분자영상은 세포 내에서 일어나는 분자수준의 변화를 영상화하여 직접 확인 할 수 있도록 해주며 정량화하여 분석할 수 있도록 해주는 중요한 연구분야이다. 분자영상의 종류는 광학 영상, 자기공명영상, 컴퓨터 단층영상. 핵 의학적 영상 등 다양하며, 요즘은 두 가지 이상의 영상모드를 결합하는 다중모드 분자영상 연구가 활발히 진행되고 있다. 다중모드 분자영상은 각 영상기법들의 단점을 보완하고 장점을 부각시켜 더 좋은 영상을 얻을 수 있다. MRI/PET, PET/CT, MRI/Optical imaging등 다양한 영상기법들이 있으며 그 중 본 연구에서는 MRI/Optical imaging 기법을 이용한 연구를 진행하였다. 자기공명영상기법 (MRI)을 이용한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 산화철이나 가돌리늄(Gadolinium)을 포함한 나노 입자 MRI 조영제들은 이미 임상에서 사용이 가능하다는 점에서 질병의 진단 및 줄기세포 추적 등의 연구에서 실용화가 가능하다. 하지만 MRI 기법은 민감도가 낮기 때문에 이를 보완하기 위하여 민감도가 높은 분자영상 기법과 결합하여 많이 사용되고 있다. 광학 영상 기법은 민감도와 특이도가 높아서 자기공명영상과 결합하여 사용시 민감도가 낮은 단점을 효과적으로 보완할 수 있다. 특히 조직 투과력이 좋고 자가발광(autofluorescence)이 적은 근적외선 (Near-infrared, NIR)영역의 특정 형광특성을 내는 형광물질과 결합하여 사용하면 더욱 효과적이다. 본 연구에서는 근적외선 형광물질과 산화철 나노입자를 함유하는 고분자 나노입자를 개발하여 줄기세포 표지 및 추적에 관한 연구를 진행하였다.
먼저, 자성나노입자 (MnFe2O4)를 합성한 후, 음이온성 고분자(γ-PGA)로 코팅을 하여 유기용매상을 수용액 상으로 상전환을 시킨 뒤, 양이온성 고분자(poly-L-lysine, PLL)와 자가조립을 통해 나노컴플렉스를 만든 후, 표면에 근적외선 형광 염료(IRDye800)를 결합함으로써 MR/NIR 다중모드 나노프로브를 합성하였다. 합성한 MR/NIR 다중모드 조영제는 기존에 상용화 되어있는 조영제에 비해 대략 2배 이상 더 효과적임을 확인하였고 근적외선 이미징 또한 본 연구진이 제작하여 보유하고 있는 근적외선 이미징 장비를 이용하여 분석한바, 780~850 nm에서 강한 근적외선 형광 신호를 나타냄을 확인하였다. 이 후, 줄기세포에 MR/NIR 다중모드 나노프로브를 in vitro 상에서의 표지 및 추적을 확인한 연구를 진행한 결과, MR/NIR 다중모드 나노프로브는 줄기세포 내로 잘 표지가 되어, 1.25 x 10^5 개의 적은 양의 줄기세포에서 까지 높은 강도의 MR 신호와 강한 근적외선 형광 신호가 나타남을 확인하였다. 이렇게 효과적으로 MR/NIR 다중모드 나노프로브를 표지한 줄기세포를 in vivo 상에서 근육염증 모델을 이용하여 동물실험을 진행한 결과, 근육 손상 조직에서 MR/NIR 다중모드 나노프로브를 표지한 줄기세포의 MR 신호와 NIR 신호를 14일 까지 확인하였다.
생체적합성 고분자를 이용하여 유기용매상의 자성나노입자를 수용액상으로 상전환 시켜 생체 내 사용이 가능하며 더 좋은 조영 효과를 나타내는 입자의 합성하였고, 근적외선 형광 염료를 결합함으로써 MR/NIR 이미징이 동시에 가능한 조영제의 개발로 각 영상기법의 특성을 확인할 수 있었다. 또 MR/NIR 다중모드 나노프로브의 효과적인 줄기세포내의 표지 및 생체 내로의 추적 가능성을 확인하였으며, 앞으로의 연구에서는 줄기세포내의 MR/NIR 다중모드 나노프로브 표지를 통한 이미징 뿐만 아니라 줄기세포를 통한 치료효과까지 확인하는 실험을 진행할 예정이다.