A biotin-polyethylene glycol (PEG)-epidermal growth factor (EGF) conjugate was immobilized onto the surface of avidin modified adenovirus (ADV-Avi) via biotin-avidin interaction to deliver ADV specifically to EGF receptor over-expressing cancer cells. ADV-Avi/biotin-PEG-EGF complexes showed greatly enhanced intracellular uptake of ADV particles for an EGF receptor positive cell line (A431 cells), compared to naked or PEG alone immobilized ADV. ADV coding an exogenous GFP gene was used to quantitatively evaluate the level of GFP expression. ADV-Avi/biotin-PEG-EGF complexes also exhibited significantly increased extent of GFP expression for A431 cells, but not for MCF-7 cells (an EGF receptor deficient cell line), suggesting that retargeting of ADV to specific cells occurred by tethering of a cell-specific targeting ligand to the distal end of a PEG chain anchored onto the surface of ADV. This study demonstrates that ADV-Avi/biotin-PEG-EGF construct systems can be applied for cell-specific delivery of ADV with simultaneously reducing innate immune responses.
Polyethylene glycol (PEG) has been chemically immobilized onto the surface of adenoviruses (ADVs) to reduce nonspecific immune response and extend blood circulation time while maintaining the high transduc-tion efficiency of a foreign gene into cells. In this study, ADVs encoding an exogenous green fluorescent pro-tein (GFP) were physically coated with PEG grafted and blocked polyL-lysine (PLL-g-PEG and PLL-b-PEG) copolymers via ionic interactions to comparatively evaluate their gene transduction efficiency. The surface immobilization of ADVs with the two types of PLL-PEG copolymers exhibited significantly increased GFP transduction activity, compared to that of naked ADVs. ADVs coated with PLL-b-PEG showed higher extent of GFP expression than those with PLL-g-PEG under serum conditions. For PLL-g-PEG copolymers, the substitution degree of PEG in the PLL backbone greatly influenced the gene expression level. Additionally, ADVs modified with PLL-b-PEG exhibited greater transduction efficiency for bone marrow derived human mesenchymal stem cells compared to naked or PLL coated ADVs in the serum condition. This study suggests that enhanced ADV gene transduction efficiency can be attained for various cells by simply coating PLL-b-PEG on the surface.
Magnetofection has been utilized as a powerful tool to enhance gene transfection efficiency via magnetic field-enforced cellular transport processes. The accelerated accumulation of nucleic acid molecules by applying an external magnetic force causes the rapid and improved transduction efficiency into the target cells. In this study, we developed magnetite nanocrystal clusters (PMNCs) crosslinked with polyethylenimine (PEI) to magnetically trigger intracellular delivery of small interfering RNA (siRNA). PMNCs were produced by cross-linked assembly of catechol-functionalized branched polyethylenimine (bPEI) around magnetite nanocrystals through oil-in-water (O/W) emulsion and a solvent evaporation method. The physical properties of PMNC were characterized by TEM, DLS, TSA, and FT-IR. Not only the clustering formulation of magnetite nanocrystals exhibited superior saturation of magnetization value, but also their average diameter and uniformly spherical shape promoted suitable internalization into PC3 cells. Magnetite nanocrystal clusters could form nanosized polyelectrolyte complexes with negatively charged siRNA molecules, therefore, efficiently delivered siRNA into cells upon exposure to an external magnetic field within a short time. Our study provides an alternative approach to achieve the delivery system of siRNA based on the magnetically driven transfection.
약물 및 유전자의 전달 시스템이 효율적으로 적용되기 위한 폭넓은 시도가 다양한 연구로 진행되고 있다. 차세대 약물인 단백질, 유전자, 그리고 세포치료제는 높은 특이성을 바탕으로 치료용 목적으로 주목을 받고 있으나, 낮은 생체 활용도, 매우 빠른 반감기, 체내 면역시스템에 의한 효율 저하 등의 단점을 지니고 있기 때문에 효율적인 전달시스템의 개발이 절실하다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 개발된 생분해성 고분자와 나노입자 소재들은 약물 전달 및 유전자 전달에 적합하여 특정 질환 부위에 대한 치료뿐만 아니라 진단을 위한 전달 시스템으로 응용되고 있다. 또한, 유전자 전달 효율성이 뛰어난 바이러스가 암 유전자치료를 위한 전달체로 부각되면서 치료 능력 및 안정성을 향상 시킬 수 있는 기술 개발이 증가하고 있는 추세이다.
암을 유전자 요법으로 바이러스를 이용하여 치료할 경우, 장기적이고 지속적인 치료 유전자의 발현을 필요로 하지 않고, 바이러스에 의해 유도되는 숙주의 면역반응이 크게 문제시되지 않거나 오히려 이점이 될 수도 있기 때문에 아데노바이러스가 암치료용 유전자 전달체로 각광을 받고 있다. 대부분의 경우 아데노바이러스 표면에 화학적으로 다양한 고분자와 표적인자를 수식하여 바이러스의 장점을 부각시키고 단점을 보완하는 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서도 아데노바이러스 표면에 Polyethylene glycol (PEG)을 도입하여 혈액 속에서 잔존하는 시간을 증가시키고, 독성을 감소시키는 효과가 보였으며, 유전자 발현 효율성도 높았다. 더불어 특정 암세포를 인지할 수 있는 표적 인자를 도입하여 암 세포만을 선택적으로 표적화할 수 있는 전이암 치료를 위한 종양 특이적 선택성 기술을 개발하였다. 이와 같이 바이러스의 표면에 나노기술 고분자와 표적지향성 요소를 도입하여 항체에 의하여 인식되는 캡시드(capsid)를 보호(shield)하여 면역반응을 줄이고, 종양 특이성을 높였다. 표적위치에서 유전자 발현을 저하하지 않는 나노물질 및 나노기술을 이용한 바이러스의 표면 개질 및 선택적 또는 지능형 약물 전달체의 적용이 용이한 유전자 전달 시스템을 개발하였다.
무기나노입자를 이용한 새로운 자기조립형 생체소재의 개발은 생리활성 물질과 약물의 전달체로 사용이 가능할 뿐만 아니라, MRI, CT, PET, SPECT, Optical imaging 등 진단을 위한 조영제 전달체로도 사용이 가능하다. 본 연구에서는 산화철 나노입자를 기본으로 한 다기능성 고분자 나노입자를 개발하여 치료용 유전자를 선택적으로 특정 암세포 내로 효과적으로 전달하였다. 산화철 나노입자를 양이온성 고분자로 가교하여 과립형 입자로 형성하였고, 이를 물리적인 특성으로 규명하였다. 양전하를 지닌 과립형 산화철 나노입자는 음전하를 지닌 치료용 소간섭 RNA (siRNA, small interfering RNA)를 쉽게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 자성의 힘을 이용하여 단시간 안에 특정 암세포 내로 효율적으로 전달하였다. 이는 자성이라는 외부의 물리적인 힘에 의해서 세포 내로 특정 유전자의 전달 효과를 높였고, 더 나아가 생체 내 환부의 영상화를 수행할 수 있는 분자영상이 가능한 나노소재를 소개하였다.
결론적으로, 표면 친수성이 우수하여 체내에서 부작용이 없는 생체적합 소재와 접합한 아데노바이러스는 유전자 발현이 효율성을 극대화시켰고, 유전자 치료제로서의 실질적인 임상 개발에 기반을 마련하였다. 또한, 생체적합성 자기공명영상 조영제로 각광받고 있는 자성 나노입자의 표면처리기술을 개발하여, 특정 유전자를 효율적인 전달과 더불어 치료 효과의 진단이 가능한 다기능성 기술로 임상 치료에 적용할 수 있음을 기대한다.
