Phytosphingosine grafted poly (L-amino acid)-derivatives were synthesized and their various self-assembled structures were studied as carriers for anticancer drugs and phytosphingosine itself. By controlling the grafting ratio of phytosphingosine to poly (L-amino acid)-derivative backbone polymers, self-assembled structures of diverse morphology were prepared and their unique self-assembling behavior was studied. The objective of this thesis was to design the adequate self-assembled structures to efficiently deliver anticancer drugs and phytosphingosine and to enhance anticancer therapeutic actions of phytosphingosine.
In chapter 2, a series of poly (2-hydroxyethyl L-aspartamide)-g-phytosphingosine, PHEA-$\it{g}$-PHS with different degree of substitution (DS) of PHS, was prepared and their self-assembling behavior was investigated. Spherical micelle-like aggregates was identified for physical delivery of phytosphingosine with optimized physicochemical properties including a uniform and nanoscopic size, low critical aggregation concentration, enhanced kinetic stability, and high loading capacity of drug, which were characterized with DLS, TEM, and fluorescence spectroscopy. For application as intracellular drug carriers, the uptake mechanism of polymeric micelle-like aggregates and phytosphingosine loaded ones were studied with confocal laser scanning microscopy and flow cytometery. Polymeric micelle-like aggregates from PHEA-$\it{g}$-PHS was effectively localized in the entire cytososol even though they do not have any ligands specifically to interact with the cells on their surface. The uptake studies at endocytosis inhibition conditions suggested that the internalization of the aggregates was temperature and energy-dependent process and the colocalization of endosomes-specific marker confirmed the mechanism of uptake is to be endocytosis. The uptake of the aggregates was increased with incubation time and concentration of polymers. The trafficking studies of physically loaded rhodamine B conjugated-phytosphingosine in the micellar core showed it was effectively delivered into the cytosol by carriers with temperature- and energy-dependent uptake mechanism. In addition, the solubilization of phytosphingosine by polymeric micelle-like aggregates enhanced the cytotoxicity comparable to the level of free phytosphingosine delivered.
In the second part, phytosphingosine was grafted to the poly (L-aspartic acid), an enzymatically degradable polymer by a cathepsin D overexpressed in lysosomes of various kinds of tumors. By controlling the number of phytosphingosine, various self-assembled structures of different morphology including spherical, cylindrical, worm-like, and vesicular aggregates, were formed in aqueous milieu by direct dissolution or thermodynamically controlled dialysis method. Their structure was identified with TEM and AFM. The physicochemical properties of extremely water soluble spherical and worm-like micellar aggregates were investigated with DLS, fluorescence spectroscopy. The intracellular uptake of these prodrug-type nanocarriers was investigated by confocal laser scanning microscopy and flow cytometry. The uptake of the aggregates was increased with incubation time for both spherical and worm-like micellar aggregates although the extent of uptake was not significant as that from PHEA-$\it{g}$-PHS system due to their negative surface charge. However, the therapeutic effect of the internalized proapoptotic carriers was effective as evidenced by MTT assay for long-term incubation time. In addition, the apoptotic evidences such as membrane blebbing, nuclear condensation/fragmentation, increased sub G1 population of DNA, and phosphatidyl translocation.
본 연구에서는 다양한 폴리아미노산 유도체에 파이토스핑고신이 그라프팅된 양친성 고분자를 설계하고 합성하여 이들을 파이토스핑고신의 물리적 전달 혹은 화학적 전달에 효과적으로 이용하기 위하여 세포 내 전달체로써의 응용에 대하여 연구하였다. 사용된 고분자의 효과적인 분자 수준에서의 설계와 적절한 자기조립 방법의 적용에 의해 20 nm이하의 폴리머 마이셀형 구조체와 실린더, 웜형, 그리고 베시클의 다양한 자기회합체의 구조 제어가 가능하였으며, 이들을 이용하여 약물전달체로서의 효과를 높일 수 있었다.
제 2장에서는, 소수성의 파이토스핑고신을 생체적합성이 뛰어난 poly (2-hydroxyethyl L-aspartamide)에 접목시킴으로써 수용액상에서 수십 나노수준의 구형 마이셀과 같은 자기회합체를 형성하였다. 파이토스핑고신의 접목도 (DS, degree of substitution)에 따라 수용액상에서의 크기 및 크기 분포도, 임계 자기회합농도 (CAC, critical aggregation concentration), pyrene의 마이셀에서의 평형분포상수 등의 이화학적 물성이 변화하는 것을 관찰하였으며, 또한 이에 따라 실질적으로 소수성 모델의 봉입률이 증가하는 것을 통해, 최적화된 마이셀을 형성하는 고분자 조성을 구할 수 있었다. 이를 세포 내 파이토스핑고신의 전달체로 이용하기 전에 이들의 전달 매커니즘을 다양한 세포 배양 조건에서 살펴보았으며, 비특이적 엔도사이토시스가 지배적인 전달체의 세포 내 전달 메커니즘이며, 리간드를 도입하지 않은 전달체임에도 불구하고, 효과적으로 세포 내로 전달되는 것을 공초점 현미경, 유세포 분석기 등을 통해 분석하였다. 이러한 전달체는 물리적으로 파이토스핑고신을 봉입시켜 세포 내로 전달시키는 경우, 파이토스핑고신 자체를 기존의 유기 용매를 매개로 전달시킨 경우와 비슷한 정도의 향상된 항암 특성을 보였다.
제 3장에서는 암 세포내 과발현 효소에 의한 선택적 분해를 통해 전달 선택성이 부여된 전구 약물형 (prodrug-type)의 poly (L-aspartic acid)기반의 파이토스핑고신이 그라프팅된 양친성 고분자를 합성하고, 이 역시 그라프트의 접목도를 조절하여, 2장에서 얻을 수 없었던 다양한 구형, 실린더, 베시클 등의 나노구조체를 제조하였다. 이들 나노구조체는 각각의 화학적 성질에 따라 적합한 자기회합 유도를 통하여 제조되었으며, 이 중 수용액 상에서 뛰어난 용해도 및 안정성을 보이는 구형, 실린더 혹은 웜형 마이셀의 물리 화학적 물성을 형광광도계, 동적산란법 등을 통해 분석하였다. 특히 웜형 마이셀의 경우 모폴로지 연구를 통해 이들의 길이는 수 $\mum$에 해당하며, 직경은 약 10 nm에 해당하는 필라멘트형 웜형 마이셀이라는 것을 투과전자현미경과 원자현미경을 통해 알아내었다. 구형의 마이셀과 달리 웜형의 경우, 소수성 약물 봉입도가 약 6배에 달해 세포 투과도를 증진시키는 경우, 기존의 전달체에 비해 항암 효과를 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 이들 두 가지 나노구조체를 이용하여 유방암 세포주에 대한 항암 특성을 살펴보았다. 특히 그라프팅된 파이토스핑고신의 세포 사멸 메커니즘을 분석하기 위하여 광학현미경을 통한 세포의 모폴로지 변화 및 세포 표면의 접착 분자 손실에 의한 모폴로지 변화 및 수축, 표면으로부터의 탈착을 관찰하였다. 형광현미경을 통해 핵의 응축 및 절단, 유세포 분석기를 통해 phosphatidylserine의 세포막 외곽으로의 비이상적 노출 검출, DNA 양의 검출을 통한 sub G1 population 산출을 통해 apoptosis에 의해 세포가 사멸하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 파이토스핑고신의 물에 대한 용해도 증가를 통한 전달체 개발외에 암세포에 과발현되어 있는 cathepsin D에 의한 주쇄의 분해를 유도함으로써 새로운 전구형 약물 전달체를 제조한 것이므로, 파이토스핑고신의 생체이용률의 향상과 더불어 in vivo에서도 여타 전달체에 비해 뛰어난 항암 특성을 보일 것으로 예상된다.
