Therapy
치료 연구

​Among various types and forms of noble metal nanostructures, materials that absorb near-infrared (NIR) light have gained significant attention in the biomedical field. Unlike ultraviolet and visible light, which can be harmful to the human body by being absorbed into tissues or causing damage to DNA in the cell nucleus, near-infrared light with wavelengths ranging from 650 to 1350 nm has high tissue penetration. If therapeutic materials that respond exclusively to this wavelength range can be developed, it would enable effective localized treatments with minimal side effects. Therefore, the development of NIR-sensitive nanoparticles for cancer therapy holds great potential for combating cancer, a disease with a steadily increasing mortality rate each year.  
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Nanomaterial-based cancer treatments can be broadly categorized into drug delivery (using nanoparticles to transport conventional anticancer drugs), photothermal therapy (PTT), and photodynamic therapy (PDT).  Our research team is actively developing multifunctional therapeutic nanoparticles that respond to near-infrared light, using anisotropic gold nanostructures, such as nanorods and bipyramids. 
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다양한 형태와 종류의 귀금속 나노구조체 중에서도 근적외선의 빛을 흡수하는 물질이 의학 생물 분야에서 크게 주목받고 있습니다. 인체에 흡수되거나 세포핵 내 유전자에 유해한 영향을 미치는 자외선, 가시광선과는 달리 650~1350 nm의 파장을 가지는 근적외선은 체내 투과도가 높기 때문에 이 파장대의 빛에만 반응하는 물질을 이용한 치료가 가능해진다면, 부작용이 적고 효과적인 국소치료가 가능해질 것입니다. 따라서 근적외선 민감성 나노입자를 이용한 암 치료 기술이 개발된다면, 매해 사망률이 증가하는 암에 대항할 수 있을 것으로 전망됩니다. 
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나노 물질을 이용한 여러 암 치료 방법에는 기존에 사용되는 항암 약물을 전달하는 약물 전달(drug delivery), 광열 치료(photothermal therapy, PTT)와 광역학 치료(photodynamic therapy, PDT)로 크게 분류할 수 있습니다. 본 연구진에서는 막대 형태나 바이피라미드 형태 등 이방성(aniosotropic) 금 나노구조체로 근적외선에 반응하는 다기능성 치료 입자를 개발하는 연구를 활발히 진행하고 있습니다.

[플라즈모닉 · 키랄 플라즈모닉 소재 기반 Bioorthogonal 촉매 개발]

Chiral plasmonic nanostructures exhibit tunable optical properties depending on light polarization. This feature is expected to facilitate the enhancement and precise control of bioorthogonal catalyst activity at targeted sites. Furthermore, compared to conventional small molecule bioorthogonal catalysts, these structures offer improved targeting capabilities and a greater number of active sites.
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키랄 플라즈모닉 구조체는 빛의 편광에 따라 그 광학적 특성이 조절 가능합니다. 이를 통한 환부에서의 biorthogonal 촉매의 활성 향상 및 제어가 용이할 것으로 기대됩니다. 또한 기존 저분자 biorthogonal 촉매 대비 타겟팅 및 많은 활성 점 
제공이 가능합니다.

[키랄 플라즈모닉 Nanozyme 개발]

We integrate nanozymes into plasmonic nanostructures to modulate the catalytic activity of specific metals based on light polarization direction. This approach is expected to enable effective therapeutic applications by controlling sequential enzymatic reactions.


플라즈모닉 구조체에 나노자임을 도입하여 빛 편광 방향에 따라 특정 금속의 촉매활성 향상을 조절 하고자합니다. 이는 연속적인 효소 반응의 제어를 통한 효과적인 치료가 가능할 것으로 기대됩니다.

[표면 플라즈몬에 의해 향상된 Nanozyme 기반 광열 및 광역학 다중 모드 암치료 연구]

Transition metals are known to exhibit enzyme-mimicking activity in biological environments. For practical applications, it is important to improve the activity and stability of the catalyst.

In this study, we designed well-defined anisotropic AuNBPs by selectively depositing palladium on the both tips, mimicking the properties of peroxidase. The hot carriers generated by plasmonic effects enhanced the nanozyme activity of the palladium catalyst. Additionally, the synthesized plasmonic nanostructure generated heat, allowing its application as a photothermal therapeutic agent. By utilizing well-controlled plasmonic nanostructures, we successfully induced enhanced nanozyme-based photodynamic therapy and photothermal therapy, demonstrating effective in vivo cancer treatment efficiency.


기존 귀금속 혹은 전위금속은 생체 내 효소와 유사한 활성을 가지는 것으로 알려졌으나, 실질적 응용을 위해서는 촉매의 활성 및 안정성을 향상시키는 것이 중요합니다. 
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이에 착안하여, 본 연구에서는 과수분해효소와 유사한 특성을 지닌 팔라듐이 이방성 금나노 입자인 바이피라미드 양 끝 단에 도입된 구조로써, 플라즈모닉 현상에 의해 형성된 핫 캐리어가 팔라듐 촉매의 나노자임 활성을 향상시켰습니다. 또한, 합성된 플라즈모닉 구조체는 열을 발생시켜 광열 치료제로도 활용되었습니다. 제어된 플라즈모닉 나노구조체를 활용하여 향상된 나노자임 활성 기반 광역학 치료 및 광열 치료를 유도하였고, 그 결과 효과적인 암 치료 효과를 in vivo 실험에서 검증하였습니다.

[플라즈몬 현상에 의해 향상된 상향 변환 나노 입자가 도입된 이방성 플라즈모닉 구조체 및
 무기 광감응제 기반 근적외선 다중모드 암치료]

We induced photodynamic and photothermal therapy by utilizing inorganic photosensitizers activated through upconversion luminophores enhanced by plasmonic effects. Conventional upconversion nanoparticles (UCNPs) have low quantum efficiency, limiting their practical application to cancer treatment. Plasmonic effect of gold nanoparticles can significantly enhance the quantum efficiency of UCNPs.
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For improved quantum efficiency of UCNPs through plasmonic enhancement, the inter-particle distance between plasmonic nanostructures and UCNPs is a crucial factor. To control the distance between plasmonic nanoparticles and upconversion nanoparticles, we utilizes TiO₂, an inorganic photosensitizer, which can also function as a photosensitizing agent. Furthermore, the high-energy light emitted from the enhanced upconversion nanoparticles effectively excited the wide-bandgap inorganic photosensitizer, maximizing the photodynamic therapy effect, which was successfully demonstrated through in vivo experiments.


본 연구에서는 플라즈모닉 현상에 의해 향상된 상향 변환 발광체를 활용한 무기 광감응제의 활성을 통한 광역학 및 광열 치료를 유도하였습니다. 기존 상향 변화 나노 입자의 경우, 실질적인 암 치료를 위한 양자 효율이 낮다는 한계를 가집니다.  금 나노 입자의 플라즈모닉 효과를 이용하여 상향 변환 나노 입자의 양자 효율을 향상시킬 수 있습니다. 

​플라즈모닉 현상에 기인한 상향 변환 나노 입자의 양자 효율 상승을 위해서는 플라즈모닉 나노 구조체와 상향 변화 나노 입자간의 사이 간격이 중요합니다. 플라즈모닉 나노 입자와 상향 변환 나노 입자 간의 거리를 조절하기 위해 본 발명에서는 광감응제로도 동시에 활용될 수 있는 티타늄디옥사이드 (무기 광감응제)를 이용하였습니다. 또한, 향상된 상향 변환 나노 입자에서 방출된 높은 에너지의 빛을 통해 큰 밴드갭을 가지는 무기 광감응제를 효과적으로 여기 시켜 광역학 치료 효과를 극대화 하였고, 그 결과를 in vivo 실험을 통해 확인하였습니다.

  • Representative works in PNML:
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S. Yu et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 58422−58433
S. Yu et al., J Ind Eng Chem 2021, 104, 106–116
S.M. Kumar et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 42068–42076
H. Kim, et al., Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol.
2016, 8, 23–45