization vector)가 금속 코팅(120)의 반대 방향을 향할 때에는 금속 코팅(120)의 일함수가 감소할 수 있다. 즉, 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 낮아질 수 있다.
금속 코팅(120)은 금속 재료를 포함할 수 있다. 금속 코팅(120)의 두께는 대략 30nm 일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속 코팅(120)의 두께는 대략 10nm 내지 50nm 일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
압전 입자(110)의 압전 물질과 금속 코팅(120)의 금속 재료는 표적 단백질의 종류를 고려하여 결정될 수 있다. 압전 물질과 금속 재료는 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 후술하는 단방향 전자 교환 조건을 만족하도록 결정될 수 있다. 예시적으로, 표적 단백질(20)이 시토크롬 c(cytochrome-c)인 경우, 압전 입자(110)는 타이타늄산바륨(BTO, Barium titanate), 산화아연(ZnO, Zinc oxide) 및 PMN-PT 중 적어도 하나를 포함하고, 금속 코팅(120)은 금을 포함할 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적으로 금속 코팅(120)은 피검체의 체내 다른 물질들에 대해 반응성이 작은 은, 코발트-크롬 합금, 니켈-크롬 합금 및 아말감 등을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 압전 입자(110)도 상기 압전 물질 외에 압전 특성을 가지는 다른 물질을 포함할 수도 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 소형 입자(100)의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, S110 단계에서 압전 입자(110)를 기판에 증착 시킬 수 있다. 기판은 실리콘 기반의 기판일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. S110 단계에서 기판에 압전 입자(110)들이 골고루 증착되도록 압전 입자(110)를 용매에 미리 용해시킬 수 있다. 예시적으로 용매는 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 포함할 수 있지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. S110 단계에서 용매를 이용하여 압전 입자(110)들을 균일하게 분산시킨 후 스핀 코팅(Spin coating)에 의해 압전 입자(110)들을 기판에 증착시킬 수 있다.
S120 단계에서 압전 입자(110)들이 증착된 기판을 가열할 수 있다. 가열 단계에서 기판을 대략 180℃ 온도로 2분 정도 가열할 수 있다. 하지만, 상술한 수치는 예시적인 것에 불과하며 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 기판은 대략 170℃ 내지 190℃의 온도에서 1분 내지 3분동안 가열될 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
S130 단계에서 기판에 증착된 압전 입자(110)의 표면 중 적어도 일부분을 금속 코팅하여 소형 입자(100)를 생성할 수 있다. 예시적으로 스퍼터링 코팅(sputtering coating) 방법을 이용하여 압전 입자(110)의 표면에 금속 코팅(120)을 형성할 수 있다. 예시적으로, 금속 코팅(120)을 형성하기 전에 크롬 접착층을 먼저 스퍼터링 코팅 방법으로 형성할 수도 있다.
S140 단계에서 소형 입자(100)를 기판으로부터 분리할 수 있다. 예를 들어, 완충생리식염수에 기판을 위치시키고 초음파 처리를 통해 소형 입자(100)를 기판으로부터 분리시킬 수 있다. 완충생리식염수는 인산완충생리식염수 (PBS, phosphate-buffered saline)를 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
이상 도 3을 참조하여 도 2에서 나타낸 소형 입자(100)를 제조하는 방법을 설명하였으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 압전 입자(110)를 기판에 증착하는 구체적인 방식이나 금속 코팅(120)을 형성하는 방식 및 소형 입자(100)와 기판을 분리하는 방식 각각은 통상의 기술자가 용이하게 변경할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
도 4는 소형 입자(100)와 표적 단백질(20) 사이의 전자 교환을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 압전 입자(110)의 편극 벡터가 금속 코팅(120)의 반대 방향일 때 금속 코팅(120)의 일 함수가 변할 수 있다. 즉, 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 변하면서 환원된 상태의 시토크롬 c(reduced cytochrome-c, 20-1)로부터 전자가 금속 코팅(120)으로 이동할 수 있다. 이로 인해 환원된 시트크롬 c가 산화되어 산화된 시토크롬 c(oxidized cytochrome-c, 20-2)가 될 수 있다. 산화된 시토크롬 c는 분해되기 용이한 상태일 수 있다.
도 5는 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파에 의해 구동되는 소형 입자(100)가 표적 단백질(20)을 산화시키는 원리를 나타낸 개념도이다.
도 5에서 아래쪽에 나타낸 그래프는 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 위상을 나타낸다. 음파 발생기(200)는 초음파 대역의 주파수를 가지는 음파를 발생시킬 수 있다. 여기서, 초음파 대역은 수십 kHz 내지 수십 MHz의 주파수 대역을 모두 포함할 수 있다. 하지만, 음파의 주파수가 상기 수치 범위에 제한되는 것은 아니다.
음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 음향 강도는 FDA가 정한 한계를 고려하여 대략 720mW/cm2 이하 일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 위상이 변함에 따라 압전 입자(110)의 편극 상태가 변할 수 있다. 음파의 위상이 변함에 따라 압전 입자(110)의 편극 벡터의 방향 및 크기가 변할 수 있다. 압전 입자(110)의 편극 상태가 변함에 따라 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제1 에너지 준위(1)와 제2 에너지 준위(2) 사이에서 변할 수 있다.
도 5의 (a)에서 나타낸 바와 같이 음파에 의해 압전 입자(110)의 편극 상태가 변하면서, 금속 코팅(120)의 일 함수가 높아질 수 있다. 이로 인해 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 상대적으로 높은 제2 에너지 준위(2)일 수 있다. 제2 에너지 준위(2)는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위(3)보다 낮고 호모(HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위(5)보다 높을 수 있다.
금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제2 에너지 준위(2)에 해당하면, 표적 단백질(20)의 호모 에너지 준위(5)의 전자들이 제2 에너지 준위(2)로 이동하지 않을 수 있다. 또한, 제2 에너지 준위(2)가 표적 단백질(20)의 루모 에너지 준위(3)보다 낮기 때문에 제2 에너지 준위(2)의 전자가 표적 단백질(20)의 루모 에너지 준위(3)로 이동하지 않을 수 있다. 그리고, 호모 에너지 준위(5)에는 이미 전자가 다 차있기 때문에 제2 에너지 준위(2)로부터 호모 에너지 준위(5)로 전자가 이동하지 않을 수 있다. 즉, 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제2 에너지 준위(2)일 때에는 금속 코팅(120)과 표적 단백질(20) 사이에 전자 교환이 일어나지 않을 수 있다.
도 5의 (b)에서 나타낸 바와 같이 음파에 의해 압전 입자(110)의 편극 상태가 변하면서, 금속 코팅(120)의 일 함수가 낮아질 수 있다. 이로 인해 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 상대적으로 낮은 제2 에너지 준위(1)일 수 있다. 제1 에너지 준위(1)는 표적 단백질의 호모(HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위(5)보다 낮을 수 있다.
금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제1 에너지 준위(1)에 해당하면, 표적 단백질(20)의 호모 에너지 준위(5)의 전자들이 제1 에너지 준위(1)로 이동할 수 있다. 즉, 표적 단백질(20)이 산화될 수 있다. 도 5에서 나타낸 바와 같이 소형 입자(100)가 음파에 의해 구동되는 동안, 전자는 표적 단백질(20)로부터 금속 코팅(120) 방향으로만 이동할 수 있다. 즉 전자는 단방향으로 이동할 수 있다. 이로 인해 표적 단백질이 산화된 후 다시 환원되는 것이 방지될 수 있다. 표적 단백질이 산화됨으로써 표적 단백질의 분해가 용이해질 수 있다.
도 5에서는 표적 단백질(20)의 산화 메커니즘에 대해 설명하였다. 하지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 소형 입자(100)는 표적 단백질(20)을 환원시킬 수도 있다.
도 6은 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파에 의해 구동되는 소형 입자(100)가 표적 단백질(20)을 환원시키는 원리를 나타낸 개념도이다.
도 6에서 아래쪽에 나타낸 그래프는 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 위상을 나타낸다. 음파 발생기(200)는 FDA 한계를 고려하여 1.15MHz 내지 2.3MHz의 주파수를 가지는 음파를 발생시킬 수 있다. 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 음향 강도는 대략 700mW/cm2 내지 740mW/cm2정도일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 도 6에서 나타낸 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위는 도 5에서 나타낸 전자 에너지 준위와 다를 수 있다. 도 6에서 나타낸 금속 코팅(120)은 표적 단백질(20)을 환원시키기 위해 도 5에서 나타낸 금속 코팅보다 상대적으로 높은 전자 에너지 준위를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 음파 발생기(200)가 발생시키는 음파의 위상이 변함에 따라 압전 입자(110)의 편극 상태가 변할 수 있다. 음파의 위상이 변함에 따라 압전 입자(110)의 편극 벡터의 방향 및 크기가 변할 수 있다. 압전 입자(110)의 편극 상태가 변함에 따라 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제1 에너지 준위(7)와 제2 에너지 준위(8) 사이에서 변할 수 있다.
도 6의 (a)에서 나타낸 바와 같이 음파에 의해 압전 입자(110)의 편극 벡터가 금속 코팅(120)을 향하는 경우, 금속 코팅(120)의 일 함수가 높아질 수 있다. 이로 인해 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 상대적으로 높은 제2 에너지 준위(8)일 수 있다. 제2 에너지 준위(8)는 표적 단백질의 루모 에너지 준위(3)보다 높을 수 있다.
금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제2 에너지 준위(8)에 해당하면, 금속 코팅(120)의 제2 에너지 준위(8)에 있는 전자들이 상대적으로 낮은 에너지 준위인 표적 단백질(20)의 루모 에너지 준위(3)로 이동할 수 있다. 이로 인해 금속 코팅(120)으로부터 표적 단백질(20)로 전자가 이동할 수 있다. 즉, 표적 단백질(20)이 환원될 수 있다.
도 6의 (b)에서 나타낸 바와 같이 음파에 의해 압전 입자(110)의 편극 벡터가 금속 코팅(120)의 반대 방향을 향하는 경우, 금속 코팅(120)의 일 함수가 낮아질 수 있다. 이로 인해 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 상대적으로 낮은 제1 에너지 준위(7)일 수 있다. 제1 에너지 준위(7)는 표적 단백질(20)의 호모 에너지 준위(5)보다 높고 루모 에너지 준위(3)보다 낮을 수 있다.
금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제1 에너지 준위(7)에 해당하면, 표적 단백질(20)의 호모 에너지 준위(5)의 전자들이 제2 에너지 준위(2)로 이동하지 않을 수 있다. 또한, 제2 에너지 준위(2)가 표적 단백질(20)의 루모 에너지 준위(3)보다 낮기 때문에 제2 에너지 준위(2)의 전자가 표적 단백질(20)의 루모 에너지 준위(3)로 이동하지 않을 수 있다. 그리고, 호모 에너지 준위(5)에는 이미 전자가 다 차있기 때문에 제1 에너지 준위(7)로부터 호모 에너지 준위(5)로 전자가 이동하지 않을 수 있다. 즉, 금속 코팅(120)의 전자 에너지 준위가 제1 에너지 준위(7)일 때에는 금속 코팅(120)과 표적 단백질(20) 사이에 전자 교환이 일어나지 않을 수 있다.
도 6에서 나타낸 바와 같이 소형 입자(100)가 음파에 의해 구동되는 동안, 전자는 금속 코팅(120)으로부터 표적 단백질(20) 방향으로만 이동할 수 있다. 즉 전자는 단방향으로 이동할 수 있다. 이로 인해 표적 단백질이 환원된 후 다시 산화되는 것이 방지될 수 있다. 표적 단백질이 환원됨으로써 표적 단백질의 분해가 용이해질 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해 장치를 이용한 경우와 비교예에 따른 경우 표적 단백질(20)의 산화율을 비교한 그래프이다.
도 7에서는 소형 입자(100)가 표적 단백질(20)을 산화시키는 성능을 비교하였다. 도 7에서 G1 그래프는 소형 입자(100)를 향해 음파를 발생시킨 경우, 표적 단백질(20)의 시간에 따른 산화율 변화를 나타낸다. G2 그래프는 소형 입자(100)를 사용하되, 음파를 발생시키지 않은 경우 표적 단백질(20)의 시간에 따른 산화율 변화를 나타낸다. G3 그래프는 음파는 발생시키되 소형 입자(100)에서 금속 코팅(120)을 제거한 경우 표적 단백질(20)의 시간에 따른 산화율 변화를 나타낸다. G4 그래프는 음파를 발생시키지 않고 소형 입자(100)에서 금속 코팅(120)을 제거한 경우 표적 단백질(20)의 시간에 따른 산화율 변화를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 소형 입자(100)를 향해 음파를 발생시키지 않으면 표적 단백질(20)의 산화율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 음파를 발생시키더라도 소형 입자(100)에서 금속 코팅(120)을 제거하면 표적 단백질(20)의 산화율이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 소형 입자(100)가 압전 입자(110) 및 금속 코팅(120)을 모두 포함하는 상태에서 소형 입자(100)를 향해 음파를 발생시키면, 표적 단백질(20)의 산화율이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 7에서 나타낸 그래프의 실험 결과로부터 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해장치의 성능이 비교예에 비해 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.
이상 도 1 내지 도 7을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 표적 단백질 분해 장치, 소형 입자 및 소형 입자의 제조 방법에 관하여 설명하였다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 음파를 이용하여 소형 입자를 구동시켜서 소형 입자와 표적 단백질 사이에서 단방향 전자 이동이 일어나도록 할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 소형 입자가 표적 단백질을 산화 또는 환원 시킴으로써 표적 단백질의 분해가 용이해질 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 생체에 주입되는 소형 입자에 있어서,
    압전 물질을 포함하는 압전 입자; 및
    상기 압전 입자의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅;을 포함하며,
    상기 압전 입자는 음파에 의해 편극 상태가 변화하며,
    상기 금속 코팅은 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 전자 에너지 준위가 변하는 소형 입자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 입자의 제1 표면은 상기 금속 코팅에 의해 코팅되며 상기 압전 입자의 제2 표면은 상기 금속 코팅에 의해 코팅되지 않는 소형 입자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며,
    상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며,
    상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 호모 에너지 준위보다 낮게 구성되는 소형 입자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 산화시키는 소형 입자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며,
    상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며,
    상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 루모 에너지 준위보다 높게 구성되는 소형 입자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 환원시키는 소형 입자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 타이타늄산바륨(BTO, Barium titanate), 산화아연(ZnO, Zinc oxide), PMN-PT 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 금속 코팅은 금, 은, 코발트-크롬 합금, 니켈-크롬 합금, 및 아말감 중 적어도 적어도 하나를 포함하는 소형 입자.
  8. 생체 내의 표적 단백질을 분해하는 장치에 있어서,
    생체에 주입되며, 압전 물질을 포함하는 압전 입자 및 상기 압전 입자의 표면 중 적어도 일부분에 코팅된 금속 코팅을 포함하는 소형 입자;
    상기 표적 단백질 근처에 위치한 소형 입자를 향해 음파를 발생시키는 음파 발생기를 포함하는 표적 단백질 분해 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 음파 발생기가 음파를 발생시킴에 따라 상기 압전 입자는 음파에 의해 편극 상태가 변화하며, 상기 금속 코팅은 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 전자 에너지 준위가 변화함으로써 상기 표적 단백질을 산화 또는 환원시키는 표적 단백질 분해 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 음파 발생기는 초음파 대역의 주파수를 가지는 음파를 발생시키는 표적 단백질 분해 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며,
    상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며,
    상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 호모 에너지 준위보다 낮게 구성되는 표적 단백질 분해 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 산화시키는 표적 단백질 분해 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속 코팅의 전자 에너지 준위는 상기 압전 입자의 편극 상태가 변화함에 따라 제1 에너지 준위와 제2 에너지 준위 사이를 진동하며,
    상기 제1 에너지 준위는 표적 단백질의 루모(LUMO, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 낮고, 상기 표적 단백질의 호모((HOMO, Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위보다 높으며,
    상기 제2 에너지 준위는 상기 표적 단백질의 루모 에너지 준위보다 높게 구성되는 표적 단백질 분해 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 음파가 가해지는 동안 상기 표적 단백질을 환원시키는 표적 단백질 분해 장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 물질은 타이타늄산바륨(BTO, Barium titanate), 산화아연(ZnO, Zinc oxide) 및 PMN-PT 중 적어도 하나를과 같은 압전물질을 포함하고,
    상기 금속 코팅은 금, 은, 코발트-크롬 합금, 니켈-크롬 합금, 및 아말감 중 적어도 하나를 포함하는 표적 단백질 분해 장치.
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