Targeted drug delivery is being focused in cancer research due to its advantages of limiting the side effects during treatment. Multivalence of targeting ligands decorated on the surface of nano-carriers plays an important role in the efficiency of selective cellular uptake and anti-cancer activities. Among many kinds of nano-carriers, oil-in-water nanoemulsions stabilized by the self-assembly of amphiphilic copolymers are the ones of the best candidates by far for encapsulation of hydrophobic drugs which occupy the majority of cancer chemotherapy. The purpose of this thesis is to develop an advanced delivery system for hydrophobic anti-cancer drugs with high avidity of targeting ligands, incorporating with diagnostic hydrophobic oil which also act as delivery phase for hydrophobic drug.
To achieve the goal, we first performed the investigation on increasing the stability of oil-in-water nanoemulsions using the FDA-proof biocompatible amphiphilic polymers mPEG-b-PCL, by two means of modifications on hydrophobic block and on hydrophilic block. The modifications on hydrophobic block were the decrease of crystallinity by adding certain percentages of lactic units among Caprolactone units, in diblock copolymer mPEG-b-PCLL and in triblock copolymer PCLL-b-PEG-b-PCLL. The decreased crystallinity was expected to increase the wettability of hydrophobic block into the core oil, thus decrease the dynamic size of nano-droplets and increase the stability of nanoemulsions. The results showed that incorporation of lactide in hydrophobic blocks indeed increased the stability of nanoemulsions, especially in diblock copolymer mPEG-b-PCLL with the non-polar hydrophobic oil (liquid paraffin). However, highly reduced crystallinity in triblock copolymer PCLL-b-PEG-b-PCLL was unsuccessful in stabilization of nanoemulsions under harsh physical stress such as freeze-thaw cycles, suggested that a certain degree of crystallinity is critically important for the structure robustness of nanoemulsions.
The modification on hydrophilic block were the substitution of PEG block by the linear polyglycerol (PG) block with highly increased hydrophilicity and modification sites. With the chemical structure of backbone chain similar to PEG, PG were the excellent candidate for stabilization of the drug loaded nanoemulsions. Moreover, with the terminated adjacent hydroxyls (vicinal diols), PG allows the facile and stable formation of covalent bonding with boronic ester, thus open new method for conjugation with targeting ligands to a high concentration. By far the concentration of targeting ligands which connected to PEG chains on the surface of nano-carriers reach 12%. In this project, we achieved the nanoemulsions with 21% of targeting ligands on each nano-droplets. In this project, lipiodol, a diagnostic oil for enhance the contrast of computed tomography image, was used in the core as drug delivery phase. Drug loaded lipiodol nanoemulsions stabilized by PG-b-PCL had size between 150-175 nm, encapsulated 3 wt-% of paclitaxel, and was stable in solutions containing salt and high concentration of proteins for over a week. The nanoemulsions incorporated with targeting ligands on the surface show significant increase in cellular uptake in vitro and excellent anti-cancer activity in vitro with the toxic concentration LD50 at smaller than 3 ng/mL. In vivo study showed that our highly multivalent targeting system effectively inhibit the growth of tumor at a treatment dose 4 times lower than that of available commercial drug (5 mg/kg compared to 20 mg/kg of Taxol). In vivo bio-distribution study showed that the drug loaded nanoemulsions accumulated mainly in the tumor and had no toxic to other internal organs. This study suggested that PG is a very promising corona polymer for the effective stabilization and multivalent functionalization of nano-carriers for tumor-targeted delivery of therapeutic and imaging agents.
대상 약물 전달은 치료 중 부작용을 제한함으로써 얻을 수있는 이점 때문에 암 연구에 중점을두고 있습니다. 나노 촉매 표면에 장식 된 타겟 리간드의 다양성은 선택적 세포 흡수 및 항암 작용의 효율성에 중요한 역할을합니다. 많은 종류의 나노 운반체 중에서, 양친 매성 공중 합체의 자기 조립에 의해 안정화 된 수 중유 나노 에멀젼은 대부분의 암 화학 요법을 설명하는 소수성 약물의 캡슐화를위한 최상의 후보 중 하나이다. 이 논문의 목적은 소수성 약물의 전달 단계로도 작용하는 진단용 소수성 오일과 함께 표적 리간드의 높은 결합 친화도를 갖는 소수성 항암제에 대한 선행 전달 시스템을 개발하는 것이다.
목표를 달성하기 위해 FDA가 보호 한 생체 적합성 양쪽 성 폴리머 mPEG-b-PCL을 소수성 블록과 친수성 블록의 두 가지 변형 방법으로 사용하여 오일 - 물 나노 에멀젼의 안정성을 향상시키는 방법에 대한 연구를 수행했습니다. 소수성 블록에 대한 변형은 카프로 락톤 단위, 디 블록 공중 합체 mPEG-b-PCLL 및 트리 블록 공중 합체 PCLL-b-PEG-b-PCLL에서 일정량의 락틱 단위를 첨가함으로써 결정 성이 감소하는 것이다. 감소 된 결정 성은 코어 오일에서 소수성 블록의 습윤성을 증가 시켜서 나노 입자의 동적 크기를 감소시키고 나노 에멀젼의 안정성을 증가시키는 것으로 기대된다. 그 결과 비극성 소수성 오일 (유동 파라핀)을 사용하는 디 블록 공중 합체 mPEG-b-PCLL에서 소수성 블록에 락 타이드를 도입하면 나노 에멀젼의 안정성이 증가하고 나노 에멀젼의 안정성이 증가한다는 것이 발견되었다. 그러나, 동결 융해 사이클과 같은 거친 물리적 응력 하에서 트리글 리코 폴리머 PCLL-b-PEG-b-PCLL의 결정화 정도는 나노 에멀젼을 안정화시키지 못했고, 어느 정도의 결정화도는 나노 에멀젼의 구조 견고성에 결정적이었다.
친수성 블록으로의 변경은 PEG 블록을 선형 폴리 글리세롤 (PG) 블록으로 대체하는 것으로서 친수성 및 개질 부위를 크게 증가시켰다. PEG와 유사한 백본 사슬 (backbone chain)의 화학 구조로 인해, PG는 약물 로딩 된 나노 에멀젼의 안정화를위한 훌륭한 후보자였다. 더욱이, 말단에 인접한 히드 록실 (인접한 디올)과 함께, PG는 보론 산 에스테르와의 공유 결합을 쉽고 안정하게 형성하여, 고농도의 표적 리간드와 접합시키는 새로운 방법을 열어 준다. 지금까지, 나노 촉매의 표면상의 PEG 사슬에 연결된 타겟 리간드의 농도는 12 %이다. 이 프로젝트에서는 나노 버블마다 21 %의 타겟 리간드가있는 나노 에멀젼을 만들었습니다. 이 프로젝트에서 리피 오돌 (lipiodol)은 컴퓨터 단층 촬영 이미지의 대비를 향상시키고 약물 전달 단계의 핵심으로 사용되는 진단 오일입니다. PG-b-PCL에 의해 안정화 된 약물 부하 된 리피 돌 나노 에멀젼은 크기가 150-175 nm이고, 파클리탁셀 3 중량 %를 캡슐화하고, 소금 및 고농도의 단백질을 함유하는 용액에서 1 주일 이상 안정화시켰다. 표면 상에 통합 된 표적 리간드를 갖는 나노 에멀젼은 3 ng / mL 미만의 독성 농도 LD50을 가지며, 시험 관내 세포 섭취 및 우수한 시험 관내 항암 활성을 현저하게 증가시킨다. 생체 내 연구는 우리의 다가 표적화 시스템이 상업적으로 판매되는 약물 (탁솔 5mg / kg 대 탁솔 20mg / kg)보다 4 배 낮은 치료 용량으로 종양 성장을 효과적으로 억제 함을 보여주었습니다. 생체 내 생체 분포 연구는 약물 로딩 된 나노 에멀젼이 주로 종양에 축적되어 다른 내부 장기에 독성이 없다는 것을 보여 주었다. 이 연구는 PG가 치료제 및 조영제의 종양 표적화를위한 나노 입자의 효과적인 안정화 및 다가의 기능화를위한 매우 유망한 코로나 폴리머임을 시사한다.