나노기술 및 정책 정보

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나노입자가 인간의 혈액에 들어가면 단백질, 지질, 핵산, 대사 산물, 당 등 다양한 생체 분자와 즉시 접촉하고, 이러한 생체 분자는 나노입자 표면에 코팅층을 형성함. 이른바 생체 분자 코로나임. 이를 통해 나노입자에 고유한 생물학적 정체성을 부여할 수 있음. 생체 분자 코로나의 구성과 기능은 나노입자의 물리 화학적 특성과 노출된 생물학적 시스템의 조성 및 배양 조건에 따라 달라짐.

치료용 나노입자의 특성이 단순히 체내에 도입되는 것만으로도 알 수 없는 정도까지 변할 수 있다는 사실은 진단 및 치료 응용을 위한 나노물질을 설계하고 개발하는데 있어 상당한 과학적, 기술적 과제로 이어지며, 결과적으로 생체 분자 코로나의 생체 분자와 나노입자 표면의 상호 작용을 이해하는 것이 필수적임.

미시건 주립대의 정밀 건강 프로그램 조교수 Morteza Mahmoudi는 "생체 분자 코로나에 있는 단백질의 농도와 구성은 전통적으로 액체 크로마토 그래피-탠덤 질량 분광법(LC-MS / MS) 및 프로테오믹스에 의해 분석되고 정량화 된다"고 말하며, "이러한 기술은 생체 분자 코로나와 관련된 단백질의 기능과 구조에 대한 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하지만 생체 분자 코로나 내에서 단백질 및 기타 거대 분자의 분포와 상호 작용을 보여줄 수는 없다"고 함.

Mahmoudi와 그의 공동 연구자들은 공기의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)을 사용하여, 건조된 네거티브 염색 모델 나노입자(즉, 카르복실화 폴리스티렌), 나노입자 고유 상태의 저온 전자 현미경(cryo-EM) 및 저온 전자 단층 촬영(cryo-ET), 3차원(3D) 재구성, 그리고 개별 나노입자 표면의 거대 분자와 그 분포 및 기하학적 배열을 시각화하기 위한 이미지 분석을 수행함.

연구진은 생체 분자의 형태학적 세부 사항, 그 분포 및 나노 규모의 모델 폴리스티렌 나노입자 표면과의 연관성을 발견함. 또한, 동일한 샘플 내 생체 분자 코로나의 특성이 균질해 보이지만 개별 나노입자 간의 거대 분자의 분포 및 연관성에는 상당한 차이가 있으며, 이것은 나노입자의 생물학적 운명에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견함.

연구 결과, 생체 분자 코로나와 관련이 없는 나노입자 사이와 주변에 생체 분자 잔류물이 존재하는 것도 보여줌

이 연구는 단일 나노입자 수준에서 생체 분자 코로나의 보다 정확한 분석 및 해석을 가능하게 하며, 단일 나노입자 수준의 생체 분자 코로나 분석과 동일한 샘플의 나노입자 간 가변성 및 혈장 잔류물에서 비특이적 단백질의 존재를 발견하면 나노입자의 특성 분석을 개선하고 안전성 및 나노입자의 생물학적 효능에 대한 예측도 개선할 수 있음.

본 연구 결과는 전자 현미경 기술과 이미지 분석의 조합으로 1) 순도 및 2) 나노 규모 해상도에서 생체 분자 코로나의 균질성/이질성을 정의하기 위한 표준으로 사용될 수 있음을 시사함. 전자는 나노의학 커뮤니티가 나노입자 표면에서 생체 분자 코로나의 단백질 체학 및 분석 화학 데이터의 정확성과 신뢰성을 정의하는데 도움이 되며, 후자는 임상 응용을 위한 다양한 나노입자의 적합성을 정의하는 데 중요함.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Nanoscale characterization of the biomolecular corona by cryo-electron microscopy, cryo-electron tomography, and image simulation")에 게재됨.