Intractable or incurable diseases refer to neoplastic, inflammatory, fibrotic, or autoimmune disorders that are difficult to treat with the established treatment means. While approximately 80% of incurable diseases are genetic disorders, some prevalent incurable conditions like pulmonary fibrosis (PF) and psoriasis affect many patients worldwide. Because these diseases have high mortality and recurrence rates, more often than not these conditions deteriorate the quality of life of the patients and their families. In order to address these problems that people face, many industry and academic entities put an effort to develop novel therapeutic agents but it was not very successful.
In chapter 1, the current clinical challenges against pulmonary fibrosis and psoriasis will be discussed. In addition, the pathogenic role of signal transduction and activator 3 (STAT3) and reactive oxygen species (ROS) in the aforementioned diseases will be addressed. Lastly, nanomedicine used in the following studies will be introduced: Aptamer-mimicking peptide (Aptide) targeting STAT3 (APTstat3-9R) and bilirubin nanoparticles (BRNPs).
In chapter 2, the development and therapeutic evaluation of STAT3-targeted peptides formulated with biomimetic lipid components against PF are demonstrated. The STAT3 pathway is vastly related to the pathogenesis of PF, evidenced by highly expressed phosphor-STAT3 in the lungs of PF patients. To specifically target STAT3 to hinder the progression of PF, the novel APTstat3-9R was utilized in a preclinical model of PF. Furthermore, the formulation of APTstat3-9R with biomimetic lipid elements yielded disc-shaped lipid nanocomplexes (APTstat3-9R@DLNPs), which displayed significant improvement in the lung delivery of APTstat3-9R through endogenous lung barrier and exerted encouraging therapeutic outcomes. The demonstrated works suggest that a non-invasive intratracheal delivery of APTstat3-9R@DLNPs may be a promising approach in treating PF.
In chapter 3, BRNPs were used to suppress the progression of pulmonary fibrosis. Recently reported evidence proposes that bilirubin, an endogenous molecule that is a metabolite of heme, retains antioxidative and immunomodulatory effects. Nevertheless, pre-clinical and clinical applications using bilirubin were challenged due to its innate hydrophobicity. To address this, we have recently developed hydrophilic bilirubin by conjugating polyethylene glycol (PEG) to bilirubin, and the resulting amphiphilic molecule tends to form nanoparticles (BRNPs) in an aqueous solution. In a pre-clinical model of pulmonary fibrosis induced by bleomycin, systemically administered BRNPs were preferentially accumulated in the inflamed lungs and exerted a cytoprotective effect by lowering local oxidative stress. Furthermore, as a result of ROS downregulation, lungs of PF-induced animal subjects showed reduced immune cell infiltration, activation of macrophages, differentiation of epithelial cells and fibroblasts to myofibroblasts, and secretion of fibrosis-related cytokines. Collectively, BRNPs can be a viable option for PF for which there are currently limited treatments.
In chapter 4, using the BRNPs used in chapter 3, the therapeutic effect and its mode of action were confirmed in psoriasis, an autoimmune skin disease. Psoriasis is reported to be predominant in all age groups and is known to be prevalent in at least 125 million individuals globally. Immunosuppressants and antihistamines are mostly used for managing the symptoms of the disease, but owing to the nature of recurrence, repetitive administration of these drugs can result in severe adverse effects. Based on the findings that oxidative stress within activated keratinocytes initiates the pathogenic loop of psoriasis, endogenous bilirubin-based antioxidative nanomedicine, BRNPs were topically applied on the psoriatic lesions for evaluation. BRNPs effectively infiltrated through the damaged skin barrier and reached the epidermis layer. BRNPs localized in the inflammation site effectively reduced the excess ROS and subsequent release of inflammatory chemokines and cytokines. As a result, local immune cell infiltration, maturation of antigen presenting cells (APCs), and differentiation of naïve CD4+ T cells to helper T cells were hindered. These findings emphasize the probability of BRNPs as a novel therapeutic agent that can alleviate the symptoms of psoriasis and other chronic skin diseases.
난치성 질환은 현재 확립된 치료적 수단이 없어 치료가 어려운 종양성, 염증성, 섬유성 또는 자가면역성 질환들을 일컫는다. 이러한 난치성 질환들의 약 80퍼센트가 유전 질환이지만 폐섬유화증 및 건선과 같이 일부 전세계적으로 만연해 있는 질병 또한 현재 효과적인 치료제가 없어 난치병으로 구분되고 있다. 이러한 질병들은 사망률과 재발률이 높기 때문에 환자들과 그 가족들에게 신체적, 경제적, 정신적으로 적지 않은 영향을 미치는 경우가 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 산업계와 학계에서 치료제 개발에 노력을 기울이고 있지만 그다지 성공적이지 못했다.
1장에서는 난치성 섬유화 및 염증성 질환인 폐섬유화증과 건선에 대한 현재 임상에서의 한계와 STAT3 및 활성산소종 (ROS)이 폐섬유화증과 건선에서 어떠한 병원성 역할을 담당하는지 다룰 것이다. 또한, 앞으로 소개될 연구에서 STAT3의 활성화와 과다 분비된 활성산소종을 억제하는 약물로써 사용된 STAT3 표적 펩타이드 (APTstat3-9R)와 빌리루빈 기반의 나노메디신 (BRNPs)을 소개할 것이다.
2장에서는 생체모방 지질 성분으로 제형화된 APTstat3-9R의 개발 및 폐섬유화증 모델에서의 효능 평가를 하였다. 폐섬유화증 환자의 폐에서는 인산화된 STAT3가 고도로 발현된다. 이처럼 STAT3가 폐섬유화증의 발병/발달 기전과 크게 관련되어 있다는 사실에 기반하여, STAT3를 표적으로 하여 폐섬유화증의 진행을 억제하기 위한 방법으로 APTstat3-9R을 활용해 전임상 모델에서 치료 효과를 보고자 하였다. APTstat3-9R의 기관 전달 효율을 높이기 위해, 생체모방 지질 요소를 이용하여 디스크 형태의 지질 나노복합체 (APTstat3-9R@DLNP)를 만들었으며, 이는 약물 전달의 효율을 떨어뜨리는 장벽인 폐계면활성제를 효율적으로 침투하여 약물 전달 효율을 상당히 개선시키며 고무적인 치료 결과를 보여주었다. 따라서, APTstat3-9R@DLNP의 비침습적 기관내 전달이 폐섬유화증에서 새로운 치료 전략이 될 수 있음을 제시하였다.
3장에서는 폐섬유화증의 대체적 치료적 접근으로 BRNPs를 활용해 폐섬유화증의 진행을 억제하였다. 최근 여러 연구 자료에 의하면 헴 (Heme)의 대사산물인 빌리루빈이 뛰어난 항산화 및 면역 조절 효과를 가지고 있음이 제시되었다. 그럼에도 불구하고, 빌리루빈은 물에 잘 녹지 않는 소수성을 띄고 있기 때문에 전임상 및 임상에서의 활용이 제한되어왔다. 이를 극복하기 위해 본 연구실은 최근 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)이 접합된 친수성 빌리루빈을 개발하였으며, 생성된 양친매성 분자는 수용액에서 나노입자의 형태로 자가 조립되는 경향을 갖고 있다. 블레오마이신에 의해 유도된 폐섬유증의 전임상 모델에서 혈관 주사된 BRNPs는 염증이 있는 폐에 우선적으로 타겟팅되어 국소적으로 산화 스트레스를 낮추며 세포 보호 효과를 발휘했다. 또한, 활성 산소 소거의 결과로 폐섬유증이 유도된 폐에서 면역 세포의 침윤, 대식세포의 활성화, 상피 세포 및 섬유아 세포의 근섬유아세포로의 분화가 억제되었다. 이를 통해, BRNPs는 현재 제한된 치료만 가능했던 폐섬유화증의 새로운 치료 전략으로서 그 가능성을 제시했다.
4장에서는 3장에서 사용한 BRNPs를 활용하여 자가면역 피부질환인 건선에서 그 치료효과를 확인하였다. 건선은 남녀노소 구분없이 만연해 있으며 전세계적으로 최소 1억명 이상이 앓고 있는 질병으로 알려져 있다. 현재 면역억제제와 항히스타민제가 건선 증상을 억제하는 약물로서 처방되어 왔는데, 이러한 약물들은 재발적 특성을 갖고 있는 건선에서 오랜 기간 반복적으로 투여될 경우 면역 저하와 같은 심각한 부작용을 초래할 수 있다. 활성화된 각질형성세포 내의 산화 스트레스가 건선의 발병을 유발한다는 점에 기초하여, 항산화 특성을 갖고 있는 빌리루빈 기반의 나노메디신을 건선 병변에 국소 도포하여 효능을 평가하였다. BRNPs는 손상된 피부 장벽을 통해 효과적으로 침투하여 표피층까지 도달하였고, 염증 부위에 과도하게 형성된 활성산소와 염증성 케모카인 및 사이토카인의 방출을 효과적으로 감소시켰다. 그 결과, 면역 세포의 침윤, 항원제시세포의 성숙, CD4+ T 세포의 헬퍼 T 세포로의 분화가 억제되었다. 이러한 발견은 건선뿐만 아니라 기타 만성 피부 질환의 증상을 완화할 수 있는 새로운 치료제로서 BRNPs의 가능성을 시사한다.
