For diagnosis and therapy of certain diseases, conventional approaches only utilize passive delivery strategy to target damaged tissues. However, it has been proven that the disease specific targeting strategies can improve diagnostic and therapeutic efficacy, so number of trials are reported. Base on this approach, I utilize bilirubin-based nanoparticles for effective disease targeting and treatment. The endogenous molecule, bilirubin, is made from catabolism of heme and has potential to apply for various clinical purposes. At first, it is strong anti-oxidative and anti-inflammatory signaling molecule which could regulate immune responses. In addition, bilirubin can coordinate with metal ion or nanoparticle surface, so bilirubin can be a carrier or surface stabilizer. This molecule is also reactive to several chemicals like reactive oxygen species or glutathione, and its ridge-tile like structure can stabilize nanoparticle formulation with its self-assembling feature. Therefore, bilirubin-based nanoparticles are potent platform to effectively target the diseased environment. In chapter 1, the detail characteristics of bilirubin, which are utilized for therapeutic and diagnostic approach, are explained. Additionally, previous bilirubin-based therapy, diagnosis or targeting strategies are introduced. In chapter 2, glutathione (GSH) responsive CT imaging probe is suggested. Glutathione (GSH) is produced at high levels in normal liver, but its production is considerably reduced under certain pathological conditions. Accordingly, an imaging probe capable of visualizing altered GSH level in the liver would be a useful tool for monitoring hepatic function or disease. This chapter reports a gold nanoparticle (AuNP)-based computed tomography (CT) contrast agent that undergoes a change in colloidal stability in response to GSH levels, resulting in differential CT signal intensity between normal (higher intensity) and pathological (lower intensity) livers, enabling imaging of hepatic function. This GSH-responsive CT contrast agent, prepared by coating AuNPs with PEGylated bilirubin (PEG-BR), shows serum stability as well as high sensitivity to GSH. The resulting PEG-BR@AuNPs preferentially accumulate in normal liver, as evidenced by strongly enhanced CT intensity, but fail to do so in a GSH-depleted mouse model, where the CT signal in the liver was substantially decreased. In addition, injection of PEG-BR@AuNPs caused a greater reduction in CT signals in liver in a drug-induced acute liver failure model than in healthy normal mice. These findings suggest that GSH-responsive PEG-BR@AuNPs have the potential to be used as a CT contrast agent to detect various hepatic function-related diseases and liver-metastasized tumors. In chapter 3, glycocalyx mimic targeting strategy for treatment of inflammatory bowel disease is suggested. Gut is major organ where large portion of immune cells and various commensal bacteria or exogenous molecules are located. Therefore, the potential impact of inflammatory bowel disease can easily extend beyond gut-localized inflammation by affecting systemic immune homeostasis that governs our overall health. However, the common treatments of inflammatory bowel disease, including anti-inflammatory small molecule, or biologics against inflammatory signals, can disturb immune system and induce unexpected diseases. During colitis pathogenesis, lectin expression by immune cells or glycocalyx components are dramatically changed. So, we constructed bacterial glycocalyx-mimicking nanoparticles library for identifying effective sugar ligand to target specific molecular changes of colitis lesion. The library contains 31 types of glycopolymers which contains the combination of five different sugar ligands (β-glucose, β-galactose, α-mannose, β-N-acetyl glucosamine, and β-N-acetyl galactosamine). The glycopolymers are finally conjugated with bilirubin, an endogenous anti-inflammatory molecule, to form the nanoparticles, denoted as GlyNPs$_{(BR)}$. Through a series of in-vivo therapeutic screening, we deduced GlyNPCD$_{(BR)}$ displaying Man/GlcNAc as the prime nanomedicine candidate for targeted IBD therapy. Finally, we traced the GlyNPs and identify target cell, macrophage, whose pro-inflammatory activity was inhibited by GlyNP$_{(BR)}$. It was demonstrated that the cellular targeting mediated by combinatorial sugar moieties effectively support the therapeutic performance of GlyNPs$_{(BR)}$.
과거에는 질병의 진단 및 치료를 위해 질병 조직을 대상으로 하는 수동적 전달 전략만을 이용했다. 하지만 각각의 질병 조직에는 고유한 분자적 특성이 발견되고 이를 표적하는 전략이 진단 효율과 치료 효능을 향상시킬 수 있음이 증명되면서 다양한 시도가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 이러한 전략을 기반으로 빌리루빈을 핵심 구조로 하는 나노입자를 제작하여 질병의 진단 및 치료에 활용할 방법을 제안한다. 헴의 이화 작용으로부터의 형성된 빌리루빈은 다양한 특징들을 함께 가지고 있어 여러가지 임상적 전략에 활용될 가능성을 가지고 있다. 우선 체내에서 강력한 항산화 효과를 가지며 염증 반응을 낮춰줄 신호 분자로서의 역할도 할 수 있다. 또한 빌리루빈은 금속이온이나 금속 나노입자와 배위 결합할 수 있어 금속이온의 운반체나 금속나노입자의 표면안정제로도 응용이 가능하다. 추가적으로 빌리루빈은 활성산소나 글루타티온과 같은 여러 화학 물질과 반응이 가능하며, 기와 형태의 포르피린 기반 구조는 안정적으로 자가조립되기에 나노 입자 구조를 유지하는데에도 도움을 줄 수 있다. 이러한 특징을 바탕으로 빌리루빈은 효과적인 질병 표적화를 위한 나노입자 플랫폼에 이용될 수 있다. 1 장에서는 이와 같은 진단 및 치료에 활용될 수 있는 다양한 빌리루빈의 특징들을 자세히 소개하였다. 또한, 이전 문헌들에서 빌리루빈을 어떻게 치료 및 진단에 활용했는지 소개하고 어떠한 특성들을 활용할 수 있을지 설명하였다. 2 장에서는 글루타티온 반응형 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미징 조영제를 제안하였다. 글루타티온은 정상 간에서 높은 수준으로 생성되지만 특정 간질환에서는 농도가 크게 감소한다. 따라서 특정 간 질환에서 변화된 글루타치온 농도를 시각화할 수 있다면 질병을 진단하는 데 유용한 도구가 될 것이다. 이에 우리는 글루타치온에 반응성을 가지는 금 나노 입자 기반 CT 조영제를 보고하고자 한다. 금나노입자를 페길화된 빌리루빈으로 코팅하여 제조한 이 나노입자 (PEG-BR@AuNP)는 혈청 안정성과 함께 높은 글루타치온 민감도를 가진다. PEG-BR@AuNP는 정상 간에서는 축적되어 높은 CT 신호를 보여주었지만, 글루타치온 고갈된 마우스 모델에서는 CT 신호가 크게 감소된 양상을 보였다. 이에 글루타치온이 크게 감소하는 약물 유발 급성 간부전 모델에서 조영제로서의 기능성을 확인하였고 건강한 간과 비교해 CT 신호의 감소를 확인할 수 있었다. 마지막으로 간암 모델에 해당 나노입자를 도입해보았고 암 조직을 제외한 주변 간 조직에서는 높은 CT 신호를 관측할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 글루타치온 반응성 PEG-BR@AuNP가 다양한 간 기능 관련 질환 및 간 종양 검출에 활용할 수 있음을 확인하였다. 3 장에서는 염증성 장질환 표적을 위한 박테리아 glycocalyx 모방 나노입자 제안하였다. 장은 면역세포가 분포하는 주요 장기 중 하나로 외인성 분자에 쉽게 노출되기에 전신 면역에 크게 영향을 끼친다. 따라서 염증성 장 질환의 경우 다양한 합병증을 동반하는 등 건강에 크게 악영향을 끼칠 위험성이 있다. 그러나 일반적인 염증성 장 질환 치료법인 항염증성 약물 또는 염증 신호를 억제하는 생물학적 제제의 경우 염증 조직, 염증 관련 세포에만 작용되는 것이 아니기에 정상적인 면역 체계를 방해하고 예기치 않은 질병을 유발할 수 있다. 이에 대장염 병변에서 관측되는 렉틴의 발현 혹은 glycocalyx 성분의 변화를 표적하여 치료 효능을 증진시키고자 하였다. 이러한 특징을 효과적으로 표적하는 당 리간드를 식별하기 위해 박테리아 glycocalyx 모방 나노입자 라이브러리를 구축했다. 라이브러리에는 5종류 단당체(β-글루코스, β-갈락토스, α-만노스, β-N-아세틸 글루코사민 및 β-N-아세틸 갈락토사민)의 조합들로 이루어진 31가지 유형의 당고분자를 포함하고 있다. 당고분자는 최종적으로 내인성 항염증 분자인 빌리루빈과 접합되어 GlyNPs(BR)로 표기되는 나노입자를 형성하였다. 이렇게 형성된 나노입자 라이브러리를 기반으로 일련의 생체 내 스크리닝을 진행했을 때 만노스와 N-아세틸 글루코사민을 표지하는 GlyNPCD(BR)이 효과적으로 염증성 장 질환 치료에 활용될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 우리는 해당 나노입자의 표적 세포를 추적하였고, 결과적으로 대식세포에 전달된 GlyNP(BR)가 항염증신호를 억제하여 질병을 완화시킴을 확인하였다.
