Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and aggressive malignant primary brain tumor in humans. Although the incidence rate of GBM is low, the median survival without treatment is only about 5 months, and 15 months with the standard radiotherapy and chemotherapy. Due to this aggressiveness, there have been many attempts to treat GBM in new ways such as drug delivery through blood vessels. However, the blood-brain barrier (BBB), impedes the deep penetration of drugs in the brain tissue, thus reducing the therapeutic efficacy. A convention-enhanced delivery (CED) method, which is a delivery technique to infuse drugs directly into tissue using a catheter with continuous positive pressure, was recently developed to solve the delivery issues in the brain. However, although the CED improves the drug penetration, the interstitial and cerebrospinal fluids of brain clear out the infused drugs by the drainage pathway to the cervical lymph nodes. Here, we optimized a liposomal formulation to simultaneously improve penetration and retention of infused drugs using the CED method in the brain tissue. We prepared various liposomal formulations with different surface chemistries (fluidity, charge and PEGylation), which were loaded with fluorescent dyes. Then, we incubated liposomes with the U87MG glioblastoma cell line in vitro. The fluorescence intensity analysis data indicates that liposomes which have positive charge showed the better location inside the cells. The effects of fluidity do not affects the cellular uptake. Next, we injected liposomes directly into the brain and tumor tissue via the CED and examined their time-dependent distribution using confocal fluorescent microscopy. Interestingly, different from the in vitro results, liposomal formulations containing both positively charged and PEGylated lipids remained relatively long in the brain tissue rather than positive-only liposomes. Furthermore, PEGylated liposomes which have same structure of Doxil but lack of doxorubicin seemed to clear rapidly in the brain and tumor tissue. We examined this hypothesis by observing the cervical lymph node. The PEGylated liposomes accumulated more in the cervical lymph nodes than other liposomes even before 2 hours of injection. We believe that both positive and PEGylated lipids on the liposomal surface can determine the retentions in the brain tissue. These results suggest that optimized liposomal formulation can further enhance the therapeutic effect of drugs administered via the CED for glioblastoma treatment.
교모세포종(glioblastoma)은 신경교세포에서 기원된 종양을 일컫는 신경교종 중의 하나로써, 가장 악성이 심한 4 등급으로 분류된다. 비록 전체 암 중에서 약 2%를 차지하지만, 암 사망률은 4위에 달할 정도로 치료가 어렵고, 5년 이상 생존할 확률은 9.8%밖에 되지 않는다. 현재 교모세포종을 치료하기 위해 여러 방법이 시도되고 있고 혈관을 통한 약물전달이 많은 비중을 차지하고 있다. 하지만 뇌에 존재하는 혈관-뇌 장벽 (Blood-Brain Barrier) 때문에 약물이 뇌 속에 깊숙이 전달되기 힘들다. 이러한 단점을 극복하기 위해 바늘이나 카테터(catheter) 를 뇌에 직접 주입하여 약물을 전달하는 전도 촉진 투여 (convection-enhanced delivery) 방법이 개발되었다. 이 방법을 통해 약물을 나노입자 (nanoparticle) 에 적재한 후 전달하면 높은 분포 효과를 볼 수 있다. 보통 나노입자가 세포에 잘 들어가기 위해서는 양전하를 띄어야 하고, 반대로 표면을 PEG로 코팅하면 세포에 잘 들어가지 않는다. 반면에, PEG로 코팅을 한 나노입자가 뇌 속에서 훨씬 더 멀리 퍼진다는 연구결과도 존재한다. 하지만 우리 몸에는 노폐물이나 외부유래 물질을 뇌 바깥에 존재하는 림프절로 제거하는 기작이 있다. 따라서 주입된 약물이 넓게 퍼지더라도 종양세포에 들어가 항암효과를 내지 못하면 이러한 흐름에 따라서 금방 제거된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 뇌 속에서 넓게 퍼짐과 동시에 제거되지 않고 오랫동안 남아서 효과를 지속하는 나노입자를 본 연구에서 고안하였다. 양전하의 정도, PEG 코딩의 유무 그리고 리포좀의 유동성에 따라서 다양한 리포좀 조성을 만든 후 U87MG 종양세포에 처리한 결과 유동성은 큰 영향이 없지만 양전하가 있는 리포좀이 주로 세포에 많이 들어가는 것을 확인하였다. 같은 리포좀 조성을 살아있는 쥐의 뇌에 전도 촉진 투여 방법으로 주입한 결과 양전하와 더불어 PEG 코팅이 모두 있는, 그리고 유동성이 낮은 리포좀이 높은 전달 효과를 보이고 또 오랫동안 남아있는 것을 확인하였다. 양전하만 있는 리포좀은 상대적으로 효과가 낮았고 PEG만 있는 리포좀은 주입한지 2 시간 이내에 뇌에서 빠르게 제거되는 것을 확인하였다. 종양조직에서 전도 촉진 투여방법을 적용했을 때도 비슷한 결과를 확인하였다. 추가로 목에 있는 림프절을 적출한 후 분석한 결과 PEG만 있는 리포좀이 다른 리포좀보다 더 많이 관찰되었는데, 이는 앞서 PEG 리포좀이 빠르게 뇌에서 제거된다는 사실을 입증한다. 따라서 세포에 많이 들어가기 위한 양전하와, 넓은 영역에 빠르게 전달되기 위한 PEG를 적절한 비율로 같이 사용하면 넓게 퍼지고 또한 세포에 잘 들어가서 오랫동안 남아있을 수 있다고 생각된다. 본 연구에서 고안한 나노입자를 통해 더 향상된 교모세포종의 치료효과를 기대할 수 있을 것이라 사료된다.
