상처 치유 촉진을 위한 근적외선 방출 생체발광 폴리머좀의 제조 및 광생물학적 특성 연구 = Preparation and Photobiological Characterization of Near-Infrared (NIR)-Emissive Bioluminescent Polymersomes for Promoting Wound Healing

국문 초록 (Abstract)

광생체조절(Photobiomodulation)은 최근 조직재생 및 상처치유 분야에서 주 목받고 있는 분야로서, 저강도 근적외선(near-infrared, NIR) 또는 적색광을 이용하여 세포 내 신호전달 경로를 조절함으로써 염증 억제, 세포 이동 및 콜라겐 합성 촉진 등의 생리적 반응을 유도할 수 있다. 기존 광생체조절 기 술은 대부분 빛의 세기나 파장을 정밀하게 조절 가능한 외부 광원을 통해 연구되어 다양한 치료가 가능해지며 상용화 또한 상당히 이루어졌다. 그러 나 외부 광원은 조직 투과의 한계에 따른 치료범위의 제한, 피부의 수분 및 혈액 등에 의한 빛의 산란 및 약화에 따른 광조사 불균일성, 반복 치료에 따른 환자 순응도 저하 등의 구조적인 제약이 존재하며 그에 따라 외부 광 원의 한계점을 극복하기 위해 내부광원을 통한 광생체조절이 연구되고 있 다. 특히 생체발광 생물들이 가지는 생체발광 단백질인 루시페라아제 (luciferase)와 그 기질의 반응을 이용한 자가발광은 외부 광원 없이 체내에 서 직접 발광이 가능하다는 점에서 효과적인 내부 광원으로서 주목받고 있 다. 그러나 현재까지의 자가발광 기반 연구는 대부분 약물 추적이나 종양세 포의 사멸을 유도하는 항암치료에 집중되어 있으며, 치유에 관한 분야는 선 행연구가 아직 부족한 사항이다. 본 연구에서는 외부 광원 없이 조직 내로 침투하여 자체적으로 근적외선 빛을 방출할 수 있는 생체발광 폴리머좀 (bioluminescent polymersome)을 설계하였으며, 이를 통해 상처 부위에 장기 간 균일한 빛을 전달하여 치유효과를 유도할 수 있는 새로운 치료방법을 제 시하였다. 합성된 폴리머좀은 담지된 루시페라아제와 탄소양자점 간의 생체 발광 공명 에너지 전달(bioluminescence resonance energy transfer, BRET)을 통해 추가적인 화학 반응 없이도 효율적인 발광 파장 전이를 나타냈으며, 이에 따른 발광 파장 변화와 발광 지속성을 정량 분석하였다. 치유효과는 인간 피부 유래 각질세포 및 진피섬유아세포를 이용한 in vitro 실험을 통해 세포 생존율, 세포 이동성 및 콜라겐 합성량 변화를 정량 평가하여 나타내 었다. 그 결과 생체발광 폴리머좀을 처리한 세포군에서 유의미한 세포 이동 촉진과 콜라겐 생성 증가가 관찰되었으며, 이는 외부 광원 없이도 조직 재 생 및 세포 조절을 유도할 수 있음을 의미한다. 이 연구는 재생의학 및 상 처치료 분야에서 생체발광 기반 광생체조절 기술의 가능성을 제시하며, 기 존 외부 광원을 통한 광조사 기반 치료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기 대된다. 또한 피부에 침투하여 긴 치료 기간 동안 작동하는 내부 광원을 통 한 치료 전략은 외부광이 닿지 않는 신체 내부의 광 치료로 확장될 수 있 다. 향후 해당 기술은 빛의 세기 및 파장의 정밀 제어를 통해 보다 복합적 재생기전의 유도 및 신체 외부 및 내부의 만성 상처 치료제로의 확장을 기 대할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photobiomodulation (PBM) has recently gained attention in tissue regeneration and wound healing as an approach that employs low-intensity near-infrared (NIR) or red light to modulate intracellular signaling pathways, thereby eliciting physiological responses such as suppression of inflammation, promotion of cell migration, and enhancement of collagen synthesis. Conventional PBM is predominantly investigated using external light sources that allow precise control over irradiance and wavelength, enabling diverse therapeutic applications and considerable commercialization. However, external illumination is inherently constrained by limited tissue penetration, light scattering and attenuation by cutaneous water and blood that produce dose nonuniformity, and reduced patient compliance due to repeated treatments. In this context, self-luminescence generated by the reaction between luciferase and its substrate has emerged as a promising internal light source for PBM because it can produce light directly within tissues without an external device. To date, however, most self- luminescence-based studies have focused on anticancer applications that induce tumor cell death, with relatively few investigations addressing wound healing. We designed a bioluminescent polymersome capable of penetrating tissues and emitting NIR light intrinsically, without an external light source, and we propose a therapeutic strategy that delivers sustained and spatially uniform irradiation to wounds to promote healing. The synthesized polymersomes exhibited efficient spectral shifting via bioluminescence resonance energy transfer (BRET) between the encapsulated luciferase and carbon quantum dots, achieving this without additional chemical reactions; the resulting emission wavelength and persistence were quantitatively characterized. Using human skin–derived cells (human keratinocyte cell lines and human dermal fibroblast cell), we further quantified changes in cell viability, cell migration, and collagen production in vitro. Cells treated with the bioluminescent polymersomes showed significant enhancement of migration and increased collagen synthesis, indicating that tissue regeneration and cell regulation can be achieved in the absence of external illumination. This study demonstrates the potential of a bioluminescence-based PBM platform for regenerative medicine and wound care, addressing critical limitations of external light– based therapies. Moreover, a tissue-penetrant internal light source with prolonged treatment duration suggests a pathway toward intracorporeal phototherapy. Future work may advance this technology through precise control of light intensity and wavelength to engage more complex regenerative mechanisms and to extend its utility to the treatment of chronic wounds both on the body surface and within internal tissues

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 국문초록 iv
• 제1장 서론 1
• 제2장 실험 및 방법 7
• 1. 세포 배양 및 시료 7
• 2. 탄소양자점 합성 및 분석 9
• 3. 루시페라아제-탄소양자점 접합체 합성 10
• 4. 루시페라아제-탄소양자점 접합체 분석 10
• 5. 발광 파장 측정 11
• 6. 폴리머좀 합성 12
• 7. 투과 전자 현미경을 이용한 폴리머좀 분석 14
• 8. 동적 광산란을 이용한 폴리머좀 분석 14
• 9. 폴리머좀의 담지율 분석 15
• 10. 폴리머좀의 발광 특성 분석 16
• 11. 폴리머좀 처리에 따른 세포 생존율 분석 17
• 12. 폴리머좀 생체발광에 의한 세포 이동성 분석 18
• 13. 폴리머좀 생체발광에 의한 콜라겐 합성량 분석 19
• 14. 통계분석 20
• 제3장 연구결과 21
• 1. 탄소양자점의 발광 파장 측정 21
• 2. 고성능 액체크로마토그래피를 이용한 루시페라아제-탄소양자점 접합체 분석 23
• 3. 폴리머좀 합성 및 특성 분석 25
• 4. 발광 파장 측정을 통한 BRET 분석 29
• 5. 시간에 따른 발광 분석 33
• 6. 폴리머좀 처리에 따른 세포생존율 분석 35
• 7. 폴리머좀 처리에 따른 피부세포의 이동성 분석 38
• 8. 폴리머좀 처리에 따른 진피섬유아세포의 콜라겐 합성량 분석 41
• 제4장 고찰 43
• 제5장 결론 48
• 참고문헌 49
• ABSTRACT 58