Novel hyaluronic acid (HA) nanogels physically encapsulating small interfering RNA (siRNA) was fabricated by an inverse water-in-oil emulsion method. Thiol-conjugated HA dissolved in aqueous emulsion droplets was ultrasonically crosslinked via the formation of disulfide linkages to produce HA nanogels with a size distribution from 200 to 500 nm. Green fluorescence protein (GFP) siRNA was physically entrapped within the HA nanogels during the emulsion/crosslinking process. The HA/siRNA nanogels were readily taken up by HA receptor positive cells (HCT-116 cells) having HA-specific CD44 receptors on the surface. Release rates of siRNA from the HA nanogels could be modulated by changing the concentration of glutathione (GSH) in the buffer solution, indicating that the degradation/erosion of disulfide crosslinked HA nanogels, triggered by an intracellular reductive agent, controlled the release pattern of siRNA. When HA nanogels containing GFP siRNA were co-transfected with GFP plasmid/Lipofectamine to HCT-116 cells, a significant extent of GFP gene silencing was observed in both serum and non-serum conditions. The gene silencing effect was reduced in the presence of free HA in the transfection medium, revealing that HA nanogels were selectively taken up by HCT-116 cells via receptor mediated endocytosis.
Chemical conjugates of paclitaxel and hyaluronic acid (HA) were synthesized by utilizing a novel HA solubilization method in a single organic phase. Hydrophilic HA was completely dissolved in anhydrous DMSO with addition of polyethylene glycol (PEG) by forming nano-complexes. Paclitaxel was then chemically conjugated to HA in the DMSO phase via an ester linkage without modifying extremely hydrophilic HA. A series of HA-paclitaxel conjugates with different conjugation percents were synthesized and characterized. HA-paclitaxel conjugates self-assembled in aqueous solution to form nano-sized micellar aggregates, as characterized by dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy (AFM), and transmission electron microscopy (TEM). An intact form of paclitaxel was regenerated from HA-paclitaxel conjugate micelles at acidic pH conditions. HA-paclitaxel conjugate micelles exhibited more pronounced cytotoxic effect for HA receptor over-expressing cancer cells than for HA receptor deficient cells, suggesting that they can be potentially utilized as tumor-specific nano-particulate therapeutic agents.
A new class of multifunctional gold nanoprobes was developed for ultra-sensitive optical detection of reactive oxygen species (ROS) and hyaluronidase (HAdase). The nanoprobes were fabricated by end-immobilizing near-infrared fluorescence (NIRF) dye labeled hyaluronic acid (HA) onto the surface of gold nanoparticles (AuNPs). The nanoprobes effectively induced nanoparticle surface energy transfer (NSET) between NIRF dyes and AuNPs. When the surface immobilized HA was cleaved by ROS and HAdase, strong fluorescence recovery signals were attained with extreme sensitivity. In live animal models of rheumatoid arthritis (RA) and metastatic tumor, local arthritic inflammation and tumor sites were clearly identified upon systemic injection of the nanoprobes. These results suggested that the gold nanoprobes could be exploited not only as in vitro molecular and cellular imaging sensors for ROS and HAdase, but also as in vivo optical imaging agents for detection of local HA degrading diseases such as RA and tumor.
A bio-inspired surface grafting of fluorescein-hyaluronic acid (HA) conjugates on gold nanoparticles (AuNPs) was achieved. A highly adhesive mussel amino acid, DOPA, was used instead of thiol groups to robustly end-immobilize HA onto the surface of AuNPs for securing intracellular stability against glutathione (GSH). The resultant fluorescent gold nanoprobes were utilized for monitoring intracellular reactive oxygen species (ROS) generation in live cells via nanoparticle surface energy transfer (NSET). ROS induced cleavage and fragmentation of HA chains immobilized on the surface of AuNPs allowed rapid and specific detection of intracellular ROS by emitting strong fluorescence recovery signals. In particular, fluorescence quenched gold nanoprobes exhibited selective and dose-dependent fluorescence recovery signals upon exposure to certain oxygen species such as superoxide anion ($O2^{·-}$) and hydroxyl radical ($^{˙}OH$). The gold nanoprobe biosensor was usefully exploited for real-time intracellular ROS detection and antioxidant screening assay. This study presented that the gold nanoprobes had exciting potential for various biomedical applications as a new class of ROS imaging nanoprobes.
히알루론산은 천연 다당류 고분자로서 세포외기질의 주요 성분 중 하나이다. 특히, 생체 고분자로서의 뛰어난 생 분해성과 생체 적합성은 히알루론산이 다양한 조직 공학 및 약물 전달에 이용되는 이유로 알려져 있다. 최근 히알루론산의 암세포 특이성 결합 (adhesion) 및 분해 (degradation) 에 대한 관심이 증가 됨에 따라, 히알루론산의 생물학적 특성을 효과적으로 이용한 표적 특이성 약물 전달 및 분자 영상 시스템에 대한 연구 개발이 요구 되었다. 본 연구에서는 히알루론산과 암세포 표면의 항체 매개성 반응을 이용하여 표적 특이성 유전자 약물 전달 및 항암제 전달을 시도 하였으며, 히알루론산의 생 분해를 시각적으로 확인 할 수 있는 분자 영상 시스템을 개발 함으로서 세포 내/외의 활성 산소 (ROS) 및 히알루로니데이즈 (HAdase) 를 감지 하고자 하였다.
히알루론산을 이용한 표적 특이성 약물 전달로는, siRNA 가 봉입된 히알루론산 나노 하이드로겔 과 히알루론산-항암제의 접합체를 제조 하였다. 이러한 히알루론산 나노 입자 시스템은 수동적인 EPR 효과와 더불어 히알루론산의 암 세포 특이성 항체 매개 반응을 이용 함으로서, 유전자 약물 및 항암제의 세포 내 전달 효율을 증가 시킬 수 있다. 특히 히알루론산 하이드로겔의 경우 세포 내 높은 환원 조건에서 분해 되는 황화결합 (disulfide bond) 을 약물 전달 시스템으로 이용 함으로서 유전자 약물의 세포 내 방출을 증가시켜 향상된 유전자 억제 효과를 나타내었다. 히알루론산-항암제 접합체의 경우 소수성의 항암제를 매우 효과적으로 액상에 분산 시켜 약물의 농도를 증가 시켰으며, 향상된 세포 내 약물 전달을 통해 뛰어난 항암 효과를 기대 할 수 있었다.
히알루론산을 이용한 분자 영상 시스템으로는 히알루론산이 접목된 형광 금 나노 입자를 제조 개발하였다. 개발된 형광 금 나노 입자는 금 나노 입자와 형광물질 사이의 에너지 전이현상 (NSET) 을 이용 함으로서 활성 산소 및 히알루로니데이즈를 세포 내/외에서 분석 하는데 사용되었다. 에너지 공여자로서 형광 물질이 접합된 히알루론산을, 에너지 수여자로서는 금 나노 입자를 사용하여 활성 산소 및 히알루로니데이즈와의 반응도를 확인 한 결과, 기존의 형광 프로브와 비교하여 향상된 측정 결과 와 높은 감도를 나타내는 것으로 판명 되었다. 또한 단일 금 나노 입자에 다수의 형광 물질의 도입이 가능 하기 때문에, 매우 적은 양의 시료를 이용하여 동시 분석 및 초고속 분석을 할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 히알루론산 금 나노 입자는 히알루론산을 분해 하는 다양한 요소의 활성을 고감도로 측정하거나 활성 저해제 (inhibitor) 를 스크리닝 하는데 매우 유용하게 사용 될 수 있을 것으로 기대된다.
