Tumor microenvironment-responsive nanomaterials have been extensively developed for enhanced anticancer efficacy by tumor-specific delivery of cancer therapies and protection of cancer drugs from metabolic modification.
In this study, we report computational design of a protein nanocage with pH-responsive disassembly for tumor-specific delivery of protein therapeutics. Bacteriophage P22 virus-like particle (VLP) was computationally designed to disassemble at acidic pH by incorporation of multiple histidine mutations. We evaluated the capability of designed P22 VLP with disassembly in response to acidic pH and spontaneous release of huge amount of various cargo proteins including monomeric enhanced green fluorescent protein (mEGFP) and Pseudomonas exotoxin A (PE24) which are fused to P22 scaffold protein (SP). In vitro cellular uptake and cytotoxic assay demonstrate the potency of designed VLP with pH-controlled delivery of therapeutic proteins under tumor microenvrionmental acidic pH.
With the contribution to in silico protein design, the designed P22 VLP would be highly promising as a protective barrier for encapsulated cargo proteins from exterior undesired conditions as well as an intelligent nanocarrier for tumor-specific delivery of protein therapeutics.
기존 암 치료제의 단점인 부작용과 낮은 안정성을 보완하기 위해 종양 미세 환경에 특이적으로 반응하여 종양 세포로만 선택적으로 표적할 수 있는 약물 전달 물질 개발에 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 생체 적합성을 고려하여 생체 분자인 단백질로 구성된 기능성 자가 조립 구조체 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 그러나 복잡한 조립 기작의 이해 부족으로 정교하게 조립이 조절되는 구조체의 성공적인 설계 사례는 찾아보기 어렵다. 그럼에도, 다양한 약물 적재 및 기능 부여가 용이하다는 점에서 기능성 단백질 구조체의 설계는 필수적이다.
이에, 우리는 자연에 존재하는 자가 조립 단백질 구조체로 바이러스 유사 구조체를 이용하여 종양 미세 환경인 산성 pH에서 특이적으로 조립이 해체되고 종양 세포로만 선택적으로 약물을 전달할 수 있는 단백질 구조체를 컴퓨터 기반으로 설계하였다. 단백질 구조 모델링과 pH에 따른 상호작용 및 안정성의 에너지 변화 계산을 통하여 낮은 pH에서 조립이 해체될 수 있는 단백질 구조체 후보군을 선정하고, 이들의 pH에 따른 조립 조절 능력을 실험적으로 분석하였다. 또한, 실제 종양 미세 환경와 유사한 산성 pH에서 단백질 구조체의 선택적 약물 방출 및 암 세포로의 특이적 약물 전달 효능을 평가하였다.
동물 모델에서의 약물동력학적 분석을 추가한다면, 본 연구에서 설계된 단백질 구조체는 컴퓨터 기반 단백질 설계 연구에 기여를 할 뿐만 아니라, 효과적인 기능성 약물 전달 물질로서 폭넓게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
