Development of orally absorbable gold nanoparticles for targeted phototherapy to brain tumor

Abstract

다형성 교모세포종 (GBM)은 가장 대표적인 뇌종양으로, 세계 보 건기구 (WHO)에서 등급 IV로 분류된 악성 뇌암이다. 현재까지의 GBM 치료법으로는 방사선 요법과 수술 후 보조 약물 요법 등이 있다. 하지 만 뇌의 복잡한 해부학적 구조와 혈관 뇌 장벽 (BBB)으로 인해 침습적 수술 치료 혹은 반감기가 짧은 약물 주사 방법으로는 성공적 치료효과 를 기대하기 어렵다. 따라서, 이러한 단점들을 보완할 수 있는 새로운 전략의 GBM 치료법이 필요한 실정이며, 이를 위해 금 나노입자 기반 경구 흡수형 광열/광역학 치료제를 개발했다. 최근 광열요법 (PTT) 및 광역학요법 (PDT)은 국소적이며 최소 침습적인 특징으로 차세대 뇌종양 치료 기술로 각광받고 있다. PTT는 열 작용제의 광열효과를 이용하는 치료법으로, 작용제가 흡수된 암세포 에 빛 조사를 통해 종양 치료가 이뤄진다. PDT 역시 빛 파장에 노출된 감광제 (PS)가 전자적으로 여기된 상태 (excited state)의 이완 (relaxation) 을 시작하여 활성 산소종 (ROS)를 생성하게 되며, 이를 통해 종양 세포 의 사멸을 유도하는 치료법이다. 하지만 아직까지 PTT 와 PDT를 GBM 치료법에 적용하기에는 고열과 활성산소를 생성할 수 있는 광 변 환효율 및 종양세포로의 표적성 등이 개선되어져야 한다. 본 연구에서는, 플라즈몬 공명 효과 (SPR effect)에 의해서 빛 조 사 하에 높은 열을 발산할 수 있는 금 나노입자 (AuNPs)를 PTT 제제로 사용했다. 더 나아가, PDT 감광제 일종인 Chlorin e6 (Ce6)를 AuNPs 표 면에 이황화 결합을 통해 결합시켰다. 그 결과, AuNPs가 나노안테나 (nanoantenna) 역할을 수행하여, Ce6의 ROS 생성 능력을 향상시켰다. 또 한, AuNPs는 Ce6의 운반체 역할로 Ce6의 낮은 수용해도를 해결했고 더 많은 종양 축적을 이뤄냈다. 본 연구의 최종적 목표는 환자 편의성이 높고 혈액 내 반감기가 낮은 경구투여법을 통해 GBM 표적 광열/광역학 치료제를 개발하고자 했다. 따라서 AuNPs의 낮은 생체이용률과 GBM 표적성을 개선하기 위 해 락토페린 (Lf)을 AuNPs 표면에 접합시켰다. 락토페린은 경구를 통해 전달되어 장 내피세포, BBB, GBM에 발현된 락토페린 수용체 (LfR)와 결 합하여 흡수된다. 락토페린을 AuNPs의 경구흡수와 GBM 표적 리간드로 활용함으로써 수용체 매개 세포내 이입이 발생했고, 이에 위장관에서의 경구 흡수 및 GBM으로의 표적성을 높였다. 결과적으로, 근적외선 파장의 빛 조사 하에서 해당 연구를 통해 개발된 PTT/PDT 나노의약품은 고효율의 열과 ROS를 생성했으며, 이를 통해 효과적인 GBM 항암치료가 가능했다. 더 나아가 락토페린에 의해 경구 흡수와 GBM에 대한 표적성을 높였다. 따라서, 본 연구는 먹는 형태의 광열/광역학 뇌종양 치료 기술 플랫폼을 개발했으며, 향후 타 약물 탑재를 통해 뇌종양 치료제 개발에 응용 가능성을 열었다는 데 큰 학술 적 의의를 갖는다.|Glioblastoma multiforme (GBM) is the primary grade IV brain malignancy and carries a fatal prognosis. The standard treatment for GBM include focal radiotherapy and adjuvant chemotherapy after surgical resection. However, due to the delicate anatomical structure of the brain and the surrounding blood brain barrier (BBB), invasive surgical therapy and drug injections with short half-lives rarely achieve successful treatment results. Therefore, the development of alternative approaches to effectively treat GBM is one of the most pressing challenges. To propose a novel GBM treatment strategy, I developed an orally absorbable nanodrug that can combine photothermal therapy (PTT) and photodynamic therapy (PDT). PTT and PDT are considered promising GBM therapeutic techniques owing to its minimally invasive and spatiotemporal properties. PTT relies on heat generation upon the exposure of cancer cells to light irradiation utilizing the photothermal effect of PTT agents. PDT depends on a photosensitizer (PS) exposed to light of the appropriate wavelength and initiate relaxation of an electronically excited state to generate reactive oxygen species (ROS). Thereby, the generating ROS triggers the death of tumor cells. Nevertheless, significant challenges remain in finding effective strategies to maximize the synergistic effect of PTT and PDT due to their low photo-conversion efficiencies and targeting. Herein, gold nanoparticles (AuNPs) were used as PTT agents by the surface plasmon resonance (SPR) effect, which dissipate heat by oscillation of surface electrons in light of specific wavelength. Furthermore, AuNPs served as a carrier to address the low water solubility of chlorin e6 (Ce6), a PS, and increase its tumor accumulation. The plasmonic coupling between AuNPs and Ce6 resulted in enhancing the Raman signals of PS and maximize the ROS generation capability. Therefore, the synergistic efficacy of PTT and PDT on the GBM was successfully achieved. In addition, to overcome the low bioavailability of AuNPs targeting GBM via oral administration, lactoferrin (Lf) was conjugated on the AuNPs. Lactoferrin receptor (LfR) of which Lf interacts is highly expressed in the gastrointestinal (GI) tract, blood brain barrier (BBB)and glioma tumor masses. Therefore, by utilizing Lactoferrin (Lf) as a target ligand of AuNPs could improve the oral absorption in GI tract and accumulation to GBM by receptor-mediated transcytosis. Collectively, the designed PTT/PDT nanodrugs greatly improved ROS generation by plasmonic crossover between AuNPs and Ce6, enabling sufficient PDT and PTT for GBM. In addition, selective targeting to GBM by oral administration was available by Lf conjugation on the drugs as a targeting ligand. These results suggested that nanodrug composed of AuNP, Ce6, and Lf is a potent phototherapeutic agent that can be targeted to GBM by oral administration.