광메카트로닉스공학과 김창석 교수팀과 한동욱 교수팀은 공동연구를 통해 나노다이아몬드(나노 크기의 다이아몬드)의 신경세포 재생능 및 초고해상도 뇌 이미징 등 다기능적 활용 가능성을 규명했다. 

뇌의 신경세포는 알츠하이머, 파킨슨병, 근위축성측색경화증과 같은 퇴행성 신경 질환뿐 아니라 뇌졸중, 암, 감염, 외상 등의 물리적 요인에 의해서도 손상될 수 있다. 문제는 이렇게 손상된 세포를 다시 복구할 수 없다는 데 있다.

과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 다양한 노력을 기울여 왔지만, 주로 사용돼 온 도파민 작용제, 효소 억제제, 호르몬 치료 등과 같은 약물성 치료법은 부작용이 따랐고, 무엇보다 근본적으로 사멸·수축한 뇌세포를 재생하지 못한다는 한계점이 있었다.  

한편, 신경세포 중 해마 신경세포는 친화성 콜린 수송체, 콜린 아세틸전이효소, 소포성 아세틸콜린 수송체, 무스카린성 아세틸콜린 수용체와 같은 필수 콜린성 마커를 발현하고, 주로 신경 질환의 인지 결손에 관여하는 것으로 알려져 있으며, 나노다이아몬드는 높은 생체적합성과 특유의 생체기능성을 가진 새로운 생체물질(biomaterial)로 가능성을 주목받아 왔다. 

이에 연구팀은 나노다이아몬드가 해마 신경세포의 자발적 신경돌기 재생을 촉진함을 규명했으며, 나아가 나노다이아몬드의 형광이 특정 파장에서 깜빡거리는 현상을 통해 초고해상도의 세포·조직 이미징에 활용해 다기능적 성능을 밝혔다.

<연구에 사용한 다광자형광현미경 사진 및 모식도>

연구 결과, 나노다이아몬드는 비교적 높은 농도(500 ?g/mL)까지 해마신경세포주(HT22 hippocampal neuronal cell)의 독성을 나타내지 않았으며, 세포 내 활성산소종 생성이나 세포막 무결성 손상을 유발하지 않는 것을 관찰했다. 또한 체외(in vitro) 배양 과정에서 처리한 나노다이아몬드는 세포 내로 함입돼 분화 인자 없이도 신경 돌기 분화를 유발했고, 동시에 세포의 형광 마커로서 이러한 현상을 초고해상도로 시각화했다. 

또한, 누드 마우스를 활용한 동물실험에서 꼬리정맥으로 주사한 나노다이아몬드는 뇌혈관장벽을 투과해 뇌에 도달했고 장기간 주요 장기 및 뇌에 손상을 유발하지 않는 것이 확인됐다. 이러한 결과를 통해 나노다이아몬드의 활용은 뇌졸중은 물론 치매, 파킨슨병 등의 난치성 뇌질환 연구로 더욱 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

<연구진: 왼쪽부터 뒷줄 김창석(교신저자) 교수, 한동욱(교신저자) 교수, 앞줄 김재흥(제1저자) 박사과정생, 강문성(제1저자) 박사과정생>

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 해당 논문은 생체재료 분야의 세계적인 학술지 『Biomaterials Research』 온라인 4월 27일자로 게재됐다.

- 논문 제목: A systematic study on the use of multifunctional nanodiamonds for neuritis generation and super-resolution imaging(나노다이아몬드의 신경세포 재생능 및 초고해상도 뇌 이미징 활용 가능성 규명)

- 논문 링크: https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-023-00384-9 

* 상단 연구 이미지: 규명된 나노다이아몬드의 생체 다기능적 활용 모식도

[Abstract]

Regeneration of defective neurons in central nervous system is a highlighted issue for neurodegenerative disease treatment. Various tissue engineering approaches have focused on neuritogenesis to achieve the regeneration of damaged neuronal cells because damaged neurons often fail to achieve spontaneous restoration of neonatal neurites. Meanwhile, owing to the demand for a better diagnosis, studies of super-resolution imaging techniques in fluorescence microscopy have triggered the technological development to surpass the classical resolution dictated by the optical diffraction limit for precise observations of neuronal behaviors. Herein, the multifunctional nanodiamonds (NDs) as neuritogenesis promoters and super-resolution imaging probes were studied.

To investigate the neuritogenesis-inducing capability of NDs, ND-containing growing medium and differentiation medium were added to the HT-22 hippocampal neuronal cells and incubated for 10 d. In vitro and ex vivo images were visualized through custom-built two-photon microscopy using NDs as imaging probes and the direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) process was performed for the super-resolution reconstruction owing to the photoblinking properties of NDs. Moreover, ex vivo imaging of the mouse brain was performed 24 h after the intravenous injection of NDs.

NDs were endocytosed by the cells and promoted spontaneous neuritogenesis without any differentiation factors, where NDs exhibited no significant toxicity with their outstanding biocompatibility. The images of ND-endocytosed cells were reconstructed into super-resolution images through dSTORM, thereby addressing the problem of image distortion due to nano-sized particles, including size expansion and the challenge in distinguishing the nearby located particles. Furthermore, the ex vivo images of NDs in mouse brain confirmed that NDs could penetrate the blood?brain barrier (BBB) and retain their photoblinking property for dSTORM application.

Conclusions: It was demonstrated that the NDs are capable of dSTORM super-resolution imaging, neuritogenic facilitation, and BBB penetration, suggesting their remarkable potential in biological applications.

* Reference

- First author: Jaeheung Kim¹, Moon Sung Kang¹

- Corresponding author: Chang-Seok Kim¹², Dong-Wook Han¹³

  1. Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University

  2. Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology, Pusan National University

  3. Bio-IT Fusion Technology Research Institute, Pusan National University

- Title of original paper: A systematic study on the use of multifunctional nanodiamonds for neuritis generation and super-resolution imaging

- https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-023-00384-9

- Journal: Biomaterials Research

- DOI: https://doi.org/10.1186/s40824-023-00384-9