Applications of Graphene-based Nanosheets for Anticancer Therapy

Abstract

그래핀 기반 나노시트(GNS)는 항암치료제 분야에서 신규하고 강력한 나노약물로서 출현해왔다. 우선, 폴리에틸렌 글리콜을 접목한 그래핀 옥사이드(pGO)는 광감작제인 콜린 e6 (Ce6)의 세포 내 전달 효과를 현저히 증강시켰으며, 생체 내 안정성 또한 그래핀 옥사이드 나노시트에 비해 높음을 보여줬다. 게다가 Ce6/Dox/pGO는 증강된 콜로이드성 안정성을 보여주고, 생체내 안정성을 개선시켜주며, 독소루비신(Dox)의 적재 용량을 증강시킬 뿐만 아니라, 세포내 전달 효율도 높인다. KB 종양세포를 이식한 실험쥐의 분자영상을 촬영한 결과 CHA-rGO/Dox가 눈에 띄게 높은 종양 조직 내 축적효과를 보였고, 다른 그룹에 비해 높은 종양성장 억제 효과를 보였다. 세번째로 광반응성 탄소 나노 소재의 구조에 따른 생물학적 특성을 연구했다. 비이온성 계면 활성제인 폴록사머 407로 표면을 코팅한 단층 나노튜브(PSWCNT)와 폴록사머 407로 코팅된 그래핀 나노시트(PGNS)는 유사한 물리적 안정성을 보이고, 808nm 근적외선(NIR) 레이저 조사 후 열용량 또한 유사함을 보였다. PGNS 처리한 종양 세포들이 PSWCNT처리한 종양 세포들에 비하여 보다 많은 양의 나노시트를 흡수하였으며, 그 결과 레이저 조사 후 높은 비율로 암세포들이 죽었다. 게다가 PGNS는 PSWCNT보다 혈액에서 2.2배 오래 순환하였으며, SCC7종양 조직에 더 많이 축적되었다. NIR 조사 결과 다른 그룹과 달리 PGNS 처리한 그룹에서 종양조직이 완전히 제거되었다. 마지막으로 CHA-rGO를 근적외선 염료 ICG의 표적 항암 전달체로 사용하였다. ICG를 CHA-rGO에 탑재하면 ICG 단독 사용 했을 때보다 높은 광안정성을 보였고, NIR 레이저 조사에 따른 광열 효과 또한 높여졌다. 종양세포를 이식한 실험쥐에 CHA-rGO/ICG를 투여했을 때 종양 조직에서 국소적으로 온도가 가장 높았고, 그 결과 종양이 제거되었다. 결론적으로 GNS 다양한 화학 약물의 신규한 전달체로서 사용될 수 있으며, 표면 개질 GNS는 광열치료를 통한 항암 치료제로 유용하게 쓰일 수 있다.

Graphene-based nanosheets (GNS) have emerged as novel and potent nanomedicines for cancer treatment. First, the surface of graphene oxide nanosheets was chemically modified by polyethylene glycol (PEG), and as-prepared PEG-grafted graphene oxide (pGO) showed significantly enhanced cellular delivery of photosensitizer chlorin e6 (Ce6) and much higher safety than GO nanosheets in vivo. Moreover, Ce6/Dox/pGO could accumulate in SCC7 tumor tissues and subsequently showed improved synergistic anticancer effect. Second, cholestryl hyaluronic acid-coated reduced graphene oxide nanosheets (CHA-rGO) were fabricated for tumor targeted delivery of chemotherapeutics. As compared to plain rGO, CHA-rGO nanosheets showed increased colloidal stability under physiological conditions, improved in vivo safety, and enhanced loading capacity and cellular delivery efficiency of Dox. Molecular imaging of KB tumor-bearing mice indicated that CHA-rGO/Dox showed remarkable higher tumor tissue accumulation and greater tumor growth inhibition effect than other groups. Third, the effect of structure on the biological properties of photoresponsive carbon nanomaterials was investigated. Poloxamer 407-functionalized single-walled carbon nanotubes (PSWCNT) and poloxamer 407-functionalized graphene nanosheets (PGNS) exhibited similar physical stability and heating capacities after irradiation with an 808 nm near-infrared (NIR) laser. However, cancer cells treated with PGNS took up a higher quantity of the nanosheets than of the PSWCNT and displayed a higher rate of cancer cell killing upon laser irradiation. In addition, PGNS could circulate in the blood 2.2 times longer than that of the PSWCNT, and accumulate in the SCC7 tumor tissues to a greater degree than did PSWCNT. NIR irradiation resulted in the complete ablation of tumor tissues in the PGNS-treated group but not in the other groups. Last, CHA-rGO was utilized as tumor targeted delivery system for a NIR dye, ICG. CHA-rGO-loaded ICG showed substantially increased photo-stability and photothermal efficacy upon NIR laser irradiation than did free ICG. CHA-rGO/ICG nanophysisorplexes treated tumor-bearing mice displayed the highest tumor local temperature and subsequent tumor ablation. In conclusion, GNS can be used as novel delivery vehicles for various chemical drugs and surface-engineered GNS would be a potent modality of photothermal therapy for cancer treatment.