Research

We are interested in the following technologies and their applications for biomedical imaging:

  • Fluorescent nanomaterials (형광 나노물질)

  • Neurotransmitter fluorescent nanoprobe (신경전달물질 형광 이미징 나노프로브)

  • In vitro selection and directed evolution (시험관 선택법 및 방향적 진화 기법)

     Fluorescent colloidal nanomaterials such as carbon nanotube and quantum dots have promising features than fluorescent proteins and organic dyes for biomedical imaging: high photostability, large fluorescence intensity, and tunable fluorescence wavelengths.

 

     Among them, our lab is interested in the second near-infrared (wavelength: 950 nm - 1700 nm) fluorescent nanoparticles, which are optimal for in vivo bioimaging due to deep tissue penetration and low background signal. Synthesis and surface engineering of those nanoparticles will be covered to develop a novel biocompatible nanoparticle for specific functionality.    

        탄소나노튜브와 양자점과 같은 콜로이드성 형광 나노물질은 높은 광안정성, 밝은 형광 세기, 용이한 형광 파장 조절 능력 등 생체 의학 이미징 프로브로서 기존에 사용되는 형광 단백질과 유기 염료보다 유망한 특징을 가지고 있다.

    그 중에서도 본 연구실에서는 생체 조직 투과력이 높고 background signal 가 낮아 생체내 이미지 에 최적화된 제 2 근적외선 영역 (파장: 950nm~1700nm)  형광나노입자을 다루는 유니크한 연구 주제를 다루고 있다. 새로운 차세대 생체 적합형 나노입자를 개발하고, 나노입자의 표면을 개질하여 생체 신호를 실시간으로 이미징하는 나노프로브를 개발하고자 한다.

     The general function of nervous system is supported by neurons providing unique capabilities for intra- and inter-cellular signaling. Long-distant neuronal signaling could be achieved by conduction: neuron cells send electrical signals, action potentials, to communicate with their own terminals via the axons. Communication between neurons is achieved at synapse by neurotransmission with the movement of modulatory neurotransmitters, which remain difficult to measure. Tools to study chemical neurotransmission (detection of neurotransmitters) are each sorely needed for insights in neurological malfunction.  Methods to achieve both simultaneously stand to be transformative.

  To study neurotransmitter release, microdialysis, fast scan cyclic voltammetry, and false fluorescent neurotransmitters technology are available to non-selectively identify the presence of neurotransmitters, with spatial and temporal resolutions that are orders of magnitude larger and slower than brain neurotransmission (micron spatial scale, millisecond temporal scale). Fluorescence (FL) imaging techniques are uniquely poised as an ideal solution to transduce and measure the chemical neuronal signals, because they are relatively noninvasive and provide high spatial resolution and multiplexed imaging modalities for detecting various signals simultaneously. To this end, there is great opportunity to exploit the second near-infrared emitting nanomaterials to design synthetic multiplexed nanosensors for in vivo spatiotemporal imaging of chemical neuronal signals.

    신경계의 신호 전달은 다양한 방법으로 세포 간 신호에 관련된 뉴런에 의해 일어난다. 원거리 신경 신호는 뉴런의 축삭을 따라 전기적인 전도(conductance)에 의해 전달된다. (뉴런 세포는 축삭을 통해 자신의 말단과 통신하기 위해 전기 신호, 활동 전위를 보낸다.) 뉴런들 사이의 근거리 통신은 신경전달물질의 확산과 함께 세포 사이에 존재하는 미세 구조인 시냅스에서 이루어지는데, 이는 현재 기술로도 측정하기가 어렵다. 앞으로 이러한 화학적 신경전달(신경전달물질 검출)을 연구하는 이미징 기법은 치매, 파킨슨병 등의 신경 질병들의 진단하고 그 원인을 파악하기 위해  매우 필요하다.  

     신경전달물질에 의한 화학적 신경전달을 연구하기 위해, 미세투석, 고속 스캔 순환전압계 및 거짓 형광 신경전달물질 기술이 개발되어 왔지만, 뇌 신경전달물질보다 훨씬 크고 느린 시공간적 해상도로 신경전달물질의 존재를 확인할 수 있는 한계를 가지고 있다. 형광(Fluorescence) 영상 기술은 상대적으로 비침습적으로 다양한 신호를 동시에 감지하기 위한 높은 공간 분해능과 다중 영상 (multiplexing) 기법을 제공하기 때문에 여러 화학적 신경 신호를 전달하고 측정하는 이미징 기법으로서의 대두되고 있다. 

  Our lab aims to develop a high-throughput screening methods to evolve the neurotransmitter-responsive fluorescent ssDNA-coated carbon nanotube from random DNA mixture library. Tremendous 3D conformations that random DNA on carbon nanotube represent will enable the discovery of synthetic binding moiety (ssDNA-coated nanoparticle) to the target analyte (neurochemicals). To achieve this goal, we are developing in vitro selection methods of neurotransmitter-responsive ssDNA-coated carbon nanotube, similar to aptamer screening method. This platform enables detection of molecules for which there exist no naturally-occurring molecular recognition elements by combinatorial approach, making this ubiquitous method for producing molecular sensors is especially useful for small molecular detection.

 

  본 연구실은 천문학적인 다양성을 가지는 무작위 DNA 혼합 라이브러리에서 신경 전달 물질에 반응하는 ssDNA 코팅된 탄소나노튜브를 발굴하기 위한 초고속 선별 방법을 개발하는 것을 목표로 한다. 탄소나노튜브 표면에 코팅된 무작위 ssDNA가 형성하는 특수한 3D 구조 중에서,  목표 신경화학 물질에 결합하는 DNA 서열을 탐색하고, 이를 이용하여  신경화학물질에 대한 일종의 인공 항체 센서를 개발 할 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 압타머 (aptamer) 스크리닝 방식과 유사한 시험관내 선택 (in vitro selection) 방법을 개발하고 있다. 이러한 접근 방법은 조합적 접근법에 의해 현존하는 항체나 압타머가 없는 분자에 대한 새로운 센서를 만들 수 있으며,  소형 분자 검출에 특히 유용하다고 할 수 있다.