자기공명영상(Magnetic resonance imaging, MRI)은 조직 간의 대비에 기초한 해부학적 정보를 비침습적 수단을 통해 실시간으로 얻을 수 있는 효과적인 생체 내 영상기술로, 살아있는 생명체를 영상화 할 수 있는 기술들 중에서 가장 각광을 받고 있다. 자기공명영상에서 더욱 분명한 영상을 얻고 진단영역을 확장하기 위해서는 조영제가 필수적이다. 수용액에서 제조된 자성 나노입자는 1980년대 후반부터 자기공명영상 조영제로 사용해왔으며, 특히 덱스트란으로 코팅된 산화철 자성 나노 입자는 임상실험에서 주로 간 조영제로서 응용되어 왔다. 그리고 1990년대 후반에 들어서는 산화철 자성 나노 입자에 항체, 단백질 등을 중합하여 지능성을 부여하는 연구가 진행되었다.
현재는 나노입자 연구분야에서 고온 결정 성장을 통해 얻어진 균일한 고결정성 나노입자를 자기공명영상에 사용하려는 연구가 세계 여러 연구진에서 활발하게 진행 중이다. 나노입자를 생명의학분야에 응용하기 위해서는 크기가 균일하여야 하며 생물학적 매질에서 좋은 분산도와 안정성을 가져야 한다. 유기 용매 상에서 고온 결정성장을 통해 얻어진 나노입자는 소수성 유기용매 상에 분산되고 물에서는 충분한 안정성을 보이지 않는다. 이러한 나노입자의 소수성은 생명의학분야 응용을 위해 해결 해야 할 과제이며 현재 다양한 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는, 최근 강력한 T2 조영제의 효과를 가지는 것으로 보고 되어있는 망간철페라이트(MnFe2O4) 나노입자와 인지질을 개시제로 사용한 초분지 폴리글리시돌에 엽산을 도입하여 리포중합체를 합성하고, 이를 리간드 교환반응을 통해 MnFe2O4의 표면을 친수성 리포중합체로 치환시켜 높은 자기공명효과를 가지고, 물에서 콜로이드 안정성을 가지며, 암 세포에 표적성을 가지는 자성 나노입자 제조를 목표로 하였다. 엽산 개질된 인지질-폴리글리시돌 공중합체는 엽산 수용체를 가지는 암세포에 표적성을 가지게 된다. 엽산 수용체는 정상세포에서는 낮은 수준으로 발현되어있지만, 다양한 암세포에서 대량발현 되기 때문에 암세포에 대한 표적성을 도입하기에 엽산은 최적화된 물질이다.
먼저, 유기금속 Fe(acac)3, Mn(acac)2 의 열분해 방법을 통해 유기용매에서 올레일 아민을 안정화제로 사용하여 7-10 nm의 균일한 크기와 형태를 가지는 비수용성 MnFe2O4 나노입자를 합성했다. 나노입자의 크기나 몰폴로지는 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM), 제한시야 전자회절(selected-area electron diffraction, SAED)패턴, X-선회절 분석법(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD), 동적광산란법(Dynamic Light Scattering, DLS) 분석을 통해 확인하였다. 또한 리간드 교환 반응 시켜 수용성 MnFe2O4 나노입자로 만들기 위해 음이온 개환 중합을 통해 양친매성 리포중합체인 인지질과 초분지 폴리글리시돌 공중합체를 제조한 뒤, 생성된 공중합체의 말단 히드록시기를 엽산으로 개질시켰다. 합성된 물질은 핵자기 공명 분광법(1H-NMR, 13C-NMR)과 적외선 분광법(IR)을 통하여 구조분석 하였고, 자외선 분광법(UV)과 형광(Fluorescence) 분석을 통해 엽산의 흡광도와 형광도를 분석하여 엽산 개질 여부를 판별하였다.
최종적으로, MnFe2O4 나노입자를 엽산을 개질시킨 공중합체로 리간드 교환반응을 진행하였고, 리간드 교환 반응 후, 비수용성 MnFe2O4 나노입자는 수용성을 가지게 되었다. 리간드 교환 반응한 나노입자는 자화 곡선(Magnetization curve) 측정을 통해 리간드 교환 반응 후의 자화도와 표면개질에 사용된 리포중합체의 비율을 확인하였다.
또한 자기공명영상 확인 결과 높은 농도의 MnFe2O4 나노입자를 가질수록 T2 강조 효과가 커지는 경향을 보였다. 조영효과의 척도가 되는 MnFe2O4 나노입자의 r2 값은 140.56 mM-1 s-1으로 일반적인 초상자성 산화철 입자 조영제의 값보다 높은 값을 가짐을 확인하여, T2 조영제로서의 효과를 입증하였다. 마지막으로, 암세포에 대한 표적성 확인을 위하여 엽산 수용체가 많은 대장암 세포 라인(SW620, HCT116)과 엽산 수용체가 적은 대장암 세포 라인(HCT15, RKO)을 대조군으로 정하고, 농도별로 암세포에 투여하여 공초점 레이저 주사 현미경으로 확인하였다. 이를 통해 최종물질이 엽산 수용체가 많이 분포된 대장암 세포 표면에 더 많이 결합되어 있는 것을 확인 하였다.