Single nanoparticle and cell imaging by confocal fluorescence microscopy

Abstract

최근 단분자 분광학이 매우 발전되고 있으며, 생명과학 분야에서 새로운 시대를 열고있다. 단분자의 이미징은 원소 단위의 동력학 연구와 ensemble-averaging 을 통해서는 측정하기 힘든 중요한 정보를 얻을 수 있게 해준다. 단분자는 어떤 계의 분자 근처에서 국부적인 부분의 작용기, 이온, 원자, 전하 등을 둘러싸고 작용을 하는 나노환경에 대한 국부적인 전달자의 역할을 한다. 단분자를 측정함으로써, esemble-average 를 배제하고, 광화학으로부터 발생하는 동력학적인 변화의 직접적인 관찰뿐만 아니라 복잡한 상에서의 보이지 않는 heterogeneity를 확인할 수 있다. Part I에서는 마이크로에멀젼 방법을 사용하여 실리카 나노파티클을 합성하였다. 그리고 단분자 분광학을 이용하여 나노파티클을 분석하였다. 또한, DLS를 이용하여 나노파티클의 크기 분포를 확인하였다. 그러므로 본 실험에서는 단분자 측정법에 의한 나노파티클의 분석과 DLS에 의한 실리카 나노파티클의 크기분포를 알아보았다. Part II에서는 세포의 구성물질의 물리적, 생화학적 특성을 연구하기 위하여 가장 많이 이용되는 이미징 기술인 형광 분광학을 사용하였다. FLIM 은 라이소좀에서 베타 아밀로이드 펩타이드의 침착을 관찰하는데 매우 유용하다. 베타 아밀로이드 응집체는 매우 독성이 있고 알츠하이머 질환과 관계가 깊다. 따라서 우리는 DND-189 와 Aβ-TMR 로 각각 staining 된 PC12 세포를 관찰하였다. 라이소좀 내의 베타 아밀로이드 응집체는 질병 치료의 단서와 결과를 가져올 수 있다. 라이소좀 이미징과 아밀로이드의 형광 수명으로부터 얻은 이미징은 아밀로이드 분포를 분석하는 연구와 단세포내에서 베타 아밀로이드를 mapping하는 결과를 얻을 수 있다. 이는 단세포 분석을 통한 베타 아밀로이드의 mapping에 의해 알츠하이머 질환의 치료제를 개발하는데 도움을 줄수 있을 것이다.;Single-molecule spectroscopy has recently advanced and opened up a new era in the field of life science. Imaging single molecules enabled us to study dynamics of elementary process, and to obtain invaluable information that was not extractable through the conventional ensemble-averaged experiments. A single molecule is the local reporter of the nanoenvironment of a system, that is, the exact functioning of the surrounding functional groups, ions, atoms, electrostatic charges, and other sources of local fields in the vicinity of the molecule. Observing the behavior of a single molecule removes the usual ensemble average, allowing exploration of hidden heterogeneity in complex condensed phases as well as direct observation of dynamical state changes arising from photophysics and photochemistry. In Part I, we carried out the experiments to synthesize the nanosized silica particles using a microemulsion methods. And this study presents the analysis of nanoparticles by single molecule spectroscopic methods. We also identified the size distribution of nanoparticles by dynamic light scattering (DLS) data through the correlation. Therefore, in the following studies, we examined the size distribution of silica nanoparticles by dynamic light scattering and the analysis of nanoparticles by single molecule detection. In Part II, we have used the fluorescence microscopy which is the most powerful imaging method available to study natural biochemical and physiological properties of cellular components. Fluorescence lifetime imaging microscopy(FLIM) also provides a reliable way to monitor accumulation of amyloid beta peptide(Aβ) in the lysosomes. Amyloid aggregates are highly cytotoxic and related to Alzheimer's disease. We detected PC12 cell stained by lysotracker DND-189 and TMR-Aβ, respectively. Lysosomal Aβ aggregation may have profound pathological consequences. Lysosomal imaging and amyloid lifetime imaging enabled us to study amyloid distribution analysis, and to obtain Aβ mapping in single cell. It is possible to develop of medicine for Alzheimer's disease by Aβ mapping using the single cell imaging.