Pluronic/PEG shell cross-linked nanocapsules encapsulating an oil phase in their nanoreservoir struc-ture was developed as a target-specific carrier for a water insoluble drug, paclitaxel. Oil-encapsulating Pluron-ic/PEG composite nanocapsules were synthesized by dissolving an oil (Lipiodol) and an amine reactive Plu-ronic derivative in dichloromethane, and subsequently dispersing in an aqueous solution containing amine-functionalized 6-arm branched poly(ethylene glycol) by ultrasonication. The resultant shell cross-linked nanocapsules had a unique core/shell architecture with an average size of 110.7 ± 9.9 nm at 37°C, as determined by dynamic light scattering and transmission electron microscopy. Paclitaxel could be effectively solubilized in the inner Lipiodol phase surrounded by a cross-linked Pluronic/PEG shell layer. The paclitaxel-loaded nanocapsules were further conjugated with folic acid to achieve folate receptor targeted delivery. Confocal microscopy and flow cytometric analysis revealed that folate-mediated targeting significantly enhanced the cellular uptake and apoptotic effect against folate receptor over-expressing cancer cells. The present study suggested that these novel nanomaterials encapsulating an oil reservoir could be potentially applied for cancer cell targeted delivery of various water insoluble therapeutic and diagnostic agents.
Reducible heparin nanogels cross-linked with disulfide linkages were developed for efficient cellular uptake of therapeutic heparin to induce apoptotic cell death. The heparin nanogels were synthesized by forming nanocomplexes between thiolated heparin and poly(ethylene glycol) in a selected organic solvent, and subsequently producing intermolecular disulfide bonds between thiolated heparin molecules by ultrasonication. The resultant heparin nanogels had a stable structure with an average diameter of 248.7 ± 26.8 nm in aqueous solution. However, they rapidly disintegrated and released free heparin molecules under reductive environments, such as intracellular cytosol, through the cleavage of disulfide cross-links within their network structure. Confocal laser scanning microscopy and flow cytometric analysis revealed that these heparin nanogels significantly inhibited proliferation of mouse melanoma cells by inducing caspase-mediated apoptotic cell death. The present study suggested that the reducible heparin nanogels exhibiting a remarkable apoptotic activity could be potentially applied for cancer cell targeted delivery when combined with various therapeutic and diagnostic agents.
Gadolinium-labeled magnetite nanoparticles (GMNPs) were synthesized via a bio-inspired manner to use as dual contrast agents for $T_1$- and $T_2$-weighted magnetic resonance imaging. A mussel-derived adhesive moiety, 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA), was utilized as a robust anchor to form a mixed layer of poly(ethylene glycol) (PEG) chains and dopamine molecules on the surface of iron oxide nanoparticles. Gadolinium ions were subsequently complexed at the distal end of the dopamine molecules that were pre-functionalized with a chelating ligand for gadolinium. The resultant GMNPs exhibited high dispersion stability in aqueous solution. Crystal structure and superparamagnetic properties of magnetite nanocrystals were also maintained after the complexation of gadolinium. The potential of GMNPs as dual contrast agents for $T_1$ and $T_2$-weighted magnetic resonance imaging was demonstrated by conducting in vitro and in vivo imaging, and relaxivity measurements.
Multifunctional hollow manganese oxide nanoparticles (HMON) were produced by a bio-inspired sur-face functionalization approach, using 3,4-$dihydroxy-_{L}$-phenylalanine (DOPA) as an adhesive moiety, for cancer targeted delivery of therapeutic siRNA and simultaneous diagnosis via magnetic resonance imaging (MRI). Cationic polyethylenimine-DOPA conjugates were stably immobilized onto the surface of HMON due to the strong binding affinity of DOPA to metal oxides, as examined by Fourier transform infrared spectrosco-py and X-ray photoelectron spectroscopy. These nanoparticles were subsequently functionalized with a therapeutic monoclonal antibody, Herceptin, to selectively target cancer cells. Confocal microscopy and MR imaging studies revealed that the surface functionalized HMON enabled the targeted detection of cancer cells in $T_1$-weighted MRI as well as the efficient intracellular delivery of siRNA for cell-specific gene silencing. These nanomaterials are expected to be widely exploited as multifunctional delivery vehicles for cancer therapy and imaging applications.
지난 수십년 동안 현대의학의 눈부신 발전에도 불구하고, 효과적으로 암을 퇴치할 수 있는 치료법의 개발은 아직 어려운 일로 여겨지고 있다. 환자들의 대부분은 화학 요법이나 방사선 요법으로 치료를 받고 있으나 종양조직만을 표적화하기 어렵기 때문에 많은 부작용을 앓고 있다. 또한 암의 효과적인 치료를 위해서는 암조직을 조기에 발견하고 진단할 수 있는 영상화 기술도 필요하다.
본 연구에서는 암 치료와 영상화를 위한 다기능성 고분자 나노입자를 개발하려는 실험을 진행하였다. 첫번째로는 난용성 항암제의 표적지향성 체내 전달을 위한 오일 함유 고분자 나노캡슐을 개발하였다. 리피오돌(X-ray CT 조영제)을 포함하는 고분자 나노캡슐을 이용하여 파클리탁셀의 용해도를 크게 개선시켰으며, 암세포에 대한 표적지향성 리간드인 엽산(folate)을 표면에 공유 결합시켜서 우수한 암세포 사멸 효과를 얻을 수 있었다.
두번째로는 헤파린의 항암활성을 이용하여 암세포의 사멸을 유도하는 헤파린 나노입자를 새로운 암 치료용 약물전달체로 개발하였다. 헤파린 나노입자는 세포내 환원제인 글루타치온에 의해 분해되면서 헤파린을 효율적으로 방출하였다. 또한 암세포 내부로 들어가서 전사인자의 활성을 방해함으로써 세포사멸(apoptosis)을 유도하는 항암 효과를 보여주었다. 향후 다양한 항암물질을 암조직에 효과적으로 전달하면서 동시에 암세포를 사멸시키는 치료소재로 응용 가능할 것으로 기대된다.
다음으로는 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)을 통해 암을 진단하고 관찰할 수 있는 ‘가돌리늄-표지 산화철 나노입자’를 개발하였다. 바위나 선박에 잘 달라붙어 사는 홍합의 접착면에는 DOPA(3,4-dihydroxy-L-phenylalanine)라는 물질이 많이 존재하는데, 이를 활용하면 다양한 유무기 물질의 표면에 여러 가지 합성/천연 고분자들을 결합시킬 수 있다는 것이 확인되었다. 이러한 홍합 유래 생접합물질을 이용하여, 산화철 자성 나노입자 표면에 가돌리늄 이온을 결합시킴으로써, 자성 나노입자로 인한 음성 조영과 가돌리늄 이온으로 인한 양성 조영 특성을 동시에 갖는 물질을 제조하였다. 제조된 나노입자의 여러 물리화학적 특성을 분석하였고, 살아있는 쥐를 이용한 동물 실험을 통하여 MRI 조영 효과를 규명하였다. 기존 조영제들이 영상화하기 어려웠던 생체내 부위를 보다 정확하게 분석함으로써 질병 진단과 치료 효과를 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로는 암을 진단하고 치료하면서 그 과정을 자기공명영상을 통해 관찰할 수 있는 ‘다기능성 산화망간 나노입자’를 개발하였다. 홍합 유래 생접합물질을 이용하여 양이온성 고분자인 폴리에틸렌이민으로 표면 수식된 산화망간 나노입자를 제조할 수 있었고, 암세포 추적을 위한 항체와 암 치료용 siRNA 조각을 결합시켜서 암 진단에서 치료, 촬영까지의 역할을 한꺼번에 수행할 수 있도록 하였다. 특히 siRNA는 20여개의 핵산으로 구성된 짧은 이중 나선의 RNA로서, 상보적인 유전자의 발현을 억제시키는 특성 때문에 악성 종양은 물론 혈관계 질환, AIDS 등의 난치성 질환을 치료할 수 있는 새로운 기술로 각광받고 있다. 암세포를 이용한 실험을 통해, 상기 나노입자가 암조직에 필요한 혈관신생인자인 VEGF 단백질을 억제하는 siRNA를 HER2/neu 수용체를 많이 발현하는 암세포(SK-BR-3 cell line) 내로 효과적으로 전달하여 VEGF 단백질의 발현을 억제하였음을 확인하였다. 또한 산화망간 나노입자는 자기공명영상(MRI)에서 양성 조영 효과를 보여 HER2/neu 수용체를 과발현하는 암세포를 선택적으로 탐색할 수 있었다.
결론적으로 본 연구에서 개발한 나노입자는 표적지향성 siRNA 전달과 자기공명영상 진단을 동시에 수행할 수 있어, 암의 조기 진단을 위한 바이오센서/분자영상용 나노소재이자 효과적인 암치료를 위한 나노소재로서 응용될 것으로 기대된다. 또한 홍합 유래 생접합물질을 이용한 나노입자의 표면 수식 기술은 새로운 진단/치료 기능을 지닌 나노입자를 개발할 수 있다는 점에서 응용가능성이 무궁무진하다.
