Advances in genetic engineering tools have contributed to the development of strategies for utiliz-ing biologically derived vesicles as nanomedicines for achieving cell-specific drug delivery. Substantial efforts has been undertaken to understand the key attributes of natural drug carriers, such as physicochem-ical properties, drug loading efficiency, cancer targeting ability, cell entry mechanism, antigenic compo-nents and immunogenic potentials. Importantly, such engineered vesicles are utilized for delivery of vari-ous therapeutic payloads including small interfering RNA (siRNA) and chemotherapeutic agents. Here, I describe the natural drug delivery carriers derived from bioengineered bacteria or yeast cells, and demon-strated their utility in treating cancer.
In chapter 2, I described bacterially derived nano-sized outer membrane vesicles (OMVs) as an ideal vector for encapsulation of therapeutic siRNA and cell specific delivery. I prepared OMVs from a bacterial strain, genetically engineered to have intrinsically low endotoxicity and over express cancer cell receptor specific high affinity protein (Affibody) on surface. Such engineered bio-vesicles were loaded with kinesin spindle protein (KSP) siRNA by employing simple electroporation protocol. The siRNA kinet-ics study assured receptor mediated OMV endocytosis, intracellular degradation and release of siRNA at therapeutically significant concentration. Consequently, significant inhibition of cell proliferation was ob-served. The OMVs I developed had reduced endotoxicity and immunogenicity to human cells. More im-portantly, due to their biological origin these nanoparticles are biodegradable and production scale up is easy.
In chapter 3, I described yeast derived vacuoles as an ideal vector for chemotherapeutic agents. I prepared vacuoles from yeast strain which is genetically engineered to express cancer targeting ligand -affibody, on the surface of vacuoles. A simple mixing protocol was developed for loading of chemothera-peutic drug, such as doxorubicin. The drug loaded vacuoles were endocytosed by the targeted cells due to ligand- receptor engagement, and released the drug slowly. A few non-targeted vacuoles were observed inside the cytosol of cancer cells. From the cytotoxicity study, it appeared that the drug loaded, cancer tar-geted vacuoles exhibit cytotoxic effects that are comparable to the free drug. In addition these vacuoles were well tolerated by treated animals, indicating that such vacuoles are immunologically inert and safe. Finally, cancer specific homing of drug loaded vacuoles was tested in vivo. The time dependent uptake and accumulation of drug in tumor tissue indicates that the drug targeting is essential for effective cancer ther-apy.
I anticipate that such biological vesicles loaded with diverse therapeutic agents may be useful in the cancer diagnosis or therapy.
유전공학의 발전으로 세포에서 유래한 소포체를 이용한 약물전달 시스템을 개발하게 되었다. 이 연구에서는 소포체를 기반으로 하는 약물전달 시스템을 개발하기 위해서 효모와 박테리아의 바이오엔지니어링을 통해 유래된 약물전달체인 소포체를 개발하고, 이를 이용한 항암효과를 보여주기 위해 물리화학적 특성, 약물 적재효율, 암 표적능력, 메커니즘, 면역원성 테스트를 수행하였다. 특히, 이 시스템을 이용하여 siRNA와 화학치료제를 전달함으로써 높은 항암효과를 입증할 수 있었다.
제 2 장에서는, 박테리아에서 유래된 전달체(OMV)를 이용하여 siRNA 치료제를 전달하는 약물전달 시스템을 개발한 내용이다. 이를 위해서 유전공학을 이용하여 독성이 덜하며, 암을 표적할 수 있는 어피바디 리간드를 발현시키는 OMV를 박테리아에서 추출하였다. 이렇게 추출된 OMV에 siRNA 치료제인 (KSP siRNA) 를 전기적 전달 방법으로 OMV에 선적하였다. 이렇게 개발된 치료용 OMV의 물리화학적인 특성을 분석하고, siRNA의 항암효과를 분석하여 결과적으로 암세포의 성장을 저해함을 이끌었다. 마지막으로 암 동물모델에서 항암효과를 입증하였으며, 독성이 덜하며 면역반응을 유도하지 않는 안전성을 확인하였다.
제 3 장에서는, 효모에서 유래된 액포를 이용하여 약물전달 시스템을 개발한 연구이다. 이를 위해 유전적 엔지니어링을 통해 효모액포에 암 표적 물질을 발현시켰다. 그리고 간단한 믹싱 방법을 통해 항암제를 선적하였다. 약물이 선적된 효모액포가 암세포에서 엔도사이토시스를 통해 전달되는 것을 관찰하였으며, 전달된 약물로 인해 암세포의 성장이 저해되어 항암효과를 보임을 확인하였다. 또한 실제 암동물모델에서 효모액포 시스템을 이용한 항암효과를 보여주었으며, 마지막으로 면역반응을 통해 안전성을 보여주며 실제 임상에서의 가능성을 보여주었다. 이러한 효모액포 시스템을 통해서 암 진단 및 치료에 있어서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
