To develop a drug and a gene delivery system with low cytotoxicity and high therapeutic efficiency, we researched on different kinds of nanoparticles: human serum albumin/polyethylene glycol nanocapsules, solid lipid nanoparticles, poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) nanoparticles.
Various approaches to increase the solubility of water-insoluble anti-cancer drugs in aqueous formu-lations have been undertaken with the aim of treating solid tumors through intravenous drug administration. Nanoscale drug carriers are particularly attractive for cancer therapy because of their passive targeting effect to enhance the therapeutic efficacy of drugs. Here we introduce an oil-free, shell cross-linked nanocapsule as an efficient intracellular delivery system for paclitaxel. The nanocapsules are prepared by emulsifying amine-reactive six-arm-branched polyethylene glycol (PEG) in dichloromethane into aqueous solution of human serum albumin (HSA), followed by cross-linking at the organic/aqueous interface. Paclitaxel is successfully incorporated into the HSA/PEG nanocapsules having a spherical shape with an average diameter of about 280 nm. In several types of cells, the surface modification of nanocapsules with a cell-penetrating peptide, Hph1, greatly facilitates cellular uptake and apoptosis-inducing effects of paclitaxel. Furthermore, the targeted anti-tumor activities of the paclitaxel-loaded nanocapsules in a mouse tumor model suggest that the shell cross-linked nanocapsules are very promising oil-free nanoscale delivery vehicles for water-insoluble anti-cancer agents.
Multifunctional solid lipid nanoparticles (SLNs), mimicking the structure and compositions of low-density lipoproteins, are introduced for tumor-targeted delivery of anti-cancer drugs and magnetic nanocrys-tals. Paclitaxel (5 wt-%) and iron oxide nanocrystals (7.5 wt-%) are co-encapsulated within folate-functionalized SLNs, which consist of cholesteryl oleate, glyceryl trioleate, cholesterol, phosphatidyl glycerol, dioleoylphosphatidylethanolamine, and 1,2-distearoyl-sn-glycerol-3-phosphoethanolamine-N-((polyethylene glycol-2000) folate). The prepared SLNs have an average diameter of about 170 nm and a zeta potential of about - 40 mV. Optical microscopy and magnetic resonance imaging studies reveal that the folate-decorated SLNs enable the targeted detection of cancer cells (e.g., MCF-7) in T2-weighted MR images as well as the efficient intracellular delivery of paclitaxel. Paclitaxel-free SLNs show no significant cytotoxicity up to 10 mg mL-1, indicating their excellent biocompatibility for intracellular drug delivery applications. We expect that the low-density lipoprotein-mimetic SLNs can be utilized as a biocompatible, tumor-targeting platform for the co-delivery of various anti-cancer therapeutics and imaging agents.
Recently, small interfering RNA (siRNA) has received much attention for therapeutic applications; however, intrinsic instability and low transfection efficiency limit effective gene silencing. Here we show a new approach based on the incorporation of siRNA/polyelectrolyte complexes into biodegradable polymer nanoparticles to stabilize siRNA within a hydrophobic solid matrix for prolonged gene silencing. To solubilize siRNA in organic media, chitosan oligosaccharides grafted with deoxycholic acid is synthesized and com-plexed with siRNA, generating a self-assembled nanoscale complex of 123.9 ± 56.8 nm in diameter. The complex is mixed with poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and emulsified in water to prepare siRNA-loaded PLGA nanoparticles having a diameter of about 230 nm. The excellent structural stability of the pre-pared nanoparticles lead to efficiently cellular uptake followed by effective gene silencing even in the pres-ence of serum proteins. These results suggest that the encapsulation of siRNA into biodegradable polymer matrix can be an effective means of improving the structural stability of siRNA for prolonged therapeutic efficacy.
주목할 만한 항암효과를 가진 난용성 약물의 가용화를 위하여 수십 년간 다양한 연구 방안들이 모색되어 왔다. 특히 나노(nano) 크기의 입자들은 암 치료를 위한 약물 전달체로서 그 효과를 각광받고 있다. 본 연구에서는 질병의 진단 및 치료를 위한 다기능성 나노입자를 개발하여 그 효과를 검증하기 위한 실험을 진행하였다.
대표적인 난용성 약물인 파클리탁셀(paclitaxel)을 함유하여 암 조직에 전달하는 알부민 나노캡슐(albumin nanocapsule)을 고안하였다. 알부민 나노캡슐은 내부 코어(core)와 이 코어를 둘러싼 외부 쉘(shell)로 이루어져 있어, 부작용을 유발하는 유기 용매의 사용 없이 파클리탁셀을 코어에 위치시킬 수 있다. 알부민과 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol), PEG)의 가교결합으로 이루어진 쉘은 파클리탁셀이 목표 지점까지 안정하게 운반될 수 있게 하는 동시에 세포 내로 정확하게 전달될 수 있도록 도와준다. 파클리탁셀을 함유한 알부민 나노캡슐은 유체화된 표면에서 알부민과 폴리에틸렌글리콜의 아민 반응에 의해 공유 결합된 후 유기 용매를 제거하여 물리적으로 단단하게 결합되도록 준비하였다. 이렇게 제조된 알부민 나노캡슐은 지름이 약 280 nm의 구 형태를 가진다. 알부민 나노캡슐 표면에 세포 투과 펩타이드(cell-penetrating peptide)의 일종인 Hph1을 결합시켜 다양한 세포 실험을 진행하였다. Hph1에 의해 세포 투과가 용이해진 알부민 나노캡슐은 세포에 잘 흡수되어 세포 사멸을 유도하였다. 또한 암을 발생시킨 실험 쥐에서 알부민 나노캡슐을 주사제 제형으로 주입하였을 때 암 조직 주변까지 안정적으로 알부민 나노캡슐이 전달되었으며 암 증식을 억제하는 효과도 관찰할 수 있었다.
체내에서 합성되는 저밀도 지방단백질(low-density lipoproteins)의 구조를 모방한 다기능성 지질 나노입자(solid lipid nanoparticle, SLN)를 설계하여, 항암제와 자성 나노입자를 동시에 전달할 수 있는 약물 전달체를 개발하였다. 파클리탁셀과 산화절 나노입자가 함께 들어있는 다기능성 지질 나노입자는 암 치료뿐 아니라, 암세포 추적을 가능하게 하여 암 진단에서 치료, 촬영의 역할을 한번에 수행할 수 있도록 설계되었다. 특히 나노입자 표면에 암세포에 대한 표적지향성 리간드인 엽산(folate)을 공유결합시켜서 우수한 암세포 사멸 효과를 얻을 수 있었다. 저밀도 지방 단백질의 구성요소를 개선하여 만들어진 지질 나노입자는 파클리탁셀과 산화철의 용해도를 개선시켜 작은 크기로 안정적으로 수상에서 분산될 수 있도록 도왔다. 제조된 지질 나노입자는 170 nm 크기의 구형을 가지고 있으며, 표면 전하는 - 40 mV 정도로 측정되었으며, 세포 내로 전달되어 우수한 세포 사멸 효과를 보여주었다. 또한 자기공명영상(MRI) 촬영을 통해서도 세포에 전달된 나노입자가 잘 관찰되는 것을 확인하였다.
최근 들어서 소간섭 알엔에이(small interfering RNA, siRNA)를 이용한 유전자 전달 시스템을 개발하여 여러 질병의 치료제로 사용하려는 노력이 활발해지고 있다. 소간섭 알엔에이는 19 -22 개 정도의 핵산으로 구성된 짧은 이중 나선의 RNA 가닥으로 동일한 염기서열을 가진 전령 알엔에이(messenger RNA, mRNA)와 결합하여 유전자 발현을 억제시키는 역할을 수행한다. 소간섭 알엔에이를 실질적인 유전자 치료제로 사용하기 위해서는 안정적으로 세포 내 전달을 할 수 있는 효과적인 시스템을 사용하는 것이 중요하다. 또한 체내 분해에 따른 기능 상실과 세포 독성의 부작용을 최소화하기 위해 정확한 전달과 전달 후 내포 작용이 잘 이루어지도록 설계에 초점을 맞추어야 한다. 본 연구에서는 난용성이며 생체분해가 가능한 고분자를 소간섭 알엔에이와 접합시켜 알엔에이의 유전자 발현 억제 효과를 지속적으로 향상시키는 방법을 고안하였다. 소간섭 알엔에이를 유기용매상에 존재할 수 있도록 키토산 올리고당과 디옥시콜산 합성체를 결합시켜 직경 약 123.9 ± 56.8 nm의 집합체를 만들었다. 집합체는 다시 생체 내에서 분해되는 중합체인 poly DL-lactic-co-glycolic acid (PLGA)를 이용한 외부 막으로 보호되며 소간섭 알엔에이가 주변의 효소에 의해 분해되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이는 직경 약 230 nm의 소간섭 알엔에이를 함유하는 PLGA 나노 입자로 표현되었다. 형성된 나노 입자는 혈청 단백질이 존재하는 환경에서도 서로 집적되지 않고, 구조적으로도 매우 안정한 형태를 유지하였다. 그리고 세포 내로 용이하게 투과하여 표적 유전자의 발현을 효과적으로 억제하였다. 이러한 결과를 통해 유기 용매 상에서 분산되는 새로운 형태의 소간섭 알엔에이 집합체가 생체 분해되는 고분자 중합체를 통해 세포에서 안정적으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 세포 내부에서 나노 입자가 존재하는 시간이 늘어남에 따라 표적 유전자 발현을 억제하는 효과가 극대화 되는 것을 볼 수 있었다.
다양한 기능을 접목시킨 나노입자 개발을 통해 전통적인 방식에서 벗어나 암 진단과 치료, 영상화를 통한 약물의 효용성 검증까지 한번에 할 수 있는 토대가 마련되었다. 효율적이고 안정적인 약물 전달 체계를 구축하는 일은 부작용 없이 안전하게 암을 치료할 수 있는 통로가 될 것이다.
