Tumor microenvironment-modulated reprogramming of tumor cells for the specific delivery of interparticle plasmon nanomaterials

Abstract

Here we report that the modulation of tumor microenvironment can reprogram tumor cells to express specific receptors in greater extent. We prepared the gold and γ-PGA hybrid nanoparticles (Au/PGA hNP) in a facile single step process. In Au/PGA hNP, AuNCs were dispersed in the matrix of the nanoparticles. The pretreatment of the HeLa tumor cells with methylene blue (MB) generated reactive oxygen species (ROS), and reprogrammed the expression levels of gamma glutamyl transferase (GGT) on tumor cell membrane, which is known to bind to γ-PGA. Consistent with the increased expression of GGT, the delivery of Au/PGA hNP to the tumor cells were significantly enhanced upon the MB pretreatment. Due to the photoresponsiveness of AuNCs and interparticle plasmon coupling between AuNCs inside Au/PGA hNP, the tumor cells taken up higher extents of Au/PGA hNP showed little viability upon irradiation with near infrared (NIR) light. In vivo HeLa xenografted mice study revealed that the tumor delivery of Au/PGA hNP significantly increased by MB pretreatment. The higher delivery of Au/PGA hNP to the tumor cells resulted in the effective tumor ablation upon NIR illumination. Although we used GGT and Au/PGA hNP to demonstrate the tumor microenvironment ROS-mediated reprogramming, this strategy can be widely applied to overcome the heterogeneity of target receptors by active modulation of tumor microenvironment. Moreover, this strategy can be applicable to the targeted delivery of not only photoresponsive molecules, but also to anticancer chemotherapeutics and other therapeutic cargoes.

본 연구에서는 금 나노클러스터와 폴리감마글루탐산(poly-γglutamic acid

PGA)을 이용한 간단하고, 생체적합성이 뛰어나며, 광열 활성을 띠는 나노입자를 형성하였다. 그리고 국소적으로 활성산소종 (reactive oxygen species

ROS)을 유발시켜 암세포 표면의 특정 수용체의 과발현을 유도하여 나노입자의 전달 효율을 높였다. 금 3가 이온에 환원제를 첨가하면 금으로 환원되는데, 이 때 폴리감마글루탐산이 뼈대로 작용하여 직경 10 나노미터 이하의 금 나노클러스터로 구성된 금/PGA 하이브리드 나노입자 (Au/PGA hNP)를 형성하였다. Au/PGA hNP는 그 안에 함유한 금 나노클러스터의 수가 많을수록 더 큰 광열효과를 나타내었는데, 입자간 플라즈몬 커플링 효과 (interparticle plasmon coupling effect)가 이 현상에 기인하는 것으로 추정된다. 한편, PGA는 암세포 표면에 발현하는 수용체인 감마 글루타밀 전이효소 (gamma glutamyl transferase

GGT)의 리간드로 작용할 수 있다는 것이 알려져 있다. 세포 실험에서 메틸렌 블루의 투여를 통해 발생한 ROS는 GGT의 과발현을 유도하여 Au/PGA hNP의 세포 내로의 섭취 증가를 일으켰다. 808 nm 근적외선 레이저를 조사하였을 때, GGT가 유도된 HeLa 세포의 온도는 다른 그룹에 비해 가장 많이 상승하였고 이로 인해 가장 강력한 암세포 사멸 효과를 보였다. 종양이식 마우스에 Au/PGA hNP를 정맥 투여한 후 종양 조직에 808 nm 근적외선 레이저를 조사하였을 때, 마찬가지로 GGT가 유도된 HeLa 세포 조직에서 가장 높은 광열효과와 암세포 사멸 효과를 보였다. 이러한 결과들을 통해, 입자간 플라즈몬 커플링 효과를 일으키는 Au/PGA hNP와, ROS 유발물질의 국소 투여를 통한 GGT 발현 유도는 암세포-표적 광열 치료 효능을 더욱 증대시킨다는 것을 시사한다.