Lysosomal enzyme specific nanodrugs for targeted cancer therapy

Abstract

Despite the development of cancer therapy, conventional chemodrugs are still mainly used for cancer treatment due to its wide range of application and accessibility. However, common drugs have fetal side effects due to its non-specific mode of action. For that reason, several modified chemodrugs have been developed for targeted cancer therapy. Although targeting efficiency of conventional drugs have been improved by modification, such limitations are still remained. Herein, prodrug strategy was combined with enhancement drug delivery system for improvement of both tumor targeting efficiency and tumor specificity. In chapter 1, monomethyl auristatin E (MMAE), which has high toxicity, was introduced as anticancer agents. To obtain tumor specific toxicity, tumor overexpressed enzyme cathepsin B cleavable peptide FRRG was conjugated to the MMAE. The phenylalanine in the FRRG peptide has intermolecular hydrophobic interaction, which caused nano-formulation of FRRG conjugated MMAE. This FRRG-MMAE nano-structure was accumulated in tumor site due to EPR effects. After that, overexpressed cathepsin B cleaved MMAE conjugated peptide and releasing free MMAE only in the tumor site. In chapter 2, albumin was adopted as drug carrier for enhanced tumor targeting efficiency. For using albumin, maleimide functional group was introduced to cathepsin B cleavable peptide FRRG conjugated doxorubicin. Maleimide-FRRG-Dox could bound to the serum albumin via click chemistry, which improved tumor targeting efficiency and blood half-life. In chapter 3, a novel drug PROTAC was introduced to the maleimide functional group which is conjugated as ester bond. Maleimide-PROTAC was accumulated in the tumor site via albumin binding, and releasing free PROTAC due to tumor overexpressed esterase. Overall, in this study, the new designed prodrugs were composed of 3 parts. The first part was functional moieties or amino acid sequence for enhanced tumor targeting efficiency. The second part was linkers which were cleaved by tumor overexpressed enzyme or tumor microenvironment. The last part was anticancer agents which is commonly used in first-line chemotherapy. Improved tumor targeting efficiency was observed in new designed prodrugs. Also, these novel prodrugs didnt show any safety problems, which means overcoming limitation of tumor specificity.

암 치료제의 발전에도 불구하고, 기존의 항암제는 환자에 대한 범용성과 접근성이 용이하여 여전히 암 치료에 최우선적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 항암제는 특유의 작용 방식으로 인한 비특이적 작용으로 인한 심각한 부작용을 가지고 있다. 위와 같은 이유로 암을 표적적으로 치료하기 위해 여러가지 개선된 항암제가 개발되었다. 이러한 개선을 통해서 기존 약물들의 종양 표적 능력은 향상되었음에도 불구하고, 여전히 몇 가지의 한계점이 존재하고 있다. 이를 위해 본 논문에서는 기존의 표적형 항암제를 제작하는 방식에 프로드러그 전략을 조합하여 새로운 방식의 종양 표적형 프로드러그를 개발하였다. 제 1장에서는 독성이 높은 모노메틸 아리스타틴 E (MMAE)를 독성을 나타내는 약물로 도입하였다. 위 약물의 독성을 종양 특이적으로 나타내게 하기 위해, 종양 과발현 효소인 카텝신 B에 의해 절단가능한 펩티드 FRRG를 MMAE에 접합시켰다. FRRG 펩타이드의 페닐알라닌은 분자간 소수성 상호작용을 가짐으로써, FRRG가 결합된 MMAE가 나노 제형을 형성할 수 있도록 하였다. 이러한 FRRG-MMAE의 나노 구조는 EPR 효과로 인해 종양 부위에 축적되고, 종양 조직에서 과발현된 카텝신 B 효소는 MMAE에 접합된 FRRG 펩티드를 절단하여 종양 부위에서만 MMAE를 방출하게 하였다. 제 2장에서는 종양 표적화 효율을 높이기 위해 알부민을 약물 전달체로 채택하였다. 알부민을 사용하기 위해 카텝신 B에 의해 절단되는 펩티드 FRRG가 결합된 독소루비신 항암제에 말레이마이드 작용기를 도입하였다. 합성된 Maleimide-FRRG-Dox는 클릭 반응을 통해 체내 알부민에 결합할 수 있어 종양 표적화 효율과 체내 반감기의 개선이 가능하였다. 제 3장에서는 항암제로써 새로운 신약인 PROTAC을 도입하고, 말레이마이드 작용기를 에스터 결합을 이용하여 합성하였다. Maleimide-PROTAC은 알부민 결합을 통해 종양 부위에 축적되었고, 종양에서 과발현된 에스테레이즈에 의해 PROTAC을 방출하였다. 정리하자면 본 연구에서는, 3 가지 부분으로 구성된 새로운 프로드러그를 디자인하고 그 효능을 평가하였다. 새로운 프로드러그 디자인의 첫 부분에는 작용기 또는 아미노산을 도입하여 종양 표적능의 향상을 도모하였다. 두 번째 부분은 종양 과발현 효소 또는 종양 미세 환경에 의해 절단되는 링커를 도입하여 종양 특이적으로 약물이 작용될 수 있도록 하였다. 마지막 부분은 1차 화학 요법에서 일반적으로 사용되는 항암제를 도입하여 종양 표적적이고 특이적으로 약물이 방출될 수 있도록 하였다. 개선된 약물들은 종양 표적화 효율의 향상과 종양 특이적인 독성을 나타내는 것이 확인되었고, 이를 통해 기존 항암제의 한계점이 극복되었음을 확인할 수 있었다.