Malignant brain tumor (MBT), especially glioblastoma multiforme, is one of the most perplexing diseases which is regarded as incurable, up to the present. Standard treatment modalities of MBTs are surgical resection and following concurrent chemoradiation, but pro-longed mean survival of patients is limited up to 12-15 months. Accordingly, various alternatives have been introduced and developed to advance outcome. Theranosis is a combined concept of diagnosis and therapy. Because of the extent of removal and reduction of MBT decisively determine prognosis of the patients, and theranosis is able to maximize the performance of surgery, theranosis for MBT is in the limelight.
Considerations to achieve enhancement of theranostic efficiencies are a good many, but one of the crucial factors that influence the results is drug delivery of theranostic agents to MBT. Nanomedicine is an emerging field that aspire toward innovative improvement of pharmacokinetics of a drug. Polymeric micelle, a nanocarrier, is suggested as an effective drug delivery system (DDS) for drug-hypopermeable cancers. Because of the presence of blood-brain or blood-brain tumor barriers in MBTs, fenestration size and permeation of a drug in MBTs are even more restricted than other cancers. So, I considered polymeric micelle as a good candidate DDS for the usage on theragnosis of MBT.
I am trying to investigate possibility of polymeric lipid-based micelle, a nanoscale DDS, as an effective drug delivery method to enhance theranostic efficiency. After brief introduction of this thesis in chapter 1, enhancement of therapeutic efficiency of a drug with engineered polymeric micelles will be discussed in chapter 2. In brief, phototherapeutic sub-12-nm-sized polymeric micelles were engineered, and its therapeutic effects on MBT cells were evaluated. The engineered polymeric micelles enhanced photocytotoxic efficiency more than 2.5-fold in MBT cells, compared with parental and PEGylated drug formulations. With fluorescence imaging and analysis of the co-localization coefficient between intracellular organelles and drug, increased subcellular co-localization of a drug in mitochondria was ob-served, which is relevant to explain about the increment of cytotoxic efficiency.
In chapter 3, accumulation of a drug with DDSs in tumoral tissue was evaluated in vi-vo. Because evaluation of the DDSs within blood-brain tumor barrier existing environment and preservation of the environment to secure relevant temporo-spatial resolution were essential, intravital imaging system with orthotopic xenograft chronic cranial window brain tumor models were established. With intravital two-photon laser scanning microscopy imaging, more than 1.4 fold increased average fluorescence intensity, which regarded as drug concentration, in tumoral tissue was identified with engineered nanocarriers. With the analysis of acquired images, implying findings of enhanced permeability and retention effect of nanocarriers were identified.
In conclusion, enhancement of therapeutic efficiency and increment of drug delivery to MBT tissue were identified with engineered polymeric micelle. The drug used for the evaluations was a photosensitizer, hypericin, which is suggested as a potent candidate agent for the theranosis of MBTs. With consequent results, I expected this polymeric lipid-based micellar nanocarriers may act as an efficient assistant diagnostic and therapeutic modality for the theranosis of MBTs, and spur the application of sub-12-nm micelles for the theranostics.
뇌종양 중 가장 흔한 형태인 교모세포종은, 두개강 내에 발생한 신생물로 그 악성도가 매우 높고 완치가 불가능하다. 공격적인 치료를 받는다 하여도 현대의 의학o기술로는 평균 생존기간을 12-15 개월 정도로 연장하는 것이 한계이다. 다양한 치료법이 개발되고 검증 중인 가운데, 진단과 치료의 복합 개념인 테라노시스는 악성뇌종양에 있어 가장 중요한 예후 결정인자로 사료되는 수술적 치료의 효과를 극대화 할 수 있는 방법으로 사료되고 있다. 특히 광감작제를 이용한 광진단과 광역동치료를 복합한 광-테라노시스는 불분명하고 침투성 경계를 갖는 악성뇌종양을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 방법으로 제시되고 있으며, 임상시험을 통해 괄목한 치료 효과를 입증해 나아가고 있다.
악성뇌종양의 치료의 증진을 가질 수 있는 방법으로 테라노시스를 사료한 가운데, 본 연구는 테라노시스 효율을 향상시키는데 기여할 수 있는 나노약물전달체계의 개발과 검증을 목표로 하였다. 구체적으로, 1) 교모세포종에 특화된 크기의 광-테라노시스 능력을 가진 중합지질 기반 마이셀 구조 (이하 중합마이셀)의 나노약물전달체계의 개발 및 세포치료효능 향상에 대한 검증, 2) 동물의 뇌 실질에 악성뇌종양상태를 구현한 교모세포종-동물모델과 이광자현미경 등의 생체영상기법을 이용해 획득한 정보의 분석을 통하여, 뇌종양 조직 내 나노약물전달체계를 통해 전달된 약물의 실시간 생체 내 약동학 평가를 수행함에 따라, 혈-뇌 장벽과 혈-뇌 종양장벽이 실재하는 뇌 실질에서의 직접적이고 정교한 약물전달체계 효과 대한 평가를 수행할 수 있는 평가방법의 개발과 정립, 3) ‘1)’과 ‘2)’의 결과를 종합하여, 개발한 나노약물전달체계의 교모세포종 진단 및 치료의 적용에 있어서의 적합성에 대한 총괄적인 평가 등을 그 연구내용으로 하고 있다.
첫 번째 장에서는 본 논문에 관한 개괄적인 소개 및 최근 이루어지고 있는 악성뇌종양에 대한 치료로서의 테라노시스와, 테라노시스를 향상시키는데 기여할 수 있는 나노약물전달체계에 대한 연구들의 개괄을 소개하였다. 두 번째 장에서는 위 실험 목표 중 ‘1)’의 내용에 대한 연구로서 테라노시스를 행할 수 있는 광감작제를 포함한 중합마이셀 구조 나노약물전달체계의 제작 및 효용성에 대하여 기술하였다. 제작한 중합마이셀은 12 나노미터 이하의 크기를 가졌으며, 이는 최신 연구와 보고들에 대한 검색과 고찰상 악성뇌종양의 생리적 투과 크기에 합당한 크기로서 약물전달에 높은 효율을 갖게 될 것으로 기대되는 결과였다. 우선적으로 악성뇌종양 세포주 시험관 평가를 통하여, 일반형 또는 페길화형 약물과 중합마이셀을 비교하였을 때 중합마이셀이 높은 함암-광독성 치료효율을 보이며, 이는 개발한 나노약물을 통해 광감작제가 마이토콘드리아에 더 높은 비율로 분포하게 됨에 따라 광독성 치료효율 향상에 기여할 수 있었음을 증명하였다.
세 번째 장에서는 위 실험 목표 중 ‘2)’의 내용에 대한 연구로서 정위-이종이식-두개창 모델과 이광자현미경을 이용한 생체영상분석기법을 확립하고, 개발한 중합마이셀을 이용한 약물 전달 시 같은 약물의 용량을 투여하였을 때 다른 약물형에 비해 뇌종양 조직에서 높은 형광 강도를 획득할 수 있게 됨에 따라, 광-진단 효율 증가를 가질 수 있음을 검증하였고, 시간 종속 생체영상 분석을 통하여 시간적 약물의 분포와 조직 내 농도를 분석한 결과들을 기술하였다. 중합마이셀을 이용하였을 때 일반형 약물은 1 시간 이후 악성뇌종양 조직에서 더 이상의 농도 증가를 보이지 않는 반면에, 중합마이셀은 지속적인 약물 농도의 증가를 보였다. 이는 나노약물이 가진 증진된 투과o보유효과와 함께 약물의 응집 해소에 따른 형광의 회복 및 증가 등의 복합적인 요소에 의한 것으로 사료되었다.
결론적으로, 본 연구는 광진단, 광역동 치료 및 악성뇌종양의 테라노시스 향상을 위한 새로운 형태의 광감작제 개발에 있어 기여를 할 것으로 기대된다.
