Cancer-targeting ligands used for nanomedicines have been limited to mostly antibodies, peptides, aptamers, and small molecules thus far. Here we report a glyconanoparticle platform with combinatorial displays of sugar moieties with remarkable cancer-targeting performance. A library of 31 artificial glycopolymers composed of either homogeneous or heterogeneous display of five different sugar moieties (β-Glc, β-Gal, α-Man, β-GlcNAc, and β-GalNAc) was converted to a library of glyconanoparticles (GlyNPs) implemented with different functional cargoes. We systematically screened and validated GlyNPs with remarkable tumor-targeting abilities for CT26, DU145, A549, and PC3 tumors. Cypate-implemented GlyNP with a combinatorial display of α-Man and β-GlcNAc demonstrated superior cancer-targeting performance and potent photothermal treatment efficacy against A549 human lung tumors. In addition, docetaxel-implemented GlyNP displaying β-Glc, β-Gal, and α-Man demonstrated effective growth suppression of DU145 human prostate tumors in a targeted manner. The results collectively demonstrated the versatility and significance of combinatorial sugar ligands for developing cancer nanomedicines and strongly suggested the GlyNP platform’s potential applicability for treating diseases beyond cancer.
글라이칸 (glycan)은 살아있는 모든 세포의 표면에 두드러지게 발현되며 세포 신호, 분자 인식 및 면역과 같은 수많은 과정에 광범위하게 참여한다고 알려져 있다. 종양세포의 경우 비정상적인 글라이코실화 (glycosylation) 패턴이 빈번하게 세포 표면에서 검출되고 있으며, 여기서 각 글라이칸은 단백질 - 단당류 결합 상호 작용을 통해 세포 롤링, 신호 전달 및 화학주성 (chemotaxis)을 매개함으로써 종양 전이 (metastasis) 및 진행 (proliferation)을 중재한다. 본 연구에서는 이러한 비정상적 glycosylation 패턴들 혹은 당질피질에 상호적으로 작용할 수 있는 특이적 당-조합이 있을 것으로 추정했으며, 이를 구현해내기 위하여 조합형 당-고분자 기반 나노입자 라이브러리 개발을 제시하였다. 자연에 흔히 존재하는 다섯 가지의 당류인 glucose, galactose, mannose, N-acetyl glucosamine, N-acetyl galactosamine 들을 조합하여 암-당질피질을 모방하는 31가지의 새로운 당-고분자들과 이들이 표면에 노출된 당-나노입자들을 구축하였다. In vitro 및 in vivo 스크리닝 결과들을 체계적으로 종합하여, glucose/N-acetyl glucosamine 및 mannose/N-acetyl glucosamine, glucose/galactose/mannose 등의 특정 당-조합들이 효과적인 암-표적능을 보인다는 것을 최초로 검증하였고 해당 조합들이 적용된 나노의약 후보물질을 개발하여 광학열치료 (photothermal therapy) 및 화학요법 (chemotherapy)에 기반한 표적항암치료에 활용하였다.
