Techniques for the delivery foreign materials into living cells as well as for sensing have undeniable worth in cell biology research. One-dimensional nanonedles are one of the promising methods for insertion with minimal invasiveness to a cell. Additionally, most studies were done to date have used either a vertical nanoneedle. I synthesized newly inclined nanoneedles and demonstrated a novel platform using inclined-gallium nitride nanoneedles (iGaN NNs) to facilitate efficient intracellular delivery. In our system, the cellular membrane is efficiently penetrated by the iGaN NNs compared to the vertical NNs.
Among diverse MOF, zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) has excellent biocompatibility, biodegradability by pH-sensitive behavior, and encapsulation capability, which is one of the ideal nanocarrier for drug delivery. I have developed HA-coated FD 70k@ZIF-8 NPs with high cellular uptake. The ZIF-8 is used to encapsulate biomimetic FITC dextran and pH-responsive platform. Then, HA is easily coated on the outer layer of the FD 70k@ZIF-8 NPs through electrostatic interaction in order to selectively target cancer cells. Cellular uptake based on the interaction between HA and the CD44 receptor improved and demonstrated.
Among the nanoneedle-based intracellular delivery studies, there is intracellular delivery through cultivation of cells on nanostructures. However, the substances could be conjugated to the surface of nanostructures via organic synthesis. To solve this problems, I suggest that a novel intracellular delivery system. FITC was encapsulated in ZIF-8@ZnO nanoneedles without any organic synthesis for intracellular delivery. I demonstrated that this technique is applicable to deliver various molecules in a cell regardless of cell lines.
In conclusion, I have studied intracellular delivery using various nanomaterials-based methods (iGaN nanoneedle, ZIF-8 nanoparticles, ZIF-8@ZnO nanoneedle) in vitro. These methods effectively delivered the foreign substances into the cell with high cell viability. Thus, these methods may provide new route for universal biological application in vitro.
세포 내 물질전달은 DNA, RNA, 단백질, 기타 화합물들을 전달을 방해하는 장벽들을 극복하여 세포 내로 전달하는 과정이다. 이러한 세포 내 물질 전달은 생물학적 혹은 의학적 응용을 위한 중요한 단계 중 하나이다. 다양한 물질을 다양한 세포 내로 전달하기 위한 많은 방법들이 개발되어 세포 내로 물질전달 효율을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
세포 내 물질전달 방법은 크게 3가지 방법(생물학적, 화학적, 물리적 방법)으로 나눌 수 있다. 이러한 방법들은 각기 모두 다른 장, 단점을 가지고 세포 내 전달 방법에 응용되고 있으며, 단점을 보완하기 위해서 많은 연구자들이 노력하고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로, 본 연구에서는 다양한 방법을 이용하여 in vitro실험하에서 세포가 받는 데미지를 최소화하여 높은 세포 생존율 및 전달 효율을 높이고자 하는 연구를 진행하였다.
살아있는 세포 내로의 물질 전달 및 살아있는 세포 내 환경을 센싱하는 것은 세포 생물학 분야에 있어서 중요한 것 중의 하나이다. 세포 내 물질전달을 위한 가장 큰 장벽은 세포가 받는 데미지 없이 혹은 데미지를 최소화 하여 세포 벽을 투과하는 것이다. 다양한 세포 내 전달 방법 중에, 1차원 나노니들은 세포가 받는 데미지를 최소화하여 세포를 투과하여 세포 내 물질 전달 및 세포 내 환경을 센싱 할 수 있는 방법 중의 하나로 소개되었다. 이와 관련하여 많은 연구자들은 수직의 나노니들을 이용하여 세포 내로 물질 전달 및 센싱 연구를 진행해왔다. 본 연구에서는 수직형태의 나노니들를 대신하여 새로운 형태인 기울어진 질화갈륨 나노니들를 이용하여 세포 내 물질전달을 시도하였다. 우리의 전달 시스템하에서 기울어진 질화갈륨 나노니들은 수직 나노니들보다 더 효과적을 세포를 니들로 삽입 할 수 있었다 또한 높은 세포 생존율과 전달 효율을 바탕으로 세포질 내로 물질을 전달 할 수 있음을 확인하였다.
다양한 금속·유기 복합체는 쉽게 합성 할 수 있고, 다양한 특성을 보유하여 다양한 분야의 연구에 응용된다. 금속·유기 복합체중 ZIF-8나노입자는 생화학적으로 안정하고 생분해성을 가지고 있기 때문에 세포 내 물질전달을 위한 전달체로써 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 ZIF-8나노입자 내부에 다양한 크기의 형광물질 (FITC, FITC dextran 70k)을 탑재하였고 또한 히알루론산을 코팅하여 ZIF-8나노입자의 안정성을 증대시키고, 특정 세포 내 전달을 유도하였다. 히알루론산이 코팅된 ZIF-8나노입자는 히알루론산이 코팅되지 않은 나노입자에 비해 수용액 상에서 안정적이고 CT-26, SCC7과 같은 암세포에 특이적으로 전달 됨을 확인하였다.
나노니들을 이용한 방법이나 나노입자를 이용한 방법은 세포 내 전달 방법으로 널리 사용되는 방법이다. 나노니들을 이용한 방법은 세포 내로 전달은 쉽지만 특정 물질을 부착하기 위해서 유기화학적 방법을 이용하여 부착하여야 하는 단점이 있다. 나노입자를 이용한 방법은 다양한 장벽들이 존재한다. 복잡한 유기화학 방법을 이용하여 나노입자를 합성해야 하며, 또한 특정 세포에 대한 타겟 전달을 위해 나노입자의 표면에 타겟팅 리간드를 부착해야 한다. 이러한 단점을 극복하고자 이형구조를 이용하여 보완하고자 하였다. 산화아연과 ZIF-8을 이용하여 이형구조를 만들었으며, 어떠한 유기화학적 방법 없이 이형구조 내에 다양한 크기의 형광물질 등을 캡슐화 할 수 있음을 확인하였고, 높은 효율로 세포 내로 물질전달이 가능함을 확인하였다
