Development of an artificial helical polypeptide has a remarkable attention to biomedical fields because an artificial helical polypeptide provides various biomedical applications such as delivery agent and peptide therapeutic. In this thesis, new artificial helical polypeptide were developed for cancer targeting and therapy.
In chapter 2, helical peptides are naturally-occurring ordered conformations that mediate various biological functions essential for biotechnology. However, it is difficult for natural helical polypeptides to be applied in biomedical fields due to low bioavailability. To avoid these problems, synthetic alpha-helical polypeptides have recently been introduced by further modifying pendants in the side chain. In spite of an attractive biomimetic helical motif, these systems cannot be tailored for targeted delivery mainly due to nonspecific binding events. To address these issues, we created a conformation-transformable polypeptide capable of eliciting a pH-activated cell-penetrating property solely at the cancer region. The developed novel polypeptide showed that the bare helical conformation has a “stealth” function at physiological conditions while the pH-induced helical motif provided an active cell-penetrating characteristic at a tumor extracellular matrix pH. The unusual conformation-transformable system can elicit bioactive properties exclusively at the desirable site, thereby accomplishing “unprecedented cancer-guided systems”.
In chapter 3, An artificial cationic helical peptide possessed the enhanced cell-penetrating property. However, the cell-penetrability was not converted by cellular environmental changes, resulting in nonspecific uptake. In this study, pH-sensitive anion-donating group were introduced in the helical polypeptide to simultaneously attain tumor targeting and pro-apoptotic activity. The mitochondria-destabilizing helical polypeptide undergoing pH-dependent conformational transitions selectively targeted cancer cells and then, disrupt the mitochondrial membranes, thereby provoking apoptosis. This work suggests a promising peptide therapeutic systems for cancer therapy.
In chapter 4, Perturbation of potassium homeostasis can affect various cell functions, and lead to the onset of programmed cell death. In this study, an artificial potassium ion-depleting helical polypeptide can disturb potassium electrochemical gradient, thereby initiating the onset of cell death-mediated signaling. The unbalance of potassium electrochemical gradients provokes endoplasmic reticulum stress resulting from activated calcium signaling. Stressed endoplasmic reticulum fosters the amplified oxidative conditions and strongly promoted apoptotic-signaling pathways, resulting in the exacerbation of various cell functions. This study provides the first experimental evidence that a potassium homeostasis-perturbing polypeptide strongly suppresses various cell functions.
인공 나선 폴리펩타이드는 의공학 분야에서 적용가능성이 다양하기 때문에 큰 각광을 받고있는 생체재료이다. 특히, 유전자 전달 또는 펩타이드 치료제로 주로 사용되고 있다. 본 학위 논문에서는, 암 표적과 치료가 동시에 되는 새로운 인공 폴리펩타이드를 설계했다.
Chapter 2에서는 pH 자극에 민감한 알파 나선 폴리펩타이드를 설계했다. 폴리펩타이드 곁사슬 내에 양이온성을 갖는 관능기와 pH 자극에 민감한 음이온성을 갖는 관능기가 동시에 존재한다. 중성 pH에서는 음전하와 양전하가 동시에 존재하기 때문에, 정전기적 인력이 우세하여, 낮은 알파 나선 구조를 띄게된다. 하지만, 낮은 pH에서는 많은 음이온성 관능기들이 Protonation이 되어 소수성으로 바뀌게 되어, 정전기적 인력과 정전기적 척력이 균형을 이루기 때문에, 높은 알파나선 구조를 가지게 된다. 이러한 특징을 이용하여, 낮은 pH에서만 세포 투과성을 갖는 인공 폴리펩타이드를 개발했다. pH자극에 구조가 변하는 알파 나선 폴리펩타이드를 암세포 표적에 이용했고, 세포 실험을 통하여, 낮은 pH에서만 세포 투과성을 갖음을 확인했다. 본 연구에서 개발한 pH 민감성 알파 나선 폴리펩타이드는 암세포에 표적이 가능한 생체재료로 활용 가능하다.
Chapter 3 에서는 Chapter 2의 응용 연구로 암 표적과 치료가 동시에 가능한 새로운 pH 민감성 알파나선 폴리펩타이드를 설계했다. 폴리펩타이드의 곁사슬 내의 정전기적 상호작용을 조절해서, 중성 pH에서는 정전기적 인력으로 인하여, 낮은 알파 나선 구조를 갖다가 낮은 pH에서는 정전기적 인력이 없어져서 높은 알파나선 구조를 갖게된다. pH 자극에 활성화된 알파나선 폴리펩타이드는 암세포를 선택적으로 투과한 다음 미토콘드리아에 큰 피해를 줘서 자가사멸을 유도한다. Circular dichroism spectrometry를 이용해서 pH변화에 따라서 폴리펩타이드의 구조가 변화되는 것을 확인했다. 세포 실험을 통해서, pH 변화에 따라 선택적 세포투과성을 확인했고 더 나아가 미토콘드리아에 표적이 되는지 규명했다. 미토콘드리아를 표적 후에 큰 피해를 주어서, 자가사멸이 효과적으로 유도가 되었다. 암세포를 쥐에 이식하여, 동물 모델에서도 표적과 치료가 동시에 되는지 실험을 수행했는데, 암 표적능이 매우 우수하며 또한 항암효과 또한 뛰어났다. 본 연구에서 개발한 폴리펩타이드 치료제는 표적과 치료가 동시에 가능한 융합 생체재료로 사용가능하다.
Chapter 4 에서는 이온 수송능력을 갖은 알파 나선 폴리펩타이드를 합성하여 세포 내의 이온 항상성을 깨뜨려서 자가사멸을 유도하는 연구를 수행했다. 폴리펩타이드 곁사슬에 칼륨과 친화력이 강한 18-crown-6 ether를 결합시켜서, 세포 내의 칼륨 이온을 고갈시킬 수 있게 설계했다. 이 폴리펩타이드는 세포 내에 들어가서, 칼륨 항상성을 깨드리게 된다. 이온 항상성이 깨지게되면, 세포 자가사멸 신호가 활성화 된다. 세포 실험을 통해서, 칼륨 항상성이 깨지게 되면 칼슘 신호가 활성화되어 세포 내에 칼슘 이온 농도가 높아지게 된다. 높아지 칼슘 농도로 인해서, 세포 내의 활성산소 농도가 높아지게 된다. 강력한 산화 조건은 미토콘드리아 큰 피해를 입히게 되어 자가사멸 신호를 활성화 시킨다. 이러한 자가사멸은 소포체 스트레스로부터 유래된다고 판단되어서, 소포체 스트레스에 중요한 Unfolded protein response를 규명했다 (IRE1α, ATF6, PERK). 결론적으로, 이온 항상성이 깨지게 되면, 소포체에 스트레스를 가하고, 산화조건을 야기시켜서 자가사멸 신호를 활성화 시킨다. 이러한 이온 항상성 교란 폴리펩타이드는 강력한 자가사멸 유도제로 사용가능하다.
본 박사 학위 논문에서는 새로운 인공 나선 폴리펩타이드를 설계해서, 암 표적과 치료할 수 있는 생체재료로 적용가능성을 검증했다. 암 치료 체계뿐만 아니라 의공학적인 관점에서 봤을 때, 여러 가지 기능을 부여할 수 있는 생체 적합 소재이기 때문에 다양한 분야에 적용할 수 있다.
