Synthesis and Application of Iron Oxide Nanoparticle Based Multifunctional Nanomaterials for Precision Cancer Imaging

Abstract

Tumor microenvironment, a sophisticated system consisting of various peripheral cells and cancer-related factors as well as cancer cells, is an emerging key issue in diagnosis and treatment of cancer. Therefore, the development of multimodal imaging contrast agent designed to help understand fundamental aspects of the tumor microenvironment is becoming more important. This dissertation covers novel synthesis and surface modification process of iron oxide-based multimodal nanoprobes for precision imaging of tumor microenvironment. In the first part (Chapter 2), the synthetic process of near-infrared (NIR) fluorescent silica-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (NF-SIONs) and tumor-associated macrophage-specific localization in orthotopic glioblastoma model was demonstrated. NF-SIONs was synthesized via two-step silanization process and fluorescent dye (Cy 5.5)-labeled aminopropyl triethoxysilane (APTES) and polyethylene glycol (PEG)-silane were simultaneously introduced to oleic acid-capped iron oxide nanoparticle via reverse microemulsion method. NF-SIONs showed excellent physicochemical properties and biocompatibility. Immunofluorescence analysis revealed that the administered NF-SIONs exhibited a high uptake in tumor-associated immune cells (monocytes/macrophages/microglia) over cancer cells and brain parenchymal cells. In the second part (Chapter 3), multi-functionalization of polyethylene glycol (PEG)-capped iron oxide nanoparticle through the introduction of branched ligand was demonstrated. Fluorescent dye and Translocator protein 18 kDa (TSPO, known as GBM biomarker)-targeting compound (CB 235) with NHS-ester terminals were able to bind simultaneously onto amine binding sites contained in the branched ligand. TSPO-specific behavior was evaluated by confirming localization of the nanoparticles upon administration of competitive inhibitors at tumor-adjacent sites. In summary, the synthesis and tumor-imaging applications of functionalized iron oxide nanoparticles were studied via systematic immunofluorescence analyses among the tumor-bearing mouse models. The results of this study are expected to contribute to the improved treatment of intractable cancers.

암 세포뿐만 아니라 다양한 주변세포와 종양 관련 인자들의 복잡한 구성으로 조직된 종양미세환경은 암의 진단과 치료에 있어 핵심 요소로 자리잡고 있다. 따라서 종양 미세환경의 근본적인 이해를 돕기 위한 복합 영상 조영제의 개발이 절실히 요구되고 있다. 본 연구에서는 산화철 기반의 다중 복합 조영제의 제조와 표면처리 방법을 연구하고 이를 종양 미세환경의 정밀 영상 획득에 응용하고자 하였다. 첫번째 파트(챕터 1)에서는, 근적외선 형광을 띄는 실리카로 코팅된 초상자성 산화철 나노입자 (NF-SIONs)의 제조 방법과 동소 뇌종양 모델에서의 종양 관련 대식세포 특이적섭취에 대해 다루었다. NF-SIONs는 reverse microemulsion 방법으로 제조되었으며, 두 단계의 연속된 실란화 공정을 통해 Cy 5.5 형광염료와 폴리에틸렌글리콜의 동시 도입을 가능케 하였다. 이렇게 합성된 NF-SIONs는 뛰어난 분산 및 형광 안정성과 함께 생체 적합성을 갖는 것으로 확인되었고, 면역형광염색 분석 결과, 체내 주입된 NF-SIONs가 뇌종양 세포 및 정상 뇌조직 세포들에 비해 종양 관련 면역세포들에 더욱 많이 섭취되었음이 확인되었다. 두번째 파트(챕터 3)에서는, 폴리에틸렌글리콜로 기능화된 산화철 나노입자에 다기능성을 추가적으로 부여하기 위한 방법으로 가지 구조의 리간드를 표면에 도입하는 방법에 대해 다루었다. 가지 구조 리간드 말단의 아민 결합자리에 NHS-ester 로 말단이 활성화된 Cy 5.5 형광염료와 뇌종양 바이오마커로 알려진 Translocator protein 18 kDa (TSPO)를 표적하는 리간드 (CB 235)를 동시에 첨가하여 결합하였다. 또한 TSPO를 표적하는 경쟁적 저해제를 먼저 주입함으로써, 체내 주입된 나노입자가 종양 주변에서 갖는 TSPO 특이적 거동을 평가하였다. 본 학위논문은 종양 모델에서의 체계적인 면역 형광 분석을 통해, 기능화된 산화철 나노입자의 합성과 종양 정밀 영상화로의 응용연구를 다루었으며, 도출된 연구결과들을 바탕으로 난치성 암의 치료 향상에 기여할 것으로 기대된다.