Development of self-assembled nanoparticles (NPs) can be considered to target specific cancer therapy and gene delivery. Currently, self-assembled nanoparticles of layer-by-layer structure with targeting properties have been applied for therapy and gene delivery. In this thesis, PLGA (poly lactic-co-glycolic acid) based cationic nanoparticles with PEI (polyethyleneimine) were prepared by electrostatic interaction and HA (hyaluronic acid)-Zein nanogels (NGs) were further developed to deliver pH1N1 DNA vaccine, CRC (curcumin) anticancer agents or Akt-1 siRNA.
In chapter 2, intradermal pH1N1 DNA vaccine delivery platform using microneedles coated PLGA/PEI nanoparticles was prepared to enhance humoral immune response. The hydrophilicity of the stainless steel MNs was enhanced by immobilizing the MN surface by silanization to improve the coating efficiency. MNs coated with the polyplex encapsulating DNA vaccine were prepared by optimizing the 6:1 N/P ratio which showed the highest transfection efficiency in mammalian cells. They were well coated onto the MNs without severe aggregation of the polyplex at drying forms. The coated polyplex rapidly dissolved in porcine skin within 5 min. and induced a higher humoral immune response than that of intramuscular polyplex delivery and naked pH1N1 DNA vaccine delivery by a microneedle. These results show that the delivery of intradermal DNA vaccines with cationic polyplex coated MNs has potential in skin immunization of DNA vaccine.
In chapter 3, we developed novel hyaluronic acid cross-linked zein nanogels (HA-Zein NGs) to deliver the potential anticancer agent curcumin, a naturally occurring phytochemical drug. In vitro studies to analyze their size, stability and cytocompatibility showed that they are highly compatible with the tested cell lines. The in vitro studies of the CD44+ve CT26 cell line clearly showed that the HA-Zein NGs are selectively taken up by more than by the preinhibited CD44 receptor CT26 cells. The curcumin encapsulated HA-zein NGs (HA-Zein-CRC NGs) were found to exert a specific toxicity against CT26 sparing healthy normal fibroblast cells in vitro. The apoptotic effects were further confirmed with flow cytometry showing that the HA-Zein-CRC NGs exhibit a high anticancer activity against the CT26 cells. The in vitro stability tests in serum showed they are highly stable compared to non-cross-linked Zein NGs. The in vivo biodistribution with a CT26 tumor model showed their high circulation and consequently improved antitumor efficacy with a reduced amount of CRC, which is significant compared to a previous report. Thus, the preclinical studies clearly show that these novel HA-Zein NGs would be highly beneficial in encapsulating hydrophobic drugs and improving the pharmacokinetics of the encapsulated drugs thereby enhancing the therapeutic outcomes.
In chapter 4, PLGA/ssPEI/HA triple layered nanoparticles (TLNPs) were prepared for co-delivery CRC and Akt-1 siRNA to enhance anticancer efficiency. PLGA/PEI double-layered nanoparticles have been reported as effective non-viral vectors for gene delivery to enhance cell viability and transfection efficiency. However, bPEI(25kDa) was not able to remove from animal body because they have high molecular weight compared to renal filter and cause cell toxicity via high positive surface charge density. Therefore, disulfide bond crosslinked PEI (ssPEI) has been considered alternatives against bPEI(25kDa). CRC and Akt-1 siRNA were able to be loaded in TLNPs and particle characterization was conducted to confirm specific targeting ability and stimulus-responsive drug release of TLNPs.
자가조립 나노입자의 개발은 표적지향형 암치료와 유전자 전달에 이용될 수 있다. 현재, 표적화 특성이 가미된 LBL형태의 자가조립 나노입자는 치료와 유전자 전달에 응용되어 왔다. 본 학위논문에서는 pH1N1 유전자 백신, 커큐민, Akt-1 siRNA 전달을 위해서 PLGA (poly lactic-co-glycolic acid)를 기반으로한 PEI가 적용된 양이온성 나노입자를 정전기적 인력에 의해 제조하였고, 추후 HA-Zein 나노젤이 개발 되었다.
Chapter 2에서는 PLGA/PEI 나노입자가 코팅된 마이크로니들을 이용하여 피내 pH1N1 유전자 백신 전달 플랫폼을 개발함으로써 체액성 면역반응을 상승시키는 연구를 진행하였다. 스텐레스 마이크로니들의 코팅 효율을 높여주기 위해서 silanization을 통해 표면 친수성을 향상되었다. 유전자 백신이 로딩된 polyplex가 코팅된 마이크로니들은 6:1 NP ratio에서 최대의 유전자 전달 효율을 보여준 조건을 사용하여 준비되었다. 코팅된 나노입자는 5분이내에 돼지피부 모델에 분산이 되었고 pH1N1 유전자백신을 마이크로니들로 전달한 경우나 polyplex를 근육접종방법으로 전달한 경우와 비교하여 polyplex를 마이크로니들로 전달한 경우에 가장 높은 체액성 면역반응을 유도할 수 있었다. 이러한 결과들은 나노입자와 마이크로니들을 이용한 피내 유전자 백신전달이 효과적인 잠재력을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
Chapter 3에서, 본 연구진은 천연물질로 부터 얻어진 커큐민 항암제를 전달할 수 있는 Zein과 히알루론산의 가교형태인 HA-Zein 나노젤을 개발하였다. 나노젤의 사이즈, 안정성, 세포친화성을 분석하기 위한 In-vitro 연구는 그들이 세포에 매우 친화적인 특성을 가지고 있다는 사실을 보여주었다. CD44+ve 세포인 CT26 대장암 세포는 HA-Zein 나노젤을 처리하였을때 과량의 HA를 처리한 CT26 세포그룹과 비교하여 세포내 섭취작용이 월등하고 선택적인 세포내 섭취가 일어난다는 사실을 검증하였다. 커큐민이 탑제된 HA-Zein 나노젤은 정상세포와 비교하여 CT26 대장암 세포에서 더욱 높은 세포독성을 보여주었다. 유세포 분석기를 통한 세포자살 테스트를 통해 추가적으로 HA-Zein-CRC 나노젤이 CT26 세포에 특이적인 항암효과를 높게 보인다는 것을 검증하였다. 세럼 안정성 조사를 통해 HA-Zein나노젤의 혈액내 안정성이 Zein 나노젤과 비교하여 월등히 높다는 것을 알 수 있었으며, 이는 나노젤의 혈액내 순환성이 높고 이전에 보고된 리포트와 비교하여 낮은 커큐민으로도 높은 항암효과를 기대할 수 있도록 하였다. 따라서 사전 동물 실험에서 HA-Zein 나노젤은 소수성 약물을 전달할 수 있으며 이는 치료효과를 높이는데 도움이 될 수 있었다.
Chapter 4에서는 커큐민과 Akt-1 siRNA를 동시에 전달 함으로써 항암효과를 높일 수 있는 PLGA/ssPEI/HA의 삼중층 형태의 나노입자가 개발되었다. PLGA/PEI 나노입자는 세포친화성과 유전자 전달효율을 높일 수 있는 비바이러스성 벡터로써 보고가 되어왔다. 하지만, bPEI(25kDa)는 신장필터와 비교하여 높은 분자량을 가지기 때문에 체내에서 제거될 수 없으며 강한 양전하로 인해서 높은 세포독성을 가진다. 따라서, 이황화결합으로 가교된 PEI (ssPEI)가 bPEI(25kDa)을 대체할 수 있는 양이온성 고분자로 고려되었다. 커큐민과 Akt-1 siRNA는 삼중층 형태의 나노입자에 탑재되었으며 표적지향 약물전달 특성과 자극-반응형 약물 방출 특성 분석이 시행되었다.
