Renal clearable zwitterionic cyclodextrin nanocarrier: Optimizing the structure for enhancing colorectal cancer targetability

Abstract

종양 표적화 항암제 전달 시스템은 항암제를 선택적으로 종양에 전달하기 위해 고안된 제형으로써, EPR(Enhanced permeability and retention) 효과가 발견된 이래로 이 효과를 활용할 수 있는 10-200 nm 크기의 나노 제형을 중심으로 연구되어 왔다. 그러나 최근에 EPR 이론을 기반으로 설계된 나노 제형들의 종양 표적 효율이 약물 수용액에 비해 유의미하게 높지 않으며, 오히려 고전적인 나노 제형의 크기가 비표적 조직에 대한 나노 제형의 축적을 유발한다는 사실이 보고되었다. 나노 제형의 비표적 축적(Off-target accumulation)은 나노 제형이 종양으로 분포하는 것을 저해할 뿐만 아니라 장기적인 독성 문제를 야기하기 때문에 신규 나노 제형의 임상 적용을 저해하는 주요 요인으로 알려져 있다. 따라서 종양 표적화 나노 제형의 임상 적용 가능성을 높이기 위해서는 고전적인 나노 제형의 낮은 종양 표적 효율과 비표적 효과를 극복하는 것이 중요하며, 이를 위해 EPR 이론 기반의 나노 제형 설계 패러다임을 벗어난 새로운 제형 설계 전략이 필요하다. 본 연구의 목적은 나노 약물 전달체의 구조 최적화를 통해 종양 표적 효율을 높임과 동시에 비표적 효과를 최소화할 수 있는 항암제 전달 시스템을 합성하고 평가하는 것이었다. 비표적 효과의 주요 원인인 Mononuclear Phagocyte System (MPS)를 효과적으로 회피하기 위해 신장 배설 가능한 크기(<8 nm)인 베타-사이클로덱스트린 기반의 나노제형을 고안하였으며, 나노제형의 종양 표적 효율을 높이기 위해서 종양 표적화 잔기로써 Phenylboronic acid 작용기를 도입하였다. 가장 이상적인 생체 분포를 가지는 종양 표적화 나노 제형을 선별하기 위해 총 20 가지의 베타-사이클로덱스트린 유도체를 합성하였다. 20 가지 유도체 중에서 수용액 상에서의 안정성이 높으며 크기가 비슷한 5 가지 베타-사이클로덱스트린 유도체 (CD16-20)를 선별하였으며, 이 유도체들을 대상으로 대장암 종양 이종 이식 마우스 모델에서 생체 분포 평가를 시행하였다. 베타-사이클로덱스트린 유도체의 Linker 구조에 따라 포접된 형광 물질 (ACy7)은 상이한 생체 분포를 보였으며, 형광 물질의 종양 분포를 높임과 동시에 비표적 효과를 감소시킨 CD17 (PBA-(ZW)-CD)를 최적의 유도체로 선정하였다. PBA-(ZW)-CD에 형광 물질을 포접한 경우에 orthotopic CRC mouse model에서 3.7 이상의 Tumor-to-background ratio를 보였으며, 이는 임상적으로 종양 진단 시 필요한 contrast index (2 - 2.5)를 크게 상회하는 수치이다. PBA-(ZW)-CD의 항암제 전달 효율을 평가하기 위해서 소수성 항암제인 doxorubicin과 ulixertinib을 PBA-(ZW)-CD에 각각 포접하여 포접화합물을 제조하였다. 제조된 포접화합물과 약물 수용액을 각각 대장암 종양 이종 이식 마우스 모델에 투여한 후 약물의 생체 분포를 비교하였다. PBA-(ZW)-CD에 포접된 소수성 항암제들의 종양 잔류는 항암제 용액 투여군보다 유의미하게 더 높은 반면, 정상 장기에서의 항암제 제거는 촉진되어 비표적 잔류가 더 낮은 양상을 보였다. 또 PBA-(ZW)-CD/약물 포접화합물은 작은 크기에 의해 종양 심부로의 침투가 약물 수용액만큼 효율적임을 확인하였다. 최종적으로 대장암 종양 이종 이식 마우스 모델에서 PBA-(ZW)-CD/약물 포접화합물의 항암화학치료효과를 평가하였으며, 항암제 용액 투여군 대비 향상된 종양 억제 효과와 낮은 전신 독성을 확인하였다. 종합적으로, 신장으로 배설 가능한 크기의 나노 제형에서 구조 최적화를 통하여 항암제의 종양 저류를 상승시킴과 동시에 비표적잔류를 감소시킬 수 있는 생체 적합한 나노 약물 전달체를 확립할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 종양 표적화 나노 제형의 설계 전략은 고전적인 나노 제형의 한계점들을 극복하고 임상 적용 가능한 나노 제형을 설계하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이라 생각된다.

The ultimate goal of tumor-targeted drug delivery system (DDS) is not only to maximize the retention of anticancer agents to tumor tissue, but also to minimize their off-target distribution to normal tissues. Since the enhanced permeability and retention (EPR) phenomenon was discovered in 1986, non-renal clearable size has long been the primary criterion in the design of tumor targeted nanoparticles (NPs). Recently, however, it has been reported that non-renal clearable NPs were not able to efficiently deliver anticancer drugs to tumor (< 1%) and also caused severe accumulation of NPs in normal organs, including liver, lung and spleen. Since the off-target accumulation induces prolonged exposure of NPs and loaded anticancer agents to normal tissues, it could raise long-term toxicity concerns, which impede the clinical translation of the large NPs. Therefore, it is important to develop biocompatible nanocarriers that can enhance tumor targetability as well as reduce off-target accumulation of nanocarriers and/or loaded therapeutic agents. In this thesis work, β-cyclodextrin-based renal clearable organic nanocarriers was developed to address the major challenges of the conventional large NPs. Although cyclodextrin (CD)-based renal clearable nanocarriers have high potential for clinical translation in targeted cancer therapy, their optimal designs for enhanced tumor retention and reduced off-target accumulation have rarely been proposed. Therefore, optimum structure of renal clearable zwitterionic CD, hepatkis-(6-deoxy-6-((phenylboronic acid-tetraethyleneglycol-L-glutamic acid Nα-sulfobetaine)-octaethyleneglycol-caproamide))-β-cyclodextrin (PBA-(ZW)-CD), was developed for tumor selective drug delivery. Twenty CD derivatives harboring different charged moieties and spacers were synthesized, followed by screening based on their colloidal stability. The resulting five candidates were complexed with adamantyl sulfocyanine 7 and evaluated for biodistribution, through which PBA-(ZW)-CD was selected as the optimized structure. Then, PBA-(ZW)-CD inclusion complexes of doxorubicin and ulixertinib were fabricated, and their enhanced tumor accumulation (vs. free doxorubicin, 2.0-folds; vs. free ulixertinib, 2.1-folds), facilitated elimination (vs. free doxorubicin, 15.2% remaining in the heart and below the detection limit (<200 ng g-1) in muscle, respectively; vs. free UXT, 17.7% and 7.4% in the liver and kidney, respectively), and tumor penetration comparable to free drugs were verified via mass spectrometry (LC-MS/MS and MALDI-MSI). Improved antitumor efficacy of PBA-(ZW)-CD/drug-assisted combination therapy was demonstrated in heterotopic and orthotopic CRC models (vs. free drug combination, tumor size reduction by 52.0% and 76.2%, respectively), supporting PBA-(ZW)-CD could be a promising CRC-targeted nanoplatform.