Liposomal delivery of mesoporous silica-coated iron oxide magnetic nanoparticles for theranostic application

Abstract

암조직의 영상화가 가능하면서 동시에 암세포에 치료제를 효과적으로 전달할 수 있는 나노입자의 개발을 위해 다양하고 많은 연구들이 시도되었으나 나노입자 자체의 독성이 문제가 되거나 충분한 양의 치료제를 담을 수 있는 나노운반체를 만들기 어렵다는 점 때문에 실제 임상에서의 암환자 치료에 도입되기 어려웠다. 이 연구에서는 이러한 제한점을 극복하기 위하여 산화철을 일련의 화학반응을 이용하여 다공성 실리카로 표면 처리한 자성 나노입자(MNP@mSiO2)를 개발하였으며 그 자성과 물리적 성상이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 표면처리를 하지 않은 산화철 나노입자가 산성 용액에 노출 될 경우 해체되는 반면 MNP@mSiO2는 안정성을 유지하였고 그 자성(r2=270 mM-1∙S-1)은 무정형 실리카로 처리한 산화철 나노입자(70 mM-1∙S-1)에 비해 월등히 높으면서 산화철 나노입자 본연의 자성(286 mM-1∙S-1)과 유사하게 유지되었다. 그러나 다공성 실리카 조성은 버퍼용액 내 안정성에 취약하여 생물학적 활용에 부적합하였으므로 리포좀 복합체를 이용하여 안정성을 확보하는 동시에 기존의 나노입자보다 많은 양의 치료제를 담을 수 있도록 하였다(MagLipo). Cryo-TEM 분석 결과 약 6-8개의 MNP@mSiO2 입자가 하나의 리포좀 입자 내에 봉입되었으며 MNP@mSiO2와 달리 MagLipo는 인산염 버퍼용액에서 장시간 안정성을 유지하였다. 이렇게 구성된 MagLipo 표면에 EGFR 항체를 결합(EGFR-MagLipo)하여 췌장암 세포주의 선택적 검출을 시도하였고 췌장암세포에서 이상 증폭되는 Plk1 단백질 합성을 방해하는 siRNA를 항암제인 doxorubicin과 함께 탑재하여 선택적으로 전달하고 암세포 특이적 환경에 반응하여 치료제를 방출하도록 기획 하였다. 최종적으로 구성된, T2 증강 영상이 가능함과 동시에 암세포의 선택적 검출 및 치료를 목적으로 하는, 치료진단용 나노파티클의 검출 효율 및 치료 효과를 췌장암 세포주 실험으로 확인하였다. 암세포 진입 후 리소좀 내 특이적 환경을 반영하는 pH 4.7의 용액에서 doxorubicin을 탑재한 MagLipo는 30분 이내에 약제의 40%를 방출하였다. T2-w phantom 실험에서 MagLipo를 처리한 췌장암 세포와 대조군 세포는 유사한 신호강도를 보였으나 EGFR-MagLipo를 처리한 췌장암 세포의 경우 유의한 T2 신호의 감소(≈80%)를 보였다. 항암제와 치료용 siRNA를 모두 탑재한 MagLipo를 처리한 경우 각각을 따로 처리한 경우와 비교하여 치료의 상승효과가 있음을 확인하였다. 이상의 결과를 바탕으로 MagLipo는 다기능의 나노물질로써 향후 암의 표적치료와 영상진단을 동시에 수행할 수 있는 nanovehicle의 개발에 기여할 것으로 기대된다.

Purpose: Nanoparticles as theranostic system are suggested as promising approach in cancer therapy and have been actively investigated worldwide. This study was designed to construct magnetic nanoparticle platform adopting mesoporous silica as safe and efficient coating material for the preservation of magnetic property of metallic core and for the encapsulation of therapeutic materials. For biomedical application, liposomal delivery system of mesoporous silica-coated nanoparticles were adopted. With the particles carrying both chemotherapeutic drug and therapeutic gene, specific targeting of cancer cells and stimulus-sensitive release of therapeutic load were demonstrated. Methods: Mesoporous silica shell-coated iron oxide magnetic nanoparticles (MNP@mSiO2) were prepared using a chemical method, and the maintenance of their magnetic and physical properties was examined. To improve their bio-applicability, a liposomal complex system was combined with a MNP@mSiO2 particle (MagLipo). Chemotherapeutic agent, doxorubicin and the siRNA against Plk1 were loaded in the MagLipo. Active targeting moiety was conjugated onto this nanoparticle and therapeutic efficacy was evaluated. Results: The MNP@mSiO2 particles showed remarkable stability and resistance in acidic solution in contrast with bare MNPs. The r2 value of mesoporous silica shell MNP (MNP@SiO2) (270 mM-1∙S-1) was comparable to the bare MNP (286 mM-1∙S-1), but much higher than the amorphous silica shell MNP (MNP@SiO2, 70 mM-1∙S-1). The MagLipo particles were characterized by cryo-TEM analysis as liposomal structures encapsulating between 6 and 8 MNP@mSiO2 particles. Unlike MNP@mSiO2 particles, MagLipo particles were found to have long-term stability in buffer solution. The MagLipo particles habouring Dox released 40% of Dox within 30 min in pH 4.7 solution. In T2-w phantom study, non-targeting MagLipo treated cells showed similar intensity as the control (nontreated) cells, but the EGFR-MagLipo-treated cells exhibited significantly enhanced black contrast imaging with ≈80% decreasing T2 values. Toxic effect of particle itself was negligible. Furthermore, the MagLipo particles harboring therapeutic drug and gene, were shown to have a dramatic and synergistic therapeutic effect in-vitro. Conclusions: The MagLipo particle, as a theranostic material, is promising multifunctional nanovehicle for the specific cancer therapy and imaging at the same time.