Structure?Function Correlation of Helicoid Gold Nanoparticles : Label-Free Imaging and Photothermal Response in Cellular Environments = 헬리코이드 구조 금 나노입자의 구조?기능 상관성 연구: 세포 환경에서의 무표지 이미징 및 광열 반응 분석

국문 초록 (Abstract)

금 나노입자의 세포 내 전달은 입자 크기에 크게 제한되며, 이는 큰 입자일수록 단백질 코로나 형성과 세포막 굽힘 한계로 인해 세포 섭취가 감소하기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 크기와 무관하게 세포막과의 상호작용을 향상시키는 에지-풍부하고 오목한 형태를 가진 형태공학적금 나노입자인 헬리코이드 3을 조사하였다. 헬리코이드 3는 동일 크기의 비카이랄 나노입자 대비 최대 2배 이상의 세포 섭취 효율을 나타내었으며, 이는 세 가지 난소암 세포주에서 일관되게 관찰되었다. 또한 큰 산란 단면적을 바탕으로 광학 회절 단층촬영을 이용한 라벨-프리 방식의 세포 내 위치 분석이 가능함을 확인하였다. 더 나아가 헬리코이드 3는 808 nm 근적외선 조사 시 세포 내 온도를 약 65 °C까지 상승시키는 강한 광열 성능을 보였으며, 이로 인해 선택적인 세포 사멸이 유도되었다. 반면, 동일 조건의 비카이랄 나노입자는 온도 상승 및 세포독성이 매우 미미하였다. 추가적으로, TPP를 도입함으로써 헬리코이드 3의 미토콘드리아 타깃팅이 가능함을 공초점 이미징을 통해 확인하였다. 종합적으로, 헬리코이드 3는 형태 기반 섭취 향상, 라벨-프리 이미징, 근적외선 광열치료, 세포소기관 표적화 등 다양한 기능을 통합한 다기능 나노플랫폼으로서의 잠재력을 지니며, 형태 공학을 기반으로 한 나노입자 설계가 차세대 바이오의료 기술 발전에 중요한 방향을 제시함을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The intracellular delivery of gold nanoparticles is fundamentally limited by their size, as larger particles typically show poor uptake due to protein corona formation and membrane bending constraints. To overcome these barriers, this study examines Helicoid 3, a shape-engineered gold nanoparticle with edge-rich and concave features that promote membrane interaction independent of particle size. Helicoid 3 demonstrated markedly enhanced cellular internalization—up to twice that of size-matched achiral controls—across multiple ovarian cancer cell lines. Its large scattering cross-section enabled label-free visualization via optical diffraction tomography, allowing precise intracellular localization. Helicoid 3 also exhibited strong near-infrared photothermal performance, reaching intracellular temperatures of ~65 °C under 808 nm irradiation and inducing selective photothermal cell death, unlike achiral nanoparticles, which produced weaker heating and negligible cytotoxicity. Additionally, TPP functionalization enabled efficient mitochondrial targeting, confirmed through confocal colocalization. Overall, these results identify Helicoid 3 as a promising multifunctional nanoplatform, capable of shape-driven uptake enhancement, label-free imaging, NIR photothermal therapy, and organelle-specific targeting, underscoring the potential of morphology-guided nanoparticle design for next-generation biomedical applications.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Gold nanoparticles as tools for therapeutic and diagnostic applications 1
• 1.2 Size Dependent Cellular Uptake of Gold Nanoparticles 3
• 1.3 Shape-Engineered Nanostructures Enhance Cell–Particle Interactions 6
• 1.4 Shape-Driven Uptake and Multifunctional Advantages of Helicoid 3 Nanoparticles 9
• 1.5 Objective of Thesis 12
• Chapter 2. Shape-Driven Uptake of Helicoid 3 and Its Multifunctional Nanoplatform Potential 15
• 2.1 Morphological Features of Achiral and Helicoid 3 Nanoparticles 15
• 2.2 Label-Free Visualization of Helicoid 3 Nanoparticles Using Optical Diffraction Tomography (ODT) 19
• 2.3 Experimental Methods 22
• 2.3.1 Materials 22
• 2.3.2 Nanoparticle Preparation 23
• 2.3.3 Cell Experiment 26
• 2.4 Results and Discussions 29
• 2.4.1 Helicoid 3 Visualization in Tomocube Holographic Imaging 29
• 2.4.2 Cellular Uptake of Helicoid 3 35
• 2.4.3 Photothermal Performance of Helicoid 3 40
• 2.4.4 Mitochondrial Targeting of Helicoid 3 48
• 2.5 Research Significance and Future Directions 53
• Chapter 3. Conclusion 56
• References 57
• References for Figures 60
• 국문 초록 61