Pluronic/polyethylenimine shell cross-linked nanocapsules with embedded magnetite nanocrystals (PPMCs) were developed for magnetically triggered delivery of small interfering RNA (siRNA). Monodisperse oleic acid-coated iron oxide nanocrystals were successfully encapsulated in a hollow interior space of the nano-capsules surrounded with a cross-linked polymeric shell layer. The positively charged PPMCs formed stable nanosized polyelectrolyte complexes via electrostatic interactions with negatively charged siRNA-polyethylene glycol (PEG) conjugate (siRNA-s-s-PEG) that was linked via a cleavable disulfide linkage. Prussian blue staining and fluorescence images showed that PPMC/siRNA-s-s-PEG polyelectrolyte complexes were efficiently taken up by cancer cells upon exposure to a magnet, thereby enhancing intracellular uptake of siRNA. Furthermore, the PPMC/siRNA-s-s-PEG complexes in combination with an external magnetic field exhibited excellent silencing of target protein expression in cancer cells without showing severe cytotoxicity. The present study suggested that these novel nanomaterials could be potentially utilized for magnetically triggered delivery of various nucleic acid-based therapeutic agents.
One of the important trends for biomedical technology is the “fusion” of different modalities to attain multifunctionality and highly accurate information on the system that we investigate. As a successful example of multimodality, we demonstrate magnetic nanoparticles to be used as a highly attractive platform for siRNA delivery in gene therapy as well as for imaging characteristics such as MRI and optics when conjugated to fluorescent dye. Also, this nanoparticle is harnessed to have specific cell targeting moieties on its surface in order to specifically target the integrin expressing cancer cells only. All of these modalities make the nanoparticle to have “all-in-one” capability which enables multimodal targeted imaging and siRNA gene therapy for the cancer cells. Its uniqueness might be further employed as a new effective platform for actively targeted simultaneous therapeutics and diagnostics (i.e. theragnostics).
The heparin immobilized, multifunctional gold nanoparticles (AuNPs) were developed as a new class of theragnostic nanomaterials for metastatic cancer cell imaging and apoptosis. AuNPs were surface modified with fluorescent dye labeled heparin molecules to detect a metastatic stage of cancer cells that over-express heparin degrading enzymes. The heparin immobilized AuNPs exhibited enhanced fluorescence signals by specific clea-vage of heparin molecules from the surface of AuNPs by heparinase or heparanase secreted from metastatic cancer cells. In addition, heparin immobilized AuNPs that were additionally tethered with RGD peptides on the surface demonstrated highly specific apoptotic activities for selective cancer cells over-expressing RGD receptors on the membrane, revealing that internalized heparin within cells clearly triggered an apoptotic event. These results suggest that heparin immobilized AuNPs can be usefully exploited for optical imaging agents for metastatic tumors as well as therapeutic cancer treatment.
The generation of intracellular reactive oxygen species (ROS) was optically monitored using ROS-sensitive gold nanoprobes in response to an exposure of nanoparticles (NPs). Fluorescent dye-labeled hyaluronic acid was grafted onto the surface of gold nanoparticles (HF-AuNPs) for imaging intracellular ROS. The ultra-sensitive detection of intracellular ROS was utilized as a powerful analytical tool to assess early cellular toxicities of monodisperse polystyrene (PS) particles with different sizes and different functional groups on the surface. The effect of PEGylation on the surface of PS NPs was also investigated by evaluating intracellular ROS generation. For various PS NPs, the extent of intracellular ROS was well correlated with cellular up-take, apoptosis-inducing activity, and cytotoxic effect of NPs. In addition to the nanoparticles, commonly used polymeric gene carriers such as linear and branched polyethylenimine (PEI) were tested to analyze their extent of intracellular ROS generation related to cellular toxicity. This study demonstrated that sensitive and optical detection of intracellular ROS generation can provide a valuable toxicity index value for a wide range of NPs as an early indicator for cellular responses.
무기나노입자는 그의 크기와 종류에 따라 특징적인 다양한 성질을 가지기 때문에 유전자 및 약물 전달과 분자영상 분야를 비롯한 바이오메디컬의 다양한 분야에 응용이 시도되고 있다. 특히 바이오메디컬 분야에서 분자영상의 중요성이 대두되면서, 분자영상으로 다양한 활용범위를 가지는 무기나노입자에 대한 가능성이 점점 높게 평가되고 있다. 무기나노입자는 작게는 1~2 nm에서 크게는 100 nm 이상까지 목적에 따라 다양한 크기로 조절이 가능하고, 크기가 작아질수록 높은 표면적-대-부피 비를 가짐으로써 다양한 목적의 여러 분자를 한 나노입자에 표면 접합이 가능하다는 장점을 가진다. 이에 따라 다양한 목적을 한 나노입자에서 한꺼번에 얻을 수 있는 다목적성 나노입자의 개발이 가능하며, 이는 진단과 치료를 한번에 이루고자하는 질병 관리의 목적에 정확히 부합하는 획기적인 물질이라고 볼 수 있다.
본 박사연구에서는 이러한 무기나노입자의 특징을 이용한 분자영상학적 치료학적 시도를 크게 4가지로 진행하였다. 첫번째 연구는 철 나노입자의 자성을 이용하여 PEG (폴리에틸렌글리콜)가 접합된 소간섭 RNA의 세포내로의 전달성과 그에 따른 유전자 치료효과의 향상을 목적으로 한 것이다. 철나노입자를 중앙에 가지고 표면에 양전하를 가진 자성 나노캡슐 형태의 물질을 개발함으로써 이의 양전하를 이용해 음전하의 소간섭 RNA를 적용시키고 궁극적으로 외부 자성에 끌릴 수 있는 형태의 물질을 얻을 수 있었다. 이는 외부 자성 환경 아래서 향상된 세포내 함입과 소간섭 RNA의 유전자 억제효과를 보였다.
두번째 연구는 향상된 MRI 영상효과를 가지는 망간 철 나노입자에 세포내 환경에서 끊어지는 특징을 가지는 황-황 결합으로 형광 영상이 가능한 형광물질을 가지는 소간섭 RNA와 표적 전달이 가능한 물질을 접합하여 표적 특이적으로MRI와 형광영상, 그리고 소간섭 RNA의 유전자 치료효과를 나타내는 다목적성 암 진단 및 치료 입자의 개발에 관한 것이다. 개발한 물질은 표적 특이적 물질 전달을 통해 표적이 된 세포에만 MRI 및 형광영상, 그리고 유전자 치료 효과를 가지는 것을 확인되었다.
세번째 연구는 금 나노입자의 형광소멸 현상을 이용한 전이성 암의 분자 영상 및 표적 특이적 암세포의 세포 자멸사의 유도에 관한 것이다. 금 나노입자의 표면에 금-황 결합을 통해 형광물질을 가진 헤파린을 접합하고, 금 나노입자에 의해 소멸된 형광 신호가 헤파린 분자를 끊어낼 수 있는 전이성 암세포의 특이적 효소 환경에서 되돌아오는 현상을 이용해 전이성 암세포를 효과적으로 분자영상 할 수 있었다. 이와 더불어 헤파린이 접합된 금 나노입자에 표적물질을 더함으로써 표적특이적으로 헤파린을 전달하고 세포내 전달된 헤파린에 의한 세포자멸사를 유도할 수 있는 시도가 병행되었다. 표적물질이 표적하는 세포내 특이적으로 헤파린을 전달할 수 있었고, 전달된 헤파린은 효과적으로 세포 자멸사를 이끌어냄을 확인하였다.
네번째로 금 나노입자에 DOPA를 이용하여 형광표지된 히알루론산을 접합하고, 이의 형광 소멸 및 세포내 활성세포종 환경하에서 형광 되찾음 현상을 이용하여 세포내 활성세포종의 발현정도를 측정하고, 이를 통한 나노독성의 평가를 시도하였다. 선행연구에서 개발된 프로브는 효과적으로 세포내 활성세포종을 측정할 수 있음이 검증되었고, 활성세포종은 나노물질의 독성 메카니즘에 중요한 물질이기때문에 이의 나노독성평가에의 이용은 합당한 것이었다. 이는 다양한 나노입자를 모델 시스템으로 사용한 다양한 연구 결과를 통해 검증되었고, 이에 더 나아가 세포 전달력이 향상된 금 나노 프로브를 개발하여 활용범위를 넓힐 수 있었다.
