Synthesis and applications of biocompatible nanomaterials for non-invasive cancer therapy and imaging
- Abstract
- 1~100 nm 단위의 크기를 가지는 나노 물질은 진단과 치료를 병행하는 테라노스틱스 (theranostics) 기술에 적용하는 데에 큰 주목을 받아 왔으며, 암의 진단과 치료를 위한 새로운 비침습적 기술의 개발을 위해 뛰어난 전망을 제공한다. 현재 주요한 암 치료는 수술, 방사선과 화학 요법으로 제한된다. 이 세가지 방법은 정상 세포의 손상을 주는 부작용이나 암세포의 불완전한 치료의 위험 부담이 있다. 그래서, 본 연구에서는 효과적인 초기 암 진단과 치료를 위하여 생체 친화형 물질을 이용한 비침습적 기술로서의 자기 온열 치료와 광음향 단층 영상 촬영을 연구하였다.
1부에서는 국부 암 온열 치료를 유도하기 위해서 열분해법을 통한 열 감응성의 키토산이 코팅된 MnFe2O4를 합성하였다. 높은 효율의 자기 온열 치료를 위하여, 18 nm의 크기와 높은 SAR 값을 가지는 생체 친화성이 향상된 Chitosan-MnFe2O4 나노입자를 합성하였다. MDA-MB-231 암세포에 자기 온열 치료하는 동안 Chitosan-MnFe2O4 나노입자는 42 oC의 온도 상승을 주도하여, 여기된 자기 나노입자의 열 발산을 통해 세포 자살 (apoptosis)의 유도와 관련된 돌이킬 수 없는 급격한 세포 형태의 변화 및 세포 죽음을 유도하였다. 높은 자화율과 생체 친화성 때문에 키토산이 코팅된 MnFe2O4 나노입자는 암 온열 치료를 위한 유망한 자기 나노 입자가 될 수 있다.
2부에서는 비침습적 광단층 영상촬영 장치의 조영제로서 ICG가 결합된 단일벽 탄소 나노튜브 (SWNTs)를 이용하여 센티널 림프노드 (SLN)의 이미지를 획득하였다. 광음향 이미지 감도를 증가시키기 위해서, 근적외선 영역에서 높은 광학 흡광도를 가지는 형광 물질인 ICG가 결합된 SWNT-ICG를 합성하였고, 50 nm의 농도에서 ICG가 결합되지 않은 SWNT에 비교하여 18 배 정도의 증가된 광학적 흡광도를 나타내었다. SWNT-ICG를 주입 후, 센티널 림프노드의 광음향 이미지에서 높은 이미지 감도를 나타내었고, 광학 흡광도와 일치하여 820 nm에서 광음향 신호가 크게 향상되었다. 이러한 결과는 SWNT-ICG는 광음향 이미지 촬영 장치와 결합하여 유방암 환자의 센티널 림프노드를 식별하는데 높은 가능성을 보여주었다.
핵심어: 자기 나노입자, 자기 온열치료, 키토산, 세포 자살, 광음향 단층 촬영장치, 단일벽 탄소 나노튜브, 인도시아닌 그린, 센티널 림프노드.
- Issued Date
- 2015
- Awarded Date
- 2015. 2
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 부경대학교 일반대학원
- Affiliation
- Interdisciplinary Program of Biomedical, Electrical & Mechanical Engineering
- Department
- 대학원 의생명융합공학협동과정
- Advisor
- Junghwan Oh
- Table Of Contents
- List of contents
Abstract i
List of contents iii
List of Figures viii
List of Table xiii
1. PART 1
1.1 Introduction 2
1.1.1 General introduction of magnetic nanoparticles for hyperthermia 2
1.1.2 Background Theory 6
1.1.2.1 Magnetic nanoparticles for hyperthermia 6
1.1.2.2 Hysteresis loop described by Néel and Brownian relaxation 8
1.1.2.3 Specific absorption rate (SAR) 11
1.1.2.4 Magnetic hyperthermia for cancer treatment 13
1.1.2.5 Hyperthermia Induced Apoptosis and Necrosis 17
1.1.3 Motivation and aim of this study 21
1.2 Experimental materials and methods 23
1.2.1 Chemical materials 23
1.2.2 Preparation of chitosan-coated MnFe2O4 24
1.2.2.1 Synthesis of MnFe2O4 24
1.2.2.2 Synthesis of Water-dispersed MnFe2O4 (DMSA-MnFe2O4) 24
1.2.2.3 Synthesis of Chitosan-coated MnFe2O4 (Chitosan-MnFe2O4) 25
1.2.3 Characterization of MNPs 27
1.2.4 Measurement of Magnetically Induced Hyperthermic Effect 28
1.2.5 In vitro experiments 30
1.2.5.1 Cell Culture 30
1.2.5.2 Cell Viability Assay 30
1.2.5.3 In vitro Magnetic Hyperthermia (MHT) 31
1.2.5.4 Apoptosis Study 32
1.2.5.5 Live/Dead Cell Assay 33
1.2.6 Statistical Analysis 34
1.3 Results & Discussion 35
1.3.1 Analysis and characterization 35
1.3.1.1 X-ray powder diffraction 35
1.3.2.2 FT-IR spectroscopy 37
1.3.2.3 Thermogravimetric analysis (TGA) 39
1.3.2.4 Magnetic measurement 42
1.3.2.5 Transmission electron microscopy (TEM) 44
1.3.2.6 Colloidal stability 45
1.3.2 Magnetic heating test 48
1.3.2.1 Measurement of heating potential 48
1.3.2.2 SAR measurement 50
1.3.3 Cell viability study 52
1.3.4 In vitro magnetic hyperthermia treatment 56
1.3.4.1 Cancer hyperthermia treatment 56
1.3.4.2 Morphological observation after hyperthermia-induced apoptosis 58
1.3.4.3 Live/dead cell assay 61
1.3.4.4 Fluorescence microscopy for apoptotic activity 63
1.4 Conclusion 66
1.5 References 67
2. PART Ⅱ 78
2.1 Introduction 79
2.1.1 Single-walled carbon nanotubes (SWNTs)) 79
2.1.2 Photoacoustic tomography (PAT) 83
2.1.3 Motivation and aim of this study 86
2.2 Experimental materials and methods 88
2.2.1 Chemical Materials 88
2.2.2 Functionalized of SWNTs 88
2.2.2.1 PEGylated SWNTs (SWNT). 89
2.2.2.2 ICG-enhanced SWNTs (SWNT-ICG). 89
2.2.3 Characterizations 91
2.2.3.1 Optical spectra measurement 91
2.2.3.2 Raman spectra measurement 91
2.2.4 PAT setup 92
2.2.5 Phantom study 93
2.2.6 In vivo experiments 94
2.3 Results and discussion 95
2.3.1 Analysis and characterization 95
2.3.1.1 UV-vis spectroscopy 95
2.3.1.2 Raman spectroscopy 97
2.3.2 Quantitative evaluations of PA image contrast 99
2.3.2.1 Comparison of PA image intensity versus the concentration of SWNT-ICG 99
2.3.2.2 Comparison of PA image intensity versus the wavelength 101
2.3.3 Detection and mapping of sentinel lymph node (SLN) 104
2.4 Conclusion 108
2.5 References 109
3. Summary and conclusion 119
4. Future study 121
Abstrac of Korean 123
Acknowledgements 125
- Degree
- Doctor
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- 대학원 > 의생명융합공학협동과정
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