Cross-linked gel-like nanoparticles, nanogels, have received great interests as drug carriers because they possess structural stability, stimuli-responsivity, high drug loading capacity, and many others. There have been the numbers of attempts to prepare chemically cross-linked nanogels. The water-in-oil heterogeneous miniemulsion stabilized by surfactants was frequently utilized as templates, and the monomers could be pol-ymerized with bifunctional monomers in the aqueous droplets. Despite this success, a simple chemistry of nanogel preparation with echo-friend, high throughput, and surfactant, emulsion and expensive coupling agents free became desirable in practical point. Furthermore, the analysis of swelling behavior of nanogels would a worthwhile subject to investigate.
Nanogels have high mechanical stability due to chemical cross-linking, thereby helping nanogels to entrap drugs stably in systemic circulation. Accordingly, nanogels can reduce side effects originated from the prema-ture drug release. To improve drug efficacy, however, nanogels should be able to release drugs in target site.
In this study, diverse morphological nanogels such as cross-linked micelles, cross-linked vesicles and hy-drogel nanoparticles were prepared by self-aggregate mediated synthesis. And disulfide cross-linked nanostructures investigated for intracellular triggered drug release for anticancer drug delivery.
In chapter 2, the focus of the research was on the design and synthesis of new type of cross-linkable am-phiphilic copolymer to prepare core cross-linked micelles and vesicles. Poly(succinimide-b-ethylene glycol) (PEG-b-PSI) were synthesized as amphiphilic polymer. The spherical and vesicular self-aggregates were pre-pared by controlling the hydrophilic/hydrophobic ratio. The poly(succinimide) core could be cross-linked by diamine cross-linkers, and the morphologies of aggregates were fixed. The cross-linked nanostructures showed a high structural stability, and they had high biocompatibility.
In chapter 3, a new method to synthesize hydrogel nanoparticles was investigated. Poly(ethylene glycol)-poly(aspartic acid) (PEG-PAsp) nanogels were prepared from PEG-b-PSI which is described in chapter 2. The hydrophobic PSI core of the cross-linked PEG-b-PSI was hydrolyzed to hydrophilic PAsp. The PEG-PAsp nanogels having PEG shell and cross-linked PAsp core showed high water absorption and pH responsive de-swelling at acidic condition. Furthermore, structure and swelling behavior of nanogels in aqueous solution was analyzed by small angle neutron scattering technique.
In chapter 4, disulfide cross-linked PEG-PAsp nanogel which is completely dissociable in intracellular en-vironment was studied. Self-aggregates of PSI-g-PEG were cross-linked by cystamine cross-linker containing disulfide bonds followed by hydrolysis of PSI in imidazole buffer. The anionic PAsp entrapped weakly basic anticancer drug, doxorubicin, by electrostatic interaction. Intracellular reduction responsive complete disinte-gration of nanogels led to trigger burst drug release, and it facilitated translocation of drugs to the nucleus. For this reason, degradable nanogels potentiated anticancer effect of doxorubicin in comparison with non-degradable nanogels and drug itself.
In chapter 5, reduction responsive disulfide cross-linked poly(amino acid)s based vesicles were investigat-ed. The cross-linked vesicle was prepared from amphiphilic synthetic poly(amino acid)s, poly(2-hydroxyethyl aspartamide)-g-oligo(L-cysteine) (P-g-OC). P-g-OC formed vesicle structure in aqueous solution, and shell thickness and particle size were affected by hydrophobic chain length. Highly stabilized cross-linked P-g-OC vesicles were prepared by hydrophobic interaction, hydrogen bond and covalent disulfide bond between OC chains. The doxorubicin loaded P-g-OC vesicles showed reduction responsive cytotoxicity against HeLa cells, and it is expected that the smart cross-linked vesicle system can improve the efficacy of doxorubicin.
가교된 나노구조체인 나노젤은 구조적 안정성, 자극민감성, 약물봉입용량이 우수하여 약물전달체로서 각광을 받고 있다. 기존의 대표적인 제조 방법은 계면활성제로 안정화된 W/O 에멀젼 내에서 가교된 고분자 나노입자를 합성하는 것이다. 따라서 친환경적이며 에멀젼이나 계면활성제를 이용하지 않는 간단한 합성법의 개발이 필요하다. 또한 나노젤의 물리화학적 성질 및 팽윤 거동에 대한 깊이 있는 이해가 필요하다.
본 연구에서는 가교된 마이셀, 가교된 베지클, 하이드로젤 나노입자 등 다양한 형태의 가교된 나노구조체를 양친성 고분자의 자기회합체를 이용하여 합성하였다. 세포 내 전달 및 약물 방출을 제어하기 위해 disulfide 결합으로 가교된 나노구조체를 합성하여 항암제 전달체로서의 응용성을 평가하였다.
제 2장에서는 새로운 가교 가능한 양친성 고분자를 개발하고 이들의 자기회합체를 가교시켜 안정화된 나노구조체를 제조하고자 하였다. 가교 가능한 양친성 고분자로 Poly(succinimide-b-ethylene glycol) (PEG-b-PSI)을 합성하였고 친수성/소수성 비율을 조절하기 위해 PEG의 분자량을 조절하였다. PEG의 분자량이 짧아질수록 자기회합체 구조가 구형에서 베지클형으로 변화하는 것으로 확인되었다. 자기회합체에서 코어를 형성하고 있는 PSI는 아민과 반응성이 높아 hexamethylenediamine 가교제를 이용하여 가교반응을 진행하였다. Diamine을 이용한 가교반응을 통해 구형 및 베지클 나노구조체의 형태를 고정하였고, 매우 저농도에도 안정한 구조체를 유지하여 구조적 안정성이 향상된 것을 확인하였다.
제 3장에서는 개발된 PEG-b-PSI 고분자를 바탕으로 구조 전체가 친수성으로 이루어진 하이드로젤 나노입자를 제조하였다. 제 2장에서와 +같이 hexamethylenediamine을 이용하여 PEG-b-PSI 나노구조체를 가교시킨 후, 내부의 남은 PSI를 음이온성 고분자인 poly(aspartic acid) (PAsp)로 전환시키기 위해 NaOH 상에서 PSI의 가수분해반응을 진행하였다. PEG 쉘과 PAsp 코어로 이루어져 전체가 친수성 고분자로 이루어진 나노젤은 물상에서 쉽게 팽윤이 되지만 산성조건에서는 PAsp의 음전하가 줄어들어 deswelling되는것으로 나타났다. 나노젤의 구조 및 팽윤 거동을 분석하기 위해 소각중성자산란실험을 진행하였고, 코어/쉘 구조를 갖는 것으로 나타났다. 또한 고분자의 부피의 약 30배의 해당하는 양의 물을 흡수할 수 있는 것으로 나타났다.
제 4장에서는 항암제 전달체로서 응용가능성을 높이기 위해 세포내의 환원적 환경에서 분해될 수 있는 disulfide결합으로 가교된 PEG-PAsp 나노젤을 제조하였다. 친수성 고분자의 네트워크로 이루어진 PEG-PAsp 나노젤은 환원적 환경에서 가교가 분해되어, 구형 입자를 유지하지 못하고 붕괴되는 것으로 나타났다. 음이온성 PAsp 내부에 양이온성 항암제인 doxorubicin (DOX)을 정전기적 인력으로 봉입하고 약물의 방출거동을 살펴보았을 때, 환원적 환경에서 나노젤의 구조적 붕괴에 의해 약물 방출이 가속화 되는 것으로 확인되었다. Disulfide 로 가교된 나노젤에 DOX를 봉입하여 SK-BR-3 세포에 처리했을 때 분해되지 않는 나노젤이나 free DOX에 비해 높은 항암효과를 보여주었다. 공초점주사현미경 및 유세포분석을 통해서 관찰하였을 때 세포 내에서 분해되는 나노젤이 가장 효율적으로 많은 양의 약물을 핵으로 전달시키는 것으로 관찰되었다. Disulfide로 가교된 나노젤은 혈액 내에서 안정하고 종양 및 암세포 내부의 환원적 환경에 반응하여 분해될 수 있기 때문에, DOX의 부작용을 줄이고 전달 효율 및 약효를 증대시킬 수 있을 것으로 예상된다.
제 5장에서는 PEG-PAsp 나노젤과는 달리 속이 빈 구형 형태인 베지클을 disulfide 결합으로 가교시켜 약물 방출을 제어하고자 하였다. 양친성 폴리아미노산인 poly(2-hydroxyethyl aspar-tamide)-g-oligo(L-cysteine) (P-g-OC)은 수용액상에서 베지클 나노구조체를 형성하였고, 수용액상에서의 self-oxidation에 의해 disulfide를 형성하여 가교된 베지클을 제조하였다. OC는 β-sheet 형태의 2차구조를 형성하여 구조적 안정성을 향상시켰다. 가교된 베지클의 친수성 빈 공간 안에 DOX을 봉입하였고, 방출거동을 살펴보았을 때, 환원적 환경에서 disulfide 결합이 끊어지면서 약물 방출이 가속화되었고, 환원제의 농도가 높아질수록 그 속도가 빨라졌다. HeLa 세포에 전달체를 처리하였을 때 free DOX에 비해 약한 세포독성을 보였지만 환원제의 농도가 높아진 HeLa 세포에서는 P-g-OC 전달체가 더 우수한 약효를 보여주었고, 정상 조직에 비해 환원제의 농도가 높은 암조직에서 P-g-OC 전달체가 우수한 효과를 보일 것으로 예상된다..
본 연구에서 자기조립 나노입자를 이용하여 가교된 나노구조체를 제조하였고, 높은 구조적 안정성을 갖는 가교 나노구조체를 약물전달체로 사용하면 봉입된 약물을 원하는 부위까지 안전하게 전달 할 수 있다. 환원적 환경에서 분해될 수 있는 disulfide 결합으로 가교된 나노구조체는 암 조직 및 세포 내에서 약물 방출을 가속화 시켜 치료효과를 극대화 시킨다.
