Fluorescent Materials for Photodynamic Therapy and Imaging Reducing Species and Tumor

Abstract

In chapter I, a fluorescence probe Cy-Red was developed for total reducing species detector including NAD(P)H and biothiols including glutathione (GSH), homocysteine (Hcy), and cysteine (Cys) that are highly related to the physiological function and various diseases. The intensity of red fluorescence increased linearly as the concentration of reducing species increased. Moreover, utilizing the spectroscopic characters, Cy-Red could image HeLa cells by fluorescence induced by ICT effect, especially mitochondria in the cells. Thus, Cy-Red can be a great tool for detecting total reducing species in practical medical and biological fields. In chapter II, an aggregation-induced emission probe (AIEgen), DPTVH, having antimicrobial activity was researched. Having AIE core and cationic bacterial recognition site, it could bind on the surface of the bacterial especially the gram-negative bacteria owing to the different composition of the cell walls. Also, singlet oxygen generation was observed greater compared to conventional photosensitizers. The probe had a notable antibacterial effect, especially showed better on the gram-negative bacteria even in the dark condition. Furthermore, it also showed antifungal effect, indicating it had a total antimicrobial effect. The probe performed great antibacterial effect in vivo by S. aureus infected mice model. These results suggest that DPTVH can be a powerful tool as an antibiotic that can cure various pathogens in a broad spectrum. In the last chapter III, an AIEgen for detecting overexpressed ALP activity, DQM-ALP, was developed. Forming a self-assembled nanoparticle due to the amphiphilic formation, the high sensitivity and rapidity to ALP were measured in vitro. In HeLa cell model, strong AIE fluorescence response to ALP of DQM-ALP in cancer cells was proved. Moreover, in one-photon and two-photon confocal images, the probed showed long-term emission and imaged accurately even 3D tumor spheroid structure with high resolution. Therefore, DQM-ALP showed the potential to be a useful tool for diagnosing tumors and supporting surgeons for resection the tumor tissues.;유기 형광 센서는 바이오 분자, 이온 등의 물질을 분석하는 수단으로 극미량의 농도에서 형광을 이용해 원하는 물질을 간편하게 검출할 수 있다. 더 나아가 박테리아와 암세포의 진단 및 치료에 활용할 수 있다. 첫 번째 장에서 질병으로 과발현되는 물질인 GSH와 NAD(P)H를 형광으로 감지하여 쉽게 암세포 진단이 가능한 물질을 개발했다. 두 번째 프로젝트에서는 응집 유도 발광 (AIE)을 통해 박테리아의 형광 이미징 연구를 설계하며 항균성 실험을 진행했다. 또한 세 번째 프로젝트를 통해, 과발현된 효소, 알칼리 포스파타아제(Alkaline phosphatase, ALP)를 AIE 효과로 형광 감지하여, 종양세포의 진단과 이미징이 가능한 물질을 개발했다. 첫 번째 장에서는, 생체 내 환원제에 형광을 보이는 Cy-Red를 개발하여 암세포를 이미징 하였다. NAD(P)H와 바이오티올(biothiol)은 생체 내 산화 환원에 관여하며 이들의 비정상적인 수치는 암, 알츠하이머, 파킨슨 병과 같은 질병과 밀접하게 연관된다. 이를 위해 붉은색 형광을 띄는 Cy-Red로 해당 물질과의 형광을 관찰했고 그 크기가 환원제의 농도에 따라 증가함을 관찰했다. 또한 헬라 세포를 이미징 할 수 있었고, 특히 바이오티올이 주로 생성되는 미토콘드리아에서의 형광을 관찰하며, 질병 세포의 형광 진단과 암의 조기 진단제로서의 활용 가능성을 보여줬다. 두 번째로, 응집 유도 발광을 이용한 항균성 광민감제 DPTVH를 개발했다. 해당 프로브는 응집 유도 발광단과 양전하 박테리아 인식단을 결합해 합성했고 이 인식단은 박테리아의 세포벽과 결합을 한다. 이때, 그람 양성균과 그람 음성균의 세포벽 조성이 다르기 때문에 이중 그람 음성균에 비교적 강하게 결합하며 높은 항균성을 보인다. 또한 항진균 실험 결과, 항균성이 관찰되었기 때문에 종합적인 항균성을 확인했다. 또한 황색포도상구균에 감염된 쥐 모델에서의 실험으로, 생체 모델에서의 항균 효과를 검증하였다. 또한 응집유도발광을 통해 박테리아의 형태를 이미징 하며, 치료와 함께 형광 이미징으로 진단도 가능한 기존 항균제 대비 높은 잠재력을 보여줬다. 마지막 장에서는, 과발현된 효소, ALP를 검출하는 응집 유도 발광체, DQM-ALP를 개발했다. 물질은 양친매성을 가져 수용액에서 자기조립 나노입자를 보였고, ALP에 대한 높은 형광 선택성과 빠른 반응성을 보였다. 헬라 세포 모델에서도 ALP의 과발현에 따른 강한 응집 유도 발광이 관찰되었다. 또한 단일 광자, 이광자 공초점 현미경에서 장시간 형광을 유지하며 3차원 입체구조의 종양 세포에서도 높은 해상도로 이미징 했다. 이러한 DQM-ALP의 잠재력을 활용한다면 종양의 조기진단과 종양 제거술의 효과적인 보조 도구로의 적용이 기대된다.