KR101080581B1 - 자기공명영상 ｔ1 및 ｔ2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본원발명은 T1 및 T2 이중 조영 작용을 하는 산화철/산화망간 혼성 나노입자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 덤벨형 산화철/산화망간 혼성 나노입자는 T2 강조 MRI에서 혈관 및 간 내에서의 암신호를 증강시킬 수 있고, 동시에 T1 강조 MRI에서 뇌 및 신장에서의 명신호를 증강시킬 수 있다. 이에 따라, T1 및 T2 강조 생체 영상법 모두에 대해, 기관 특이적인 조영 증강을 유도할 수 있는 MRI 조영제로 사용될 수 있다.

자기공명영상법, 나노 입자, 이중 조영, T1 조영제, T2 조영제

Description

자기공명영상 Ｔ1 및 Ｔ2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자 및 이의 제조 방법{Iron oxide/Manganese oxide hybrid nanocrystals for simultaneous T1 and T2 contrast enhancements in MRI and preparation thereof}

본 발명은 T1 및 T2 이중 조영성 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자는 MRI 조영제로 사용되어 상기 T2 강조 MRI에서 암신호를 증강시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 T1 강조 MRI에서 명신호를 증강시킬 수 있다.

자기공명영상법(MRI: Magnetic Resonance Imaging)은 자력에 의해 발생하는 자기장을 이용하여 생체의 임의의 단층상을 얻는 영상법이다. MRI에서는 영상변수를 조절함으로써 다양한 영상을 얻을 수가 있으며, T1 이완시간이 짧은 조직을 밝게 하는 영상법을 T1 강조영상법, T2 이완시간이 긴 조직을 밝게 보이도록 하는 영상법을 T2 강조영상법이라고 한다. 또한, T2 이완시간이 길수록 영상에 밝게 나타나도록 영상변수를 조절함으로써 분자영상과 세포영상에 가장 적합한 T2 강조영상을 얻을 수 있다.

자기공명영상에 사용되는 영상조영제는 상이한 물성을 갖는 T1 조영제와 T2 조영제로 일반적으로 구분되며 이들 영상조영제는 모두 T1, T2 측정시 이완시간을 감소시키는 효과가 있다(M Modo, M Hoehn, JW Bulte, Cellular MR imaging, Mol Imaging, 4, 143 (2005); WJ Rogers, H Meyer, CM Kramer, Technology insight: in vivo cell tracking by use of MRI, Nat Clin Prac, 3, 554 (2006); D Kim, KS Hong, J Song, The present status of cell tracking methods in animal models using magnetic resonance imaging technology, Mol Cells, 23, 132 (2007)). 특히, 산화철 계열의 T2 조영제는 T2 이완시간을 줄이는 효과가 매우 크며, T2 이완시간의 감소에 의해 강력한 영상 조영 효과가 나타난다. 즉, T2 강조영상의 경우 극소량의 T2 조영제만 사용하여도, 검은 점으로 나타나는 강력한 음성 대조효과가 나타난다.

한편, 나노 크기의 자기적 콜로이드 입자는 크기가 작고 표면적이 넓어, 자기 공명 영상 기반의 분자 영상 기술 개발에 있어서 중요한 역할을 하고 있다(Y.-w. June, J.-H. Lee, J. Cheon, Angew . Chem . Int . Ed. 2008, 47, 5122; M. F. Bellin, Eur . J. Radiol . 2006, 60, 314; J. W. M. Bulte, D. L. Kraitchman, NMR Biomed. 2004, 17, 484 ; S. Mornet, S. Vasseur, F. Grasset, E. Duguet, J. Mater. Chem. 2004, 14, 2161). 예를 들어, 해부학적 MR 증강제를 향상시킬 목적으로, 초상자성 산화철(SPIO) 나노 입자가 음성 조영제, 즉, T2 조영제(negative contrast-enhancements agent)로 개발되어 임상적으로 사용되고 있다(J. Xie, K. Chen, H.-Y. Lee, C. Xu, A. R. Hsu, S. Peng, X. Chen, S. Sun, J. Am. Chem . Soc . 2008, 130, 2154; J. Lee, Y.-M. Huh, Y. Jun, J. Seo, J. Jang, H. Song, S. Kim, E. Cho, H. Yoon, J. Suh, J. Cheon, Nat. Med. 2007, 13, 95). 또한, Gd^{3 +} 또는 Mn^{2 +}를 함유한 다양한 나노 입자가 설계되어 잠재적인 양성 조영제, 즉, T1 조영제로서 해부학적 구조의 명신호 증강을 유도하는데 사용되고 있다(K. M. Tyalor, J. S. Kim, W. J. Rieter, H. An, W. Lin, W. Lin, J. Am. Chem . Soc. 2008, 130, 2154; J.-L. Bridot, A.-C. Faure, S. Laurent, C. Riviere, C. Billotey, B. Hiba, M. Janier, V. Josserand, J.-L. Coll, L. V. Elst, R. Muller, S. Roux, P. Perriat, O. Tillement, J. Am. Chem . Soc. 2007, 129, 5076).

일반적으로, T1 조영제는 자기적으로 상자성을 띠며, 원자 또는 킬레이트된 소분자로 구성되어 있다. 대표적인 것으로는 희토류인 가돌리륨(Gd³⁺)과, 망간 이온(Mn⁺⁺), 구리 이온(Cu⁺⁺) 등이 있다. 가돌리륨의 경우 DTPA 등의 리간드를 부착시킨 환형 착화합물 형태로 제작되어 임상에서 사용되고 있다. 그러나, T1 조영제는 혈뇌장벽을 통과하지 못해 뇌 안쪽의 영상을 찍을 수 없으며, 일부는 독성이 강하다는 단점이 있다. 반면, T2 조영제는 자기적으로 초상자성을 띄며, 가장 일반적인 구조는 역 스피넬 구조의 산화철 결정에 덱스트란 등으로 코팅한 것으로, 산화철 결정이 직경 10 nm, 코팅 직경이 100 nm 정도의 크기를 갖는 나노 물질이다. 또한, 상술한 바와 같이, 산화철 계열인 T2 조영제의 이완시간 감소 정도는 상대적으로 T1 조영제에 비해서 매우 크다. 따라서, 분자영상 또는 세포영상을 위해 극소량의 영상조영제로도 조영효과를 영상에 반영할 수 있어 분자영상이나 세포영상에 많이 사용되고 있다. 그러나, T2 계열은 그림자와 허상이 맺혀 뇌출혈, 석회조직, 금속축적 등을 영상으로 잘 구분하지 못하는 단점이 있다.

본 발명자들은 T2 조영제 산화철 및 T1 조영제 산화망간을 단일 나노 입자에 도입하여 T1 및 T2 조영 작용이 모두 가능한 신규의 T1 및 T2 이중 조영성 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자를 개발함으로써, 상술한 T1 및 T2 계열 조영제에 의한 효과를 단일 입자에 의해 수득할 수 있도록 하였다.

본 발명은 T1 및 T2 이중 조영 작용을 하는 산화철/산화망간 혼성나노입자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 산화철/산화망간 혼성나노입자를 MRI 조영제 로 사용함으로써 종래의 T2 조영제 를 사용한 경우와 같이 T2 강조 MRI에서 암신호를 증강시킬 수 있을 뿐만 아니라, T1 강조 MRI에서 명신호를 증강시킬 수 있다.

본 발명에서는 산화철 나노입자표면에 산화망간를 성장시켜 덤벨 형태의 나노구조를 갖는 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자를 합성하였으며, 이들의 MRI 이중 조영제 로서의 특성을 실험하였다. 상기 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자는 입자 자체의 형태로서, 즉, 산화철 입자에 의해 T2 강조 MRI에서 음성 증강을 유도하는 T2 조영제(T2 contrast agent)로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 산화망간 결정으로부터 방출된 이온에 의해 T1 강조 MRI에서 양성 증강을 유도하여 T1 조영제(T1 contrast agent)로서도 사용될 수 있다.

본 발명은 산화철 및 산화망간을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자에 관한 것이다.

본 발명의 다른 양태는, 산화철 및 산화망간을 포함하는 산화철/산화망간 혼성나노입자와 생체 활성 물질(biologically active material)이 결합된 것을 특징 으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자다.

상기 산화철/산화망간 혼성나노입자에 있어서, 생체 활성 물질이 폴리비닐알콜, 폴리락타이드(polylactide), 폴리글리콜라이드(polyglycolide), 폴리락타이드글리콜라이드공중합체(poly(lactide-co-glycolide)), 폴리안하이드라이드(polyanhydride), 폴리에스테르(polyester), 폴리에테르에스테르(polyetherester), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에스테르아마이드(polyesteramide), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐플루오라이드(polyvinyl fluoride), 폴리비닐이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol)) 및 덱스트란(dextran)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것이 바람직하고, 생체 활성 물질이 폴리에틸렌글리콜인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 또 다른 양태는, 산화철 나노 입자에 올레산 및 망간을 결합시키는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법이다.

상기 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자에서 산화철 표면에 산화망간 결정이 결합되어 있는 것이 바람직하고, 산화철 결정 및 산화망간 결정이 덤벨 형태를 이루어 결합되어 있는 것이 보다 바람직하다.

상기 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자에서 산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철 결정 직경이 2 내지 30 nm인 것이 바람직하고, 직경이 4 내지 20 nm 인 것이 보다 바람직하다.

상기 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자에서 산화망간 결정 직경이 2 내지 30 nm인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 양태는 상기 산화철/산화망간 혼성나노입자를 조영제로 사용하는 것을 특징으로 하는 MRI 방법에 관한 것이다.

본 발명에서, 산화철은 철과 산소의 화합물로 FeO, Fe₂O_{3 ,} Fe₃O₄ 등을 포함한다. 또한, 산화망간은 망간과 산소의 화합물로 MnO, Mn₃O_{4 ,} Mn₂O_{3 ,} MnO_{2 ,} Mn₂O₇ 등을 포함한다.

본원발명의 T1/T2 이중 조영제인 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자는 T1 강조 MRI 및 T2 강조 MRI에서 모두 조영 작용을 나타낸다. 즉, 본원발명의 나노 입자는 정맥에 주입되어 T2 강조 MRI에서 혈관 및 간 내에 즉시 암신호를 증강시킬 뿐 아니라(dark signal enhancements), T1 강조 MRI에서 뇌 및 신장에서의 명신호를 증강시킬 수 있다(bright signal enhancements).

이와 같이, 본원발명의 덤벨형 산화철/산화망간 혼성나노입자는 단일 성분 나노 입자와는 달리 T1 및 T2 강조 생체 MRI 모두에 대해, 기관 및 환경 특이적인 조영 증강을 유도할 수 있어 MRI 조영제로서의 응용 가능성이 크다.

이하 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 상세히 기술한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하고자 하는 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명에 개시된 모든 문헌은 참조로서 통합된다.

또한, 하기 실시예에 사용된 시약 FeCl₃(Aldrich), 소듐 올레이트(TCI), 올레산(Aldrich), Mn(CH₃COO)₂(Aldrich), 프탈레이트 완충액 pH 4.6(Samchun Chem.) 및 1,2-디스테아로일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민-N-[메톡시(폴리에틸렌 글리콜)-2000](mPEG-2000 PE, Avanti Polar Lipids, Inc.)는 정제하지 않고 사용하였다. TEM 분석은 JEOL JEM-2010을 사용하여, SEM(Scanning tunneling microscopy)은 LEO SUPRA 55(Carl Zeiss, Germany)을 사용하여 수행하였고, 나노 입자의 자기적 성질은 5T 초전도 자석이 장착된 초전도 양자 추론 장치(SQUID: superconducting quantum interference device) 자기계(Quantum Design, MPMS5XL)를 사용하여 측정하였다. 또한, X선 회절 분석은 X선 회절 장치(18kW, Mac Science, Japan)를 사용하여 수행하였다.

실시예

실시예 1. 덤벨형 Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자의 제조

본 발명에서는 핵 매개 성장법(seed-mediated growth method)을 사용하여 Fe₃O₄/MnO 혼성 나노 입자를 제조하였다(O. Masala, R. Seshadi, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9354; M. Yin, S. O'Brien, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10180). 또한, PEG-인지질 쉘로 코팅된 11 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자를 제조하여 대조군으로 사용하였다.

1.1. 덤벨형 Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자의 제조

11 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자를 고온에서의 Fe-올레산 혼성체 열분해를 통한 공지된 방법에 의해 제조하였다(Park, J.; An, K.; Hwang, Y.; Park, J.-G.; Noh, H.-J.; Kim, J.-Y.; Park, J.-H.; Hwang, N.-M.; Hyeon, T. Nat. Mater. 2004, 3, 891).

수득된 Fe₃O₄ 나노입자 20 mg을 150 mg의 Mn(CH₃CO₂)₂ 및 1.28 mg의 올레산을 포함하는 트리옥틸아민 용액 20 ml에 주입하였다. 이때, 올레산은 성장 과정에서의 핵 물질(seed)로 사용되었다. 상기 혼합물 현탁액을 320 ℃까지 서서히 가열하였다. 상기 온도에서 반응 혼합물을 1시간 동안 유지시키고 실온으로 냉각시켰다. 15 ml의 헥산 및 20 ml의 아세톤을 반응 현탁액에 주입하였고, 생성되는 고체를 원심분리에 의해 분리함으로써 Fe₃O₄ 표면에서 MnO을 분리하였다. 헥산에 분산시키고, 아세톤을 첨가한 후, 원심 분리하는 과정을 3회 반복하여 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자를 정제하였다.

1.2. 덤벨형 Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자의 개질

실시예 1.1.에서 수득된 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자를 클로로포름에 분산시킨 후 생체 활성 물질인 PEG-인지질 쉘로 캡슐화하여 생체 적합성을 갖도록 하였다(Dubertret, B. Skourides, P. Norris, D. J. Noireaux, V. Brivanlou, A. H. Libchaber, A. Science 2002, 298, 1759).

CHCl₃(5 mg/ml) 내의 유기 분산성 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자 2 ml를 1,2-디스테아로일-sn-글리세토-3-포스포에탄올아민-N-[메톡시(폴리에틸렌글리콜)-2000] (mPEG-2000 PE) 10 mg을 함유하는 CHCl₃ 용액 1 ml와 혼합하였다. 용매를 증발시킨 후, 1시간 동안 80℃ 진공에서 인큐베이션하였다. 5 ml의 물을 첨가하여 맑은 진갈색 현탁액을 수득하였다. 여과 후, 초과량의 mPEG-2000 PE를 초원심분리에 의해 제거하였다. mPEG-2000 PE이 코팅된 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자를 증류수에 반복적으로 분산시키고 초원심분리하여 세척하였다. 동일한 과정으로 11 nm의 Fe₃O₄ 나노 입자도 mPEG-2000 PE로 개질시켰다.

실시예 2. Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자의 구조 및 물성 측정

투과 전자 현미경(TEM: transmission electron microscopy) 결과, 생성되는 나노 입자의 혼성 구조가 처음에 주입한 Fe₃O₄ 나노 입자의 크기에 따라 변하는 것으로 나타났다. 즉, 실시예1.1.에 따라, Fe₃O₄ 나노입자표면에 16 nm 크기의 MnO 결 정이 성장함으로써 생성된 나노 구조는 덤벨 형태의 Fe₃O₄/MnO 이형이량체인 것으로 확인되었다(도 1b). 반면, 11 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노입자대신 5nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자를 사용하여 실시예 1.1.의 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 제조 방법과 동일한 방식으로 제조한 경우에는 Fe₃O₄/MnO 코어-쉘 나노 입자를 수득하였다. 즉, 5 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자로부터 제조된, 약 3 nm의 두께인 MnO 쉘이 Fe₃O₄ 코어 주위에 성장한 코어-쉘 나노구조는 공지된 MFe₂O₄-MnO (M = Co, Zn) 나노 입자(도 1a)와 유사한 구조를 나타내었다(O. Masala, R. Seshadi, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9354).

EDS(energy dispersive X-ray spectroscopic) 맵에 기초하여, 수득된 나노 입자는 2 종류의 결정, 즉, Mn 및 Fe로 구성된 것으로 밝혀졌고, 고해상도 TEM(HRTEM) 영상으로부터 상기 2 종류의 결정에 대해 주변 거리(fringe distances)가 각각 2.22 Å 및 2.42Å으로 측정되었다(도 1c). X-레이 회절 분석 결과에서도, 처음에 주입한 Fe₃O₄ 핵 나노 입자의 결정상이 보존되면서 MnO 상이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자는 실온에서 초상자성이며 51.5 emu/g 의 과포화 자기화 값을 나타내었고, 이는 Fe 함량에 따라 표준화하였을 때 11nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자의 값보다 약간 낮은 수치로 나타났다(도 1e).

실시예 3. Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자의 T1 및 T2 이완 시간 측정

시험 튜브에서 제조된 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자 및 대조군인 Fe₃O₄ 나노 입자의 T1 및 T2 이완 시간을 3.0 T 임상 MRI 스캐너(Philips, Achieva ver. 1.2, Philips Medical Systems, Best, The Netherlands, 경사도(gradient amplitude): 80 mT/m, SR(slew rate): 200 ms/m)로 측정하였다.

Look-Locker 서열(TR/TE = 10/1 ms, flip angle = 5)을 사용하여 상이한 역전 지연 시간(inversion delay times)에서 T1값을 측정하였다(최소 역전 시간: 87, 상 간격 :264 ms, 평면 내 이미지 해상도= 625 x 625 mm², 슬라이스 두께 = 500 mm). 영상을 3-변수 함수로 적합시켜 Matlap 프로그램을 사용하여 T1 값을 계산하였다. 10가지 상이한 반향 시간(echo times)을 사용하여 다중 터보 스핀 에코 시퀀스(multislice turbo spin echo sequence) (TR/TE = 5000/20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200 ms, 평면 해상도(in-plane resolution)= 200 x 200 mm², 슬라이스 두께 = 500 mm)에서 T2를 측정하였다. 영상을 Matlap 프로그램을 사용하여 Levenberg-Margardt 방법으로 적합시킨 후 T2 값을 계산하였다.

T1^-1 및 T2^-1 대 대조시약의 농도 곡선(도 7)으로부터 나노 입자의 T1 및 T2에 대한 특정 이완도(specific relaxivity)(r₁ 및 r₂)로부터 이완율(r₁/r₂)을 계산하였다. T1 맵(60 - 80 pixels) 및 T₂ 맵(200 - 300 pixels)의 각각의 ROI의 신호 강도 를 각각의 농도에서 측정하였고, 이를 사용하여 각각 r₁ 및 r₂를 계산하였다.

덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 특정 이완도인 r₁ 및 r₂는 각각 1.4 (s·mM)^-1 및 78.9 (s·mM)^-1로 Fe₃O₄ 나노 입자의 특정 이완도 보다 낮은 값을 나타내었다. 하기 표 1은 나노 입자의 특정 이완도(r₁ 및 r₂) 및 이완율(r₂/r₁)을 나타내며, 기재된 수치는 ICP-AES 분석에 따라 측정된 Fe 이온 농도를 기준으로 한 것이다.

나노입자

	r1(s·mM)-1	r2(s·mM)-1	r2/r1
덤벨형 Fe3O4/MnO 혼성나노입자	1.4	78.9	56
Fe3O4 (11 nm)	1.1	162	151

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자는 높은 이완율, 즉, r₂/r₁ 비율을 나타내므로 MRI T2 조영제로 사용될 수 있다.

실시예 4. 덤벨형 Fe ₃ O ₄ / MnO 혼성나노입자를 사용한 마우스의 생체내 MRI

조영제의 생체내 적용 효율성을 측정하기 위한 생체내 실험에서 6마리의 balb/c nude 마우스(25-35g)를 삼성생명과학 연구소의 지침(institutional guideline of Samsung Biomedical Research Institute for animal handling)에 따라 사용하였다.

4.1. 뇌 MRI 실험

꼬리 정맥을 통한 혈관내 전달을 위해, 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자(마우스 체중 1kg당 Mn 10 mg 및 Fe 5.5 mg)를 마우스에 주입하고, 주입 전, 주입 후 20분, 3시간, 24시간 후 MRI를 연속적으로 수행하였다(도 2).

뇌로의 국부 전달을 위해, 10 ㎕의 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자(Mn 2.0 mg 및 Fe 1.1 mg /ml) 또는 Fe₃O₄ 나노 입자(Fe 1.1 mg/ml)를 28G의 바늘을 사용한 스트레오탁식(streotaxic) 장치를 사용하여 주입하였다. 이때, PEG-인지질 쉘로 코팅된 11 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자가 대조군으로 사용되었다.

MRI 실시를 위해, 모든 동물을 마취시키고 MR-컴패터블 크래들(MR-compatible cradle)에 넣었다. MRI를 실시하는 동안, 실험 대상이 페이스마스크의 산소가 풍부한 공기 중으로 2%의 이소플루란을 흡입하도록 하여 마취시켰다. 직장 내 온도를 36±1 ℃로 유지시켰다. 또한, 100 μsec의 상승 시간(rise-time) 동안 400mT/m까지 공급 가능한 20 cm 구배 세트(gradient set)가 장착된 7T/20 MRI System (Bruker-Biospin, Fallanden, Switzerland)에서 모든 생체내 MRI를 수행하였다. 새장형 코일(birdcage coil)(72 mm i.d.)(Bruker-Biospin, Fallanden, Switzerland)을 사용하여 여기(excitation)에 사용하였고, 짝풀림 위상 배열 코일(actively decoupled phased array coil)을 사용하여 신호를 수용하는데 사용하였다.

고해상도 조영 증강 다중 MR 영상을 각각의 마우스 뇌로부터 고속 스핀 에코(fast spin-echo) T1-강조 MRI 서열(반복 시간(TR) / 반향 시간(TE) = 300/7.9 ms, 실험수(NEX) =4, 에코 트레인 길이(echo train length)= 2, 평면 해상도100x100mm², 800mm 두께 슬라이스, 10 슬라이스); 고속 스핀 에코 T2-강조 MRI 서열 (반복시간(TR) / 반향시간 (TE) = 3000/60 ms, 실험수(NEX) =4, 에코 트레인 길이 = 4, 평면 해상도 100x100mm², 800mm 두께 슬라이스, 10 슬라이스)를 사용하여 수득하였다.

실험 결과, 나노입자 주입 직후 시간에 따른 T2 강조 영상에서의 혈관의 신호 손실이 명백하게 나타났고, 이어서 신호가 급격히 사라졌다. 이는 혈액을 순환하는 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자에 의해 유발된 것으로 판단되었다.

T2 뿐만 아니라, 주입 24시간 후, 뇌의 T1 강조 MRI에서 명신호의 증강 또한 관찰되었고, 이때 해마 구조, 후각 망울 층(olfactory bulb layers), 소뇌 회백질(cerebella grey matter)을 포함한 다양한 해부학적 구조가 나타났다. 이때, T1 강조 뇌 MRI에서의 증강 패턴은 MnCl₂ 또는 MnO 나노 입자에서 관찰된 것과 매우 유사하였다(B. Na, J. H. Lee, K. An, Y. I. Park, I. S. Lee, D.-H. Nam, S. T. Kim, S.-H. Kim, S.-W. Kim, K.-H. Lim, K.-S. Kim, S.-O. Kim, T. Hyeon, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 5397; J. H. Lee, A. C. Silva, H. Merkle, A. P. Koretsky, Magn. Reson. Med. 2005, 53, 640; A. C. Silva, J. H. Lee, I. Aoki, A. P. Koretsky, NMR Biomed. 2004, 17, 532).

반면, Fe₃O₄ 나노 입자를 대조군으로 투여한 경우, 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자와 유사한 혈관의 T2 강조 영상이 관찰되었지만, 대조군에서는 T1 강조 MRI에서의 식별할만한 신호 증강이 나타나지 않았다(도 2b).

4.2. 복부 MRI 실험

본원발명의 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 T1 및 T2에 대한 동시적인 조영 증강은 복부 MRI 실험에서도 관찰할 수 있다(도 4).

마우스 정맥 내 주입 후 간의 T2 강조 MRI에서 상당한 신호의 손실이 나타났으며, 이는 간의 대식 세포에 의해 형성된 나노 입자의 식균작용이 결과로 판단되었다.

한편, 신장의 T1 강조 MRI에서 명신호 증강 또한 관찰되었다. T1 강조 영상에서 신장 내의 신호 증강은 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자로부터의 Mn^{2 +} 이온에 의해 야기되는 것으로 판단되었다. 반면, Fe₃O₄ 나노 입자로 수행한 대조실험에서는 신장의 T1 강조 MRI에서 식별할만한 신호 증강이 관찰되지 않았다.

상기 실시예에 나타난 바와 같이, 본원 발명의 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자는 혈관에서 암 신호 증강을 나타내는 T2 조영제로 작용함과 동시에, T1 조영제로서도 작용할 수 있다.

도 1의 (a)는 5 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자로부터 합성된 Fe₃O₄-MnO 나노 입자의 TEM 이미지(내부 이미지는 HRTEM 이미지), (b)는 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 TEM 이미지(내부 이미지는 핵으로 사용된 4 내지 20 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자의 TEM 이미지), (c)는 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 HRTEM 이미지, (d)는 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자에서의 Fe₃O₄ 및 MnO 결정의 크기 분포, (e)는 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자(적색 선) 및 4 내지 20 nm 크기 Fe₃O₄ 나노 입자(녹색 선)의 T = 5 K (점선) 및 T = 300 K (실선)에서의 자기이력 곡선(Hysteresis loops)(자기화 값은 Fe 함량을 기준으로 표준화), (f)는 다양한 Fe 농도에서 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자의 수성 현탁액으로부터 수득한 T1 및 T2 강조 MRI를 나타낸다.

도 2는 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자(a) 및 Fe₃O₄ 나노 입자(b)를 마우스 정맥 내 에 주입하기 전과 후의 T1- 및 T2^*- 강조 뇌 MRI에서의 시간에 따른 신호 증강을 나타낸다. T2^* 강조 MRI에서 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노입자및 Fe₃O₄ 나노입자 모두에서 Fe₃O₄에 의한 콘트라스트(contrast)가 나타난 반면, T1 강조 MRI에서는 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자만이 MnO에 의해 콘트라스트를 나타내었다.

도 3의 (a) 및 (b)는 각각 Fe₃O₄ 나노 입자(좌반구) 및 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자(우반구)가 국부적으로 주입된 마우스 뇌의 T1 강조 MRI(a) 및 T2^* 강조 MRI(b)를 나타내고, 화살표는 T1 강조 이미지 내의 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자의 주입 부위를 둘러싼 신호를 나타낸다.

도 4의 (a) 및 (b)는 각각 마우스의 주입 전, Fe₃O₄/MnO 덤벨 및 Fe₃O₄ 나노 입자의 정맥내 주입 후의 T1 강조 복부 MRI(a) 및 T2^* 강조 복부 MRI(b)를 나타낸다. 신장에서는 T1-강조 이미지에 의해 나타나는 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노 입자에 의해서만 명신호 가 증강되었고(붉은 화살표), 간에서는 Fe₃O₄ 및 Fe₃O₄/MnO 덤벨 나노입자모두에 의해 암신호가 증강되었다(백색 화살표).

도 5은 올레산에 의해 안정화된 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 SEM(Scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸다.

도 6은 T1 및 T2 강조 복부 MRI에서의 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자(a) 및 Fe₃O₄ 나노 입자(b)의 정맥내 주입 전과 후의 시간에 따른 신호 증강을 나타낸다.

도 7은 덤벨형 Fe₃O₄/MnO 혼성나노입자의 T1^{- 1}(a)및 T2^-1(b) 대 대조시약 Fe의 농도 곡선 및 11 nm 크기의 Fe₃O₄ 나노 입자의 T1^{- 1}(c)및 T2^-1(d) 대 대조시약 Fe의 농도 곡선을 나타낸다.

Claims (23)

1. 산화철 및 산화망간을 포함하고, 산화철 표면에 산화망간 결정이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   산화철 결정 및 산화망간 결정이 덤벨 형태를 이루어 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
4. 제1항에 있어서,

   산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 2 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
5. 제4항에 있어서,

   산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 4 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
6. 제1항에 있어서,

   산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화망간의 직경이 2 내지 35 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
7. 삭제
8. 산화철 및 산화망간을 포함하고, 산화철 표면에 산화망간 결정이 결합되어 있으며, 산화철/산화망간 혼성나노입자와 생체 활성 물질(biologically active material)이 결합된 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
9. 제8항에 있어서,

   생체 활성 물질이 폴리비닐알콜, 폴리락타이드(polylactide), 폴리글리콜라이드(polyglycolide), 폴리락타이드글리콜라이드공중합체(poly(lactide-co- glycolide)), 폴리안하이드라이드(polyanhydride), 폴리에스테르(polyester), 폴리에테르에스테르(polyetherester), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에스테르아마이드(polyesteramide), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐플루오라이드(polyvinyl fluoride), 폴리비닐이미다졸(poly(vinyl imidazole)), 클로로술포네이트 폴리올레핀(chlorosulphonate polyolefin), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol)) 및 덱스트란(dextran)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것임을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
10. 제9항에 있어서,

    생체 활성 물질이 폴리에틸렌글리콜인 것임을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,

    산화철 결정 및 산화망간 결정이 덤벨 형태를 이루어 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
13. 제8항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 2 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
14. 제13항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 4 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
15. 제8항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화망간의 직경이 2 내지 35 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자.
16. 삭제
17. 산화철 나노 입자에 올레산 및 망간을 결합시키는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
18. 제17항에 있어서,

    산화철 표면에 산화망간 결정이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
19. 제18항에 있어서,

    산화철 결정 및 산화망간 결정이 덤벨 형태를 이루어 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
20. 제17항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 2 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
21. 제20항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화철의 직경이 4 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는, 자기공명영상 T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
22. 제17항에 있어서,

    산화철/산화망간 혼성나노입자 내의 산화망간의 직경이 2 내지 35 nm인 것을 특징으로 하는, T1 및 T2 이중 조영성 산화철/산화망간 혼성나노입자의 제조 방법.
23. 삭제

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