Gold nanoparticles (AuNPs) have become prevalent as a novel biosafe and biocompatible tool for various applications, including biological imaging, clinical diagnostics and therapeutics, because of their surface plasmon resonance. Understanding the interactions of functional nanoparticles with cells is of great importance, not only for development of new therapeutic tools, but also for realizing the fundamental cellular mechanisms and cytotoxicity of nanomaterials. In particular, the synthesis of non-aggregated nanoparticles and exocytosis studies are of tremendous importance, as it relates directly to chronic cytotoxicity and clearance from the body. To overcome these problems, we firstly made a nanoparticle-protein complex before the experiment and investigated the endocytosis and exocytosis of functionalized AuNPs in macrophages according to their size and surface chemistry. The amount of AuNPs entering and leaving macrophages was evaluated in vitro by ICP-MS, and the phenomena of endocytosis and exocytosis were recorded by two photon excitation microscope, dark field microscope and differential interference contrast (DIC). To prevent aggregation, AuNPs were coated by serum proteins for 1h. This indicates that proteins coated on the surface prevent AuNP aggregation and allow each particle to interact with cells individually. The average hydrodynamic diameter of AuNPs generally increases from 10nm to 15nm after protein coating. Positively-charged and PEGylated AuNPs bind fewer serum proteins on the surface of nanoparticles than negatively and neutrally-charged AuNPs. Unusually, the surface charges of protein-coated AuNPs changed to negative after protein coating, regardless of the initial value. The changes of hydrodynamic diameter and surface charges deeply related to compositions of serum proteins. In endocytosis, positively-charged AuNPs displayed the highest uptake efficiency in macrophages and monocytes whereas PEGylated AuNPs displayed the lowest regardless of sizes. When compared to differences of amounts of AuNPs entering macrophages and monocytes, macrophages internalized more AuNPs than monocytes. Therefore, macrophages were selected for the experiment. In exocytosis, PEGylated AuNPs showed the highest rate of exocytosis in macrophages regardless of sizes, while positively-charged AuNPs remained longer in the cells than others.
나노 기술이란 물질의 특성을 나노미터 수준에서 규명하고 제어하는 기술로서 원자 분자 수준에서 물질을 물리적으로 또는 화학적으로 제어하여 유용한 구조와 기능을 발현시키며 이를 통해 기존과는 다른 원리의 디바이스 구축이 가능하다. 특히 이러한 나노 기술의 특징을 이용하여 의학분야에 접목시키게 되면서 종래에는 치료할 수 없었던 많은 질병들을 진단 및 치료할 수 있는 새로운 방법이 개발될 것으로 기대된다. 나노 기술에서 응용되는 대표적인 물질로써 금 나노입자는 특히 인체에 안정성이 뛰어나며 독성이 없는 것으로 알려져 있다. 이러한 특성 때문에 현재 의학분야에 응용하기 위한 물질로서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 나노입자가 인체 내에 투여되었을 경우 면역 시스템에 의해 대부분 제거가 되고 특히 면역세포 중에서도 대식세포에 의해 일차적으로 제거가 되어지는 것으로 알려져있다. 만약 대식세포의 세포 이물 흡수 과정에 의해 세포 안으로 들어가게 된 나노입자가 세포 내에 장기적으로 축적이 되다면 만성적 독성을 일으킬 가능성이 높아진다. 이러한 이유 때문에 본 연구에서는 세포 이물 흡수 과정뿐만 아니라 금 나노입자의 다양한 크기 및 표면물질의 특성에 따라 대식세포에서 어떻게 세포외 배출이 되는지 그 현상을 연구하게 되었다.
