WO2020009551A1 - Graphene quantum dot as therapeutic agent for disease associated with abnormal fibrillation or aggregation of neuroprotein - Google Patents

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홍병희
유제민
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Abstract

The present invention provides a graphene quantum dot as a therapeutic agent for diseases associated with abnormal fibrillation or aggregation of neuroproteins. The graphene quantum dot according to the present invention suppresses α-syn fibrillation or disaggregates already formed α-syn fibrils, and shows the working effect of passing through the blood brain barrier (BBB). Therefore, the graphene quantum dot according to the present invention can be advantageously used as a therapeutic agent for diseases associated with abnormal fibrillation or aggregation of neuroproteins, such as neurodegenerative diseases, inflammatory diseases, and metabolic diseases.

Description

신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환 치료제로서의 그래핀 양자점Graphene quantum dots as therapeutic agents for diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins
본 발명은 그래핀 양자점 및 이의 용도에 관한 것으로서, 구체적으로 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 퇴행성 신경 질환, 염증성 질환 또는 대사성 질환의 치료제로서의 그래핀 양자점 및 이의 용도에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to graphene quantum dots and their use, and more particularly, to graphene quantum dots and their use as therapeutic agents for degenerative neurological, inflammatory or metabolic diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins.
알파-시뉴클레인 (α-synuclein; α-syn)은 인간의 뇌에 풍부한 단백질로서, 신경 세포 (뉴런)의 말단에서 주로 발견되며, 이러한 구조 내에서 인지질 및 단백질과 상호 작용하는 것으로 알려져있다. α-syn은 비정상적으로 응집되게 되면 α-syn 피브릴 (α-syn fibrils; α-syn PFFs)을 형성하게 되고, 이러한 α-syn 피브릴에 의하여 시누클레인병증 (synucleinopathy), 즉, 퇴행성 신경 질환, 대사질환 등이 발생되는 것으로 알려져있다. 따라서, α-syn의 피브릴화를 억제하거나 이미 형성되어 있는 α-syn 피브릴을 분해함으로써 퇴행성 신경 질환, 대사질환 등을 치료할 수 있는 치료제에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다(한국공개특허 10-2018-0081465). 그러나 아직까지 시누클레인병증에 현저한 효과를 나타내는 실질적으로 사용가능한 치료제는 전무하며, 따라서 이에 대한 치료제의 개발이 시급한 실정이다.Alpha-synuclein (α-syn) is a protein abundant in the human brain, found mainly at the ends of nerve cells (neurons), and is known to interact with phospholipids and proteins within this structure. When α-syn becomes abnormally aggregated, it forms α-syn fibrils (α-syn PFFs), and by this α-syn fibrils synucleinopathy, that is, degenerative neuropathy Metabolic diseases are known to occur. Therefore, the development of therapeutic agents that can treat degenerative neurological diseases, metabolic diseases, etc. by actively inhibiting the fibrillation of α-syn or by decomposing the already formed α-syn fibrils (Korean Patent Publication 10-A) 2018-0081465). However, there are no practically available therapeutic agents that have a significant effect on synuclein disease, and therefore, there is an urgent need for development of therapeutic agents.
한편, 그래핀 양자점은 지금까지 단순히 약물 전달체의 용도로만 사용되어 왔다. 그러나, 본 발명자들은 특정의 그래핀 양자점이 α-syn 피브릴화를 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 분해하는 작용효과를 발견하고, 본 발명을 완성하였다.Graphene quantum dots, on the other hand, have been used only for drug carriers. However, the present inventors have found the effect of inhibiting α-syn fibrillation or decomposing α-syn fibrils already formed, and completed the present invention.
본 발명의 목적은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 치료 활성을 나타내는 그래핀 양자점을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide graphene quantum dots which exhibit therapeutic activity in diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 용도를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a use of the graphene quantum dots according to the present invention.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and other tasks not mentioned above may be clearly understood by those skilled in the art from the following description. will be.
본 발명은 표면이 음전하를 나타내고, 평균 직경이 0.5 내지 10 nm 이며 평균 높이가 0.1 내지 3 nm 이고, 탄소와 산소의 wt% 비율이 4.0 내지 6.5 : 3.0 내지 6.0의 비율로 구성된 것인 그래핀 양자점을 제공한다. 상기 평균 직경은 더욱 바람직하게는 1 내지 5 nm일 수 있으며, 상기 평균 높이는 0.5 내지 2.5 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, graphene quantum dots having a negative charge on the surface, having an average diameter of 0.5 to 10 nm, an average height of 0.1 to 3 nm, and a wt% ratio of carbon and oxygen in a ratio of 4.0 to 6.5: 3.0 to 6.0 To provide. The average diameter may be more preferably 1 to 5 nm, the average height may be 0.5 to 2.5 nm, but is not limited thereto.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 그래핀 양자점은 말단 작용기로 바람직하게는 카르복실기를 포함할 수 있으며, 상기 말단 작용기는 바람직하게는 FT-IR 스펙트럼에서 카르복실기의 -C=O 피크 및 방향족 -C=C- 피크의 흡광도 비율이 1:1 이상이며, 더욱 바람직하게는, 상기 흡광도 비율이 1:1 내지 2:1일 수 있다. In one embodiment of the invention, the graphene quantum dot may comprise a carboxyl group preferably with a terminal functional group, the terminal functional group is preferably -C = O peak and aromatic -C of the carboxyl group in the FT-IR spectrum The absorbance ratio of the = C- peak may be 1: 1 or more, and more preferably, the absorbance ratio may be 1: 1 to 2: 1.
본 발명의 다른 구체예에 있어서, 상기 -C=O 피크는 1700 내지 1750 cm -1 에서 나타나고 상기 방향족 -C=C- 피크는 1600 내지 1650 cm -1 에서 나타날 수 있다.In another embodiment of the present invention, the -C═O peak may appear at 1700-1750 cm −1 and the aromatic —C═C- peak may appear at 1600-1650 cm −1 .
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 상기 그래핀 양자점은 α-syn 피브릴화를 억제하거나 또는 이미 형성된 α-syn 피브릴을 분해할 수 있으며, 혈뇌장벽을 통과할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the graphene quantum dots can inhibit α-syn fibrillation or break down the already formed α-syn fibrils and may cross the blood brain barrier.
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 상기 그래핀 양자점은 체내 독성이 없으며, 소변을 통하여 안정적으로 체외 배출될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the graphene quantum dot is not toxic in the body, it can be stably discharged in vitro through the urine.
또한, 본 발명은 상기 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.The present invention also provides a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins comprising the graphene quantum dots as an active ingredient.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들은 퇴행성 신경 질환, 염증성 질환 또는 대사성 질환이며, 상기 퇴행성 신경 질환은 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 루게릭병, 치매, 뇌졸중, 아밀로이드증, 섬유증, 뇌병증, 다발성 경화증 등일 수 있으며, 상기 염증성 질환은 홍반병, 아토피, 류마티스 관절염, 하시모토 갑상선염, 악성빈혈, 에디슨씨병, 제1형 당뇨, 루프스, 만성피로증후군, 섬유근육통, 갑상선 기능 저하증, 갑상선 기능 항진증, 경피증, 베체트병, 염증성 장질환, 중증 근무력증, 메니에르 증후군(Meniere's syndrome), 길리안-바레 증후군(Guilian-Barre syndrome), 쇼그렌 증후군(Sjogren's syndrome), 자궁내막증, 건선, 백반증, 전신성 경피증, 궤양성 대장염 등일 수 있으며, 상기 대사성 질환은 당뇨병, 고혈압, 고지혈증, 이상지질혈증, 비알코올성 지방간 등일 수 있으나, α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집에 의하여 발생될 수 있는 질환이라면 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins are degenerative neurological diseases, inflammatory diseases or metabolic diseases, the neurodegenerative diseases Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, Lou Gehrig's disease, dementia, Stroke, amyloidosis, fibrosis, encephalopathy, multiple sclerosis, etc., the inflammatory diseases include erythema, atopic, rheumatoid arthritis, Hashimoto's thyroiditis, pernicious anemia, Edison's disease, type 1 diabetes, lupus, chronic fatigue syndrome, fibromyalgia, thyroid Hypofunction, hyperthyroidism, scleroderma, Behcet's disease, inflammatory bowel disease, myasthenia gravis, Meniere's syndrome, Guilian-Barre syndrome, Sjogren's syndrome, endometriosis, psoriasis, Vitiligo, systemic scleroderma, ulcerative colitis, etc., wherein the metabolic disease is diabetes, Blood pressure, hyperlipemia, or the like, but dyslipidemia, nonalcoholic fatty liver, if the disease that can be caused by abnormal fibrosis or aggregation of α-syn is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 조성물을 개체에 투여하는 단계를 포함하는 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preventing or treating diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins, comprising administering to a subject a composition comprising the graphene quantum dots as an active ingredient.
또한, 본 발명은 상기 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 조성물의 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 용도를 제공한다.The present invention also provides a prophylactic or therapeutic use of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins of the composition comprising the graphene quantum dots as an active ingredient.
본 발명에 따른 그래핀 양자점은 α-syn 피브릴의 형성을 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 분해할 수 있고, 혈뇌장벽을 통과하는 작용효과를 나타낼 뿐만 아니라, 세포 독성을 나타내지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 양자점은 신경단백질의 비정상적인 섬유화 또는 응집과 관련된 퇴행성 신경 질환, 염증성 질환, 대사성 질환 등의 치료제로서 효과적으로 사용될 수 있다.The graphene quantum dots according to the present invention can inhibit the formation of α-syn fibrils or decompose the already formed α-syn fibrils, exhibit not only cytotoxic effects through the blood brain barrier, but also no cytotoxicity. Therefore, graphene quantum dots according to the present invention can be effectively used as a therapeutic agent for degenerative neurological diseases, inflammatory diseases, metabolic diseases and the like associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins.
도 1a 내지 1k는 α-syn 피브릴화 억제 및 이미 형성된 α-syn 피브릴의 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과에 대한 분석 결과이다.1A-1K show the results of analysis of the effect of graphene quantum dots on the inhibition of α-syn fibrillation and degradation of α-syn fibrils already formed.
도 2a 내지 2h는 피브릴의 분해 과정 동안 그래핀 양자점과 이미 형성된 α-syn 피브릴 간의 상호 작용에 대한 상세한 분석 결과이다.2A to 2H show detailed analysis of the interaction between graphene quantum dots and α-syn fibrils already formed during the decomposition of fibrils.
도 3a 내지 3j는 시험관 내 (in vitro)에서 α-syn PFFs에 의한 신경 세포 사멸과 신경 세포간 α-syn 피브릴의 전파에 그래핀 양자점이 미치는 영향을 나타낸 결과이다.3a to 3j show the effect of graphene quantum dots on neuronal cell death and propagation of α-syn fibrils between neurons by α-syn PFFs in vitro.
도 4a 내지 4o는 생체 내 (in vivo)에서의 α-syn PFFs에 의해 유도된 병리 현상에 그래핀 양자점이 미치는 영향을 나타낸 결과이다.4A to 4O show the effect of graphene quantum dots on pathologies induced by α-syn PFFs in vivo.
도 5는 파킨슨병 병인에 대한 그래핀 양자점의 치료 효과에 대한 개요를 나타낸 모식도이다.5 is a schematic diagram showing an overview of the therapeutic effect of graphene quantum dots on Parkinson's disease etiology.
도 6a 내지 6g는 그래핀 양자점의 합성과 비오틴화 및 비오틴-그래핀 양자점과 α-syn 피브릴의 결합을 분석한 결과이다.6A to 6G show the results of analyzing the synthesis and biotinylation of graphene quantum dots and binding of biotin-graphene quantum dots to α-syn fibrils.
도 7은 α-syn 피브릴의 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과를 나타낸 결과이다.7 shows the results of graphene quantum dots on the degradation of α-syn fibrils.
도 8은 α-syn PFFs의 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과를 나타낸 결과이다.8 shows the effect of graphene quantum dots on the degradation of α-syn PFFs.
도 9는 합성된 그래핀 양자점의 1H- 15N HSQC 스펙트럼 분석 결과이다.9 is a result of 1 H- 15 N HSQC spectrum analysis of synthesized graphene quantum dots.
도 10a 내지 10g는 α-syn PFFs로 유도된 신경 세포 사멸 및 제한된 신경돌기 성장에 대한 그래핀 양자점의 효과를 나타낸 결과이다.10A to 10G show the effects of graphene quantum dots on neuronal cell death induced by α-syn PFFs and limited neurites growth.
도 11a 내지 11j는 α-syn PFFs에 의해 유발된 미토콘드리아 기능 장애 및 활성 산소 유발에 대한 그래핀 양자점의 효과를 나타낸 결과이다.11a to 11j show the effect of graphene quantum dots on mitochondrial dysfunction induced by α-syn PFFs and free radical induction.
도 12a 내지 12h는 α-syn PFFs에 의해 유도된 여러 치료 시점에서의 1차 신경세포 독성 및 병리 현상 유발에 대한 그래핀 양자점의 효과 및 세포 라이브 이미징 관련 결과를 나타낸 결과이다.12A to 12H show results of graphene quantum dots and cell live imaging-related results on primary neuronal toxicity and pathological induction at various treatment time points induced by α-syn PFFs.
도 13a 내지 13n은 그래핀 양자점의 혈뇌장벽 투과성을 나타낸 결과이다.13A to 13N show the blood brain barrier permeability of graphene quantum dots.
도 14는 중뇌 내부의 흑질 (Substantia nigra)에서 α-syn PFFs에 의해 유도된 신경교세포 활성화에 대한 그래핀 양자점의 영향을 나타낸 결과이다.14 shows the effect of graphene quantum dots on glial cell activation induced by α-syn PFFs in the substantia nigra.
도 15a 내지 15c는 hA53T α-syn 형질전환 마우스의 뇌간에서 신경교세포 활성화에 대한 그래핀 양자점의 효과를 나타낸 결과이다.15A to 15C show results of graphene quantum dots on glial cell activation in brain stem of hA53T α-syn transgenic mice.
도 16a 내지 16e는 그래핀 양자점의 장기간에 걸친 시험관 내 (in vitro) 및 생체 내 (in vivo) 독성 효과에 대한 결과이다.16A-16E show the results of prolonged in vitro and in vivo toxic effects of graphene quantum dots.
도 17a 내지 17h는 α-syn PFFs에 대한 nano-GOs와 rGQDs의 비교 결과이다.17A to 17H show comparison results of nano-GOs and rGQDs with respect to α-syn PFFs.
본 발명자들은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들에 치료 활성을 나타낼 수 있는 그래핀 양자점을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 본 발명자들은 상기 그래핀 양자점이 평균 직경이 0.5 내지 10 nm이며, 평균 높이는 0.1 내지 3 nm이며, 탄소와 산소의 wt% 비율이 4.0 내지 6.5 : 3.0 내지 6.0의 비율로 구성된 구조를 나타내며, 표면이 음전하를 띠는 그래핀 양자점인 것을 확인하였다. 또한, 상기 그래핀 양자점이 세포 및 조직에 전혀 독성을 나타내지 않을 뿐만 아니라, 효과적으로 신경단백질, 즉, α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집을 효과적으로 예방 및 치료할 수 있다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 상기 그래핀 양자점은 혈뇌장벽을 투과할 수 있기 때문에 α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집에 의한 다양한 퇴행성 신경질환, 염증성 질환, 대사 질환 등에서 현저한 치료 효과를 나타내는 것을 확인하였다.The inventors have completed the present invention by finding graphene quantum dots that can exhibit therapeutic activity in diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins. The present inventors have a graphene quantum dot has an average diameter of 0.5 to 10 nm, the average height is 0.1 to 3 nm, the wt% ratio of carbon and oxygen has a structure consisting of 4.0 to 6.5: 3.0 to 6.0 ratio, the surface is It was confirmed that the negatively charged graphene quantum dots. In addition, it was confirmed that the graphene quantum dots are not toxic to cells and tissues at all, and can effectively prevent and treat abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins, that is, α-syn. In addition, since the graphene quantum dot can penetrate the blood brain barrier, it was confirmed that it exhibits a remarkable therapeutic effect in various degenerative neurological diseases, inflammatory diseases, metabolic diseases, etc. due to abnormal fibrosis or aggregation of α-syn.
본원 명세서 전체에서, "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. Throughout this specification, the term "graphene" means that a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, wherein the carbon atoms connected by the covalent bonds are 6-membered rings as basic repeating units. It is also possible to form, but further comprise a 5-membered ring and / or a 7-membered ring.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 양자점 (graphene quantum dots, GQDs)"이라는 용어는 나노-크기 단편을 가진 그래핀을 의미한다.Throughout this specification, the term “graphene quantum dots (GQDs)” means graphene with nano-sized fragments.
본원 명세서 전체에서, "환원 그래핀 양자점"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 원자 비율이 줄어든 산화 그래핀을 의미하는 것으로서, "rGQDs"로 약칭될 수 있다.Throughout this specification, the term "reduced graphene quantum dot" refers to graphene oxide having a reduced oxygen atom ratio through a reduction process, which may be abbreviated as "rGQDs".
본원 명세서 전체에서, "산화 그래핀"이라는 용어는 그래핀 옥사이드 (graphene oxides)라고도 불리우고, "GOs"로 약칭될 수 있다. 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소 원자를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. Throughout this specification, the term "graphene oxide" is also called graphene oxides and may be abbreviated as "GOs". The graphene may include a structure in which a functional group containing an oxygen atom such as a carboxyl group, a hydroxy group, or an epoxy group is bonded to the graphene, but may not be limited thereto.
본원 명세서 전체에서, "나노 산화 그래핀"이라는 용어는 평균 직경이 15 nm 이상이고 평균 높이가 5 nm 이상인 나노 스케일의 산화 그래핀으로서 "nano-GOs"로 약칭될 수 있다.Throughout this specification, the term "nano-graphene oxide" may be abbreviated as "nano-GOs" as nano-scale graphene oxide having an average diameter of 15 nm or more and an average height of 5 nm or more.
이하에서는 본 발명에 따른 그래핀 양자점 및 이의 용도에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a graphene quantum dot and its use according to the present invention will be described in detail.
그래핀 양자점Graphene quantum dots
본 발명은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들에 치료 활성을 나타낼 수 있는 그래핀 양자점을 제공한다.The present invention provides graphene quantum dots that can exhibit therapeutic activity in diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins.
구체적으로, 본 발명에 따른 그래핀 양자점은 표면이 음전하를 나타내고, 평균 직경이 약 0.5 내지 약 10 nm 이며 평균 높이가 약 0.1 내지 약 3 nm 이다. 또한, 탄소와 산소의 wt% 비율이 4.0 내지 6.5 : 3.0 내지 6.0의 비율로 구성된 구조이다.Specifically, the graphene quantum dots according to the present invention have a negative charge on the surface, with an average diameter of about 0.5 to about 10 nm and an average height of about 0.1 to about 3 nm. Moreover, the wt% ratio of carbon and oxygen is a structure comprised by the ratio of 4.0-6.5: 3.0-6.0.
본 발명에 따른 그래핀 양자점은 표면에 음전하를 나타내므로, α-syn 피브릴의 말단에 결합할 수 있으며, 이에 따라 α-syn 피브릴의 형성을 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 단량체로 분해할 수 있다. 이러한 메카니즘을 통하여 본 발명에 따른 그래핀 양자점은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들, 예를 들어 파킨슨병, 루이소체 치매 등의 질환에 치료 활성을 나타낼 수 있다.Since the graphene quantum dots according to the present invention exhibit negative charges on the surface, the graphene quantum dots may bind to the ends of α-syn fibrils, thereby inhibiting the formation of α-syn fibrils or converting the already formed α-syn fibrils into monomers Can be disassembled. Through this mechanism, the graphene quantum dots according to the present invention can exhibit therapeutic activity in diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins, for example, diseases such as Parkinson's disease and Lewy body dementia.
본 발명에 따르면, 본 발명의 그래핀 양자점은 말단 작용기로 카르복실기, 케톤기, 알데하이드기, 히드록시기, 에폭시기 등의 산소 원자 함유 작용기를 포함할 수 있다. 특히, 음전하를 나타내는 카르복실기를 주요 작용기로 포함할 수 있다.According to the present invention, the graphene quantum dots of the present invention may include oxygen atom-containing functional groups such as carboxyl groups, ketone groups, aldehyde groups, hydroxy groups, and epoxy groups as terminal functional groups. In particular, the carboxyl group exhibiting negative charge may be included as a main functional group.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 본 발명의 그래핀 양자점에 대한 FT-IR 스펙트럼에서, 상기 카르복실기의 -C=O 피크 및 방향족 -C=C- 피크의 흡광도 비율이 약 1:1 이상이다. 특히, 상기 흡광도 비율은 약 1:1 내지 약 30:1, 약 1:1 내지 약 20:1, 약 1:1 내지 약 1:15, 약 1:1 내지 약 1:10, 약 1:1 내지 약 1:7, 약 1:1 내지 약 1:5, 약 1:1 내지 약 1:3 또는 약 1:1 내지 약 2:1일 수 있다. 다만, 상기 흡광도 비율은 하한이 약 1:1인 점에 특징이 있는 것이며, 상기 흡광도 비율이 약 1:1 이상이면 무방하다.According to an embodiment of the present invention, in the FT-IR spectrum of the graphene quantum dots of the present invention, the absorbance ratio of the -C═O peak and the aromatic —C═C- peak of the carboxyl group is about 1: 1 or more. In particular, the absorbance ratio is about 1: 1 to about 30: 1, about 1: 1 to about 20: 1, about 1: 1 to about 1:15, about 1: 1 to about 1:10, about 1: 1 To about 1: 7, about 1: 1 to about 1: 5, about 1: 1 to about 1: 3, or about 1: 1 to about 2: 1. However, the absorbance ratio is characterized in that the lower limit is about 1: 1, and the absorbance ratio may be about 1: 1 or more.
본 발명에 있어서, 상기 -C=O 피크는 약 1700 내지 약 1750 cm -1 에서 나타나는 피크를 의미하고, 상기 방향족 -C=C- 피크는 약 1600 내지 약 1650 cm -1 에서 나타나는 피크를 의미한다. In the present invention, the -C = O peak means a peak appearing at about 1700 to about 1750 cm -1 , and the aromatic -C = C- peak means a peak appearing at about 1600 to about 1650 cm -1 . .
본 발명에 따른 그래핀 양자점은 평균 직경 (lateral size)이 약 0.5 내지 약 10 nm 이며 평균 높이 (height)가 약 0.1 내지 약 3 nm로서, 나노 스케일의 작은 크기를 나타낸다. Graphene quantum dots according to the present invention have a mean lateral size of about 0.5 to about 10 nm and an average height of about 0.1 to about 3 nm, indicating a small size of nanoscale.
구체적으로, 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 평균 직경은 약 0.5 내지 약 10 nm, 약 0.7 내지 약 7 nm, 약 0.8 내지 약 6 nm 또는 약 1 내지 약 5 nm 일 수 있다. Specifically, the average diameter of the graphene quantum dots according to the present invention may be about 0.5 to about 10 nm, about 0.7 to about 7 nm, about 0.8 to about 6 nm or about 1 to about 5 nm.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 평균 높이는 약 0.1 내지 약 3 nm, 약 0.2 내지 약 3 nm, 약 0.3 내지 약 3 nm, 약 0.5 내지 약 3 nm 또는 약 0.5 내지 약 2.5 nm 일 수 있다.In addition, the average height of the graphene quantum dots according to the present invention may be about 0.1 to about 3 nm, about 0.2 to about 3 nm, about 0.3 to about 3 nm, about 0.5 to about 3 nm or about 0.5 to about 2.5 nm.
위에서 언급한 본 발명의 그래핀 양자점은, 양자점 표면에 생성된 음전하를 이용하여 α-syn 단량체의 피브릴화를 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 분해할 수 있으며 체내 독성이 없다. 또한, 본 발명의 그래핀 양자점은 나노 스케일의 작은 크기를 나타냄으로써 혈뇌장벽 (BBB)을 쉽게 통과할 수 있다. 더불어, 본 발명의 그래핀 유도체는 체내에 축적되는 문제점도 발견되지 않았다. The graphene quantum dots of the present invention mentioned above can suppress the fibrillation of the α-syn monomer or decompose the previously formed α-syn fibrils using negative charges generated on the surface of the quantum dots and have no toxicity in the body. In addition, the graphene quantum dots of the present invention exhibit a small size of the nano-scale can easily pass through the blood brain barrier (BBB). In addition, the graphene derivative of the present invention has not been found to accumulate in the body.
따라서, 본 발명에 따른 그래핀 양자점은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 치료제로서 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the graphene quantum dots according to the present invention can be usefully used as a therapeutic agent for diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins.
그래핀 양자점의 용도Uses of Graphene Quantum Dots
본 발명은 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 용도를 제공한다.The present invention provides the use of graphene quantum dots according to the present invention.
위에서 서술한 바와 같이, 본 발명의 그래핀 양자점은 혈뇌장벽을 통과하여 α-syn 피브릴화를 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 단량체로 분해할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 양자점은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 치료제로서 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the graphene quantum dots of the present invention can cross the blood brain barrier to inhibit α-syn fibrillation or decompose the already formed α-syn fibrils into monomers. Therefore, the graphene quantum dots according to the present invention can be usefully used as a therapeutic agent for diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.According to one embodiment of the invention, the present invention provides a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal protein comprising a graphene quantum dot according to the present invention as an active ingredient.
본 발명에 있어서, 상기 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들은 퇴행성 신경 질환, 염증성 질환 또는 대사성 질환이다. In the present invention, the diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins are degenerative neurological diseases, inflammatory diseases or metabolic diseases.
구체적으로, 상기 퇴행성 신경 질환은 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 루게릭병, 치매, 뇌졸중, 아밀로이드증, 섬유증, 뇌병증 및 다발성 경화증으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the degenerative neurological disease may be selected from the group consisting of Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, Lou Gehrig's disease, dementia, stroke, amyloidosis, fibrosis, encephalopathy and multiple sclerosis. However, the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 염증성 질환은 홍반병, 아토피, 류마티스 관절염, 하시모토 갑상선염, 악성빈혈, 에디슨씨병, 제1형 당뇨, 루프스, 만성피로증후군, 섬유근육통, 갑상선 기능 저하증, 갑상선 기능 항진증, 경피증, 베체트병, 염증성 장질환, 중증 근무력증, 메니에르 증후군(Meniere's syndrome), 길리안-바레 증후군(Guilian-Barre syndrome), 쇼그렌 증후군(Sjogren's syndrome), 자궁내막증, 건선, 백반증, 전신성 경피증 및 궤양성 대장염으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.In addition, the inflammatory diseases include erythema, atopy, rheumatoid arthritis, Hashimoto's thyroiditis, pernicious anemia, Edison's disease, type 1 diabetes, lupus, chronic fatigue syndrome, fibromyalgia, hypothyroidism, hyperthyroidism, scleroderma, Behcet's disease, From the group consisting of inflammatory bowel disease, myasthenia gravis, Meniere's syndrome, Guilian-Barre syndrome, Sjogren's syndrome, endometriosis, psoriasis, vitiligo, systemic scleroderma and ulcerative colitis It may be selected. However, the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 대사성 질환은 당뇨병, 고혈압, 고지혈증, 이상지질혈증 및 비알코올성 지방간으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.In addition, the metabolic disease may be selected from the group consisting of diabetes mellitus, hypertension, hyperlipidemia, dyslipidemia and nonalcoholic fatty liver. However, the present invention is not limited thereto.
본 발명의 약학적 조성물은 투여를 위해서 본 발명에 따른 그래핀 양자점 외에 추가로 약학적으로 허용 가능한 담체를 1 종 이상 더 포함할 수 있다. 약학적으로 허용 가능한 담체는 식염수, 멸균수, 링거액, 완충 식염수, 덱스트로즈 용액, 말토 덱스트린 용액, 글리세롤, 에탄올 및 이들 성분 중 1 성분 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라 항산화제, 완충액, 정균제 등 다른 통상의 첨가제를 첨가할 수 있다. 또한 희석제, 분산제, 계면활성제, 결합제 및 윤활제를 부가적으로 첨가하여 수용액, 현탁액, 유탁액 등과 같은 주사용 제형, 환약, 캡슐, 과립 또는 정제로 제제화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 약학적 조성물은 패치제, 액제, 환약, 캡슐, 과립, 정제, 좌제 등일 수 있다. 이들 제제는 당 분야에서 제제화에 사용되는 통상의 방법 또는 Remington's Pharmaceutical Science (최근판), Mack Publishing Company, Easton PA 에 개시되어 있는 방법으로 제조될 수 있으며 각 질환에 따라 또는 성분에 따라 다양한 제제로 제제화될 수 있다.The pharmaceutical composition of the present invention may further include one or more pharmaceutically acceptable carriers in addition to the graphene quantum dots according to the present invention for administration. Pharmaceutically acceptable carriers may be used in combination with saline, sterile water, Ringer's solution, buffered saline, dextrose solution, maltodextrin solution, glycerol, ethanol, and one or more of these components, as necessary. And other conventional additives such as bacteriostatic agents can be added. Diluents, dispersants, surfactants, binders and lubricants may also be added in addition to formulate into injectable formulations, pills, capsules, granules or tablets such as aqueous solutions, suspensions, emulsions and the like. Accordingly, the pharmaceutical compositions of the present invention may be patches, solutions, pills, capsules, granules, tablets, suppositories, and the like. These formulations can be prepared by conventional methods used in the art for formulation or by methods disclosed in Remington's Pharmaceutical Science (Recent Edition), Mack Publishing Company, Easton PA, and formulated into various formulations depending on the individual disease or component. Can be.
본 발명의 약학적 조성물은 목적하는 방법에 따라 경구 투여하거나 비경구 투여 (예를 들어, 정맥 내, 피하, 복강 내 또는 국소에 적용)할 수 있으며, 투여량은 환자의 체중, 연령, 성별, 건강상태, 식이, 투여시간, 투여방법, 배설율 및 질환의 중증도 등에 따라 그 범위가 다양하다. 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 일일 투여량은 약 1 내지 1000 ㎎/㎏ 이고, 바람직하게는 5 내지 100 ㎎/㎏ 이며, 하루 일회 내지 수회에 나누어 투여할 수 있다. The pharmaceutical compositions of the present invention may be administered orally or parenterally (eg, applied intravenously, subcutaneously, intraperitoneally or topically) according to the desired method, and the dosage is based on the weight, age, sex, The range varies depending on the state of health, diet, time of administration, method of administration, rate of excretion and the severity of the disease. The daily dosage of the graphene quantum dots according to the present invention is about 1 to 1000 mg / kg, preferably 5 to 100 mg / kg, and may be administered once to several times a day.
본 발명의 약학적 조성물은 본 발명에 따른 그래핀 양자점 외에 동일 또는 유사한 약효를 나타내는 유효성분을 1 종 이상 더 포함할 수 있다. The pharmaceutical composition of the present invention may further include one or more active ingredients exhibiting the same or similar medicaments in addition to the graphene quantum dots according to the present invention.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 치료학적으로 유효한 양의 투여를 포함하는 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들을 예방 또는 치료하는 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, the present invention provides a method for preventing or treating diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins comprising the administration of a therapeutically effective amount of graphene quantum dots according to the present invention.
본 발명에서 사용되는 "치료학적으로 유효한 양"이라는 용어는 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료에 유효한 상기 그래핀 양자점의 양을 나타낸다.As used herein, the term “therapeutically effective amount” refers to the amount of graphene quantum dots effective for the prevention or treatment of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins.
본 발명의 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 방법은 상기 그래핀 양자점을 투여함으로써, 징후의 발현 전에 질병 그 자체를 다룰 뿐만 아니라, 이의 징후를 저해하거나 피하는 것을 또한 포함한다. 질환의 관리에 있어서, 특정 활성 성분의 예방적 또는 치료학적 용량은 질병 또는 상태의 본성(nature)과 심각도, 그리고 활성 성분이 투여되는 경로에 따라 다양할 것이다. 용량 및 용량의 빈도는 개별 환자의 연령, 체중 및 반응에 따라 다양할 것이다. 적합한 용량 용법은 이러한 인자를 당연히 고려하는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 쉽게 선택될 수 있다. 또한, 본 발명의 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 방법은 상기 그래핀 양자점과 함께 질환 치료에 도움이 되는 추가적인 활성 제제의 치료학적으로 유효한 양의 투여를 더 포함할 수 있으며, 추가적인 활성 제제는 상기 그래핀 양자점과 함께 시너지 효과 또는 보조적 효과를 나타낼 수 있다.The method of preventing or treating diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins of the present invention includes administering the graphene quantum dots, thereby not only treating the disease itself before the onset of the symptoms, but also inhibiting or avoiding the symptoms thereof. In the management of a disease, the prophylactic or therapeutic dose of a particular active ingredient will vary depending on the nature and severity of the disease or condition and the route by which the active ingredient is administered. Dosage and frequency of dose will vary depending on the age, weight and response of the individual patient. Appropriate dosage regimens can be readily selected by those of ordinary skill in the art that naturally consider such factors. In addition, the method of preventing or treating diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins of the present invention may further include the administration of a therapeutically effective amount of an additional active agent to help treat the disease in conjunction with the graphene quantum dots. In addition, the additional active agent may exhibit a synergistic or auxiliary effect with the graphene quantum dots.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 본 발명은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 치료용 약제의 제조를 위한 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 용도를 제공한다. 상기 약제의 제조를 위한 그래핀 양자점은 허용되는 보조제, 희석제, 담체 등을 혼합할 수 있으며, 기타 활성제제와 함께 복합 제제로 제조되어 활성 성분들의 상승 작용을 가질 수 있다. According to another embodiment of the invention, the invention provides the use of the graphene quantum dots according to the invention for the manufacture of a medicament for the treatment of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins. Graphene quantum dots for the preparation of the medicament may be mixed with an acceptable adjuvant, diluent, carrier and the like, and may be prepared in a complex formulation with other active agents to have a synergistic action of the active ingredients.
본 발명의 용도, 조성물, 치료 방법에서 언급된 사항은 서로 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.The matters mentioned in the uses, compositions and methods of treatment of the invention apply equally unless they contradict each other.
본 명세서에 있어서, “예방(prevention)”이란 본 발명에 따른 조성물의 투여에 의해 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환을 억제시키거나 발병을 지연시키는 모든 행위를 의미한다.As used herein, "prevention" means any action that inhibits or delays the onset of a disease associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins by administration of a composition according to the present invention.
본 명세서에 있어서, "치료(treatment)"란 본 발명에 따른 조성물의 투여에 의해 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환의 증세가 호전되거나 이롭게 변경되는 모든 행위를 의미한다. As used herein, "treatment" means any action in which the symptoms of a disease associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins are improved or beneficially altered by administration of a composition according to the invention.
본 명세서에 있어서, “개체(individual)”란 본 발명의 조성물이 투여될 수 있는 대상을 말하며, 그 대상에는 제한이 없다. In the present specification, "individual" refers to a subject to which the composition of the present invention can be administered, and the subject is not limited.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
실시예Example : : 그래핀Graphene 양자점Quantum dots ( ( GQDsGQDs )의 제조Manufacturing
카본파이버 (0.9 g)를 황산 (300 ml) 및 질산 (100 ml) 혼합 용액에 첨가한 후에 80 ℃에서 24 시간 동안 가열하였다(thermo-oxidation process, 도 1 참조). 그리고 탈염수 (deionized water)로 희석한 후, 재생 니트로셀룰로오스 멤브레인 (Cat#: 06-680-2G; MWCO 1,000 달톤; Fisher Sicentific)으로 투석하여 산과 과량의 카본 조각들을 완벽히 제거하였다. 그리고 GQD 용액을 다공성 무기 멤브레인 필터 (Cat#: 6809-5002; Whatman-Anodisc 47; GE Healthcare)로 진공-여과하여 큰 입자들을 제거하였다. 그 후, 용액을 회전증발시켜 파우더 형태의 그래핀 양자점 (GQDs)을 수득하였다. 획득된 그래핀 양자점은 Graphitic domain과 엣지 작용기(edge functional groups)를 모두 포함하여 주요 원소 성분인 질소 (N), 탄소 (C), 수소 (H), 황 (S), 및 산소 (O)의 원소분석(elemental analysis; EA)을 실시하였다. 원소분석은 Elemental analyzer Flash2000 (Thermo Fisher Scientific)를 이용하여 실시하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.Carbon fiber (0.9 g) was added to a mixed solution of sulfuric acid (300 ml) and nitric acid (100 ml) and then heated at 80 ° C. for 24 hours (thermo-oxidation process, see FIG. 1). Dilution with deionized water was followed by dialysis with a regenerated nitrocellulose membrane (Cat #: 06-680-2G; MWCO 1,000 Daltons; Fisher Sicentific) to completely remove acid and excess carbon fragments. The GQD solution was then vacuum-filtered with a porous inorganic membrane filter (Cat #: 6809-5002; Whatman-Anodisc 47; GE Healthcare) to remove large particles. Thereafter, the solution was rotovap to obtain graphene quantum dots (GQDs) in powder form. The obtained graphene quantum dots contain both the graphitic domain and edge functional groups, which are the main elemental components of nitrogen (N), carbon (C), hydrogen (H), sulfur (S), and oxygen (O). Elemental analysis (EA) was performed. Elemental analysis was performed using an Elemental analyzer Flash2000 (Thermo Fisher Scientific). The results are shown in Table 1.
그래핀양자점Graphene Quantum Store 원소element NN CC HH SS OO 합계Sum
molmol 0.10 0.10 2.80 2.80 1.29 1.29 0.07 0.07 1.62 1.62 --
wt%wt% 2.12 2.12 52.21 52.21 2.00 2.00 3.31 3.31 40.36 40.36 100 100
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 그래핀 양자점은 핵심 원소인 탄소와 산소의 wt% 비율이 5.2±1 : 4.0±1의 비율로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, the graphene quantum dot of the present invention was confirmed that the wt% ratio of carbon and oxygen, which is a core element, is composed of a ratio of 5.2 ± 1: 4.0 ± 1.
비교예: nano-GOs 및 rGQDs의 제조Comparative Example: Preparation of nano-GOs and rGQDs
nano-GOs를 제조하기 위해, 종래 문헌에 따라 개선된 Hummer 방법에 의해 원시 (pristine) 그래핀 옥사이드 (GOs)를 합성하였다. 수득된 GO 분말을 탈염수에 10 mg/ml의 농도로 첨가하고 3 시간 동안 팁-초음파 처리하여 nano-GOs를 수득하였다. To prepare nano-GOs, pristine graphene oxides (GOs) were synthesized by an improved Hummer method according to the literature. The obtained GO powder was added to demineralized water at a concentration of 10 mg / ml and tip-ultrasound treatment for 3 hours to obtain nano-GOs.
GQDs의 환원은 2 시간 동안 200 ℃에서 오토클레이브 기반 수열법으로 수행하여 rGQDs를 제조하였다. Reduction of GQDs was performed by autoclave based hydrothermal method at 200 ° C. for 2 hours to prepare rGQDs.
상기 생성물들은 FT-IR 분광기 및 AFM 분석으로 분석하였으며, rGQDs와 원시 GQDs는 AFM 결과에서 실제적으로 차이가 없었다.The products were analyzed by FT-IR spectroscopy and AFM analysis, and rGQDs and raw GQDs did not differ substantially in AFM results.
실험 방법Experiment method
1. AFM 이미징1. AFM Imaging
AFM 이미징을 위해서 각 시료 (10 μg/ml) 및 α-syn 피브릴 (10 μg/ml)을 1 cm 2 실리콘 산화물 기판 위에 떨어뜨려 상온에서 건조시켰다. XE-100 AFM (Park Systems)을 이용하여 비접촉모드 (스캔 크기: 25 μm 2, 스캔 속도: 0.8 Hz)로 분석하였다. 이미지는 XE 데이터 수집 프로그램 (XEP 1.8.0)으로 획득하였다.For AFM imaging, each sample (10 μg / ml) and α-syn fibrils (10 μg / ml) were dropped on a 1 cm 2 silicon oxide substrate and dried at room temperature. Analysis was carried out in a non-contact mode (scan size: 25 μm 2 , scan rate: 0.8 Hz) using XE-100 AFM (Park Systems). Images were acquired with the XE Data Collection Program (XEP 1.8.0).
2. FT-IR 측정2. FT-IR measurement
시료를 고진공 데시케이터에서 완전히 건조시키고, 통상적인 KBr 펠렛 방법으로 제조하였다. 그리고 Nicolet 6700 FT-IR 스펙트로미터 (Thermo Scientific)로 스캔 횟수 32회, 파수범위 4000 내지 40 cm -1 조건에서 측정하였다.Samples were dried completely in a high vacuum desiccator and made by conventional KBr pellet method. And it was measured in Nicolet 6700 FT-IR spectrometer (Thermo Scientific) 32 times, the wave range of 4000 to 40 cm -1 conditions.
3. ThT (thioflavin T) 형광 및 탁도 (Turbidity) 분석3. Ththiofluorotin T Fluorescence and Turbidity Analysis
ThT 분석을 위해, 각 시료 50 μl를 16,000 x g에서 30 분간 원심 분리하였다. 그리고 펠렛을 10 mM 글리신 완충액 (pH 9.0)을 이용하여 용해시킨 25 μM ThT (Cat#: T3516; Sigma-Aldrich) 200 μl에 재현탁시켰다. ThT 형광은 형광분광광도계를 사용하여 482 nm (440 nm에서 여기)에서 측정되었다.For ThT analysis, 50 μl of each sample was centrifuged at 16,000 × g for 30 minutes. The pellet was then resuspended in 200 μl of 25 μM ThT (Cat #: T3516; Sigma-Aldrich) dissolved using 10 mM glycine buffer (pH 9.0). ThT fluorescence was measured at 482 nm (excitation at 440 nm) using a fluorescence spectrophotometer.
탁도 분석을 위해, α-syn 피브릴을 인산염완충용액 (phosphate buffered saline; PBS)을 이용하여 1/10의 비율로 희석시켰다. 그리고 희석된 α-syn 피브릴을 Corning의 96-웰 플레이트로 옮기고, 마이크로 플레이트 다중 판독기를 이용하여 360 nm에서의 흡광도 세기를 측정하여 각 시료의 탁도를 평가하였다.For turbidity analysis, α-syn fibrils were diluted at a rate of 1/10 with phosphate buffered saline (PBS). The diluted α-syn fibrils were then transferred to Corning's 96-well plates, and the absorbance intensity at 360 nm was measured using a microplate multiple reader to evaluate the turbidity of each sample.
4. TEM 이미징4. TEM Imaging
시료를 2 분 동안 글로 방전된 400 메쉬 카본-코팅 구리 그리드 (EMS사 제품)에 흡착시켰다. 그리고 상기 그리드에 신속히 50 mM Tris-HCl (pH 7.4) 용액 세 방울을 떨어뜨려 세척한 다음, 각각 30 초 동안 0.75 % 우라닐 포르메이트를 연속적으로 두 방울씩 흘렸다. 얼룩은 #1 와트만 여과지를 사용하여 제거하였다. 시료는 측정 전에 충분히 건조하여 80 kV에서 작동하는 전자현미경 Phillips CM 120 TEM과 AMT의 ER-80 CCD (8 메가픽셀)를 사용하여 디지털화된 이미지를 획득하였다. 뉴런의 경우, 1차 배양한 대뇌 피질 유래 뉴런을 폴리-D-라이신으로 코팅된 35 mm 접시 위에 100,000 세포/웰의 밀도로 배양하였다. 뉴런은 DIV 10에 1 μg/ml의 그래핀 양자점을 함유하거나 함유하지 않은 1 μg/ml의 PFFs를 처리하였다. 그리고 7일 후, 뉴런을 1 % 소듐 나이트라이트 (pH 7.4) 함유 PBS로 세척하고, 3 %(v/v) 파라포름알데히드(PFA), 1.5 %(v/v) 글루탈알데히드, 100 mM 카코딜레이트 및 2.5 %(v/v) 수크로오스(pH 7.4)로 이루어진 고정액을 사용하여 고정하고, 1 시간 동안 후고정시켰다. 이미지는 Soft Imaging System Megaview III 디지털 카메라가 장착된 Phillips EM 410 TEM에서 수집되었다.The sample was adsorbed onto a 400 mesh carbon-coated copper grid (manufactured by EMS) which had been glow discharged for 2 minutes. Then, three drops of 50 mM Tris-HCl (pH 7.4) solution were rapidly dropped into the grid, followed by two successive drops of 0.75% uranyl formate for 30 seconds each. The stain was removed using # 1 Whatman filter paper. Samples were digitized images using an electron microscope Phillips CM 120 TEM operating at 80 kV and an ER-80 CCD (8 megapixels) from AMT, dried sufficiently before measurement. For neurons, primary cultured cerebral cortical derived neurons were cultured at a density of 100,000 cells / well on a 35 mm dish coated with poly-D-lysine. Neurons were treated with 1 μg / ml PFFs with or without 1 μg / ml graphene quantum dots in DIV 10. And after 7 days, neurons were washed with PBS containing 1% sodium nitrite (pH 7.4), 3% (v / v) paraformaldehyde (PFA), 1.5% (v / v) glutalaldehyde, 100 mM caco Fixed using fixed solution consisting of dilate and 2.5% (v / v) sucrose (pH 7.4) and post-fixed for 1 hour. Images were collected on a Phillips EM 410 TEM equipped with a Soft Imaging System Megaview III digital camera.
5. Dot-blot 분석5. Dot-blot Analysis
Bio-Dot 미세여과장치 (Cat#: 170645; Bio-Rad)를 사용하여 시료를 미리 적신 니트로셀룰로오스 멤브레인 (공극 크기: 0.45 μm)에 로딩하고, 음압을 이용해 상기 멤브레인에 점착시켰다. 트리스 완충 식염수 (Tris-buffered saline)로 각 멤브레인을 세척한 후, 5 % 탈지 분유가 포함된 트윈-20 함유 트리스 완충 식염수로 멤브레인을 블로킹하였다. 시료를 형태-특이적 anti-α-syn 필라멘트 항체 (Cat#: ab209538; 1:1, abcam)로 4 ℃에서 밤새 결합시키고, 이어서 토끼에서 추출한 HRP-접합 이차 항체 (GE Healthcare)와 상온에서 1 시간 동안 배양하였다. 그리고 멤브레인을 트리스 완충 식염수로 여러 번 세척하고 ECL 용액을 사용하여 이미지화하고, ImageJ 소프트웨어를 사용하여 분석하였다.Samples were loaded onto a pre-wet nitrocellulose membrane (pore size: 0.45 μm) using a Bio-Dot microfiltration device (Cat #: 170645; Bio-Rad) and adhered to the membrane using negative pressure. After washing each membrane with Tris-buffered saline, the membranes were blocked with Tween-20 containing Tris buffered saline containing 5% skim milk powder. Samples were bound overnight at 4 ° C. with a form-specific anti-α-syn filament antibody (Cat #: ab209538; 1: 1, abcam) and then at room temperature with HRP-conjugated secondary antibody (GE Healthcare) extracted from rabbits. Incubated for hours. The membrane was then washed several times with Tris buffered saline, imaged using ECL solution, and analyzed using ImageJ software.
6. BN-PAGE 및 SDS-PAGE6. BN-PAGE and SDS-PAGE
BN-PAGE의 경우, NativePAGETM 샘플 준비 키트 (Cat#: BN2008; Life technologies)를 사용하여 α-syn 피브릴 및 α-syn PFF를 준비하고, 200 V에서 90 분 동안 NativePAGETM Novex 4-16 % 비스-트리스 젤 (Cat#: BN1002Box; Life technologies)을 사용하여 전기영동 하였다. 캐소드(cathode) 완충 용액은 50 mM 트리신(tricine), 15 mM 비스-트리스 및 0.02 % 브릴리언트 블루 G (pH 7.0)을 함유하고, 애노드(anode) 완충 용액은 50 mM 비스-트리스 (pH 7.0)으로 구성된다. 젤은 SilverQuestTM 실버 염색 키트 (Cat#: LC6070; Life technologies)를 사용하여 제조업체의 지침에 따라 염색하였다.For BN-PAGE, prepare α-syn fibrils and α-syn PFF using NativePAGETM sample preparation kit (Cat #: BN2008; Life technologies) and use NativePAGETM Novex 4-16% Bis- for 90 minutes at 200 V Electrophoresis was performed using Tris gel (Cat #: BN1002Box; Life technologies). Cathode buffer solution contains 50 mM trisine, 15 mM bis-tris and 0.02% brilliant blue G (pH 7.0), and the anode buffer solution is 50 mM bis-tris (pH 7.0) It consists of. Gels were stained according to the manufacturer's instructions using the SilverQuestTM Silver Staining Kit (Cat #: LC6070; Life technologies).
SDS-PAGE의 경우, 10 DIV 대뇌피질 유래 신경세포를 7 일 동안 5 μg/ml 그래핀 양자점의 존재 또는 부재 하에서 α-syn PFF (5 μg/ml)로 처리하였다. 신경세포의 가용 단백질은 4 ℃에서 PBS 용액 내 1 % TX-100과 단백질 분해효소(protease) 및 인산화 단백질 분해효소(phosphatase) 억제제의 칵테일 (Cat#: PPC1010; Sigma-Aldrich)을 이용하여 준비되었다. 이후 용해물을 4 ℃에서 12,000 x g으로 30 분 동안 초음파 처리하였다. 펠렛을 수차례 세척하고 불용성 단백질 조제를 위해 2 % SDS를 포함하는 PBS에 현탁시켰다. 2X Laemmli 샘플 버퍼 (Cat#: 1610737, Bio-rad)를 사용하여 상기 용해물을 희석시켰다. 이어서, 20 μg의 단백질을 NovexTM 8-16 % 트리스-글라이신 젤 (Cat#: XP08160BOX, Life technologies)에 로딩하고, 130 V에서 85 분 동안 전기영동을 수행하였다. 그 다음, 단백질을 니트로셀룰로오스 멤브레인으로 옮기고, 5 % 탈지 분유를 포함한 0.1 % 트윈-20 함유 트리스 포함 생리식염수로 1 시간 동안 블로킹하고, anti-pS129-α-syn (Cat#: ab59264, 1:1,000, abcam), SNAP25 (Cat#: 111-002, 1:2,000, Synaptic Systems) 또는 VAMP2 (Cat#: ab3347, 1:1,000, abcam) 항체를 4 ℃에서 밤새 붙인 후, 토끼 또는 쥐로부터 분리한 HRP-접합 2차 항체 (GE Healthcare)로 상온에서 1시간 동안 배양하였다. 블랏은 ECL 용액으로 시각화하고 ImageJ 소프트웨어로 분석하였다.For SDS-PAGE, 10 DIV cortical derived neurons were treated with α-syn PFF (5 μg / ml) in the presence or absence of 5 μg / ml graphene quantum dots for 7 days. Soluble protein of neurons was prepared using a cocktail of 1% TX-100 and protease and phosphatase inhibitors (Cat #: PPC1010; Sigma-Aldrich) in PBS solution at 4 ° C. . The lysate was then sonicated at 12,000 x g for 30 minutes at 4 ° C. The pellet was washed several times and suspended in PBS containing 2% SDS for insoluble protein preparation. The lysates were diluted using 2 × Laemmli Sample Buffer (Cat #: 1610737, Bio-rad). 20 μg of protein was then loaded into NovexTM 8-16% Tris-Glycine Gel (Cat #: XP08160BOX, Life technologies) and electrophoresis was performed at 130 V for 85 minutes. The protein is then transferred to a nitrocellulose membrane, blocked for 1 hour with 0.1% Tween-20 containing Tris containing 5% skim milk powder, anti-pS129-α-syn (Cat #: ab59264, 1: 1,000). , abcam), SNRP25 (Cat #: 111-002, 1: 2,000, Synaptic Systems) or VAMP2 (Cat #: ab3347, 1: 1,000, abcam) antibody was attached overnight at 4 ° C., and then HRP isolated from rabbit or rat -Incubated with conjugated secondary antibody (GE Healthcare) for 1 hour at room temperature. Blots were visualized with ECL solution and analyzed with ImageJ software.
7. 초음파 처리된 α-syn PFF의 제조7. Preparation of Ultrasonicated α-syn PFF
α-syn PFF는 Volpicelli-Daley et al (Nat Protoc 9, 2135-2146, doi: 10.1038/nprot.2014.143 (2014))에 의해 보고된 종래의 방법에 따라 준비되었다. 마우스 재조합 전장 α-syn을 암피실린-내성 박테리아 발현 벡터 pRK172에 클로닝하였다. 그 다음, 플라스미드를 BL21(DE3)RIL-competent E. coli (Cat#: 23045, Life technologies)에 도입시켜 사용하였다. 박테리아 배양 후, 상기 언급된 문헌을 따라 α-syn 단량체를 분리하여 음이온 교환, 투석 및 크기 배제 크로마토그래피를 포함하는 여러 정제 단계를 통해 순수하게 정제하였다. 시험관내 (in vitro) α-syn 피브릴은 에펜도르프(Eppendorf) 오비탈 믹서 (Cat#: 538400020)를 사용하여 37 ℃, 1,000 rpm으로 7 일 동안 교반하면서 응집시켰다. α-syn 피브릴의 단편은 1/8" 프로브-소니피케이터를 가진 초음파 장치를 사용하여 20 % 강도로 총 60 번의 펄스 (각각 ~0.5 초)를 처리하여 만들었다. 상기 단편을 1차 배양된 신경세포와 37 ℃에서 7 일 동안 배양한 후에, 상기 단편들이 신경세포 안에서 자연스럽게 성숙한 피브릴로 변환되었고, 세포에 대한 독성을 보임을 확인하였다.α-syn PFF was prepared according to the conventional method reported by Volpicelli-Daley et al (Nat Protoc 9, 2135-2146, doi: 10.1038 / nprot. 2014.143 (2014)). Mouse recombinant full length α-syn was cloned into ampicillin-resistant bacterial expression vector pRK172. The plasmid was then introduced and used in BL21 (DE3) RIL-competent E. coli (Cat #: 23045, Life technologies). After bacterial incubation, the α-syn monomers were isolated according to the above mentioned documents and purified purely through several purification steps, including anion exchange, dialysis and size exclusion chromatography. In vitro α-syn fibrils were aggregated with stirring at 37 ° C., 1,000 rpm for 7 days using an Eppendorf orbital mixer (Cat #: 538400020). Fragments of α-syn fibrils were made by treating a total of 60 pulses (˜0.5 s each) at 20% intensity using an ultrasound device with a 1/8 ”probe-sonypicizer. After 7 days of incubation at 37 ° C. with neurons, the fragments were naturally converted into mature fibrils in neurons and showed toxicity to the cells.
8. 그래핀 양자점의 비오틴화 및 결합 분석8. Biotinylation and Binding Analysis of Graphene Quantum Dots
기능화 (functionalisation)를 위해 그래핀 양자점에 카르복실기를 도입하기 위해, 50 mg의 그래핀 양자점을 접합 완충액 (conjugation buffer, pH 4.7)에 용해시켰다. 이어서, 12.5 mg의 EDC 시약 (N-3(Dimethylaminopropyl)-N-ethylcarbodiimide hydrochloride, Cat#: 03449, Sigma-Aldrich)을 가하여 카르복실기를 그래핀 양자점에 카르복실기를 도입하였다. 1 시간 동안 교반시킨 후, EDC-활성화된 그래핀 양자점에 25 mg의 EZ-Link Amine-PEG3-Biotin (Cat#: 21347, Thermo Scientific)을 첨가하여 12 시간 동안 그래핀 양자점과 비오틴 사이에 아마이드 결합을 형성시켰다. 상기 용액을 재생 니트로셀룰로스 멤브레인 (Cat#: 06-680-2G, MWCO 1,000 Daltons, Fisher Scientific)으로 투석하여 미반응 비오틴 및 EDC 시약을 제거하였다. 그 다음, 상기 용액을 회전농축기를 사용하여 분말 형태의 최종 생성물을 수득하였다. 그래핀 양자점과 α-syn 피브릴 간의 결합 분석을 위해 5 mg/ml의 α-syn 피브릴을 5 mg/ml의 비오틴화된 그래핀 양자점 및 스트렙타비딘 결합 0.8 nm 금 나노입자 (Cat#: 800.099, Aurion)와 함께 1 시간 동안 배양하였다. 그 후, 비오틴화-그래핀 양자점에 높은 친화성으로 결합된 스트렙타아바딘 결합 초소영 금 입자는 GoldEnhanceTM EM Plus 용액 (Cat#: 2114, Nanoprobes)으로 5 분 동안 증강시켰다. 미반응 용액을 100 kDa MWCO 스핀 컬럼 (Cat#: UFC510024, Millipore-Sigma)으로 제거한 후, TEM 분석을 수행하였다.To introduce the carboxyl group into the graphene quantum dots for functionalization, 50 mg of graphene quantum dots were dissolved in conjugation buffer (pH 4.7). Subsequently, 12.5 mg of EDC reagent (N-3 (Dimethylaminopropyl) -N-ethylcarbodiimide hydrochloride, Cat #: 03449, Sigma-Aldrich) was added to introduce a carboxyl group into the graphene quantum dot. After stirring for 1 hour, 25 mg of EZ-Link Amine-PEG3-Biotin (Cat #: 21347, Thermo Scientific) was added to EDC-activated graphene quantum dots for 12 hours to bond the amide between graphene quantum dots and biotin. Was formed. The solution was dialyzed with a regenerated nitrocellulose membrane (Cat #: 06-680-2G, MWCO 1,000 Daltons, Fisher Scientific) to remove unreacted biotin and EDC reagents. The solution was then used in a rotary thickener to obtain the final product in powder form. For binding analysis between graphene quantum dots and α-syn fibrils, 5 mg / ml α-syn fibrils were replaced with 5 mg / ml biotinylated graphene quantum dots and streptavidin-coupled 0.8 nm gold nanoparticles (Cat #: 800.099, Aurion) for 1 hour. Thereafter, streptabadine-bound ultrafine gold particles bound to biotinylated-graphene quantum dots with high affinity were enhanced with GoldEnhanceTM EM Plus solution (Cat #: 2114, Nanoprobes) for 5 minutes. Unreacted solution was removed with a 100 kDa MWCO spin column (Cat #: UFC510024, Millipore-Sigma) followed by TEM analysis.
9. 15N-표지된 α-syn의 정제9. Purification of 15 N-labeled α-syn
α-syn 과발현을 위해 pRK172 벡터에 클로닝된 α-syn 유전자를 E. coli BL21(DE3)으로 도입하였다. 동위원소-표지된 α-syn의 제조를 위해, 리터당 0.5 g의 15NH 4Cl 및 1 g의 13C 글루코오스 (Cambridge Isotope Laboratory Inc., Andover, MA)를 함유하는 M9 배지에서 100 μg/ml의 암피실린과 함께 37 ℃에서 세포를 성장시켰다. 이소프로필 ß-D-싸이오갈락토피라노사이드 (IPTG)로 유도한 후, 열처리된 세포 용해물을 DEAE-Sephacel 음이온 교환, Sephacryl S-200 크기 배제 및 S-Sepharose 양이온 크로마토 그래피를 사용하여 연속적으로 정제하였다. 상기 정제된 α-syn을 새로운 20 mM 2-(N-몰폴리노)에탄설폰산(MES) 완충액 (pH 6.5) 12 L로 3 번 투석하였고, -80 ℃에서 1 mg/ml의 농도로 분주하여 보관하였다. 실험 직전에 4 ℃에서 Nanosep 10 K 멤브레인 (Pall Gelman, 독일)을 사용하여 시료를 5 mg/ml로 농축하였다.The α-syn gene cloned into the pRK172 vector was introduced into E. coli BL21 (DE3) for α-syn overexpression. For the preparation of isotopically-labeled α-syn, 100 μg / ml in M9 medium containing 0.5 g of 15 NH 4 Cl and 1 g of 13 C glucose (Cambridge Isotope Laboratory Inc., Andover, MA) per liter Cells were grown at 37 ° C. with ampicillin. After induction with isopropyl ß-D-thiogalactopyranoside (IPTG), the heat treated cell lysates were successively subjected to DEAE-Sephacel anion exchange, Sephacryl S-200 size exclusion and S-Sepharose cation chromatography Purified. The purified α-syn was dialyzed three times with 12 L of fresh 20 mM 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES) buffer (pH 6.5) three times and dispensed at a concentration of 1 mg / ml at -80 ° C. Was stored. Samples were concentrated to 5 mg / ml using Nanosep 10 K membrane (Pall Gelman, Germany) at 4 ° C. immediately before the experiment.
10. NMR 분광 분석10. NMR spectral analysis
α-syn과 그래핀 양자점 사이의 상호 작용에 대한 상세한 NMR 연구는 cryo-genic probe가 장착된 950 MHz 분광계 (Bruker, 독일)를 사용하여 수행하였다. 균일하게 분류된 15N-표지 α-syn (5 mg/ml, 100 μl)을 GQD (5 mg/ml, 100 μl)와 37 ℃에서 3 일 동안 1,000 rpm으로 교반하며 반응시켰다. 1H- 15N HSQC 측정을 위해, 10 % 함유 20 mM MES 완충액 (pH 6.5)을 사용하여 15N-표지 α-syn 시료를 제조하였다. α-syn 및 그래핀 양자점과 반응한 α-syn의 1H- 15N HSQC 스펙트럼은 37 ℃에서 얻어졌다. 얻어진 데이터를 NMRPipe24로 처리하고 Sparky25로 분석하였다.Detailed NMR studies of the interaction between α-syn and graphene quantum dots were performed using a 950 MHz spectrometer (Bruker, Germany) equipped with a cryo-genic probe. Homogeneously classified 15 N-labeled α-syn (5 mg / ml, 100 μl) was reacted with GQD (5 mg / ml, 100 μl) with stirring at 1,000 rpm for 3 days at 37 ° C. For 1 H- 15 N HSQC measurements, 15 N-labeled α-syn samples were prepared using 10 mM containing 20 mM MES buffer (pH 6.5). 1 H- 15 N HSQC spectra of α-syn reacted with α-syn and graphene quantum dots were obtained at 37 ° C. The data obtained were treated with NMRPipe24 and analyzed with Sparky25.
11. 시뮬레이션 세부사항11. Simulation Details
분자 레벨에서 그래핀 양자점과 α-syn 피브릴간의 상호 작용을 조사하기 위해 Gromacs 5.1로 200 ns의 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다. α-syn의 소수성 NAC 도메인 (잔기 71 내지 82)의 초기 구조는 CHARMM forcefield를 갖는 ssNMR 구조 (PDB ID: 2N0A)로부터 적용되었고, 그래핀 양자점의 구조는 https://cgenff.paramchem.org.의 프로토콜에 의해 CGenFF로 설계되었다.To investigate the interaction between graphene quantum dots and α-syn fibrils at the molecular level, 200 ns molecular dynamics (MD) simulations were performed with Gromacs 5.1. The initial structure of the hydrophobic NAC domain (residues 71-82) of α-syn was applied from the ssNMR structure (PDB ID: 2N0A) with the CHARMM forcefield, and the structure of the graphene quantum dots was obtained from https://cgenff.paramchem.org. Designed by CGenFF as protocol.
12. CD 측정12. CD measurement
α-syn 피브릴 (5 mg/ml, 100 μl)을 그래핀 양자점 수용액 (5 mg/ml, 100 μl)과 혼합하고, 7 일 동안 37 ℃, 1,000 rpm에서 진탕 배양 하에 해중합시켰다. far-UV CD 측정의 경우, 시료를 증류수로 희석(1/2)하였다. J-815 분광편광계 (Jasco, 일본)와 0.2 mm 길이의 석영 큐벳을 사용하여 190 nm 내지 260 nm의 CD 스펙트럼을 0.5 nm 간격으로 측정하였다. 완충 용액의 스펙트럼은 시료 스펙트럼에서 제외하였다. CD 신호는 평균 잔류 타원도 [θ]에 대해 deg cm 2/dmol의 단위로 정규화되었다. α-syn 피브릴과 해중합된 α-syn 피브릴의 분획 이차 구조 함량은 DichroWeb 온라인 서버의 CONTIN/LL 알고리즘을 사용하여 계산하였다. CONTIN/LL을 사용하여 계산할 때, DichroWeb의 참조 세트 7을 사용하였으며, 190 내지 240 nm의 파장 범위에 맞게 최적화되었다.α-syn fibrils (5 mg / ml, 100 μl) were mixed with an aqueous solution of graphene quantum dots (5 mg / ml, 100 μl) and depolymerized under shaking culture at 37 ° C., 1,000 rpm for 7 days. For far-UV CD measurements, samples were diluted (1/2) with distilled water. CD spectra from 190 nm to 260 nm were measured at 0.5 nm intervals using a J-815 spectropolarimeter (Jasco, Japan) and a 0.2 mm long quartz cuvette. The spectrum of the buffer solution was excluded from the sample spectrum. CD signals were normalized in units of deg cm 2 / dmol relative to the mean residual ellipticity [θ]. The fractional secondary structure content of α-syn fibrils and depolymerized α-syn fibrils was calculated using the CONTIN / LL algorithm of the DichroWeb online server. When calculated using CONTIN / LL, DichroWeb's Reference Set 7 was used and optimized for the wavelength range from 190 to 240 nm.
13. 1차 신경세포 배양13. Primary Neuron Culture
마우스 대뇌피질 유래 1차 신경세포는 15 일된 C57BL/6 마우스 배아를 사용하여 준비하였다. 분리된 신경세포는 B27 보충인자 (Cat#: 17504044, Life technologies) 및 L-글루타민 (Cat#: 25030149, Life technologies)을 함유하는 Neurobasal Media (Cat#: 21103049, Life technologies)로 구성된 배양 배지에 준비하여 50 μg/ml의 폴리-D-라이신 (Cat#: P6407, Sigma-Aldrich)으로 코팅된 배양접시에 플레이팅되었다. 배양액은 1 주일에 2 회 교환하여 37 ℃, 7 % CO 2 배양기에서 유지되었다. 배양된 지 5일 후에, 신경교세포 (glial cell)의 성장을 억제하기 위해 30 μM의 5-플루오로-2'-데옥시우리딘 (Cat#: F0503, Sigma-Aldrich)를 처리하였다. 마우스를 사용한 실험에 대한 모든 절차는 존스 홉킨스 대학 동물 관리 및 사용위원회의 지침에 따라 승인되었고 준수되었다.Primary cortical derived primary neurons were prepared using 15 day old C57BL / 6 mouse embryos. Isolated neurons were prepared in culture medium consisting of Neurobasal Media (Cat #: 21103049, Life technologies) containing B27 supplement (Cat #: 17504044, Life technologies) and L-glutamine (Cat #: 25030149, Life technologies) Were plated in a culture dish coated with 50 μg / ml poly-D-lysine (Cat #: P6407, Sigma-Aldrich). Cultures were exchanged twice a week and maintained in a 37 ° C., 7% CO 2 incubator. After 5 days of culture, 30 μM of 5-fluoro-2′-deoxyuridine (Cat #: F0503, Sigma-Aldrich) was treated to inhibit the growth of glial cells. All procedures for experiments using mice were approved and followed according to the guidelines of the Johns Hopkins University Animal Care and Use Committee.
14. 세포 생존 및 세포 독성 분석14. Cell Survival and Cytotoxicity Analysis
세포 생존 및 세포 독성 분석을 위해, 1차 대뇌피질 신경세포를 폴리-D-라이신 코팅 유리 커버슬립에 밀도 10,000 세포/cm 2로 배양하고, 7 % CO 2 배양기에서 1 주일에 2 회 배지를 교환하며 배양하였다. 1차 배양된 신경세포의 세포 독성은 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 또는 존재 하에 7 일 동안 10 DIV 마우스 대뇌피질 신경세포에 α-syn PFFs (1 μg/ml)를 처리 한 후, LDH 세포 독성 분석 키트 (Cat#: 88954, Pierce)를 사용하여 측정하였다. 또한 TUNEL 분석 키트 (Cat#: 12156792910, Roche)를 사용하여 세포 사멸을 결정하였다. 1차 배양된 신경세포의 생존력을 alamarBlue 세포 생존능 분석 키트 (Cat#: DAL1025, Molecular ProbesTM) 및 신경돌기 파생물 염색 키트 (Cat#: A15001, Molecular ProbesTM)를 사용하여 측정하였다. 상기 신경돌기 파생물 염색 키트는 신경돌기 파생의 표지로서 세포 멤브레인 표면을 염색하는 오렌지색 염료, 및 세포내 에스테라아제에 의해 비형광 기질에서 녹색 형광 생성물로 전환되는 세포-투과성 염색을 포함한다.For cell survival and cytotoxicity assays, primary cortical neurons were cultured at a density of 10,000 cells / cm 2 in poly-D-lysine coated glass coverslips and medium exchanged twice a week in a 7% CO 2 incubator. And incubated. Cytotoxicity of primary cultured neurons was determined after treatment of α-syn PFFs (1 μg / ml) on 10 DIV mouse cortical neurons for 7 days in the absence or presence of graphene quantum dots (1 μg / ml), LDH cytotoxicity analysis kit (Cat #: 88954, Pierce) was measured. Cell death was also determined using the TUNEL Assay Kit (Cat #: 12156792910, Roche). Viability of primary cultured neurons was measured using the alamarBlue cell viability assay kit (Cat #: DAL1025, Molecular Probes ™) and the neurite outgrowth staining kit (Cat #: A15001, Molecular Probes ™). The neurite outgrowth staining kit includes an orange dye that stains the cell membrane surface as a marker of neurite outgrowth, and cell-permeable staining that is converted from a non-fluorescent substrate to a green fluorescent product by intracellular esterases.
15. 체외 (in vitro) 면역 형광15. In vitro immunofluorescence
폴리-D-라이신 코팅을 한 커버슬립에 20,000 세포/cm 2의 밀도로 마우스 1차 대뇌피질 신경세포를 플레이팅하였다. 4 % PFA를 사용하여 신경세포를 고정한 후, 5 % 정상 당나귀 혈청 (Cat#: 017-000-121, Jackson ImmunoResearch), 2 % 소 혈청 알부민 (Cat#: A7030, Sigma-Aldrich) 및 0.1 % Trion X-100 (Cat#: T8787, Sigma-Aldrich)으로 1 시간 동안 실온에서 블로킹하였다. anti-8-OHG (Cat#: ab62623, 1:1,000, abcam), anti-pS129-α-syn (Cat#: ab59264, 1:1,000, abcam) 및 anti-MAP2 (Cat#: MAB3418, 1:1,000, Millipore) 항체들과 함께 4 ℃에서 밤새 배양하였다. 시료들을 0.1 % Trion X-100가 함유되어 있는 PBS로 세척한 후, FITC-접합 2차 항체 (당나귀 항-마우스 FITC; Cat#: 715-095-151, 당나귀 항-토끼 FITC; Cat#: 711-095-152, Jackson ImmunoResearch) 및 Cy3-접합 2차 항체 (당나귀 항-마우스 FITC; Cat#: 715-165-151, 당나귀 항-토끼 CY3; Cat#: 711-165-1527, Jackson ImmunoResearch)의 혼합물을 커버슬립과 함께 상온에서 1 시간 동안 배양하였다. 형광 이미지는 Zeiss 공초점 현미경 (LSM 710, Zeiss Confocla)을 통해 획득하였다.Mouse primary cerebral cortical neurons were plated at a density of 20,000 cells / cm 2 on coverslips coated with poly-D-lysine. After fixing neurons using 4% PFA, 5% normal donkey serum (Cat #: 017-000-121, Jackson ImmunoResearch), 2% bovine serum albumin (Cat #: A7030, Sigma-Aldrich) and 0.1% Trion Blocking with X-100 (Cat #: T8787, Sigma-Aldrich) for 1 hour at room temperature. anti-8-OHG (Cat #: ab62623, 1: 1,000, abcam), anti-pS129-α-syn (Cat #: ab59264, 1: 1,000, abcam) and anti-MAP2 (Cat #: MAB3418, 1: 1,000 , Millipore) were incubated overnight at 4 ° C with antibodies. Samples were washed with PBS containing 0.1% Trion X-100, followed by FITC-conjugated secondary antibody (donkey anti-mouse FITC; Cat #: 715-095-151, donkey anti-rabbit FITC; Cat #: 711 -095-152, Jackson ImmunoResearch) and Cy3-conjugated secondary antibody (donkey anti-mouse FITC; Cat #: 715-165-151, donkey anti-rabbit CY3; Cat #: 711-165-1527, Jackson ImmunoResearch) The mixture was incubated with coverslips at room temperature for 1 hour. Fluorescence images were obtained through Zeiss confocal microscopy (LSM 710, Zeiss Confocla).
16. 복합체 I 활성 분석16. Complex I Activity Assay
미토콘드리아 복합체 I 효소 활성은 복합체 I 효소 활성 마이크로 플레이트 분석 키트 (Cat#: ab109721, abcam)를 사용하여 제조사의 지시에 따라 측정하였다. 간략하게, 1차 대뇌피질 신경세포는 폴리-D-라이신으로 코팅된 6 cm 배양 접시 상에 1,000,000 세포/접시의 밀도로 플레이팅되었다. 신경세포는 체외에서 10 일째에 1 μg/ml의 그래핀 양자점의 존재 또는 부재 하에 α-syn PFFs 1 μg/ml로 처리되었다. 7 일간 처리 후, 1/10 부피의 디터전트가 포함된 PBS를 이용하여 1차 신경세포에서 단백질을 추출하고, 얼음 위에서 30 분 동안 배양하였다. 시료의 최종 단백질 농도를 5.5 mg/ml으로 조절한 후, 12,000 x g에서 20 분 동안 원심 분리하고, 상등액을 마이크로플레이트 웰에 올려 실온에서 3 시간 동안 배양하였다. 3 시간 후, 플레이트를 완충액으로 2 회 세척 후 분석 용액 200 μl를 첨가하였다. 미토콘드리아 복합체 I 효소 활성은 OD450에서 약 1 분 간격으로 30 분 동안 측정하였다.Mitochondrial complex I enzyme activity was measured using the complex I enzyme activity microplate assay kit (Cat #: ab109721, abcam) according to the manufacturer's instructions. Briefly, primary cortical neurons were plated at a density of 1,000,000 cells / plate on 6 cm culture dishes coated with poly-D-lysine. Neurons were treated with 1 μg / ml of α-syn PFFs in the presence or absence of 1 μg / ml graphene quantum dots on day 10 in vitro. After 7 days of treatment, proteins were extracted from primary neurons using PBS containing 1/10 volume of detergent and incubated for 30 minutes on ice. The final protein concentration of the sample was adjusted to 5.5 mg / ml, centrifuged at 12,000 x g for 20 minutes, and the supernatant was placed in a microplate well and incubated for 3 hours at room temperature. After 3 hours, the plates were washed twice with buffer and 200 μl of assay solution was added. Mitochondrial complex I enzyme activity was measured at OD450 for 30 minutes at about 1 minute intervals.
17. 미토콘드리아 형태 평가17. Mitochondrial morphology evaluation
대뇌피질 1차 신경세포는 폴리-D-라이신으로 코팅된 유리 커버슬립 상에 10,000 세포/cm 2의 농도로 플레이팅되었다. 1차 배양된 대뇌피질 신경세포는 DIV 10에서 1 μg/ml의 그래핀 양자점의 존재 또는 부재 하에 α-syn PFF 1 μg/ml로 처리하였다. 7 일간 처리 후, 신경세포는 제조업체의 지침에 따라 MitoTracker ® Orange CMTMRos 프로브 (Cat#: M7510, Life technologies)로 염색되었다. 간략하게, 1차 신경세포를 100 nM의 MitoTracker ® Orange CMTMRos 프로브와 함께 30 분 동안 배양한 후, 세포 이미징 용액 (Cat#: A1429DJ, Life technologies)으로 세척하였다. 염색된 미토콘드리아는 Zeiss 공초점 현미경(LSM710)을 사용하여 영상화하였고, 길이 또는 종횡비 (AP, 미토콘드리아와 동등한 타원의 장축과 단축의 비)와 같은 미토콘드리아 형태학적 특징을 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 분석하였다.Cortical primary neurons were plated at a concentration of 10,000 cells / cm 2 on glass coverslips coated with poly-D-lysine. Primary cultured cerebral cortical neurons were treated with α-syn PFF 1 μg / ml in the presence or absence of 1 μg / ml graphene quantum dots at DIV 10. After 7 days of treatment, neurons were stained with MitoTracker ® Orange CMTMRos probe (Cat #: M7510, Life technologies) according to the manufacturer's instructions. And washed with: (A1429DJ, Life technologies Cat # ) briefly, and incubated for 30 min with primary MitoTracker ® Orange CMTMRos probe of the neurons 100 nM, cell imaging solution. Stained mitochondria were imaged using Zeiss confocal microscopy (LSM710), and mitochondrial morphological features such as length or aspect ratio (AP, ratio of long axis and short axis of ellipse equivalent to mitochondria) were analyzed using ImageJ software.
18. 산소 소비율의 결정18. Determination of oxygen consumption rate
산소 소비율 (Oxygen Consumption Rate, OCR)은 Seahorse XF cell mito 스트레스 테스트 키트 (Cat#: 103015, Agilent)를 사용하여 제조사의 지침을 다음과 같이 수정하여 측정하였다. 간단히, 1차 배양한 대뇌피질 신경세포를 해마 XF24 세포 배양 플레이트 위에 500,000 세포/웰의 농도로 플레이팅하였다. 신경세포는 DIV 10에서 1 μg/ml 그래핀 양자점의 존재 또는 부재 하에 α-syn PFF 1 μg/ml로 처리되었다. 7 일간 처리 후, 뉴런을 따뜻한 PBS로 세척하고 해마 분석 배지에서 37 ℃, 1 시간 동안 배양하였다. 그 후, 플레이트를 XF24 Extracellular Flux Analyzer (Seahorse Biosicince)에 넣고 산소 소비율을 측정하였다. 산소 소비율은 1 분 혼합, 1 분 대기 및 2 분 측정 프로토콜로 37 ℃에서 측정한 후, CO 2가 없는 배양기에서 45 분 배양한 후 XF24 분석기로 분석하였다. 올리고마이신, 카보닐 카나이드 m-클로로페닐하이드라존 (CCCP) 및 로테논을 순차적으로 주입하여 기초 호흡, 호흡 사슬의 커플링 및 미토콘드리아 호흡 용량을 평가하였다. 측정된 산소 소비율은 각 웰의 단백질 농도를 사용하여 표준화되었다. 데이터는 대조군과 비교하여 그 변화를 백분율로 표시하였다.Oxygen Consumption Rate (OCR) was measured using the Seahorse XF cell mito stress test kit (Cat #: 103015, Agilent) by modifying the manufacturer's instructions as follows. Briefly, primary cultured cerebral cortical neurons were plated at a concentration of 500,000 cells / well on hippocampal XF24 cell culture plates. Neurons were treated with α-syn PFF 1 μg / ml in the presence or absence of 1 μg / ml graphene quantum dots at DIV 10. After 7 days of treatment, neurons were washed with warm PBS and incubated for 1 hour at 37 ° C. in hippocampus assay medium. Thereafter, the plate was placed in an XF24 Extracellular Flux Analyzer (Seahorse Biosicince) and oxygen consumption was measured. Oxygen consumption was measured at 37 ° C. with a 1 min mixing, 1 min atmospheric and 2 min measurement protocol, followed by 45 min incubation in a CO 2 free incubator and analyzed by XF24 analyzer. Sequential injections of oligomycin, carbonyl canide m-chlorophenylhydrazone (CCCP) and rotenone were used to assess basal respiration, coupling of the respiratory chain and mitochondrial respiratory dose. The measured oxygen consumption rate was normalized using the protein concentration of each well. The data expressed the change in percentage compared to the control.
19. 라이브 이미징19. Live Imaging
저속 공초점 라이브 이미징을 위해 1차 대뇌피질 신경세포는 폴리-D-라이신으로 코팅된 유리 바닥 접시 (Cat#: 150682, NuncTM) 위에 10,000의 세포를 플레이팅하고, 37 ℃, 7 % CO 2 배양기에서 배양하였다. DIV 7에서, 1차 배양된 신경세포를 FITC 표지된 α-syn PFFs, 1 μg/ml GQDs-비오틴 및 스트렙타비딘 Qdot 복합체 및 세포 이미징 솔루션을 함유하는 100 nM LysoTrackerTM Blue DND-22 (Cat#: L7525, Life technologies)와 함께 1 시간 동안 배양하였다. 배양 접시를 온도 조절된 CO 2 배양 시스템이 장착된 Zeiss 공초점 현미경 (LSM710)에 장착한 다음, 488 nm 및 561 nm 레이저 여기(excitation)에서 지정된 간격으로 저속 이미지를 캡처하였다.For slow confocal live imaging, primary cortical neurons plate 10,000 cells on a glass bottom dish (Cat #: 150682, NuncTM) coated with poly-D-lysine, 37 ° C., 7% CO 2 incubator. Incubated at. In DIV 7, primary cultured neurons were treated with 100 nM LysoTrackerTM Blue DND-22 containing FITC labeled α-syn PFFs, 1 μg / ml GQDs-biotin and streptavidin Qdot complex and cell imaging solution (Cat #: L7525, Life technologies) for 1 hour. The petri dish was mounted on a Zeiss confocal microscope (LSM710) equipped with a temperature controlled CO 2 culture system and then low speed images were captured at specified intervals at 488 nm and 561 nm laser excitation.
20. 미세유체 챔버 20. Microfluidic chamber
트리플-구획 미세유체 장치 (Triple-compartment microfluidic device)는 Xona Microfluidic (Cat#: TCND1000)을 사용하였다. 유리 커버 슬립은 미소유체 장치에 부착되기 폴리-D-라이신으로 코팅하였다. 챔버당 약 100,000개의 신경세포를 플레이팅하고, DIV 7에 0.5 μg의 GQDs를 챔버1 (C1) 또는 챔버 2 (C2)에 전처리 한 후 챔버 1 (C1)에 0.5 μg의 α-syn PFF를 처리하였다. 제 1 챔버에서 α-syn PFF의 처리는 모든 시험 그룹에서 수행되어 다음 챔버에 적절한 전송 조건을 생성하였다. 유체 흐름의 방향을 조절하기 위해 3 개의 구획 사이에는 배지 부피의 50 μl-차이가 유지되었다. 신경세포는 α-syn PFFs 처리 후 14 일에 4 % PFA를 포함한 PBS를 사용하여 고정하였다. 챔버 안의 고정된 신경세포는 5 % 정상 당나귀 혈청, 2 % 소혈청 알부민, 0.1 % 트리톤 X-100를 함유하는 블로킹 용액을 사용하여 상온에서 1시간 동안 배양하였다. 신경세포는 4 ℃에서 밤새 anti-pS129-α-syn (Cat#: ab59264, 1:1,000, abcam) 및 anti-MAP2 (Cat#: MAB3418, 1:1,000, Millipore) 항체로 배양하였고, 챔버를 0.1 % Triton X-100를 포함한 PBS를 사용하여 세척 후, 상온에서 FITC-접합 2차 항체 (Jackson ImmunoResearch) 및 Cy3-접합 2차 항체 (Jackson ImmunoResearch)의 혼합물로 실온에서 1 시간 동안 배양하였다. 형광 이미지는 Zeiss 공초점 현미경을 통하여 수득하였다.As a triple-compartment microfluidic device, Xona Microfluidic (Cat #: TCND1000) was used. Glass cover slips were coated with poly-D-lysine to attach to the microfluidic device. Plate about 100,000 neurons per chamber, pretreat 0.5 μg of GQDs in chamber 1 (C1) or chamber 2 (C2) in DIV 7 and then process 0.5 μg of α-syn PFF in chamber 1 (C1) It was. Treatment of α-syn PFF in the first chamber was performed in all test groups to create the appropriate transfer conditions for the next chamber. A 50 μl-difference of medium volume was maintained between the three compartments to control the direction of the fluid flow. Neurons were fixed using PBS with 4% PFA 14 days after α-syn PFFs treatment. Fixed neurons in the chamber were incubated for 1 hour at room temperature using a blocking solution containing 5% normal donkey serum, 2% bovine serum albumin and 0.1% Triton X-100. Neurons were incubated with anti-pS129-α-syn (Cat #: ab59264, 1: 1,000, abcam) and anti-MAP2 (Cat #: MAB3418, 1: 1,000, Millipore) antibodies overnight at 4 ° C., and the chamber was 0.1 After washing with PBS containing% Triton X-100, the mixture was incubated for 1 hour at room temperature with a mixture of FITC-conjugated secondary antibody (Jackson ImmunoResearch) and Cy3-conjugated secondary antibody (Jackson ImmunoResearch). Fluorescence images were obtained through a Zeiss confocal microscope.
21. 동물21. Animals
존스홉킨스 의학 연구소 동물 관리 및 사용위원회의 승인을 얻은 국립 동물 건강 관리 연구소의 동물 관리 및 사용 가이드 지침에 따라 모든 실험 절차를 수행하였다. 인간의 α-syn-A53T 형질 전환 마우스 (B6.Cg-Tg, Prnp-SNCA* A53T; 23 Mkle/J, stock#: 006823)은 Jackson Lab에서 구입하였다.All experimental procedures were performed according to the Animal Care and Use Guide Guidelines of the National Institute of Animal Health, approved by the Johns Hopkins Medical Institute Animal Care and Use Committee. Human α-syn-A53T transgenic mice (B6.Cg-Tg, Prnp-SNCA * A53T; 23 Mkle / J, stock #: 006823) were purchased from Jackson Lab.
22. 그래핀 양자점의 체외 (in vivo) 혈뇌장벽 투과성22. In Vitro Blood Brain Barrier Permeability of Graphene Quantum Dots
체외 혈뇌장벽 (Blood-Brain-Barrier, BBB) 투과 실험을 위한 1차 배양한 마우스 성상세포 (astrocyte)는 C58BL/6 마우스 10 마리를 이용하여 준비하였다. 간단히, 1차 배양된 혼합된 신경교세포는 (neuroglia)는 1-d-old C57BL/6 마우스를 이용하여 준비했다. 격리된 대뇌 피질에서 수막 (meninges)을 제거하고, 19-게이지, 0.5-인치 니들을 부착한 30 ml 주사기로 대뇌 피질을 파쇄하였다. 이어서, 세포를 10 % FBS, 1 mM HEPES, 2 mM 글루타민 및 항생제/항균제 (Life technologies)가 보충된 DMEM으로 75 cm 2 T-플라스크에 플레이팅하였다. 혼합된 신경교세포는 37 ℃에서 5 % CO 2 배양기에서 유지되었고, 배양액은 주 2회 교체되었다. 2 주 후, 성상세포 격리 키트 (Cat#: 130-096-053, Miltenyl Biotec)를 사용하여 순수한 성상세포를 분리하였다. C57BL/6 마우스의 1차 뇌 미세 혈관 내피 세포 (BMEC)는 Cell Biologics사에서 구입하였다. 고순도 (>95 %) 성상세포와 BMEC는 세포 특이 마커 GFAP (성상세포용)와 CD31 (BMEC용, Cat#: ab28364, 1: 500, abcam) 마커를 염색하여 모니터링하였다. 체외 혈뇌장벽 제작을 위해, 콜라겐-코팅된 0.4 μm의 transwell inserts (Cat#: CLS3491, Sigma-Aldrich)의 아랫면에 10 6 세포/ml의 성상세포를 첨가하고, 37 ℃, 5 % CO 2 조건 하에서 48 시간 동안 배양하였다. 이어서, 10 7 세포/ml의 BMEC가 인서트 위에 플레이팅된 6-웰 플레이트 위에 챔버를 조심스럽게 위치시켰다. 체외 BBB의 구조적 완전성을 확인하기 위해, BMEC 씨딩 후 0, 2, 4, 6 및 8 일에 상피 볼트/옴 (TEER) 계측기 (Cat#: 300523, EVOM2, world precision instruments)를 사용하여 상피 전기 저항을 측정하였다. 완전성을 확인하기 위해, 트랜스 웰의 내부 (혈액 측)에 혈뇌장벽 투과성 3 kDa 덱스트란-플루오레세인 (Cat#: D3306, Life technologies)을 로딩하고, 형광 분광 광도계 (덱스트란-플루오레세인에 대하여 Ex = 494 nm / Em = 521 nm, 혈뇌장벽 불투과성 덱스트란 로다민에 대하여 Ex = 555 nm / Em = 580 nm)로 비율을 측정하였다. 내부 (혈중 측) 및 외부 (세포막)의 FluoroBriteTM DMEM 배지 (Cat#: A1896701, Life technologies)를 사용하여 520 nm (Ex = 310 nm)에서 남아 있는 그래핀 양자점, 비오틴-그래핀 양자점, nano-GO 및 rGQDs의 농도를 측정하였다.Primary cultured mouse astrocytes for in vitro blood-brain-barrier (BBB) permeation experiments were prepared using 10 C58BL / 6 mice. Briefly, primary cultured mixed glial cells (neuroglia) were prepared using 1-d-old C57BL / 6 mice. Meninges were removed from the isolated cerebral cortex, and the cerebral cortex was disrupted with a 30 ml syringe with a 19-gauge, 0.5-inch needle attached. Cells were then plated in 75 cm 2 T-flasks with DMEM supplemented with 10% FBS, 1 mM HEPES, 2 mM glutamine and antibiotic / antibacterial (Life technologies). Mixed glial cells were maintained in a 5% CO 2 incubator at 37 ° C. and the culture was changed twice a week. Two weeks later, pure astrocytes were isolated using an astrocyte isolation kit (Cat #: 130-096-053, Miltenyl Biotec). Primary brain microvascular endothelial cells (BMEC) of C57BL / 6 mice were purchased from Cell Biologics. High purity (> 95%) astrocytes and BMECs were monitored by staining cell specific markers GFAP (for astrocytes) and CD31 (for BMEC, Cat #: ab28364, 1: 500, abcam). For in vitro blood brain barrier fabrication, 10 6 cells / ml of astrocytes were added to the underside of collagen-coated 0.4 μm transwell inserts (Cat #: CLS3491, Sigma-Aldrich), under 37 ° C., 5% CO 2 conditions. Incubate for 48 hours. The chamber was then carefully placed on a 6-well plate with 10 7 cells / ml BMEC plated onto the insert. To confirm the structural integrity of in vitro BBB, epithelial electrical resistance using epidermal volt / ohm (TEER) instruments (Cat #: 300523, EVOM2, world precision instruments) at 0, 2, 4, 6 and 8 days after BMEC seeding. Was measured. To verify completeness, the blood brain barrier permeable 3 kDa dextran-fluorescein (Cat #: D3306, Life technologies) was loaded inside the transwell (blood side) and placed on a fluorescence spectrophotometer (dextran-fluorescein). Ex = 494 nm / Em = 521 nm, the ratio of blood brain barrier impermeable dextran rhodamine Ex = 555 nm / Em = 580 nm) was measured. Graphene quantum dots, biotin-graphene quantum dots, nano-GO remaining at 520 nm (Ex = 310 nm) using FluoroBriteTM DMEM medium (Cat #: A1896701, Life technologies) in the inner (blood side) and outer (cell membranes) And the concentration of rGQDs.
23. 엑소좀 분리23. Exosome Isolation
방출된 엑소좀에서 그래핀 양자점-비오틴의 농도를 측정하기 위해, BMEC 또는 성상세포를 6 cm 배양접시에 깔고, 5 μg의 그래핀 양자점-비오틴을 12 시간 동안 처리하였다. 12 시간 후, 배양 배지를 교환한 다음 24 시간 및 48 시간 후에 엑소좀 분리 시약 (Cat#: 4478359, ThermoFisher)을 사용하여 엑소좀을 분리하였다.To measure the concentration of graphene quantum dot-biotin in the released exosomes, BMEC or astrocytes were placed in a 6 cm culture dish and treated with 5 μg of graphene quantum dot-biotin for 12 hours. After 12 hours, exosomes were separated using exosome separation reagent (Cat #: 4478359, ThermoFisher) after 24 and 48 hours after the culture medium was changed.
24. 그래핀 양자점의 생체 내 (In vivo) 혈뇌장벽 투과성24. In Vivo Blood Brain Barrier Permeability of Graphene Quantum Dots
그래핀 양자점-비오틴의 생체 내 면역 염색을 위해, 8 주령 C57BL/6 마우스에 2 mg/kg 그래핀 양자점-비오틴을 복강 주사하였다. 뇌를 분리하고, 4 % PFA로 6 시간 동안 고정시킨 후, 48 시간 동안 30 % 수크로오스에 탈수화 과정을 하고 면역 조직 화학 분석을 수행하였다. 후각 구 (olfactory bulb), 신피질 (neocortex), 중뇌 (midbrain) 및 소뇌 (cerebellum)의 그래핀 양자점-비오틴 신호를 DAB 키트를 사용하여 시각화하였다. 위 언급한 영역의 세포에서의 그래핀 양자점-비오틴 양성 신호는 제조사의 지침에 따라 GoldEnhanceTMEM Plus 용액을 사용하여 20 분간 배양한 후, 면역 EM 염색으로 확인하였다. 생체 내 혈뇌장벽 실험에서, 8 주령 C57BL/6 마우스는 비오틴(2 mg/kg) 또는 비히클을 복강 또는 정맥 주사하였다. 7 일 및 14 일에, 뇌 및 혈액을 수득하였고, 뇌를 1 % TX-100을 포함하는 PBS로 균질화시켰다. 상온에서 30 분간 방치하여 전혈을 응고시키고, 응고물을 2,000 x g에서 10 분간 원심 분리하여 제거하였다. 그래핀 양자점-비오틴의 농도는 QuantTag 비오틴 정량 키트 (Cat#: BDK-2000, Vector Laboratories)를 사용하여 측정하였다. 그래핀 양자점-비오틴의 뇌/혈장 농도 비율은 뇌/혈장 비율에 대해 계산하였다.For in vivo immunostaining of graphene quantum dot-biotin, 8-week-old C57BL / 6 mice were intraperitoneally injected with 2 mg / kg graphene quantum dot-biotin. The brain was isolated, fixed for 6 hours with 4% PFA, then dehydrated in 30% sucrose for 48 hours and subjected to immunohistochemistry analysis. Graphene quantum dot-biotin signals from olfactory bulb, neocortex, midbrain and cerebellum were visualized using the DAB kit. Graphene quantum dot-biotin positive signal in the cells of the above-mentioned region was confirmed by immuno EM staining after 20 minutes of incubation using GoldEnhanceTMEM Plus solution according to the manufacturer's instructions. In in vivo blood brain barrier experiments, 8 week old C57BL / 6 mice were intraperitoneally or intravenously injected with biotin (2 mg / kg) or vehicle. On days 7 and 14, brain and blood were obtained and the brain was homogenized with PBS containing 1% TX-100. The whole blood was coagulated by standing at room temperature for 30 minutes, and the coagulum was removed by centrifugation at 2,000 x g for 10 minutes. The concentration of graphene quantum dot-biotin was measured using QuantTag Biotin Quantification Kit (Cat #: BDK-2000, Vector Laboratories). The brain / plasma concentration ratio of graphene quantum dot-biotin was calculated for the brain / plasma ratio.
25. 도파민 신경세포 사멸의 입체학적 평가25. Stereoscopic Evaluation of Dopamine Neuronal Cell Death
모든 실험 절차는 존스 홉킨스 의학 연구소 동물 관리 및 사용위원회의 승인을 얻은 국립 동물 건강 관리 연구소의 동물 관리 및 사용 가이드 지침에 따라 수행되었다. 8 내지 10 주령 수컷 C57BL6 마우스를 Jackson 실험실에서 구입하였다. 마우스를 펜토바르비탈 (60 mg/kg)로 마취시키고 stereotaxic instrument (Cat#: Model 900; David KOPF instruments)를 이용하여 2 μl의 PBS 또는 PFFs (5 μg/2 μl)를 선조체(striatum)의 한쪽 반구에 주사하였다. 실험군에는 50 μl의 GQD (마우스 당 50 μg)를 6 개월 동안 격주로 복강 주사하였다. 주사 6 개월 후, 마우스를 PBS에 이어 4% PFA로 관류하였다. 12 시간 동안 4% PFA로 고정한 후, 뇌를 30% 수크로오스로 탈수하고, 면역 조직 화학법으로 분석하였다. 중뇌 흑질 (SN, substantia nigra)을 포함한 뇌 전체를 50 μm의 관상 절편으로 자르고, 매 4번째 절편을 사멸 세포 수 분석에 사용하였다. 토끼 다클론 anti-TH (Cat#: NB300-19; 1:1,000; Novus Biologicals)), 토끼 다클론 anti-pS129-α-syn (Cat#: ab59264; 1:1,000; abcam)을 블로킹 용액과 함께 배양하였다. DAB 키트 (Cat#: SK-4100; Vector Laboratories)를 사용하여 시각화한 후, 비오틴화된 2차 항체 및 스트렙타비딘-접합 호스레디쉬 퍼옥시다아제 (HRP) (Cat#: PK-6101; Vector Laboratories)로 배양하였다. 염색된 조직 절편을 슬라이드 위에 올린 후, 싸이오닌을 사용하여 Nissl 바디를 염색하였다. SN에서 TH 및 Nissl 양성 신경세포의 총 수를 Stereo Investigator 소프트웨어 (MBF Bioscience)의 Optical Factionator 프로브 프로그램을 사용하여 측정하였다.All experimental procedures were performed according to the Animal Care and Use Guide Guidelines of the National Institute of Animal Health Care, which was approved by the Johns Hopkins Medical Institute Animal Care and Use Committee. 8-10 week old male C57BL6 mice were purchased from Jackson laboratory. Mouse was anesthetized with pentobarbital (60 mg / kg) and 2 μl of PBS or PFFs (5 μg / 2 μl) was used on one side of the striatum using a stereotaxic instrument (Cat #: Model 900; David KOPF instruments). Injection into hemispheres. The experimental group was intraperitoneally injected with 50 μl of GQD (50 μg per mouse) every 6 months for 6 months. Six months after injection, mice were perfused with PBS followed by 4% PFA. After fixing with 4% PFA for 12 hours, brains were dehydrated with 30% sucrose and analyzed by immunohistochemistry. The entire brain, including the midbrain nigra (SN, substantia nigra), was cut into 50 μm coronal sections and every fourth section was used for killing cell number analysis. Rabbit polyclonal anti-TH (Cat #: NB300-19; 1: 1,000; Novus Biologicals), rabbit polyclonal anti-pS129-α-syn (Cat #: ab59264; 1: 1,000; abcam) with blocking solution Incubated. After visualization using the DAB kit (Cat #: SK-4100; Vector Laboratories), biotinylated secondary antibody and streptavidin-conjugated horseradish peroxidase (HRP) (Cat #: PK-6101; Vector Laboratories Cultured). Stained tissue sections were placed on slides and then stained with Nissl bodies using thionine. The total number of TH and Nissl positive neurons in SN was measured using the Optical Factionator probe program of Stereo Investigator software (MBF Bioscience).
26. 생체 내 (in vivo) 신경교세포 면역조직화학26. In vivo Glial Cell Immunohistochemistry
동물의 뇌를 PBS 및 4% PFA로 관류하였다. 사후 고정 후 동결 시킨 다음 절편을 만들어 anti-Iba-1 항체 (Cat#: 019-19741; 1:1,000; Wako) 또는 anti-GFAP 항체 (Cat#: Z0334; 1:2,000; Dak)와 함께 배양하였다. 배양한 조직은 다시 비오틴-접합된 anti-토끼 항체 및 ABC 시약 (Cat#: PK-6101; Vector Laboratories)과 함께 배양한 후, DAB 퍼옥시다아제 기질 (Cat#: SK-4100; Vector Laboratories)을 사용하여 각 절편을 염색하였다. SN에서의 신경교세포의 수 및 밀도는 ImageJ 소프트웨어 (http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH)로 측정하였다. 주요 기관 병리 조직 검사를 위해 8-10 주령의 수컷 C57BL/6 마우스에게 그래핀 양자점 50 μg을 6 주간 격주로 복강 주사하였다. 6 개월의 주사 후, 동물을 PBS와 4 % PFA를 사용하여 관류 및 고정하였다. 간, 신장 및 비장을 분리하고, H&E 염색 키트 (Cat#: H-3502; Vector Laboratories)로 염색하였다.Animal brains were perfused with PBS and 4% PFA. After fixation after freezing, sections were made and cultured with anti-Iba-1 antibody (Cat #: 019-19741; 1: 1,000; Wako) or with anti-GFAP antibody (Cat #: Z0334; 1: 2,000; Dak). . The cultured tissue was again incubated with biotin-conjugated anti-rabbit antibody and ABC reagent (Cat #: PK-6101; Vector Laboratories) and then using DAB peroxidase substrate (Cat #: SK-4100; Vector Laboratories) Each section was stained. The number and density of glial cells in the SN was measured by ImageJ software (http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH). For major organ pathology, male C57BL / 6 mice 8-10 weeks old were intraperitoneally injected with 50 μg of graphene quantum dots every other week for 6 weeks. After 6 months of injection, animals were perfused and fixed using PBS and 4% PFA. Liver, kidney and spleen were separated and stained with H & E staining kit (Cat #: H-3502; Vector Laboratories).
27. α-syn 응집 형성 분석27. Analysis of α-syn Aggregation Formation
HEK293T 세포를 유리 슬라이드 상에 플레이팅하고, A53T 변이가 있는 myc-표지 α-syn 변이체 (pCMV5-myc-SNCA-A53T, kindly gifted by Dr. Thomas C. Sudof)를 갖는 pCMV5 벡터로 트랜스펙션한 다음, PBS (pH 7.4) 또는 그래핀 양자점 (0.1 μg/ml)을 처리하였다. 처리 48 시간 후, HEK293T 세포를 PBS로 3 회 세척하고, 4 % PFA를 함유하는 PBS를 사용하여 20 분 동안 실온에서 고정하였다. 그리고 PBS로 3 회 세척한 후, 고정된 세포를 0.1 % Triton X-100 (Sigma Aldrich)가 함유된 PBS를 이용하여 4 분간 세척하였다. 이 후, 세포를 PBS로 3 회 더 세척하고 5 % 당나귀 혈청이 함유된 PBS로 20 분간 블로킹시켰다. α-syn 발현은 α-syn 항체 (Cat#: 610787; 1:1,000; BD Biosciences)를 사용하여 모니터링하였다. 레이저 스캐닝 공초점 현미경에서 550 nm 및 570 nm에서 나타나는 신호를 이미지화하였다. 필드 당 면역 양성 응집체의 수를 측정한 후 ImageJ 소프트웨어 (http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH)를 사용하여 정량하고, DAPI로 염색된 세포의 수를 이용하여 표준화하였다.HEK293T cells were plated on glass slides and transfected with pCMV5 vectors with myc-labeled α-syn variants (pCMV5-myc-SNCA-A53T, kindly gifted by Dr. Thomas C. Sudof) with A53T mutations Next, PBS (pH 7.4) or graphene quantum dots (0.1 μg / ml) were treated. After 48 hours of treatment, HEK293T cells were washed three times with PBS and fixed at room temperature for 20 minutes using PBS containing 4% PFA. After washing three times with PBS, the fixed cells were washed for 4 minutes using PBS containing 0.1% Triton X-100 (Sigma Aldrich). Thereafter, the cells were washed three more times with PBS and blocked for 20 minutes with PBS containing 5% donkey serum. α-syn expression was monitored using α-syn antibody (Cat #: 610787; 1: 1,000; BD Biosciences). Signals appearing at 550 nm and 570 nm in a laser scanning confocal microscope were imaged. The number of immune positive aggregates per field was measured and then quantified using ImageJ software (http://rsb.info.nih.gov/ij/, NIH) and normalized using the number of cells stained with DAPI.
28. 행동 분석28. Behavior Analysis
(1) 실린더 테스트 (cylinder test) (1) cylinder test
비대칭적인 앞다리의 사용을 테스트에 이용하였다. 20 cm의 투명 플라스틱 실린더에 실험동물을 넣고 실린더 벽에 앞발이 접촉하는 횟수를 측정하였다. 동물 당 20~30 회 정도 (접촉에 대하여 전방/후방 및 정반대로 완전히 실행된 경우)의 벽 접촉을 측정하였다. 손상된 대뇌에 상응하는 앞다리 접촉의 횟수는 총 앞다리 접촉의 횟수로 나눠 백분율로 표현되었다. 서로 다른 그룹에 대해 맹검된 조사관이 모든 분석을 수행하였다.The use of asymmetric forelimbs was used for the test. The animals were placed in a 20 cm clear plastic cylinder and the number of paw contact with the cylinder wall was measured. Wall contact was measured about 20-30 times per animal (when fully performed in the forward / rear and opposite to the contact). The number of forelimb contacts corresponding to the injured cerebrum was expressed as a percentage divided by the total number of forelimb contacts. All analyzes were performed by investigators blinded to different groups.
(2) 막대 테스트 (pole test)(2) pole test
모든 동물은 행동 실험에 앞서 30 분 동안 순응시켰다. 행동 실험용 막대는 붕대 거즈로 감싸인 직경 9 mm의 75 cm 금속 막대를 사용하여 만들었다. 마우스를 기둥의 꼭대기에서 (극의 꼭대기에서 7.5 cm) 머리 위로 향하게 놓고, 전주 기둥에 도달하는 데 걸린 총 시간을 기록하였다. 실제 실험에 앞서 모든 마우스를 2 일 간 연속 훈련시켰다. 각 훈련 세션은 3 회의 개별적인 훈련으로 구성하였으며, 시험 당일에 모든 마우스를 3 회의 세션으로 평가하고 총 시간을 기록하였다. 테스트 및 녹화를 중단하는 최대 차단 시간은 60 초였다. 턴 다운, 내리막, 총 시간 (초)에 대한 결과를 기록하였다.All animals were acclimated for 30 minutes prior to behavioral experiments. The behavioral test rod was made using a 75 cm diameter metal rod wrapped with bandage gauze. The mouse was placed over the head at the top of the pole (7.5 cm from the top of the pole) and the total time taken to reach the pole pole was recorded. All mice were trained continuously for 2 days prior to the actual experiment. Each training session consisted of three individual training sessions, and on the test day all mice were evaluated in three sessions and the total time was recorded. The maximum blocking time to stop testing and recording was 60 seconds. Results for turn down, downhill and total time in seconds were recorded.
(3) 움켜짐 테스트 (clasping test)(3) clasping test
hA53T α-syn 마우스의 경우, 뒷다리 움겨쥠이 테스트되었다. 꼬리를 잡아든 동물의 뒷다리 움켜쥠을 10초 동안 관찰하였으며, 각 테스트에 대한 점수는 아래의 기준으로 결정되었다. For hA53T α-syn mice, hind limbs were tested. The hind limb grip of the animal with the tail was observed for 10 seconds, and the score for each test was determined based on the following criteria.
1) 점수 0 : 뒷다리가 바깥쪽으로 지속적으로 퍼져 복부에서 멀어질 경우.1) Score 0: The hind legs spread outwards and away from the abdomen.
2) 점수 1 : 한 개의 뒷다리가 복부쪽으로 5 초 이상 후퇴한 경우.2) Score 1: One hind leg retracted for more than 5 seconds towards the abdomen.
3) 점수 2 : 두 개의 뒷다리가 부분적으로 복부쪽으로 5 초 이상 후퇴한 경우.3) Score 2: Two hind limbs partially retracted towards the abdomen for more than 5 seconds.
4) 점수 3 : 양쪽 뒷다리가 완전히 후퇴하여 5 초 이상 복부에 닿은 경우.4) Score 3: Both hind legs fully retracted and touched the abdomen for more than 5 seconds.
29. 통계29. Statistics
데이터는 적어도 3 번의 독립적인 실험으로부터 평균 ± 표준편차로 측정되었다. 통계적 유의성을 평가하기 위해 Prism6 소프트웨어 (GraphPad)를 사용하여 Bonferroni 사후 분석과 함께 Student t 테스트나 ANOVA 테스트를 수행하였다. p <0.05 인 평가는 유의한 것으로 간주되었다.Data were measured as mean ± standard deviation from at least 3 independent experiments. To assess statistical significance, the Student t test or ANOVA test was performed with a Bonferroni post hoc analysis using Prism6 software (GraphPad). Assessments with p <0.05 were considered significant.
실험결과Experiment result
1. α-syn 피브릴화 및 피브릴 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과1. Effect of Graphene Quantum Dots on α-syn Fibrillation and Fibrillation
도 1a는 본 발명에 따라 제작된 그래핀 양자점의 유무에 따른 α-syn 피브릴화 및 피브릴 분해 효과에 대한 모식도이다. Figure 1a is a schematic diagram of the α-syn fibrillation and fibril decomposition effects with or without graphene quantum dots prepared according to the present invention.
도 1b는 ThT 형광 결과를 이용하여 α-syn 피브릴화 정도를 정량화한 그래프이다. 도 1b에 나타난 바와 같이, α-syn만 존재하는 경우에는 α-syn 피브릴화가 급격히 증가되어 형광값이 증가되나, 그래핀 양자점을 함께 반응시킨 경우에는 150 시간 이후에도 α-syn 피브릴이 형성되지 않아 형광값의 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. Figure 1b is a graph quantifying the degree of α-syn fibrillation using the ThT fluorescence results. As shown in FIG. 1B, when only α-syn is present, α-syn fibrillation is rapidly increased to increase the fluorescence value. However, when the graphene quantum dots are reacted together, α-syn fibrils are not formed after 150 hours. There was no change in the fluorescence value.
도 1c는 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24, 72 및 168 시간의 각 반응 시점에서 탁도 분석 결과(n = 4, ****P<0.001, post-hoc Bonferroni 테스트를 통한 투-웨이 ANOVA, 오차 막대는 표준 편차)를 나타낸 그래프이다. 도 1c에 나타난 바와 같이, α-syn만 존재하는 경우에는 α-syn 피브릴화가 급격히 증가되어 탁도가 증가되나, 그래핀 양자점을 함께 반응시킨 경우에는 α-syn 피브릴이 형성되지 않아 탁도가 증가되지 않는 것을 확인할 수 있었다.1C shows turbidity assay results (n = 4, **** P <0.001, post-hoc Bonferroni tests at each reaction time point 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24, 72 and 168 hours). 2-way ANOVA, error bars are standard deviations). As shown in FIG. 1C, when only α-syn is present, α-syn fibrillation is rapidly increased to increase turbidity, but when the graphene quantum dots are reacted together, α-syn fibrils are not formed to increase turbidity. I could confirm that it did not.
도 1d는 그래핀 양자점의 존재 (우측) 및 부재 (좌측) 하에서 피브릴화시킨 후 TEM으로 확인한 이미지이다. 도 1d에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점이 없는 경우 α-syn 피브릴화가 진행되었지만, 그래핀 양자점을 함께 반응시킨 경우 7 일 결과 후에도 α-syn 피브릴이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.1D is an image confirmed by TEM after fibrillation in the presence (right) and absence (left) of graphene quantum dots. As shown in FIG. 1D, α-syn fibrillation proceeded in the absence of graphene quantum dots, but it was confirmed that α-syn fibrils were not formed even after 7 days when the graphene quantum dots were reacted together.
도 1e는 ThT 형광에 의하여 모니터링된 반응의 표본을 사용하여 그래핀 양자점과 함께 배양 후 이미 형성된 α-syn 피브릴의 분해 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1e에 나타난 바와 같이, α-syn 피브릴과 그래핀 양자점을 함께 반응시킨 경우, α-syn 피브릴이 분해되어 ThT 형광값이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 1E is a graph showing the degradation results of α-syn fibrils already formed after incubation with graphene quantum dots using samples of reactions monitored by ThT fluorescence. As shown in FIG. 1E, when the α-syn fibrils and the graphene quantum dots were reacted together, the α-syn fibrils were decomposed to reduce the ThT fluorescence.
도 1f는 여러 반응 시점 (0, 1, 3, 12, 24, 72 및 168 시간, 각 시점에서 n = 4, ****P<0.001, post-hoc Bonferroni 테스트를 통한 투-웨이 ANOVA, 오차 막대는 표준 편차)에 따른 탁도 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1f에 나타난 바와 같이, α-syn 피브릴과 그래핀 양자점을 함께 반응시킨 경우, α-syn 피브릴이 분해되어 탁도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.Figure 1f shows several response time points (0, 1, 3, 12, 24, 72 and 168 hours, n = 4 at each time point, **** P <0.001, two-way ANOVA with post-hoc Bonferroni test, error Bars are graphs showing the results of turbidity analysis according to the standard deviation. As shown in FIG. 1F, when the α-syn fibrils and the graphene quantum dots were reacted together, it was confirmed that the α-syn fibrils were decomposed to decrease turbidity.
도 1g는 그래핀 양자점의 α-syn 피브릴 분해 효과에 대해 종단길이 (end-to-end length, 각 시점에서 n = 50 피브릴) 및 피브릴 수 (각 시점에서 n = 4)를 나타낸 그래프이다. 도 1g에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점과 α-syn 피브릴을 6 시간 반응시킨 후에는 α-syn 피브릴의 길이가 현저히 감소되었으며, 24 시간 이후에는 α-syn 피브릴의 수 또한 감소되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 1G is a graph showing the end-to-end length (n = 50 fibrils at each time point) and the number of fibrils (n = 4 at each time point) for the α-syn fibril decomposition effect of graphene quantum dots to be. As shown in Figure 1g, after the 6-hour reaction of the graphene quantum dots and α-syn fibrils significantly reduced the length of the α-syn fibrils, and after 24 hours the number of α-syn fibrils also decreased I could confirm it.
도 1h는 그래핀 양자점의 존재 하에 같은 시점 (0, 6, 12, 24 및 72 시간)에서 잔류하는 α-syn 피브릴의 양을 α-syn 피브릴의 종단길이와 α-syn 피브릴 수의 곱으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1h에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점에 의하여 α-syn 피브릴의 양이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다.Figure 1h shows the amount of α-syn fibrils remaining at the same time point (0, 6, 12, 24 and 72 hours) in the presence of graphene quantum dots of the length of α-syn fibrils and the number of α-syn fibrils It is a graph showing the result of product analysis. As shown in Figure 1h, it was confirmed that the amount of α-syn fibrils significantly reduced by the graphene quantum dots.
도 1i는 그래핀 양자점의 부재 (상단) 또는 존재 (하단) 하에서 여러 반응 시점 (6 시간, 12 시간, 1 일, 3 일 및 7 일) 후에 α-syn 피브릴의 TEM 이미지이다. 도 1i에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점의 존재 하에서 α-syn 피브릴의 길이가 감소되며, 형성되어 있던 α-syn 피브릴이 효과적으로 분해되는 것을 직접적으로 확인할 수 있었다.1I is a TEM image of α-syn fibrils after several reaction time points (6 hours, 12 hours, 1 day, 3 days and 7 days) in the absence (top) or presence (bottom) of graphene quantum dots. As shown in FIG. 1I, the length of α-syn fibrils is reduced in the presence of graphene quantum dots, and it was directly confirmed that the formed α-syn fibrils were effectively decomposed.
도 1j는 α-syn 필라멘트 특이적 항체를 이용하여 다양한 반응 시점 (0 시간, 12 시간, 1 일, 3 일 및 7 일)에서 dot-blot 분석에 의한 α-syn 피브릴의 측정 결과를 나타낸 것이다. 도 1j에 나타난 바와 같이, 반응 시간이 증가될수록 α-syn 피브릴의 양은 현저히 감소되었으며, 7일 차에는 α-syn 피브릴이 검출되지 않는 것을 확인할 수 있었다. Figure 1j shows the results of the measurement of α-syn fibrils by dot-blot analysis at various reaction time points (0 hours, 12 hours, 1 day, 3 days and 7 days) using an α-syn filament specific antibody. . As shown in FIG. 1J, as the reaction time was increased, the amount of α-syn fibrils was significantly decreased, and it was confirmed that α-syn fibrils were not detected at day 7.
도 1k는 다양한 반응 시점 (0 시간, 3 시간, 6 시간, 12 시간, 1 일, 3 일 및 7 일) 후에 반응의 표본으로 준비된 α-syn의 BN-PAGE 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 1k에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점과 반응 7일 차에는 α-syn 피브릴이 모두 분해되어 단량체 (monomer) 상태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 1K shows the results of BN-PAGE analysis of α-syn prepared as a sample of the reaction after various reaction time points (0 hours, 3 hours, 6 hours, 12 hours, 1 day, 3 days and 7 days). As shown in FIG. 1K, the 7-day reaction with graphene quantum dots showed that α-syn fibrils were decomposed to exist in the monomer (monomer) state.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점이 α-syn의 피브릴화를 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이미 형성되어 있는 α-syn 피브릴을 효과적으로 분해할 수 있다는 것을 확인하였다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention can not only inhibit the fibrillation of α-syn, but also effectively decompose the α-syn fibrils already formed.
2. 분해 과정 동안 2. During the decomposition process 그래핀Graphene 양자점과Quantum dots 이미 형성된 α- Already formed α- synsyn 피브릴간의Fibril 상호  Mutual 작용에 대한 분석Analysis of the action
도 2a는 비오틴화된 그래핀 양자점과 α-syn 피브릴간의 결합을 TEM을 사용하여 저배율 및 고배율에서 확인한 결과이다. 삼각형 모양의 화살표는 초소형 금-스트렙타비딘 나노 입자와 결합한 비오틴화된 그래핀 양자점을 나타낸다. 도 2a에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점과 α-syn 피브릴과 결합되어 있는 것을 확인할 수 있었다.Figure 2a is a result of confirming the binding between the biotinylated graphene quantum dots and α-syn fibrils at low and high magnification using TEM. Triangular arrows indicate biotinylated graphene quantum dots combined with tiny gold-streptavidin nanoparticles. As shown in Figure 2a, it was confirmed that the graphene quantum dots and α-syn fibrils are combined.
도 2b는 배양 1 시간 후 분해 과정에서 α-syn 피브릴의 평균 폭의 길이 변화 (각 그룹마다 n = 20, *P<0.05, Student's t 테스트, 오차 막대는 표준 편차)를 나타낸 그래프이다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점이 α-syn 피브릴과 결합되어 평균 폭이 증가된 것을 확인할 수 있었다.Figure 2b is a graph showing the change in the length of the average width of the α-syn fibrils in the digestion process after 1 hour incubation (n = 20, * P <0.05, Student's t test, error bars are standard deviation in each group). As shown in Figure 2b, it was confirmed that the graphene quantum dots are combined with the α-syn fibrils to increase the average width.
도 2c는 1H- 15N HSQC 스펙트럼으로부터 얻은 NMR 화학적 이동 차이를 나타낸 그래프이다. 그래핀 양자점과 결합한 이후 각 잔류물에 대한 NMR의 화학적 이동의 감소된 강도 비를 확인할 수 있다. 도 2c에 나타난 바와 같이, α-syn 피브릴의 NAC와 C-말단 부분에 그래핀 양자점이 결합한 것을 확인할 수 있었다.2C is a graph showing the NMR chemical shift differences obtained from the 1 H- 15 N HSQC spectrum. The reduced intensity ratio of chemical shift of NMR for each residue after binding with graphene quantum dots can be confirmed. As shown in Figure 2c, it was confirmed that the graphene quantum dots are bonded to the NAC and C-terminal portion of the α-syn fibrils.
도 2d는 시간 경과 시뮬레이션 동역학을 이용하여 그래핀 양자점과 이미 형성된 α-syn 피브릴 사이의 상호 작용과 65 ns까지의 스냅샷 이미지이다. 도 2d에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점이 α-syn 피브릴에 결합하여 α-syn 피브릴의 구조를 변경시키는 것을 예측할 수 있었다.2D is a snapshot image up to 65 ns and interaction between graphene quantum dots and α-syn fibrils already formed using time-lapse simulation kinetics. As shown in FIG. 2D, it was predicted that the graphene quantum dots bind to α-syn fibrils and change the structure of α-syn fibrils.
도 2e는 원자 위치의 RMSD에 대한 시간-의존성 플랏, α-syn 피브릴 그룹 (흑색) 및 α-syn 피브릴과 그래핀 양자점 그룹 (적색)에 대한 SASA, 총 포텐셜 에너지 (△Utot), 정전기 에너지 (△Elec) 및 α-syn 피브릴 및 그래핀 양자점 그룹에 대한 반데르발스 에너지 (△Evan)를 나타낸 결과이다. FIG. 2E is a time-dependent plot of the atomic position RMSD, SASA for α-syn fibrils group (black) and α-syn fibrils and graphene quantum dot groups (red), total potential energy (ΔUtot), electrostatic Energy (ΔElec) and Van der Waals energy (ΔEvan) for the α-syn fibrils and graphene quantum dot groups.
도 2f는 DSSP 알고리즘에 의해 계산된 시간-의존성 플랏을 나타낸 것이다. 도 2f에 나타난 바와 같이, 베타-sheet가 감소되며, 알파-helix가 증가되는 것을 확인할 수 있었다.2F shows time-dependent plots calculated by the DSSP algorithm. As shown in Figure 2f, it was confirmed that beta-sheet is reduced, alpha-helix is increased.
도 2g는 7 일 동안 배양한 후 그래핀 양자점의 부재 및 존재 하에 α-syn 단량체와 α-syn 피브릴의 CD 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 2G is a graph showing the CD spectrum of α-syn monomer and α-syn fibrils in the absence and presence of graphene quantum dots after 7 days of incubation.
도 2h는 CONTIN/LL의 알고리즘을 사용하여 계산된 그래핀 양자점에 의한 α-syn 피브릴 및 분해된 α-syn 피브릴의 부분 2차 구조의 함유 비율을 나타낸 그래프이다. 도 2h에 나타난 바와 같이, ß-sheet가 감소되며, α-helix가 증가되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 2H is a graph showing the content of partial secondary structures of α-syn fibrils and degraded α-syn fibrils by graphene quantum dots calculated using the algorithm of CONTIN / LL. As shown in Figure 2h, ß-sheet was reduced, it was confirmed that the α-helix is increased.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 α-syn 피브릴에 직접적으로 결합하여 α-syn 피브릴의 구조를 변형시킴으로써 α-syn 피브릴의 분해를 촉진시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it can be seen that the graphene quantum dots of the present invention can promote the decomposition of α-syn fibrils by directly binding to α-syn fibrils and modifying the structure of α-syn fibrils.
3. 시험관 내 (in vitro)에서 α-3. α- in vitro synsyn PFFs에To PFFs 의한 신경세포의 사멸 및 병리 현상, 전이에 미치는 그래핀 양자점의 영향 Effect of Graphene Quantum Dots on Neuronal Cell Death, Pathology and Metastasis
도 3a-c는 10 DIV 마우스 유래 대뇌피질 신경세포에서 7 일 동안 (n = 4) 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 및 존재 하에 α-syn PFFs (1 μg/ml)를 처리하고, TUNEL에 의해 평가된 신경세포의 사멸 (도 3a), alamar Blue (도 3b) 및 LDH 분석 (도 3c) 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3a-c에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점은 세포에 독성을 나타내지 않으며, α-syn PFFs에 의해 나타나는 세포 독성을 유의성 있게 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.3A-C show α-syn PFFs (1 μg / ml) in the absence and presence of graphene quantum dots (1 μg / ml) for 7 days in 10 DIV mouse-derived cortical neurons, It is a graph showing the results of neuronal death (FIG. 3A), alamar Blue (FIG. 3B) and LDH analysis (FIG. 3C) evaluated by TUNEL. As shown in Figures 3a-c, graphene quantum dots did not show toxicity to the cells, it was confirmed that significantly reduced the cytotoxicity represented by α-syn PFFs.
도 3d는 p-α-syn 항체를 이용하여 면역 블랏 (immunoblot)을 수행한 결과를 보여주는 이미지이고, 도 3e는 ß-액틴으로 표준화된 SDS 불용성 분획의 p-α-syn의 양을 정량화한 그래프이다 (n = 3). 도 3d 및 3e에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 함께 처리한 경우에는 α-syn PFFs가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. Figure 3d is an image showing the results of the immunoblot (immunoblot) using the p-α-syn antibody, Figure 3e is a graph quantifying the amount of p-α-syn of the SDS insoluble fraction normalized to ß-actin (N = 3). As shown in Figure 3d and 3e, when treated with graphene quantum dots it was confirmed that the α-syn PFFs are significantly reduced.
도 3f는 신경세포에서의 p-α-syn 및 p-α-syn 항체 면역 현미경 이미지이고, 도 3g는 PBS 대조군 (n = 3)으로 표준화된 p-α-syn 면역 형광 강도의 정도를 정량한 그래프이다. 도 3f 및 3g에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs를 처리한 실험군에서는 적색 형광이 현저히 증가되었으나, 그래핀 양자점과 함께 처리한 경우에는 α-syn PFFs이 분해되어 적색 형광 값이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.FIG. 3F shows p-α-syn and p-α-syn antibody immunomicroscopic images in neurons, and FIG. 3G quantifies the extent of p-α-syn immune fluorescence intensity normalized to a PBS control (n = 3). It is a graph. As shown in FIGS. 3F and 3G, the red fluorescence was significantly increased in the experimental group treated with α-syn PFFs, but when treated with graphene quantum dots, the α-syn PFFs were decomposed to significantly reduce the red fluorescence value. Could.
도 3h는 병리학적 α-syn 전이를 확인하기 위한 3개의 챔버로 구성된 미세유체 장치의 모식도이다. 3H is a schematic representation of a microfluidic device consisting of three chambers for identifying pathological α-syn transition.
도 3i는 α-syn PFFs를 추가하고 14 일 후, 미세유체 장치에서 관찰된 p-α-syn 면역 염색된 신경세포의 대표적인 이미지이다. 그리고 도 3j는 p-α-syn 면역 형광 강도를 정량화하여 나타낸 그래프이다. p-α-syn에 의해 점유된 영역을 각 챔버에서 측정하였다 (n = 3, *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001, NS, post-hoc Bonferroni 테스트를 통한 투-웨이 ANOVA, 오차 막대는 표준 편차). 도 3i 및 3j에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs을 첫번째 컬럼에 처리한 대조군의 경우에는 모든 컬럼에서 적색 형광(α-syn 피브릴)이 높게 관찰된 반면, 그래핀 양자점과 α-syn PFFs를 함께 첫번째 컬럼 (C1)에 처리한 실험군과 α-syn PFFs는 첫번째 컬럼에, 그래핀 양자점을 두번째 컬럼 (C2)에 처리한 실험군 모두 α-syn PFFs의 양이 현저히 감소되어 적색 형광이 거의 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 3I is a representative image of p-α-syn immunostained neurons observed on the microfluidic device 14 days after addition of α-syn PFFs. 3J is a graph showing the quantification of p-α-syn immunofluorescence intensity. The area occupied by p-α-syn was measured in each chamber (n = 3, * P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001, NS, two-through the post-hoc Bonferroni test). Wei ANOVA, error bars are standard deviation). As shown in FIGS. 3i and 3j, the control group treated with α-syn PFFs on the first column showed high red fluorescence (α-syn fibrils) in all columns, whereas graphene quantum dots and α-syn PFFs were observed. In the experimental group treated with the first column (C1) and the α-syn PFFs together, the amount of α-syn PFFs was significantly decreased in the first column and the experimental group treated with the graphene quantum dots in the second column (C2). I could confirm that it does not.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 신경세포 내에서 α-syn PFFs에 의한 α-syn 피브릴화를 현저하게 억제할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, α-syn PFFs이 신경세포 내에서 전이됨에 따라 그래핀 양자점 또한 함께 전이된 α-syn PFFs에 의한 피브릴화를 억제할 수 있다는 것을 확인하였다. 이를 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점을 이용하여 α-syn 피브릴화에 의한 신경 세포간 질병 전이 억제 및 치료하는데 효과적으로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention can significantly inhibit α-syn fibrillation by α-syn PFFs in neurons. In addition, it was confirmed that as α-syn PFFs metastasize in neurons, graphene quantum dots may also inhibit fibrillation by α-syn PFFs that metastasize together. Through this, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention can be effectively used to suppress and treat neuronal disease metastasis caused by α-syn fibrillation.
4. 생체 내 (in vivo)에서 α-syn이 유도된 병리학에서의 그래핀 양자점의 효과4. Effect of graphene quantum dots on α-syn induced pathology in vivo
도 4a는 C57BL/6 마우스의 선조체에 α-syn PFFs (5 μg)을 주입한 좌표를 나타낸 모식도이다. 50 μg의 그래핀 양자점 또는 PBS를 격주로 6 개월 동안 복강 주사하였다. 4A is a schematic diagram showing coordinates in which α-syn PFFs (5 μg) were injected into the striatum of C57BL / 6 mice. 50 μg of graphene quantum dots or PBS were intraperitoneally injected for 6 months every other week.
도 4b는 그래핀 양자점의 부재 (상단) 또는 존재 (하단) 하에 α-syn PFFs 주입된 반구 SN의 대표적인 TH 면역 조직 화학 염색에 대한 이미지이다. 도 4b에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs 만을 주입한 실험군에서는 신경세포가 사멸되어 음영이 감소된 반면, 그래핀 양자점을 함께 투여한 실험군에서는 α-syn PFFs에 의한 신경세포 사멸이 억제되어 음영 정도가 정상 대조군과 유사하게 회복된 것을 확인할 수 있었다.4B is an image of representative TH immunohistochemical staining of hemisphere SNs injected with α-syn PFFs in the absence (top) or presence (bottom) of graphene quantum dots. As shown in FIG. 4B, in the experimental group injected with only α-syn PFFs, neurons were killed and reduced in shade, whereas in the experimental group administered with graphene quantum dots, neuronal cell death by α-syn PFFs was suppressed and thus shaded. Was confirmed to recover similar to the normal control.
도 4c는 그래핀 양자점의 주입이 있는 그룹과 없는 그룹 (각 그룹당 n = 6)에 6 개월간의 α-syn PFF 주사 후 입체분석을 통해서 SN에서 TH- 및 Nissl-양성 신경세포의 수를 입체학적으로 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4c에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs와 그래핀을 함께 투여한 실험군에서는 α-syn PFFs에 의한 신경세포 사멸이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 4C shows the stereoscopic analysis of the number of TH- and Nissl-positive neurons in SN through stereoanalysis after 6 months of α-syn PFF injection in and without graphene quantum dots (n = 6 per group). This graph shows the result of the calculation. As shown in Figure 4c, in the experimental group administered with graphene with α-syn PFFs it was confirmed that the neuronal cell death by α-syn PFFs is reduced.
도 4d는 α-syn PFFs가 주입된 반구의 선조체에서의 대표적인 TH-면역 조직 화학 염색 이미지이며, 도 4e는 선조체에서 TH-면역 양성 섬유의 밀도를 정량화한 결과를 나타낸 그래프이다 (각 그룹당 n = 5 내지 6). 도 4d 및 4e에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs와 그래핀 양자점을 함께 투여한 실험군에서는 α-syn PFFs에 의한 TH-면역 양성 섬유의 밀도 감소가 회복되는 것을 확인할 수 있었다.Figure 4d is a representative TH-immunohistochemical staining image of the hemisphere striatum injected with α-syn PFFs, Figure 4e is a graph showing the result of quantifying the density of TH-immune positive fibers in the striatum (n = for each group) 5 to 6). As shown in Figures 4d and 4e, in the experimental group administered with α-syn PFFs and graphene quantum dots, it was confirmed that the decrease in density of TH-immune positive fibers by α-syn PFFs was recovered.
도 4f는 마우스의 앞발의 사용으로 측정한 행동적 결손평가 중 실린더 테스트 결과를 나타내는 그래프이다 (각 그룹당 n = 5 내지 6). 또한, 도 4g는 마우스의 행동적 결손평가 중 장대를 잡고 파악할 수 있는 능력인 폴 테스트 결과를 나타내는 그래프이다 (각 그룹당 n = 5 내지 6). 도 4f 및 4g에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs의 투여에 의한 비정상적인 마우스의 행동이 그래핀 양자점을 함께 투여하는 경우에는 정상 마우스 대조군과 유사한 행동 유형을 보이는 것으로 확인할 수 있었다.4F is a graph showing cylinder test results during behavioral deficit assessment as measured by the use of the forefoot of mice (n = 5 to 6 for each group). In addition, Figure 4g is a graph showing the results of the pole test, the ability to grasp the pole during the behavioral deficit evaluation of mice (n = 5 to 6 for each group). As shown in Figures 4f and 4g, the abnormal behavior of the mice by the administration of α-syn PFFs when the graphene quantum dot is administered together was found to show a similar behavior type to the normal mouse control.
도 4h는 선조체 및 α-syn PFFs가 주입된 반구의 SN에서 대표적인 p-α-syn의 면역염색 이미지를 나타내는 이미지이며, 도 4i는 선조체 및 SN (n = 5)에서 p-α-syn의 면역 반응성 신경세포의 정량화 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4h 및 4i에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 함께 투여한 실험군에서는 α-syn PFFs 양성 신경세포의 수가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.Figure 4h is an image showing the immunostaining image of the representative p-α-syn in the hemisphere SN injected with striatum and α-syn PFFs, Figure 4i is the immunity of p-α-syn in striatum and SN (n = 5) It is a graph showing the result of quantification of reactive neurons. As shown in Figure 4h and 4i, in the experimental group administered with graphene quantum dot was confirmed that the number of α-syn PFFs positive neurons significantly reduced.
도 4j는 α-syn PFFs가 주입된 반구 (p-α-syn 양성 뉴런: 적색 점, p-α-syn 양성 신경돌: 적색 선)의 CNS에서의 LB/LN 유사 병리의 분포를 나타내는 모식도이다. 도 4j에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 함께 투여한 실험군에서는 병리 분포 정도가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.4J is a schematic diagram showing the distribution of LB / LN-like pathologies in the CNS of hemispheres injected with α-syn PFFs (p-α-syn positive neurons: red dot, p-α-syn positive neurons: red line) . As shown in Figure 4j, in the experimental group administered with graphene quantum dot was confirmed that the degree of pathological distribution was significantly reduced.
도 4k는 hA53T α-syn Tg 모델의 관측 영역에 대한 모식도이다. 50 μg의 그래핀 양자점 또는 PBS를 4 개월 동안 격주로 복강 주사하였다. 4K is a schematic diagram of the observation area of the hA53T α-syn Tg model. 50 μg of graphene quantum dots or PBS were intraperitoneally injected for 4 months.
도 4l은 dot-blot 분석에 의한 p-α-syn 및 α-syn 피브릴을 측정한 이미지이다. 도 4l에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 투여한 실험군의 경우에는 뇌간 (brainstem)에서 p-α-syn 및 α-syn 피브릴이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.4L is an image of p-α-syn and α-syn fibrils measured by dot-blot analysis. As shown in FIG. 4L, in the experimental group to which graphene quantum dots were administered, p-α-syn and α-syn fibrils were significantly reduced in the brain stem (brainstem).
도 4m은 hA53T α-syn Tg의 피질, 복부 중뇌 및 뇌간에서의 대표적인 α-syn 면역 염색 이미지 (각 그룹당 n = 5)이다. 도 4m에 나타난 바와 같이, hA53T α-syn Tg 마우스의 피질 (cortex), 복부 중뇌 (ventral midbrain), 및 뇌간에서 모두 α-syn가 응집되어 있는 구조가 관찰되는 반면, 그래핀 양자점을 투여한 실험군의 경우에는 α-syn가 응집된 구조가 거의 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있었다.4M is a representative α-syn immunostaining image (n = 5 for each group) in the cortex, ventral midbrain and brain stem of hA53T α-syn Tg. As shown in FIG. 4M, the aggregates of α-syn were observed in the cortex, ventral midbrain, and brain stem of hA53T α-syn Tg mice, whereas graphene quantum dots were administered. In the case of the α-syn aggregates was confirmed that hardly observed.
도 4n은 hA53T 피질 (Ctx), 복부 중뇌 (VM) 및 뇌간 (BS)에서 p-α-syn 면역 반응성 신경세포의 정량화 (각 그룹당 5개) 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4n에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 투여한 실험군의 경우에는 p-α-syn 면역 반응성 신경세포의 수가 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.4N is a graph showing the results of quantification (five in each group) of p-α-syn immune reactive neurons in hA53T cortex (Ctx), ventral midbrain (VM), and brainstem (BS). As shown in Figure 4n, it was confirmed that the number of p-α-syn immunoreactive neurons significantly reduced in the experimental group administered with graphene quantum dots.
도 4o는 마우스의 행동적 결손평가 중 움겨쥠 테스트 결과를 나타내는 그래프 (좌측) 와, 마우스의 행동적 결손평가 중 폴 (pole) 실험 결과를 나타내는 그래프 (우측) 이다 (각 그룹당 n = 5). 도 4o에 나타난 바와 같이, hA53T α-syn Tg 마우스는 결손 행동이 증가되었으나, 그래핀 양자점을 투여한 실험군의 경우에는 결손 행동이 회복되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 4O is a graph (left) showing the results of the test withdrawal during the behavioral deficit evaluation of the mouse and the graph (right) showing the results of the pole experiment during the behavioral deficit evaluation of the mouse (n = 5 for each group). As shown in FIG. 4O, the hA53T α-syn Tg mouse had an increased deletion behavior. However, in the experimental group administered with graphene quantum dots, the deletion behavior was recovered.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 in vivo에서도 효과적으로 α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집을 효과적으로 억제하거나, 형성된 α-syn 응집체를 효과적으로 분해하여, α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집에 의하여 나타나는 병적 증상들을 치료할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.Based on the above results, the graphene quantum dots of the present invention effectively inhibit abnormal fibrosis or aggregation of α-syn or effectively decompose the formed α-syn aggregates in vivo, and are exhibited by abnormal fibrosis or aggregation of α-syn. It was confirmed that the pathological symptoms could be treated.
5. 시누클레인병증의 병인에 대한 그래핀 양자점의 치료 효과5. Therapeutic Effect of Graphene Quantum Dots on the Pathogenesis of Synuclein Disease
도 5는 in vitro 및 in vivo에서의 병리학적 α-syn 응집현상의 전이 및 증식에 의해 유발된 병인에 대한 그래핀 양자점의 항응집 효능에 대한 모식도이다. 그래핀 양자점이 없을 경우, 병리학적 α-syn 단량체는 자발적 섬유화를 거쳐 섬유상 응집체를 형성하고, 결국 도파민성 뉴런, LB/LN 유사체 구성 및 행동이상을 유도한다. 반면에, 그래핀 양자점은 α-syn의 피브릴화를 억제하고 형성된 피브릴을 단량체로 분해하여 도파민성 신경세포의 손실, 비정상적인 α-syn 피브릴로 유발되는 LB/LN 유사체 및 행동 장애를 예방 및 치료할 수 있다.5 is a schematic diagram of the anti-aggregation efficacy of graphene quantum dots for the etiology caused by the metastasis and proliferation of pathological α-syn aggregation in vitro and in vivo. In the absence of graphene quantum dots, pathological α-syn monomers undergo spontaneous fibrosis to form fibrous aggregates, eventually leading to dopaminergic neurons, LB / LN analog construction and behavioral abnormalities. Graphene quantum dots, on the other hand, inhibit fibrillation of α-syn and break down fibrils formed into monomers to prevent loss of dopaminergic neurons, LB / LN analogs and behavioral disorders caused by abnormal α-syn fibrils And treatment.
6. 6. 그래핀Graphene 양자점의Quantum dots 합성과  Synthesis 비오틴화Biotinylation  And 그래핀Graphene 양자점Quantum dots -비오틴과 α-Biotin and α synsyn 피브릴의Fibrillated 결합 분석 Binding analysis
도 6a는 카본 파이버에서 열산화 절단으로 합성되는 그래핀 양자점을 나타낸 모식도이다. 6A is a schematic diagram showing graphene quantum dots synthesized by thermal oxidation cutting in carbon fiber.
도 6b는 합성된 그래핀 양자점의 AFM 이미지이며, 도 6c는 그래핀 양자점의 두께 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6b 및 6c에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점의 평균 높이는 0.1 내지 3 nm인 것을 확인할 수 있었다.FIG. 6B is an AFM image of synthesized graphene quantum dots, and FIG. 6C is a graph showing thickness distribution of graphene quantum dots. As shown in Figure 6b and 6c, it was confirmed that the average height of the graphene quantum dot is 0.1 to 3 nm.
도 6d는 그래핀 양자점을 비오틴화 시키는 합성 절차의 모식도이다. 6D is a schematic diagram of a synthetic procedure for biotinylating graphene quantum dots.
도 6e는 그래핀 양자점 (흑색선) 및 비오틴화된 그래핀 양자점 (적색선)의 FT-IR 스펙트럼이다. 도 6e에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점을 비오틴화시키는 경우 작용기에 변화가 있는 것을 확인할 수 있었다.6E is an FT-IR spectrum of graphene quantum dots (black lines) and biotinylated graphene quantum dots (red lines). As shown in Figure 6e, it was confirmed that there is a change in the functional group when biotinylated graphene quantum dots.
도 6f는 비오틴화된 그래핀 양자점과 나노골드-스트렙타비딘 사이의 결합 친화도를 위한 제조 단계를 나타내는 모식도이고, 도 6g는 그래핀 양자점-비오틴-나노골드-스트렙타비딘 복합체 (좌측)와 나노골드-스트렙타비딘 복합체 (우측)의 존재 하에서 7 일 후에 이미 형성된 α-syn 피브릴의 TEM 이미지이다. 도 6g에 나타난 바와 같이, 비오틴화된 그래핀 양자점 또한 α-syn 피브릴에 결합하여, α-syn 피브릴을 분해하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 6F is a schematic diagram showing the preparation steps for binding affinity between biotinylated graphene quantum dots and nanogold-streptavidin, and FIG. 6G is a graphene quantum dot-biotin-nanogold-streptavidin complex (left). TEM image of α-syn fibrils already formed after 7 days in the presence of nanogold-streptavidin complex (right). As shown in FIG. 6G, biotinylated graphene quantum dots also bind to α-syn fibrils, and it was confirmed that the α-syn fibrils were degraded.
7. α-syn 피브릴의 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과7. Effect of Graphene Quantum Dots on the Degradation of α-syn Fibrils
도 7a는 다양한 반응 시점 (0, 6, 12, 24 및 72 시간, 각 시점에서 n = 50 피브릴)에서 α-syn 피브릴 길이의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 7a에 나타난 바와 같이, 반응 전에는 600 nm 이상의 긴 α-syn 피브릴이 관찰되었으나, 반응 시간이 길어질수록 단량체 형태의 α-syn가 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.7A is a graph showing the distribution of α-syn fibril lengths at various reaction time points (0, 6, 12, 24 and 72 hours, n = 50 fibrils at each time point). As shown in FIG. 7A, before the reaction, a long α-syn fibril of 600 nm or more was observed, but as the reaction time increased, it was confirmed that the α-syn in monomeric form was observed.
도 7b는 다양한 반응 시점 (0, 24 및 48 시간) 후에 α-syn 피브릴의 AFM 이미지를 나타내고, 지정된 영역의 대표적인 라인 프로파일 (그래핀 양자점: 청색선, α-syn 피브릴: 적색선)을 나타낸 것이다. 도 7b에 나타난 바와 같이, α-syn 피브릴과 그래핀 양자점을 반응시킨 후에도 높이에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. FIG. 7B shows AFM images of α-syn fibrils after various reaction time points (0, 24 and 48 hours) and shows representative line profiles (graphene quantum dots: blue lines, α-syn fibrils: red lines) of designated areas. will be. As shown in FIG. 7B, even after the α-syn fibrils and the graphene quantum dots were reacted, there was no significant difference in height.
8. α-syn PFFs의 분해에 대한 그래핀 양자점의 효과8. Effect of Graphene Quantum Dots on the Degradation of α-syn PFFs
도 8a는 그래핀 양자점 (5 mg/ml)의 부재 (상단) 및 존재 (하단) 하에 1 시간 동안 반응시킨 섬유화 α-syn PFFs (5 mg/ml)의 대표적인 TEM 이미지이고, 도 8b는 1 시간 동안 반응시킨 후, α-syn PFFs의 종단 간 길이 (n = 286; PFFs, n = 249; PFFs+GQDs, ***P<0.001; Student's t-테스트, 오차 막대는 표준 편차)를 나타낸 그래프이다. 도 8a 및 8b에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점이 섬유화 α-syn PFFs를 분해하여 종단 간 길이가 감소된 것을 확인할 수 있었다.FIG. 8A is a representative TEM image of fibrillated α-syn PFFs (5 mg / ml) reacted for 1 hour in the absence (top) and presence (bottom) of graphene quantum dots (5 mg / ml), and FIG. 8B is 1 hour After reaction, the end-to-end length of α-syn PFFs (n = 286; PFFs, n = 249; PFFs + GQDs, *** P <0.001; Student's t-test, error bars are standard deviations) . As shown in Figure 8a and 8b, it was confirmed that the end-to-end length was reduced by decomposing the graphene quantum dot fibrillated α-syn PFFs.
도 8c는 다양한 반응 시간 이후에 잔존하는 α-syn PFFs와 분해된 α-syn PFFs의 양을 BN-PAGE에 의해 평가된 결과를 나타낸 이미지이다. 도 8c에 나타난 바와 같이, 반응 시간이 길어질수록 α-syn PFFs가 분해되어 단량체 형태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 8C is an image showing the results of evaluation of the amount of α-syn PFFs and degraded α-syn PFFs remaining after various reaction times by BN-PAGE. As shown in Figure 8c, the longer the reaction time was confirmed that the α-syn PFFs are present in the monomer form to decompose.
9. 1H- 15N HSQC 스펙트럼 분석9. 1 H- 15 N HSQC Spectrum Analysis
도 9a는 15N-표지 α-syn 단량체 (흑색) 만 배양된 경우와 그래핀 양자점과 함께 배양된 α-syn (적색)의 1H- 15N HSQC 스펙트럼이 완전히 중첩됨을 나타낸다. 할당된 잔기는 15N-표지 α-syn 단량체 그룹에서만 나타났다. 도 9b는 그래핀 양자점과 함께 배양된 15N-표지 α-syn 단량체들의 완전한 HSQC 스펙트럼을 나타낸다. 15N-표지 α-syn 단량체 그룹의 피크 강도에 기초하여, 피크 강도에서의 비감소 또는 최소 감소를 갖는 잔류물 (적색), 피크 강도에서의 현저한 감소를 갖는 잔류물 (청색) 및 사라진 잔류물 (흑색)은 눈에 띄게 나타난다. 이를 통해 그래핀 양자점이 α-syn를 구성하는 아미노산의 N-말단 또는 양전하를 띄는 잔기와 결합한다는 것을 확인하였다.FIG. 9A shows that the 1 H- 15 N HSQC spectrum of α-syn (red) incubated with graphene quantum dots completely overlaps with only 15 N-labeled α-syn monomer (black). The assigned residues appeared only in the 15 N-labeled α-syn monomer group. 9B shows the complete HSQC spectrum of 15 N-labeled α-syn monomers incubated with graphene quantum dots. Based on the peak intensity of the 15 N-labeled α-syn monomer group, residues (red) with no decrease or minimal reduction in peak intensity, residues with significant decrease in peak intensity (blue) and disappeared residues (Black) is noticeable. Through this, it was confirmed that the graphene quantum dot binds to the N-terminal or positively charged residue of the amino acid constituting α-syn.
10. α-10. α- synsyn PFFs로With PFFs 유도된 신경세포 사멸 및 제한된 신경돌기 생성에 대한  For induced neuronal death and limited neurogenesis 그래핀Graphene 양자점의 효과 Quantum dots effect
도 10a는 대표적인 TUNEL-양성 신경세포의 이미지이다. DIV 10 1차 대뇌피질 신경세포에 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 및 존재 하에서 α-syn PFFs (1 ㎍/ml)를 처리하였다. TUNEL 분석은 7 일 동안 배양한 후에 수행되었다. 도 10a에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs 만을 처리한 실험군의 경우에는 적색 형광이 다수 관찰되는 반면, α-syn PFFs와 그래핀 양자점을 함께 처리한 실험군의 경우에는 적색 형광이 감소되어, α-syn PFFs에 의한 세포 사멸이 감소된 것을 확인할 수 있었다.10A is an image of representative TUNEL-positive neurons. DIV 10 primary cortical neurons were treated with α-syn PFFs (1 μg / ml) in the absence and presence of graphene quantum dots (1 μg / ml). TUNEL analysis was performed after incubation for 7 days. As shown in FIG. 10A, in the experimental group treated with α-syn PFFs only, many red fluorescences were observed, whereas in the experimental group treated with α-syn PFFs and graphene quantum dots, red fluorescence was reduced, and α- It was confirmed that cell death by syn PFFs was reduced.
도 10b는 외부 세포막 (적색) 및 세포-투과성 생존율 지표 (녹색)에 의해 염색된 신경돌기의 성장 정도 및 세포 생존능 검정의 대표적인 현미경 이미지이고, 도 10c 및 도 10d는 신경돌기 성장 및 신경세포 생존 능력을 정량화한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10b 내지 10d에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs를 단독으로 처리한 실험군에서는 신경돌기의 성장도 감소되고, 세포 생존률도 감소된 반면, α-syn PFFs와 그래핀 양자점을 함께 처리한 실험군의 경우에는 대조군과 유사한 신경돌기 성장률을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, α-syn PFFs에 의한 세포 사멸이 억제되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 10B is a representative microscopic image of growth degree and cell viability assay of neurites stained by outer cell membrane (red) and cell-permeability viability indicator (green), and FIGS. 10C and 10D show neurite growth and neuronal viability It is a graph showing the result of quantification. As shown in Figure 10b to 10d, the experimental group treated with α-syn PFFs alone reduced the growth of neurites, cell survival was reduced, while the experimental group treated with α-syn PFFs and graphene quantum dots together It was confirmed that the neurite outgrowth similar to the control group. It was also confirmed that cell death by α-syn PFFs was suppressed.
도 10e는 SNAP25 및 VAMP2 단백질 수준의 면역 블롯 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 10 DIV 1차 대뇌피질 신경세포에 그래핀 양자점 (5 μg/ml)의 부재 및 존재 하에서 α-syn PFFs (5 μg/ml)를 처리하고 7 일간 배양하고, 면역 블롯을 실시하였다. 도 10f는 SNAP25의 발현 수준을 베타-액틴 발현 수준으로 표준화한 후 정량화 (n = 3)하여 나타낸 그래프이고, 도 10g는 VAMP2 발현 수준을 베타-액틴 발현 수준으로 표준화한 후 정량한 (n = 3) 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10e 내지 10g에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs를 단독으로 처리한 실험군에서는 SNAP25 및 VAMP2 단백질의 발현이 유의성있게 감소되었으나, α-syn PFFs과 그래핀 양자점을 함께 처리한 실험군의 경우에는 대조군과 유사한 수준으로 발현되는 것을 확인할 수 있었다.10E is a graph showing the results of immunoblot analysis of SNAP25 and VAMP2 protein levels. 10 DIV primary cortical neurons were treated with α-syn PFFs (5 μg / ml) in the absence and presence of graphene quantum dots (5 μg / ml), incubated for 7 days, and subjected to immunoblot. FIG. 10F is a graph showing normalization of the expression level of SNAP25 to beta-actin expression level followed by quantification (n = 3), and FIG. 10G is quantification of normalization of VAMP2 expression level to beta-actin expression level (n = 3). ) A graph showing the results. As shown in Figure 10e to 10g, the expression of SNAP25 and VAMP2 protein significantly decreased in the experimental group treated with α-syn PFFs alone, but in the experimental group treated with α-syn PFFs and graphene quantum dots, It was confirmed that the expression at a similar level.
11. α-11.α- synsyn PFFs에To PFFs 의해 유발된 미토콘드리아 기능 장애 및 산화 스트레스 유발에 대한 그래핀 양자점의 효과 Effects of Graphene Quantum Dots on Mitochondrial Dysfunction and Oxidative Stress Induction
도 11a는 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 및 존재 하에서 α-syn PFFs (1 μg/ml)을 처리하고 7 일 동안 배양한 주요 대뇌피질 신경세포의 대표적인 8-OHG (8-hydroxyguanine) 면역 염색 이미지이고 (각 그룹당 n = 4), 도 11b는 8-OHG의 양을 면역 형광 수준으로 정량화한 그래프이다. 도 11a 및 11b에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs를 단독으로 처리한 경우에는 산화 스트레스가 증가되나, α-syn PFFs와 그래핀 양자점을 함께 처리한 경우에는 α-syn PFFs에 의한 산화 스트레스가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.11A shows representative 8-OHG (8-hydroxyguanine) of major cortical neurons treated with α-syn PFFs (1 μg / ml) and cultured for 7 days in the absence and presence of graphene quantum dots (1 μg / ml). Immunostained image (n = 4 for each group), FIG. 11B is a graph quantifying the amount of 8-OHG by immunofluorescence level. As shown in FIGS. 11A and 11B, when the α-syn PFFs are treated alone, the oxidative stress is increased, but when the α-syn PFFs and the graphene quantum dots are treated together, the oxidative stress due to the α-syn PFFs is decreased. It could be confirmed.
도 11c는 α-syn PFFs (1 μg/ml)과 그래핀 양자점 (1 μg/ml)을 처리하고 7 일 동안 배양한 후, 미토콘드리아 복합체의 활성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11c에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의한 미토콘드리아 복합체 활성 억제가 그래핀 양자점에 의하여 회복되는 것을 확인할 수 있었다.11C is a graph showing the results of measuring the activity of mitochondrial complexes after treatment with α-syn PFFs (1 μg / ml) and graphene quantum dots (1 μg / ml) and incubated for 7 days. As shown in FIG. 11C, it was confirmed that the inhibition of mitochondrial complex activity by α-syn PFFs was restored by graphene quantum dots.
도 11d는 대표적인 MitoTracker 양성 현미경 이미지이다. 10 DIV의 1차 대뇌피질 신경세포에 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 및 존재 하에서 α-syn PFFs (1 μg/ml)를 처리하였다. 7 일간 배양한 후, 미토콘드리아를 MitoTracker ® Orange CMTMRos (적색)으로 표지하였다. 도 11e는 염색된 미토콘드리아의 길이를 정량화한 결과를 나타내는 그래프이고 (각 그룹당 n = 50), 도 11f는 염색된 미토콘드리아의 종횡비를 나타내는 그래프이다 (각 그룹당 n = 50). 그리고 도 11g는 염색된 미토콘드리아의 저배율 및 고배율의 대표적인 TEM 이미지이다. 도 11d 내지 11g에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의한 미토콘드리아의 길이 및 종횡비의 감소가 그래핀 양자점에 의하여 회복되는 것을 확인할 수 있었다.11D is a representative MitoTracker positive microscope image. Primary cortical neurons at 10 DIV were treated with α-syn PFFs (1 μg / ml) in the absence and presence of graphene quantum dots (1 μg / ml). After incubation for 7 days, mitochondria were labeled with MitoTracker ® Orange CMTM Ros (red). FIG. 11E is a graph showing the results of quantifying the length of stained mitochondria (n = 50 for each group), and FIG. 11F is a graph showing the aspect ratio of stained mitochondria (n = 50 for each group). And FIG. 11G is a representative TEM image of low and high magnification of stained mitochondria. As shown in Figure 11d to 11g, it was confirmed that the reduction of the length and aspect ratio of mitochondria by α-syn PFFs is recovered by the graphene quantum dots.
도 11h는 뉴런에 대한 마이크로-플레이트 기반의 호흡측정 수치를 나타내는 그래프이다. 산소 소비율은 24 시간 동안 그래핀 양자점 (1 μg/ml)의 부재 및 존재 하에서 α-syn PFFs (1 μg/ml)를 처리한 1차 피질 뉴런을 이용하여 XF 24 Seahorse 분석기로 측정하였다 (각 그룹당 n = 4). 도 11i는 호흡측정 결과의 기저 호흡율을 정량화한 그래프이고, 도 11j는 호흡측정 결과의 최대 호흡율을 정량화한 그래프이다. 도 11h 내지 11j에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의한 호흡율 감소가 그래핀 양자점에 의하여 회복되는 것을 확인할 수 있었다.11H is a graph showing micro-plate based respiratory counts for neurons. Oxygen consumption was measured with an XF 24 Seahorse analyzer using primary cortical neurons treated with α-syn PFFs (1 μg / ml) in the absence and presence of graphene quantum dots (1 μg / ml) for 24 hours (per group). n = 4). FIG. 11I is a graph quantifying the basal respiratory rate of the respiratory measurement results, and FIG. 11J is a graph quantifying the maximum respiratory rate of the respiratory measurement results. As shown in Figure 11h to 11j, it was confirmed that the respiratory rate reduction by α-syn PFFs is recovered by the graphene quantum dots.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 α-syn의 비정상적인 섬유화 또는 응집에 의한 산화 스트레스, 미토콘드리아의 형태 이상, 기능 부전에 대하여 완화 또는 치료 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dot of the present invention exhibits a mitigating or therapeutic effect on oxidative stress due to abnormal fibrosis or aggregation of α-syn, abnormality of mitochondria, and dysfunction.
12. 12. 그래핀Graphene 양자점의Quantum dots 여러 처리 시점에서 α- Α- at different treatment points synsyn PFFs에To PFFs 의해 유도된 1차 신경세포의 독성 및 병리적 현상에 대한 그래핀 양자점의 효과 및 세포 라이브 이미징 Effect of Graphene Quantum Dots and Cell Live Imaging on the Toxicity and Pathological Phenomena of Primary Neurons Induced by
10 DIV 마우스의 대뇌피질 신경세포에 3 일전 (n = 4, Before), 동시 (n = 4, Simul) 및 그래핀 양자점 처리 (1 μg/ml) 후 배양 3 일째 (n = 4, After)에 α-syn PFFs (1 μg/ml)를 처리하였다. Cortical neurons in 10 DIV mice were cultured on day 3 (n = 4, After) after 3 days (n = 4, Before), concurrent (n = 4, Simul) and graphene quantum dot treatment (1 μg / ml) α-syn PFFs (1 μg / ml) were treated.
도 12a는 alarmarBlue 형광 분석 결과를 나타낸 결과이다. 도 12a에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의한 세포 사멸이 그래핀 양자점에 의해 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 그래핀 양자점 처리 3 일전에 α-syn PFFs를 처리한 경우, α-syn PFFs와 그래핀 양자점을 동시에 처리한 경우, 그래핀 양자점을 처리하고 3 일 후에 α-syn PFFs를 처리한 경우 모두 세포 사멸이 효과적으로 억제되는 것을 확인할 수 있었다.12A shows the results of alarmarBlue fluorescence analysis. As shown in FIG. 12A, it was confirmed that cell death by α-syn PFFs was inhibited by graphene quantum dots. Α-syn PFFs treated 3 days before graphene quantum dot treatment, α-syn PFFs and graphene quantum dots treated simultaneously, graphene quantum dots treated and α-syn PFFs treated 3 days after both cell death It was confirmed that this was effectively suppressed.
도 12b는 LDH 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 12b에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의한 LDH 분비가 그래핀 양자점에 의하여 억제되는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 α-syn PFFs에 의한 세포 사멸이 그래핀 양자점의 처리에 의하여 효과적으로 억제되는 것을 확인할 수 있었다.12B is a graph showing the LDH analysis result. As shown in FIG. 12B, it was confirmed that LDH secretion by α-syn PFFs was suppressed by graphene quantum dots, through which cell death by α-syn PFFs was effectively inhibited by treatment of graphene quantum dots. I could confirm it.
도 12c는 dot-blot 분석에 의한 p-α-syn의 대표적인 이미지이고, 도 12d는 PBS 대조군 (각 그룹당 n = 4)으로 표준화된 정량화된 결과를 나타내는 그래프이다. 도 12c 및 12d에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs가 그래핀 양자점에 의하여 효과적으로 분해되는 것을 확인할 수 있었다.12C is a representative image of p-α-syn by dot-blot analysis, and FIG. 12D is a graph showing quantified results normalized to a PBS control (n = 4 for each group). As shown in FIGS. 12c and 12d, it was confirmed that α-syn PFFs were effectively decomposed by graphene quantum dots.
도 12e는 7 일 동안 배양한 후 p-α-syn 항체에 의한 대표적인 p-α-syn 면역 염색 형광 현미경 이미지이고, 도 12f는 PBS 대조군으로 표준화된 p-α-syn의 면역 형광 강도를 정량화하여 나타내는 그래프이다 (각 그룹당 n = 4). 도 12e 및 12f에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs가 그래핀 양자점에 의하여 효과적으로 분해되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 12E is a representative p-α-syn immunostained fluorescence microscopic image with p-α-syn antibody after 7 days of incubation, FIG. 12F quantifies the immunofluorescence intensity of p-α-syn normalized with PBS control Graph showing (n = 4 for each group). As shown in FIGS. 12E and 12F, it was confirmed that α-syn PFFs were effectively decomposed by graphene quantum dots.
도 12g는 그래핀 양자점과 α-syn PFFs가 신경세포의 리소좀에 함께 위치하는 것을 라이브 영상으로 확인한 것이다. LysoTracker (청색), 그래핀 양자점-비오틴-스트렙타비딘 Qdot 복합체 (적색) 및 FITC-표지 α-syn PFFs (녹색)를 사용하였다. FIG. 12g confirms that graphene quantum dots and α-syn PFFs are co-located on lysosomes of neurons in a live image. LysoTracker (blue), graphene quantum dot-biotin-streptavidin Qdot complex (red) and FITC-labeled α-syn PFFs (green) were used.
도 12h는 그래핀 양자점에 의한 α-syn PFFs의 분해 과정은 라이브 이미징을 이용하여 저속 형광 신호를 모니터링한 것을 나타낸다.12h shows that the degradation process of α-syn PFFs by graphene quantum dots was monitored by a slow fluorescence signal using live imaging.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 α-syn PFFs의 형성 전에, 동시에, 또는 형성 후에 처리하였을 때 모두 효과적으로 α-syn PFFs를 분해하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환의 예방 및 치료 용도로 모두 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention effectively decomposed α-syn PFFs when treated before, simultaneously with, or after formation of α-syn PFFs. Through this, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention can be used both for the prevention and treatment of diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins.
13. 그래핀 양자점의 혈뇌장벽 투과성13. Blood Brain Barrier Permeability of Graphene Quantum Dots
도 13a는 혈뇌장벽 투과성 체외 실험의 모식도이다. 13A is a schematic diagram of blood brain barrier permeability in vitro experiment.
도 13b는 뇌 미세혈관 내피세포 (BMEC) 및 성상세포 (astrocytes)의 합류 단일층 형성을 각각 CD31 (내피세포 마커) 또는 GFAP (성상세포 마커) 항체로 면역형광염색에 의해 확인한 결과를 나타낸다. 13B shows the results of confluent monolayer formation of cerebral microvascular endothelial cells (BMEC) and astrocytes by immunofluorescence staining with CD31 (endothelial marker) or GFAP (astrocytic marker) antibody, respectively.
도 13c는 상피 전기 저항 (TEER)을 다양한 시점 (0, 2, 4, 6 및 8 일, 각 그룹당 n = 4, *** P<0.001, post-hoc Bonferroni 테스트에서 일원 ANOVA, 오차 막대는 표준 편차)에서 측정한 결과를 나타낸다. Figure 13C shows the epithelial electrical resistance (TEER) at various time points (0, 2, 4, 6 and 8 days, n = 4, *** P <0.001 per group, one-way ANOVA in post-hoc Bonferroni tests, error bars are standard) Measurement results).
도 13d는 내피세포 단일층 및 성상세포의 투과성을 덱스트란플루오레신 (3 kDa) 및 덱스트란-로다민 (2,000 kDa)을 사용하여 혈액 측과 뇌 측간 내의 비율을 측정함으로써 관찰한 결과를 나타낸다. Figure 13D shows the results observed by measuring the permeability of endothelial monolayers and astrocytes in the blood and brain sides using dextranfluorescein (3 kDa) and dextran-rhodamine (2,000 kDa). .
도 13e는 시간 경과에 따른 그래핀 양자점 및 그래핀 양자점-비오틴의 투과성을 정량화한 그래프이다. 도 13e에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점 및 비오틴화된 그래핀 양자점 모두 높은 세포 투과성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.13E is a graph quantifying the permeability of graphene quantum dots and graphene quantum dots-biotin over time. As shown in FIG. 13E, it was confirmed that both graphene quantum dots and biotinylated graphene quantum dots exhibit high cell permeability.
도 13f는 그래핀 양자점과 그래핀 양자점-비오틴의 α-syn 피브릴 분해 능력을 dot-blot으로 관찰한 결과를 나타내는 이미지이다. 도 13f에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점 및 비오틴화된 그래핀 양자점 모두 내피세포 단일층 및 성상세포 층을 모두 투과하여 α-syn 피브릴을 효과적으로 분해하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13F is an image showing the results of observing the graphene quantum dot and the graphene quantum dot-biotin α-syn fibril decomposition ability by dot-blot. As shown in FIG. 13F, it was confirmed that both graphene quantum dots and biotinylated graphene quantum dots penetrate both the endothelial cell monolayer and the astrocytic layer to effectively degrade α-syn fibrils.
도 13g는 ThT 및 탁도 분석 결과를 나타낸 그래프이다 (각 그룹당 n = 4, *** P<0.001, post-hoc Bonferroni 테스트에서 일원 ANOVA, 오차 막대는 표준 편차). 도 13g에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점 및 비오틴화된 그래핀 양자점 모두 내피세포 단일층 및 성상세포 층을 모두 투과하여 α-syn 피브릴을 효과적으로 분해하여 탁도가 효과적으로 감소된 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13G is a graph showing the results of ThT and turbidity analysis (n = 4 for each group, *** P <0.001, one-way ANOVA in post-hoc Bonferroni test, error bars with standard deviation). As shown in FIG. 13G, both graphene quantum dots and biotinylated graphene quantum dots penetrated both endothelial monolayers and astrocytic layers to effectively decompose α-syn fibrils, and thus, turbidity was effectively reduced.
도 13h는 그래핀 양자점-비오틴으로 1 시간 배양 후 1차 배양된 BMEC 및 성상세포의 공초점 레이저 스캐닝 현미경의 이미지이다. 그래핀 양자점-비오틴은 Qdot™streptavidin으로, 리소좀은 LysoTracker 오렌지로 표시되어 있다. 도 13h에 나타난 바와 같이, 내피세포 및 성상세포의 리소좀에 비오틴화된 그래핀 양자점이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13H is an image of a confocal laser scanning microscope of BMEC and astrocytes first cultured after 1 hour incubation with graphene quantum dot-biotin. Graphene Quantum Dot-Biotin is labeled Qdotstreptavidin and lysosomes are labeled LysoTracker Orange. As shown in FIG. 13h, it was confirmed that biotinylated graphene quantum dots exist in lysosomes of endothelial cells and astrocytes.
도 13i는 BMEC 또는 성상세포에서 추출한 엑소좀 내의 그래핀 양자점-비오틴을 정량화한 그래프이다. 세포사멸 후 24 및 48 시간에 분리된 엑소좀을 이용하여 그래핀 양자점-비오틴의 양을 측정하였다 (각 그룹당, n = 3). 도 13i에 나타난 바와 같이, 반응 시간이 증가될수록 내피세포 및 성상세포 내에 포함되어 있는 비오틴화된 그래핀 양자점의 양은 증가되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13I is a graph quantifying graphene quantum dot-biotin in exosomes extracted from BMEC or astrocytes. The amount of graphene quantum dot-biotin was measured using exosomes separated 24 and 48 hours after cell death (n = 3 for each group). As shown in FIG. 13I, as the reaction time was increased, the amount of biotinylated graphene quantum dots contained in endothelial cells and astrocytes increased.
도 13j는 그래핀 양자점-비오틴 (2 mg/kg)을 마우스에 복강 주사한 후, 소뇌, 중뇌, 후구 (olfactory bulb), 및 신피질 (neocortex)에 존재하는 비오틴화된 그래핀 양자점을 아비딘-비오틴 복합체 검출 방법 또는 면역골드 (immunogold) 방법으로 염색하여 면역조직화학으로 확인한 결과를 나타내는 이미지이다. DAB 양성 염색 신호는 비히클 주입 대조군에 비해 그래핀 양자점-비오틴이 주사된 마우스에서 높게 검출되었다. 면역골드 (immunogold) 양성 신호는 뉴런 내부 (적색 삼각형) 또는 뉴런 외부 (청색 삼각형)에서 모두 관찰되었다. 도 13j에 나타난 바와 같이, 비오틴화된 그래핀 양자점이 in vivo에서도 BBB 층을 모두 통과한다는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13J shows avidin-biotin biotinylated graphene quantum dots present in the cerebellum, midbrain, olfactory bulb, and neocortex after intraperitoneal injection of graphene quantum dot-biotin (2 mg / kg) to mice It is an image showing the results confirmed by immunohistochemistry by staining with a complex detection method or immunogold (immunogold) method. DAB positive staining signals were detected higher in mice injected with graphene quantum dot-biotin compared to vehicle injection control. Immunogold positive signals were observed both inside neurons (red triangles) or outside neurons (blue triangles). As shown in FIG. 13J, it was confirmed that the biotinylated graphene quantum dots pass all the BBB layers even in vivo.
도 13k는 그래핀 양자점-비오틴의 복강 내 주입 (i.p.; 적색 바)와 정맥 내 주입 (i.v.; 청색 바)의 차이를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다. 두 가지 주입 방법 모두 결과는 실질적으로 차이가 없는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여, 그래핀 양자점의 주입 방법에 따른 효과 차이는 없는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 13K is a graph showing the results of comparing the difference between intraperitoneal injection (i.p .; red bar) and intravenous injection (i.v .; blue bar) of graphene quantum dot-biotin. It was confirmed that the results of both injection methods are substantially no difference, through this, it was confirmed that there is no difference in effect according to the injection method of graphene quantum dots.
도 13l은 격주로 그래핀 양자점-비오틴을 주사한 후 비오틴 정량 키트를 사용하여 1 내지 8 주, 3 개월 및 6 개월 (각 그룹당, n = 4)의 그래핀 양자점-비오틴 농도를 측정하였다. 도 13l에 나타난 바와 같이, 비오틴화된 그래핀 양자점의 주사 횟수가 증가될수록 체내에 남아있는 그래핀 양자점 또한 증가되는 것을 확인할 수 있었다.13L shows graphene quantum dot-biotin concentrations of 1 to 8 weeks, 3 months and 6 months (n = 4 for each group) using a biotin quantitative kit following biweekly injection of graphene quantum dot-biotin. As shown in FIG. 13L, as the number of injections of biotinylated graphene quantum dots increases, it was confirmed that the graphene quantum dots remaining in the body also increased.
도 13m은 그래핀 양자점-비오틴 2 mg/kg을 1 회 복강 주사한 후 1 시간, 7 일, 14 일 후에 (각 그룹당, n = 4) 뇌 (녹색 바)와 혈장 (청색 바)에서의 농도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 13n은 격주로 다회 주사한 후 3 개월 및 6 개월 후 뇌 (녹색 바)와 혈장 (청색 바)에서의 농도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 13m 및 13n에 나타난 바와 같이, 1회 주사한 경우에도 14일 동안 체내에 그래핀 양자점이 남아있는 것을 확인할 수 있었으며, 다회 접종한 경우에는 6 개월까지도 그래핀 양자점이 남아있는 것을 확인할 수 있었다. FIG. 13M shows concentrations in the brain (green bar) and plasma (blue bar) 1 hour, 7 days, and 14 days (n = 4) after one intraperitoneal injection of 2 mg / kg graphene quantum dot-biotin It is a graph showing the results of the measurement. 13N is a graph showing the results of measuring concentrations in the brain (green bar) and plasma (blue bar) after 3 and 6 months after multiple injections every other week. As shown in Figure 13m and 13n, it was confirmed that the graphene quantum dots remain in the body for 14 days even if a single injection, it was confirmed that the graphene quantum dots remain even up to 6 months when inoculated multiple times.
상기 결과를 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 in vitro 및 in vivo에서 모두 혈뇌장벽을 효과적으로 투과할 수 있을 뿐만 아니라, 체내에 장기간 남아있는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점을 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환에 대한 높은 치료 효과를 나타낼 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention not only effectively penetrate the blood brain barrier both in vitro and in vivo, but also remain in the body for a long time. Through this, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention can exhibit a high therapeutic effect for diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuronal proteins.
14. 흑질 (14. Blackness SNSN )에서 α-) At synsyn PFFsPFFs -유도된 신경교세포 활성화에 대한 -Induced glial cell activation 그래핀Graphene 양자점의Quantum dots 영향 effect
도 14a는 저배율 및 고배율의 SN에서 Iba-1에 대한 대표적인 면역조직화학 염색을 실시한 이미지이다. α-syn PFFs가 주입된 SN 반구에 속하는 마이크로글리아를 특이적 마커인 Iba-1 (이온화 칼슘 결합 단백질, 마이크로글리아/매크로파지의 특이적 마커)으로 염색하였다. 그리고 도 14b는 염색된 Iba-1-양성 마이크로글리아를 정량화한 그래프이다 (n = 5). 도 14a 및 14b에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의하여 증가된 Iba-1-양성 마이크로글리아가 그래핀 양자점에 의하여 억제되는 것을 확인할 수 있었다.14A is an image of representative immunohistochemical staining for Iba-1 at low and high magnification SNs. Microglia belonging to SN hemispheres injected with α-syn PFFs were stained with a specific marker, Iba-1 (specific marker of ionized calcium binding protein, microglia / macrophage). And FIG. 14B is a graph quantifying stained Iba-1-positive microglia (n = 5). As shown in FIGS. 14A and 14B, it was confirmed that Iba-1-positive microglia increased by α-syn PFFs was inhibited by graphene quantum dots.
도 14c는 저배율 및 고배율의 SN에서 GFAP에 대한 대표적인 면역조직화학을 검사한 이미지이다. α-syn PFFs가 주입된 반구의 SN에서 성상세포를 GFAP (glial fibrillary acidic protein; 성상세포의 특이적 마커) 항체로 염색하였다. 그리고 도 14d는 염색된 GFAP 강도를 정량화한 그래프이다. GFAP 강도는 PBS 주입 대조군 (각 그룹당 n = 5)에 대하여 표준화되었다 (* P <0.05; NS, 유의하지 않음; post-hoc Bonferroni 테스트를 사용하는 2-way ANOVA, 에러 막대는 표준 편차). 도 14c 및 14d에 나타난 바와 같이, α-syn PFFs에 의하여 증가된 성상세포가 그래핀 양자점에 의하여 억제되는 것을 확인할 수 있었다.14C is an image of representative immunohistochemistry for GFAP at low and high magnification SNs. Astrocytes were stained with GFAP (glial fibrillary acidic protein) antibodies in hemisphere SNs injected with α-syn PFFs. And FIG. 14D is a graph quantifying the stained GFAP intensity. GFAP intensity was normalized to PBS injection control (n = 5 for each group) (* P <0.05; NS, not significant; 2-way ANOVA using post-hoc Bonferroni test, error bars standard deviation). As shown in Figure 14c and 14d, it was confirmed that the astrocytic cells increased by α-syn PFFs are inhibited by graphene quantum dots.
상기 결과들을 통하여, α-syn PFFs에 의하여 증가되는 신경 염증세포가 그래핀 양자점에 의하여 억제되는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the neuronal inflammatory cells increased by α-syn PFFs are inhibited by graphene quantum dots.
15. 15. hA53ThA53T α- α- synsyn 형질전환 마우스의 뇌간에서  In the brainstem of transgenic mice 교질세포Glial cell 활성화에 대한  For activation 그래핀Graphene 양자점의Quantum dots 효과 effect
본 발명의 그래핀 양자점이 뇌간에서 교질세포의 활성화에 미치는 영향을 확인하기 위하여, hA53T α-syn Tg 마우스의 뇌간의 청반 (locus coeruleus; LC)을 이용하여 실험을 진행하였다. In order to confirm the effect of the graphene quantum dot of the present invention on the activation of glial cells in the brain stem, experiments were carried out using locus coeruleus (LC) of hA53T α-syn Tg mice.
도 15a는 저배율 및 고배율의 뇌간의 LC에서 마이크로글리아의 면역조직화학법으로 염색한 이미지와 염색된 Iba-1-양성 마이크로글리아를 정량화한 그래프이다 (각 그룹은 n = 5, *P<0.05; **P<0.01; NS는 유의하지 않음, post-hoc Bonferroni 테스트를 사용하는 2-way ANOVA, 에러 막대는 표준 편차). nTg 또는 hA53T α-syn Tg의 뇌간에서의 마이크로글리아는 Iba-1로 염색되었다. 도 15a에 나타난 바와 같이, hA53T α-syn Tg 마우스에서 증가된 Iba-1-양성 마이크로글리아가 그래핀 양자점을 투여함으로써 감소되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 15A is a graph of quantified images of microglia and stained Iba-1-positive microglia at low and high magnification brain stem LCs (each group is n = 5, * P <). 0.05; ** P <0.01; NS not significant, 2-way ANOVA using post-hoc Bonferroni test, standard error for error bars). Microglia in the brain stem of nTg or hA53T α-syn Tg were stained with Iba-1. As shown in Figure 15a, it was confirmed that the increased Iba-1-positive microglia in hA53T α-syn Tg mice is reduced by administration of graphene quantum dots.
도 15b는 저배율 및 고배율의 뇌간에서 GFAP를 면역조직화학법으로 염색한 이미지와 염색된 GFAP를 정량화한 그래프이다. 상대 GFAP 강도는 PBS 주입 대조군 (n = 5, 각 그룹)에 대하여 표준화하였다. 도 15b에 나타난 바와 같이, hA53T α-syn Tg 마우스에서 증가된 GFAP가 그래핀 양자점을 투여함으로써 감소되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 15B is a graph of GFAP stained images and stained GFAP in low and high magnification brain stems. Relative GFAP intensities were normalized to PBS injection control (n = 5, each group). As shown in Figure 15b, it was confirmed that the increased GFAP in hA53T α-syn Tg mice is reduced by administration of graphene quantum dots.
도 15c는 hA53T α-syn 과발현을 갖는 HEK293 세포에서 α-syn 응집체 형성에 대한 GQDs의 효과를 확인한 이미지와 필드당 면역 양성 응집체의 수를 정량화하고 표준화 (n = 7, **P<0.01, 에러 막대는 표준 편차)한 그래프이다. HEK293T 세포에 pCMV5-myc-A53T α-syn을 도입하고 시험군에 그래핀 양자점 (0.1 μg/ml)을 처리하였다. 그래핀 양자점을 처리하고 48 시간 후에, 세포를 α-syn 항체로 면역염색하였다. 백색 화살표는 α-syn 응집체를 의미한다. 도 15c에 나타난 바와 같이, α-syn 응집체의 형성이 그래핀 양자점에 의하여 효과적으로 억제되는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 15C quantifies and normalizes the number of immune positive aggregates per field and images confirming the effect of GQDs on α-syn aggregate formation in HEK293 cells with hA53T α-syn overexpression (n = 7 ** P <0.01, error Bars are graphs of standard deviations. PCMV5-myc-A53T α-syn was introduced into HEK293T cells and treated with graphene quantum dots (0.1 μg / ml). 48 hours after treatment with graphene quantum dots, cells were immunostained with α-syn antibody. White arrows indicate α-syn aggregates. As shown in FIG. 15C, it was confirmed that the formation of α-syn aggregates was effectively suppressed by graphene quantum dots.
16. 16. 그래핀Graphene 양자점의Quantum dots 장기간 시험관 내 (in vitro) 및 생체 내 (in  Long-term in vitro and in vivo vivovivo ) 독성 검사A) toxicity test
도 16a는 alamarBlue 및 LDH 분석법으로 7 일간 배양한 DIV 10 대뇌피질 신경세포에서 그래핀 양자점의 세포 독성을 측정한 그래프이다 (n = 4, 각 시점, NS는 유의하지 않음, post-hoc Bonferroni 테스트를 사용하는 1-way ANOVA, 에러 막대는 표준 편차). 도 16a에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점은 장기간 배양 시에도 세포 독성을 나타내지 않는 것을 확인할 수 있었다.Figure 16a is a graph measuring the cytotoxicity of graphene quantum dots in DIV 10 cortical neurons cultured for 7 days by alamarBlue and LDH assay (n = 4, each time point, NS is not significant, post-hoc Bonferroni test 1-way ANOVA used, error bars are standard deviation). As shown in Figure 16a, it was confirmed that the graphene quantum dot does not exhibit cytotoxicity even in long-term culture.
도 16b는 그래핀 양자점이 주입된 생쥐의 생존 곡선을 나타낸 그래프이다. 50 μg의 그래핀 양자점 또는 비히클을 C57BL/6 마우스에 6 개월간 복강 주사하고 그래핀 양자점의 생체 내 독성을 모니터링하였다 (각 그룹당 n = 20). 통계적으로 8 개월 후에 그래핀 양자점과 비히클 주입 대조군 간에 유의한 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.16b is a graph showing survival curves of mice injected with graphene quantum dots. 50 μg of graphene quantum dots or vehicle were intraperitoneally injected into C57BL / 6 mice for 6 months and the in vivo toxicity of graphene quantum dots was monitored (n = 20 for each group). Statistically, after 8 months, there was no significant difference between the graphene quantum dots and the vehicle injection control group.
도 16c는 주요 기관을 haematoxylin 및 eosin (H&E)으로 염색한 이미지이다. 도 16c에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점이 주요 기관에 독성을 나타내지 않는 것을 확인할 수 있었다. 16C is an image stained with haematoxylin and eosin (H & E) of major organs. As shown in Figure 16c, it was confirmed that the graphene quantum dots do not show toxicity to the major organs.
도 16d는 그래핀 양자점-비오틴의 생체 내 추적을 위한 주입 및 샘플링 방법의 계획 모식도이고, 도 16e는 뇌 (적색) 또는 소변 (청색)에서 시간에 따른 그래핀 양자점-비오틴의 농도를 측정한 그래프이다. 50 μg의 그래핀 양자점-비오틴을 C57BL/6 마우스에 복강 주사하고, 다양한 시점 (1, 3, 7 및 14 일)에서 측정하였다. 도 16e에 나타난 바와 같이, 비오틴화된 그래핀 양자점이 소변을 통하여 배출되어, 체내에서의 농도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.16D is a schematic diagram of a method of injection and sampling for in vivo tracking of graphene quantum dot-biotin, and FIG. 16E is a graph measuring the concentration of graphene quantum dot-biotin over time in the brain (red) or urine (blue). to be. 50 μg of graphene quantum dot-biotin was intraperitoneally injected into C57BL / 6 mice and measured at various time points (1, 3, 7 and 14 days). As shown in Figure 16e, the biotinylated graphene quantum dots were discharged through the urine, it was confirmed that the concentration in the body is reduced.
상기 결과들을 통하여, 본 발명의 그래핀 양자점은 체내에서 독성을 나타내지 않으며, 주사한 후 시간이 흐르면 소변을 통하여 안정적으로 배출되는 것을 확인할 수 있었다.Through the above results, it was confirmed that the graphene quantum dots of the present invention do not show toxicity in the body, and stably discharged through urine as time passes after the injection.
17. α-syn PFFs에 대한 nano-GOs와 rGQDs의 비교17. Comparison of nano-GOs and rGQDs for α-syn PFFs
도 17a는 기능적 그룹에 대한 지정된 피크를 갖는 원시 그래핀 양자점 (흑색), nano-GOs (나노 그래핀 옥사이드, 녹색) 및 환원 GQDs (rGQDs, 자색)의 FT-IR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 그리고 도 17b는 대표적인 라인 프로파일을 갖는 nano-GOs 및 그래핀 양자점의 AFM 이미지이다. 도 17b에 나타난 바와 같이, nano-GOs는 평균 5 nm 정도의 높이를 나타내나, 그래핀 양자점의 경우에는 0.1 내지 3 nm의 높이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 17A is a graph showing FT-IR spectra of raw graphene quantum dots (black), nano-GOs (nano graphene oxide, green) and reduced GQDs (rGQDs, purple) with designated peaks for functional groups. And FIG. 17B is an AFM image of nano-GOs and graphene quantum dots with representative line profiles. As shown in FIG. 17B, the nano-GOs exhibited an average height of about 5 nm, but in the case of graphene quantum dots, the height of 0.1 to 3 nm was confirmed.
도 17c는 각각의 물질 20 μg/ml을 세포에 처리하고, 72 시간 동안 배양한 후 세포 독성을 정량화한 그래프이다 (각 그룹당 n = 3, **P<0.01, Student 's t-test, 오차 막대는 표준 편차). 도 17c에 나타난 바와 같이, 환원 그래핀 양자점과 nano-GOs의 경우에는 세포 독성을 나타내나, 그래핀 양자점의 경우에는 세포 독성을 나타내지 않는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 17C is a graph of quantification of cytotoxicity after treatment of cells with 20 μg / ml of each substance and incubation for 72 hours (n = 3 for each group, ** P <0.01, Student's t-test, error Bar is the standard deviation). As shown in FIG. 17c, the reduced graphene quantum dots and the nano-GOs exhibited cytotoxicity, but the graphene quantum dots did not exhibit cytotoxicity.
도 17d는 각각의 물질 (1, 10 및 20 μg/ml)을 다양한 농도로 처리한 후, 12, 24 및 72 시간에 alarmarBlue 분석을 사용하여 SH-SY5Y 세포에서의 세포 독성을 모니터링한 그래프이다. 도 17d에 나타난 바와 같이, 환원 그래핀 양자점과 nano-GOs의 경우에는 세포 독성을 나타내나, 그래핀 양자점의 경우에는 세포 독성을 나타내지 않는 것을 확인할 수 있었다.17D is a graph of monitoring cytotoxicity in SH-SY5Y cells using alarmarBlue assay at 12, 24 and 72 hours after each material (1, 10 and 20 μg / ml) was treated at various concentrations. As shown in FIG. 17D, the reduced graphene quantum dots and the nano-GOs showed cytotoxicity, but the graphene quantum dots did not show cytotoxicity.
도 17e는 dot blot으로 평가한 그래핀 양자점, nano-GOs 및 rGQDs의 α-syn PFFs분해 효과를 비교한 이미지이다. 도 17e에 나타난 바와 같이, 환원 그래핀 양자점과 nano-GOs의 경우에는 α-syn PFFs를 분해하는 효과가 없다는 것을 확인할 수 있었다.17E is an image comparing the degradation effects of α-syn PFFs of graphene quantum dots, nano-GOs and rGQDs evaluated by dot blot. As shown in FIG. 17E, it was confirmed that the reduced graphene quantum dots and nano-GOs had no effect of decomposing α-syn PFFs.
그리고 도 17f는 ThT 및 탁도 분석을 나타낸 그래프이다 (각 그룹당 n = 4, ***P <0.001; NS, 유의하지 않음, post-hoc Bonferroni 테스트에서 1-way ANOVA, 오차 막대는 표준 편차). 도 17f에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점의 경우에는 α-syn PFFs를 효과적으로 분해하여 탁도 및 형광값이 감소되나, 환원 그래핀 양자점과 nano-GOs의 경우에는 α-syn PFFs를 분해하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.And FIG. 17F is a graph showing ThT and turbidity analysis (n = 4 for each group, *** P <0.001; NS, not significant, 1-way ANOVA in post-hoc Bonferroni test, error bars with standard deviation). As shown in FIG. 17F, in the case of graphene quantum dots, turbidity and fluorescence values are decreased by decomposing α-syn PFFs effectively, but in the case of reduced graphene quantum dots and nano-GOs, it is confirmed that the α-syn PFFs cannot be decomposed Could.
도 17g는 각각의 물질 5 mg/ml을 α-syn PFFs과 함께 처리하고, 7일 동안 반응시킨 후에 획득된 TEM 이미지이다. 도 17g에 나타난 바와 같이, 환원 그래핀 양자점과 nano-GOs의 경우에는 α-syn PFFs를 분해하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.17G is a TEM image obtained after 5 mg / ml of each material was treated with α-syn PFFs and reacted for 7 days. As shown in FIG. 17g, in the case of reduced graphene quantum dots and nano-GOs, it was confirmed that the α-syn PFFs could not be decomposed.
도 17h는 혈뇌장벽 투과성 체외 실험을 통하여 그래핀 양자점, nano-GOs 및 rGQDs의 체외 혈뇌장벽 투과성을 측정한 그래프이다. 도 17h에 나타난 바와 같이, 그래핀 양자점과 환원 그래핀 양자점의 경우에는 혈뇌장벽을 통과하나, nano-GOs의 경우에는 통과율이 낮은 것을 확인할 수 있었다.Figure 17h is a graph measuring the in vitro blood brain barrier permeability of graphene quantum dots, nano-GOs and rGQDs through blood brain barrier permeability in vitro experiment. As shown in FIG. 17H, the graphene quantum dots and the reduced graphene quantum dots passed through the blood brain barrier, but in the case of nano-GOs, it was confirmed that the passage rate was low.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
본 발명의 그래핀 양자점은 세포 독성이 없으며, α-syn 피브릴 형성을 억제하거나 이미 형성된 α-syn 피브릴을 분해할 수 있고 혈뇌장벽을 통과하는 작용 효과를 나타내므로, 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 다양한 질환의 치료제로서 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.The graphene quantum dots of the present invention are not cytotoxic and can inhibit the formation of α-syn fibrils or decompose the already formed α-syn fibrils and exhibit an effect of crossing the blood brain barrier, thereby causing abnormal fibrosis or It is expected that it can be widely used as a therapeutic agent for various diseases associated with aggregation.

Claims (17)

  1. 표면이 음전하를 나타내고, The surface shows a negative charge,
    평균 직경이 0.5 내지 10 nm 이며 평균 높이가 0.1 내지 3 nm 이고, The average diameter is 0.5 to 10 nm and the average height is 0.1 to 3 nm,
    탄소와 산소의 wt% 비율이 4.0 내지 6.5 : 3.0 내지 6.0의 비율로 구성된 것인, 그래핀 양자점.Graphene quantum dot, the wt% ratio of carbon and oxygen is composed of 4.0 to 6.5: 3.0 to 6.0 ratio.
  2. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 그래핀 양자점은 말단 작용기로 카르복실기를 포함하는 것인, 그래핀 양자점.The graphene quantum dot is a terminal functional group containing a carboxyl group, graphene quantum dot.
  3. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 말단 작용기는 FT-IR 스펙트럼에서 카르복실기의 -C=O 피크 및 방향족 -C=C- 피크의 흡광도 비율이 1:1 이상인, 그래핀 양자점.The terminal functional group is a graphene quantum dot, the absorbance ratio of the -C = O peak of the carboxyl group and the aromatic -C = C- peak in the FT-IR spectrum of 1: 1 or more.
  4. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 흡광도 비율이 1:1 내지 2:1 인, 그래핀 양자점.Graphene quantum dots, wherein the absorbance ratio is 1: 1 to 2: 1.
  5. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein
    상기 -C=O 피크는 1700 내지 1750 cm -1 에서 나타나고 상기 방향족 -C=C- 피크는 1600 내지 1650 cm -1 에서 나타나는 것인, 그래핀 양자점.Wherein the -C = O peak appears at 1700 to 1750 cm -1 and the aromatic -C = C- peak appears at 1600 to 1650 cm -1 .
  6. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 평균 직경이 1 내지 5 nm 인, 그래핀 양자점.Graphene quantum dots, wherein the average diameter is 1 to 5 nm.
  7. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 평균 높이가 0.5 내지 2.5 nm 인, 그래핀 양자점.Graphene quantum dots, wherein the average height is 0.5 to 2.5 nm.
  8. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 그래핀 양자점은 α-syn 피브릴화를 억제하거나 또는 α-syn 피브릴을 분해하는 것인, 그래핀 양자점.The graphene quantum dot is to inhibit the α-syn fibrillation or to degrade the α-syn fibrils, graphene quantum dots.
  9. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 그래핀 양자점은 혈뇌장벽(BBB)을 통과하는 것인, 그래핀 양자점.The graphene quantum dot is to pass through the blood brain barrier (BBB), graphene quantum dot.
  10. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 그래핀 양자점은 체내 독성이 없는 것인, 그래핀 양자점.The graphene quantum dots are not toxic in the body, graphene quantum dots.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 따른 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는, 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.A pharmaceutical composition for preventing or treating a disease associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroprotein, comprising the graphene quantum dot according to any one of claims 1 to 10 as an active ingredient.
  12. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,
    상기 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환은 퇴행성 신경 질환, 염증성 질환 또는 대사성 질환인, 약학적 조성물.The disease associated with abnormal fibrosis or aggregation of the neuroprotein is a neurodegenerative disease, inflammatory disease or metabolic disease.
  13. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12,
    상기 퇴행성 신경 질환은 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 루게릭병, 치매, 뇌졸중, 아밀로이드증, 섬유증, 뇌병증 및 다발성 경화증으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 약학적 조성물.The degenerative neurological disease is one or more selected from the group consisting of Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Huntington's disease, Lou Gehrig's disease, dementia, stroke, amyloidosis, fibrosis, encephalopathy and multiple sclerosis.
  14. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 염증성 질환은 홍반병, 아토피, 류마티스 관절염, 하시모토 갑상선염, 악성빈혈, 에디슨씨병, 제1형 당뇨, 루프스, 만성피로증후군, 섬유근육통, 갑상선 기능 저하증, 갑상선 기능 항진증, 경피증, 베체트병, 염증성 장질환, 중증 근무력증, 메니에르 증후군(Meniere's syndrome), 길리안-바레 증후군(Guilian-Barre syndrome), 쇼그렌 증후군(Sjogren's syndrome), 자궁내막증, 건선, 백반증, 전신성 경피증 및 궤양성 대장염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 약학적 조성물.The inflammatory diseases include erythema, atopy, rheumatoid arthritis, Hashimoto's thyroiditis, pernicious anemia, Edison's disease, type 1 diabetes, lupus, chronic fatigue syndrome, fibromyalgia, hypothyroidism, hyperthyroidism, scleroderma, Behcet's disease, inflammatory bowel One selected from the group consisting of disease, myasthenia gravis, Meniere's syndrome, Guilian-Barre syndrome, Sjogren's syndrome, endometriosis, psoriasis, vitiligo, systemic scleroderma and ulcerative colitis What is more, the pharmaceutical composition.
  15. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 대사성 질환은 당뇨병, 고혈압, 고지혈증, 이상지질혈증 및 비알코올성 지방간으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 약학적 조성물.The metabolic disease is one or more selected from the group consisting of diabetes, hypertension, hyperlipidemia, dyslipidemia and non-alcoholic fatty liver, pharmaceutical composition.
  16. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 따른 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 조성물을 개체에 투여하는 단계를 포함하는, 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 방법.A method for preventing or treating diseases related to abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins, comprising administering to a subject a composition comprising a graphene quantum dot according to any one of claims 1 to 10 as an active ingredient.
  17. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 따른 그래핀 양자점을 유효성분으로 포함하는 조성물의 신경단백질의 비정상적 섬유화 또는 응집과 관련된 질환들의 예방 또는 치료 용도.Use of the prophylaxis or treatment of diseases associated with abnormal fibrosis or aggregation of neuroproteins of a composition comprising the graphene quantum dots according to any one of claims 1 to 10 as an active ingredient.
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