Early detection of many diseases including cancers, have recently been considered as an emerging field with an aid of disease markers that have been well characterized by previous studies. The reason being that the technology provides a high probability of effective treatment, and has successful results in improving the survival rates and quality of a patients’ life. Especially, therapeutic efficiency of cardiovascular diseases and cancers are tightly related with the time of detection. One of them, such as heart disease can cause the whole body to dysfunction within a very short amount of time and thus early and quick diagnosis is essential for prevention of related death. Based on these reasons, development of highly sensitive diagnostic devices has received a lot of attention in the clinical fields. Typically, point-of-care testing (POCT) is a rapid and simple in vitro diagnostic method. Also, medical imaging plays an important role in early diagnosis and disease prevention by directly visualizing and identifying abnormalities. For highly sensitive in vitro and in vivo diagnosis, we designed novel diagnostic systems by combining sensing probes with biological materials. In the first part, we designed the Protein G-mediated antibody immobilization method for the construction of spatially oriented antibody-conjugated magnetic beads, and adopted the technique to lateral flow assay system for enhanced detection sensitivity of an important cardiac marker, cardiac troponin I (cTnI). Our new assay system remarkably showed an improvement in detection sensitivity for cTnI to 0.01 ng/ml in comparison with that of conventional random immobilization method. In the second part, we designed an advanced conjugation strategy on the basis of the biologically specific interactions between double-stranded DNA (dsDNA) and zinc-finger protein (ZnF), to synthesize linear magnetic nanoparticle (MNP) clusters with different chain lengths in a controlled manner. We effectively constructed precisely controlled MNP clusters by using different length of designed dsDNAs, which consists of a tandem array of ZnF binding sites. The novel MNP clusters give rise to enhanced results on both magnetic resonance imaging (MRI) contrast effect which is 3-fold than Feridex and specific targeting of folate-receptor-positive cancer cells.
Based on the results, we demonstrated that the synthesis strategy was straightforward and effective for the construction of the dsDNA-templated nanoclusters. This can be generally used in nano and biotechnology fields for development of highly ordered and controllable nanocluster systems. In the last part, we constructed nucleotide-based drug delivery system by using repebody-ZnF fusion proteins. The resulting construct exhibited effective receptor-mediated delivery of intercalated doxorubicin into EGFR-expressed cancer cells. Our results suggest that the DNA-templated nanoclusters can be developed as a novel medical material for various theranostic applications.
질병 진단 시, 높은 검출 민감도는 조기 진단과 깊은 연관이 있다. 따라서, 체외 또는 체내 진단에서의 검출 민감도를 높이기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다. 특히, 수십에서 수백 나노미터 크기의 나노 입자는 그것의 고유한 광학적 또는 물리적 성질로 인해 진단 분야의 다양한 바이오센서에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 본 연구에서는, 향상된 검출 민감도를 위해 생물학적 주형으로 수식화된 독립적인 두 가지의 나노 탐침의 디자인을 입증하였다. 첫 번째로, lateral flow assay에서 심장질환마커인 cardiac Troponin I (cTnI)의 검출 민감도 향상을 위해, Protein G를 이용해 자성 비드 표면 위 항체의 정향적 고정화 시스템을 개발하였다. 항체에서 항원을 인식하는 부위가 모두 노출되기 때문에, 항체의 정향적 고정화는 더 높은 항체와 항원 결합 반응의 확률을 제공한다. 결과적으로, 기존의 lateral flow assay에 많이 쓰이는 항체의 랜덤 고정화를 통해 제작된 자성 비드를 사용한 assay에 비해 향상된 검출 민감도를 보여준다. 두 번째로는, 이중 가닥DNA와 DNA 결합 단백질인 Zinc Finger (ZnF)의 결합을 통해 새로운 디자인의 생체 친화적인 나노클러스터를 제작하였고 이것의 향상된 자기공명영상과 화학요법으로의 응용 가능성을 보여주었다. DNA 주형이 갖고 있는 원하는 방향으로의 디자인이 가능하다는 성질로 인해, 정확하게 컨트롤되는 나노클러스터가 제작될 수 있다. 이중 가닥 DNA를 주형으로 하는 자성 나노입자의 클러스터된 구조체는 기존에 사용되는 MRI 조영제인 Feridex보다 더 높은 T2 이완 계수를 가지고 MRI 조영제로서의 향상된 영상 능력을 나타낸다. 마지막 연구에서는, 이중 가닥 DNA에 끼어들어가는 약제가 탑재된 표적 잔기 융합 ZnF-DNA 복합체가 세포 내 약물 전달에 이용 가능함을 보여주었다. 개발된 시스템들은 각각 현장진단용으로 질병 바이오마커의 진단과, 암 세포 이미징과 화학 요법을 결합한 적용을 포함하여, 마지막으로는 핵산을 주형으로 하는 세포 내 전달 시스템으로의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
