Study on the feasibility of antitumor thermochemotherapy using magnetic nanoparticle

Abstract

최근 들어 암을 수술하지 않고 병변 부위에 국소적으로 열을 발생시켜 암을 치료하는 고주파열치료(RFA

Radio Frequency Ablation)와 고강도집속초음파치료(HIFU

High Intensity Focused Ultrasound) 열치료법 들이 많이 개발되며 현재 임상에서 활발하게 사용하고 있다. 그러나 RFA의 경우 시술 자체가 침습적이고 발생하는 열이 100℃에 육박하는 아주 높은 온도라서 환자에게 심한 통증을 주고, 각종 부작용과 합병증의 발생 빈도가 10% 정도로 보고되고 있으며, 합병증 발생시 치명적인 경우가 많아 시술 관련 mortality rate가 1% 정도 된다(Ann Surg. 2004 April

239(4): 459–463)고 알려져 있다. Mild temperature hyperthermia에 의한 암 치료는 기본적으로 암 세포가 정상세포보다 열에 더 민감하다는 가설에 기반하고 있으며 thermal ablation method이 50℃ 이상의 고열에 의해 암세포를 coagulation시켜 죽이는데 반해(indirect effect), hyperthermia에서는 40~45℃ 의 열에 의해서도 정상 세포의 생리 작용은 비활성화되고(Curr. Med. Chem. 2010

17:3045), hyperthermia가 항암 면역기전을 활성화시켜 치료 효과를 증진시킨다는(indirect effect) 연구들이 보고되고 (Immunol Res 2010

26:137)있다. 따라서 우리는 이 부분에 초점을 맞추어 자성나노입자를 이용한 mild temperature hyperthermia(MTH)에 관해 알아보았다. 자성나노입자는 AMF(Alternating magnetic field)에 반응하여 Neel and Brownian relaxation의 따른 magnetic moment의 oscillation에 의해 열이 발생한다는 장점과 표면을 약물로 코팅 처리하게 되어 약물전달체로 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 이용하여 임상적으로 승인된 Iron oxide particle인 MRI Liver contrast agent (Ferucarbotran: Resovist)에 항암제 (doxorubicin)을 붙여 Resovist-doxorubicin complex 를 만들었다. 다음과 같이 4그룹(Group A : Control, Group B : doxorubicin group, Group C : Resovist group, Group D : Resovistdoxorubicin group)의 항암동물모델을 이용하여 항암제 탑재 자성 나노입자의 항암열화학치료 시너지 효과에 관해 알아보았다. 각 그룹내 개체의 종양 활성도를 BLI (Bioluminescence imaging) 촬영하며 모니터링을 진행하였으며 종료일인 14일 후 3그룹(Group A : Control, Group B : doxorubicin group, Group C : Resovist group)의 BLI signal intensity 가 증가하는 반해 항암제 탑재 자성 나노입자군(Group D : Resovist-doxorubicin group)에서의 BLI의 Relative Signal Intensity(RSI)가 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다. 더불어, 병리조직 검사(H&E: Hematoxylin and eosin staining, TUNEL: Terminal deoxynucleotidyl transferasemediated nick end labeling)를 통해 항암제탑재 자성나노입자를 이용한 항암열화학치료가 항암 효과를 항진 하는것으로 확인 하였다. 자성나노입자에 탑재한 독소루비신 항암제가 470nm파장대에서 형광을 가진다는 장점을 이용하여 실험 종료 후 종양조직 내 남아있는 약물을 형광현미경으로 확인시 항암제 탑재 자성나노입자군(Group D)에서 더 많은 형광을 띄는 것으로 보아 종양 내 약물이 더 많이 잔존하는 것으로 확인하였다. 결과적으로 종양 내 온도가 올라가며 주변의 혈류와 혈관 및 세포막의 permeability를 증가시켜 항암제 탑재 자성나노입자내 항암제가 종양내로 약물의 진입을 용이하게 만들어 항암효과를 항진시킬 뿐아니라, 종양주변의 림프혈관시스템이 잘 발달되어있지 않으므로 암조직으로 주입된 입자가 배출되지 않고 오랫동안 오래 머무르는 EPR(Enhanced Permeability and Retention) 효과가 증가한 것으로 보인다. 더불어, 종양세포 바깥쪽은 약물에 민감하고 내부는 열에 민감하기에 hyperthermia에의해 DNA-repair enzyme을 비활성화 시키며, drug resistance를 감소시켜 전체적으로 항암제의 효과를 항진 시킨 것으로 보인다. 결론적으로, 항암제 탑재 자성나노입자를 종양내에 전달하여, AMF(Alternating Magnetic Field)에 의해 유도되는 열을 발생시켜 열치료를 함과 동시에, 발생한 열에 의해서 항암제 전달 효과(DDS: Drug delivery system)를 항진시키는 것으로 밝혔다.

The aim of this study was to evaluate the efficacy of intratumoral delivery of ferucarbotran, a clinically approved magnetic nanoparticles (MNPs), conjugated with doxorubicin to simultaneously induce magnetic hyperthermia and chemotherapeutic effect in a hepatocellular carcinoma (HCC) model. Human HCC cells expressing luciferase were subcutaneously implanted into the right flank of 6-week–old BALB/c-nu mice (n=19). When the tumor diameter reached 7-8 mm, the animals were divided into four groups according to the injected agents: group A (normal saline, n=4), group B (doxorubicin, n=5), group C (MNP, n=5), and group D (MNP/doxorubicin complex, n=5). Animals were placed in the center of an AC coil to generate an alternating magnetic field (AMF) to receive magnetic hyperthermia, and intratumoral temperature changes were measured using a thermo-sensor. Bioluminescence imagings (BLIs) were performed before treatment and at 3, 7, and 14 days after treatment to measure the biological activities of the tumors during the follow-up period. The relative signal intensity (RSI) of each tumor was calculated by dividing the BLI signal at each time point by the initial value measured before treatment. After the completion of follow-up, all the animals were euthanized to assess the apoptosis rates of tumors on pathologic examination. The rise in temperature in the tumors was 1.88±0.21 °C in group A, 0.96±1.05 °C in B, 7.93±1.99 °C in C, and 8.95±1.31 °C in D. The RSI of the tumors at day 14 post-treatment was significantly lower in group D (0.31±0.20) than in in group A (2.23±1.14), B (0.94±0.47), and C (1.02±0.21). The apoptosis rates of the tumors as determined by histopathological analyses were 11.52±3.10% in group A, 23.0±7.68% in B, 25.4±3.36% in C, and 39.0±13.2% in D, respectively. The intratumoral injection of clinically approved MNPs conjugated with doxorubicin exhibits an improved therapeutic benefit compared with the injection of doxorubicin or MNP alone when the complex is injected into HCC tissues exposed to AMF for magnetic hyperthermia. This strategy of combining doxorubicin and MNP-induced magnetic hyperthermia exhibits a synergic effect on inhibiting tumor growth in an HCC model.