분자영상 및 방사화학

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  • 2017년 08월호
    [Chem. Sci.] Toward redesigning the PEG surface of nanocarriers for tumor targeting: impact of inner functionalities on size, charge, multivalent binding, and biodistribution

    한국생명공학연구원, 국립암센터, 서울의대/허주영,강세훈,김영화,유수연,진경식, 김윤경*, 김석기*, 정준기*

  • 출처
    Chem. Sci.
  • 등재일
    2017,8
  • 저널이슈번호
    5186-5195
  • 내용

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    Abstract

    Achieving accurate and efficacious tumor targeting with minimal off-target effects is of paramount importance in designing diagnostic and therapeutic agents for cancer. In this respect, nanocarriers have gained enormous popularity because of their attainable multifunctional features, as well as tumor-targeting potential by extravasation. However, once administered into the bloodstream, nanocarriers face various in vivo obstacles that may significantly impair their performance needed for clinical translation. Herein, we demonstrate a strategy to enhance tumor-targeting efficiency by embedding functionalities in the interior region of partially PEGylated nanocarriers (ca. 10 nm in diameter), intended for active or passive targeting. The cooperative impact of these topologically inner functional groups (IFGs) was marked: enhancements of >100-fold in IC50in vitro (e.g., a high-avidity ligand with cationic IFGs) and >2-fold in tumor accumulation at 2 h post-injection in vivo (e.g., a high-avidity ligand with anionic IFGs), both against the fully PEGylated counterpart. Analogous to allosteric modulators, properly employed IFGs may substantially improve the process of effectively directing nanocarriers to tumors, which is otherwise solely dependent on avidity or extravasation.

     

     Author affiliations

    Ju Young Heo,ab  Se Hun Kang,c  Young-Hwa Kim,de  Suyeon You,a  Kyeong Sik Jin,f  Seung Won Kim,c  Hye-youn Jung,a  Kyung Oh Jung,de  Chul-Hee Lee,de  Mi Jung Kim,a  Soo-Eun Sung,a  Boram Kim,a  Insung S. Choi,b  Hyewon Youn,deg  June-Key Chung,*deg  Seok-ki Kim*c  and  Yoonkyung Kim*ah 

    * Corresponding authors

    a Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Daejeon, Korea E-mail: ykim@kribb.re.kr

    b Department of Chemistry, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon, Korea

    c Molecular Imaging and Therapy Branch, National Cancer Center, Goyang, Korea E-mail: skkim@ncc.re.kr

    d Department of Biomedical Sciences, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea E-mail: jkchung@snu.ac.kr

    e Cancer Research Institute, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea

    f Pohang Accelerator Laboratory, Pohang University of Science and Technology, Pohang, Korea

    g Department of Nuclear Medicine, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea

    h Korea University of Science and Technology (UST), Daejeon, Korea 

  • 연구소개
    암의 진단과 치료를 위해 나노메디슨 분야에서 사용하는 대부분의 nanocarrier 표면에는 생체적합성과 수용성이 우수하고 혈관내 투여시 순환시간 연장이 용이하여 enhanced permeability and retention (EPR) 효과에 의한 tumor targeting이 가능하게 하는 긴 poly(ethylene glycol) (PEG) chain이 빽빽하게 첨부되어 있음. 하지만, 이는 nanocarrier의 수용액내 크기를 대폭 증가시키고(예를 들어 PEG이 없을 때 직경 2 nm인 nanocarrier가 15 nm 이상의 크기로 불어남), 암 보다는 오히려 원하지 않는 간이나 비장 등에 훨씬 더 많은 양이 수주 내지 수개월 이상 장기간 축적되게 하여 독성의 문제가 심각하게 하고 tumor targeting의 효율과 신뢰도가 저하되게 하는 주요 원인이 되고 있음. 이에 본 연구에서는 표면에 PEG을 일부만 장착하고 (16% 또는 34%) 나머지는 크기와 전하 등 물리화학적 특성이 다른 작용기로 체계적 구조변형을 한 총 20가지 표적형 및 비표적형 nanocarrier를 합성하여, 각종 in vitro (radioligand binding assay 등), in vivo 실험(SPECT imaging, biodistribution study)을 통해 기존의 전체 표면을 PEG으로 한 nanocarrier에 대비하여 tumor targeting 효율을 높일 수 있는 PEG 표면 설계방식을 제시하였음
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