Membrane vesicles (MVs) derived by many types of cells play an important role in cell to cell communication by transporting biological materials within the body, and they are also involved in various disease pathology. Especially in tumors, MVs are considered to be a contributing factor to immune evasion, angiogenesis, and metastasis of tumor. Therefore, engineering of MVs to load therapeutic compounds can be a potential tool to overcome the limitations of conventional nanotechnology and to cure diseases such as tumors.
There have been many attempts to load therapeutic materials in MVs, but the damage of MVs, aggregation, and dissimilar characteristics between in vivo origin and in vitro origin MVs were limitations of those methods. Here, we suggest a novel method to engineer tumor cells instead of the MVs itself to secrete engineered MVs by using biocompatible membrane fusogenic liposomes (MFLs). MVs can be in situ engineered in the parent cells by synthetic liposomes carrying the therapeutic compounds and be secreted to translocate the compounds to neighboring cells. According to the results, hydrophilic and hydrophobic compounds delivered to the plasma membrane and cytosol of cells by MFLs were efficiently incorporated in the interior and membrane of MVs, respectively. Using this method, hydrophobic or hydrophilic therapeutic agents, functional molecules such as targeting peptides, and functional nanoparticles such as gold nanoparticles can be loaded or conjugated to MVs without any damage or change of characteristics.
Furthermore, we applied this method to treat tumor cells. Importantly, we found that the hydrophobic photosensitizers delivered into the plasma membranes of peripheral cell layers of tumor spheroids in vitro and perivascular cell layers of tumor tissues in vivo respectively penetrated the spheroids and the tissues dramatically, thereby inducing significant phototherapeutic effects. We verified that such penetration of hydrophobic compounds was mediated by intercellular migration of MVs loaded with photosensitizers.
Finally, we tested whether this method could be used in drug delivery to the retina. Model drugs loaded in MFLs dispersed well in the vitreous humor after intravitreal injection, penetrated whole layers of the retina by intercellular migration of MVs, and showed longer retention time than when the same compound was injected in the free form.
This study demonstrates that cell-derived MVs, a natural transport system, can be engineered in the parent cells with synthetic liposomes to mediate intracellular migration of exogenous hydrophobic compounds over multiple cell layers both in vitro and in vivo. This MV-mediated delivery approach would significantly improve efficacy of therapeutic compounds in the poorly vascularized tumors and multilayered organs such as the retina. We believe that this work provides new insights to delivery and penetration of exogenous compounds in the tumor and retinal diseases.
세포막성 수포는 대부분의 유핵세포에서 분비되는 수포성 물질로써 정상세포사이, 정상세포와 병적세포사이 그리고 병적세포사이의 신호교환에 중요한 역할을 한다. 특히 암세포에서 기원한 세포막성 수포는 암조직의 신생혈관형성, 근거리 및 원격전이, 면역회피를 촉진시킴으로써 전체적으로 암이 발달하는데 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 그러므로 이러한 세포막성 수포에 기능적, 치료적 외부물질을 함유하는 세포막성 수포 변형 기술은, 다양한 질환에서 세포막성 수포의 기능을 밝혀 질환을 정확히 이해하고, 나아가 세포막성 수포를 기존의 약물전달체계의 단점을 극복할 수 있는 새로운 약물 운반체로 활용하는데 있어 매우 중요하다.
기존에 사용되는 세포막성 수포의 변형 기술은 세포막성 수포를 분리한 후 이에 직접 약물을 주입하는 방식과, 세포막성 수포를 분비하는 모세포를 변형하여 변형된 세포막성 수포가 분비되도록 하는 방법으로 나눌 수 있다. 하지만 두 가지 방법 모두 응집, 세포막성 수포의 파괴, 비효율성 등 다양한 문제점이 있다. 이에 우리는 세포에 처리했을시 세포내로 함입되지 않고 세포막과 결합하는 세포막 결합성 리포좀(liposome)이라는 특수한 나노입자를 이용하여 세포를 변형함으로써, 변형된 세포막성 수포를 분비하도록 하는 새로운 방법을 고안하였다.
세포막 결합성 리포좀의 이중인지질층에 함유된 소수성 물질과 내부에 함유된 친수성 물질은 각각 세포막과 세포질로 전달되었으며, 이러한 세포에서 분비된 세포막성 수포는 리포좀으로 전달된 것과 같은 물질을 함유하고 있음을 관찰하였다. 또한 리포좀의 인지질 끝에 친수성 물질을 결합함으로써, 이를 세포막 결합성 리포좀을 통해 전달하여 세포막성 수포에 함유시키는데 성공하였으며, 클릭화학반응(click chemistry)이 가능하도록 아자이드(azide)와 같은 반응기를 세포막성 수포의 표면에 발현시키는데도 성공하였다. 이를 통해 암세포에 친화력(affinity)를 갖는 표적펩티드(targeting peptide)를 부착하여 암세포에 대한 세포막성 수포의 치료효과를 높일 수 있었다.
다음으로 우리는 이 방법을 이용하여, 전달된 약물의 투과 실패가 문제가 되는 고형암에서 약물의 투과 효율을 높이고자 하였다. 세포막 결합성 리포좀에 함유되어 전달된 광과민제는 암의 3차원적 배양 모델인 스페로이드(spheroid)와 암이 이식된 동물모델의 암조직에서 깊은 투과 정도와 높은 치료효과를 보였다. 그리고 세포막성 수포의 분비를 억제하는 약물이나 siRNA를 처리시 투과 정도가 감소하는 것을 통해 이러한 효율적인 투과가 세포막성 수포에 의해 매개됨을 확인하였다. 또한 저산소영역에서만 독성을 나타내는 약물을 세포막 결합성 리포좀을 통해 전달함으로써 암의 심부에 있는 저산소영역에 약물을 도달시킬 수 있었고 효과적인 치료 결과를 관찰하였다.
마지막으로, 우리는 이러한 특수한 리포좀을 망막으로의 약물 전달에 응용하였다. 세포막 결합성 리포좀에 함유된 형광물질은 유리체내에서 잘 분산되었으며 망막에 도달 후 망막 전층으로 침투됨을 조직학적 검사를 통해 확인하였다. 또한 세포막성 수포의 분비를 억제하는 물질을 처리시 투과가 감소하는 것을 통해 이 또한 세포 사이의 세포막성 수포의 분비를 통해 매개됨을 확인하였다.
본 연구는 세포사이의 신호전달과 병리적 기전에 중요한 역할을 하는 세포막성수포의 효율적인 변형기술을 제시하고, 이러한 세포막성수포의 이동경로를 이용하여 암과 망막의 심부에 효율적으로 약물을 전달할 수 있음을 증명하였다. 이에 본 연구팀은 새로운 세포막성수포의 변형 기술이 세포막성수포의 여러 질환에서의 기전을 밝히는 연구와, 이를 이용하여 효율적인 약물전달을 하고자 하는 시도에 새로운 지평을 열 것으로 기대한다.
