임상약동학특론#7
암 이미징 및 치료에 대한 Poly (lactic-co-glycolic acid) 기반 Nanostructures의 개발에서
최근 진행 상황
참고문헌: Pharmaceutics 2019, 11, 280;
doi:10.3390/pharmaceutics11060280
부산대학교 약학대학
생물약제학 및 약동학 연구실
윤인수 교수
서론
암 영상 및 치료를 위한 나노 의학 개발에 많은 진전이 있었고, 임상 적용의 가능성을 높이기 위해, 정확성과 안전성이 향상된 나노 의약품이 최근에 설계되고 평가됨
정맥 내 투여 후, 특정 크기 범위의 입자는 "EPR (enhanced permeability and
retention) 효과를 통해 종양 영역에 위치 할 수 있고, > 40 kDa (신장 제거 역치)의 크 기를 갖는 분자 또는 입자는 장기간 동안 전신 순환에 존재할 수 있음
종양 조직이 새거나 혈관 조직의 림프 배수가 충분하지 않으면 입자의 투과성과 축적을 증가시킬 수 있음
많은 동물 연구에서 EPR 효과가 입증되었지만 임상 적용에 대한 유용성은 여전히 논 란의 여지가 있음. 병리생리학적 상태는 동물 종 (설치류 대 인간), 동일한 공급원에서 유래 한 종양 유형 및 동일한 환자에서 일차 대 전이성 종양에 따라 다름
EPR 효과의 이질성에 대한 고려는 나노 의료를 임상 상황으로 성공적으로 번역하기
위해 필요하고, EPR을 통한 약물 전달은 보통 정상적인 조직에서 발생하지 않기 때문
에 수동적 인 종양-표적화 전략으로 사용될 수 있음
서론
그러나 고혈압 영역과 괴사 조직을 포함한 종양 조직의 이질성은 큰 종양에서 자주 관 찰되며 입자 전달의 효율성을 제한 할 수 있음
EFR 효과를 조절하는 다양한 요인 (예 : bradykinin, 산화 질소 유도체, 프로스타글란 딘, 안지오텐신-전환 효소 억제제 및 혈관 내피 성장 인자 [VEGF]), 리간드-수용체 상 호 작용이 활발한 종양-표적화 전략으로서 도입되어옴
리간드는 정상 세포와 비교하여 암 세포에서 과발현되는 수용체에 결합하도록 선택 될 수 있음
종양 세포 (예를 들어, 트랜스페린 [Tf] 수용체, 엽산 수용체, 렉틴 및 표피 성장 인자 수 용체 (EGFR)) 또는 종양 내피 (예 : VEGF 수용체, αvβ3 인테그린, 혈관 세포 부착 분자 -1 [VCAM-1)의 수용체 ] 및 매트릭스 메탈 로프 로테이나 제 [MMP])는 리간드-연결된 나노 시스템의 표적이 될 수 있음
최근에는 내부 (예 : pH, 효소 및 산화 환원 상태) 및 외부 (예 : 온도, 자기 및 초음파) 자
극에 민감한 스마트 나노 시스템이 보다 정교한 약물 방출 패턴과 암세포의 선택적 흡
수를 제공하도록 설계됨
서론
종양 침투, 세포 자멸사 유도 및 전이 억제와 같은 첨가제 특성은 암 이미징 및 치료에 사용하기 위해 나노 시스템에 내장되어 있음. 종양 표적화 된 나노 의학 개발에서 독성 을 감소시키기 위해, 생체 적합성 및 생분해성이 있음
나노 시스템을 위한 재료 선택에서 주요한 문제를 고려함. 다양한 유형의 합성 중합체 (예 : 폴리(락트-코-글리콜산) [PLGA]), 천연 중합체 (예 : 키토산 [CS], 콘드로이틴 설페 이트 [CD] 및 히알루 론산 [HA]), 지질 (예 : 인지질) 콜레스테롤), 핵산 (예 : DNA), 펩타 이드/단백질 (예 : 알부민 및 리소자임) 및 무기 물질이 암 치료를 위한 나노 제제를 제 조하는 데 사용됨
PLGA는 대사 경로에 들어갈 수 있는 젖산 (LA)과 글리콜산 (GA)으로 분해 될 수 있으 며, 주사 제제의 제조에 안전하게 적용될 수 있음
생체 기능성 (즉, 종양-표적화 능력)을 제공하도록 화학적으로 변형 될 수 있으며,
PLGA- 기반 NP의 외부 표면은 연장 된 순환 시간 및 종양 표적화를 제공하도록 변형
될 수 있음
서론
다양한 물리 화학적 특성을 갖는 작은 화학 물질, 펩타이드, 단백질 및 핵산은 PLGA 또 는 PLGA 유도체 기반 NP에 포획되거나 NP의 외부 표면에 흡착 될 수 있음
NP의 제조에 있어서의 편리한 변형 및 신뢰성 및 유리한 생체 안전성은 병원에서
PLGA- 기반 NP를 적용하는 가능성을 상승시킬 수 있음
PLGA 기반 NP의 준비 및 수정
PLGA NP의 준비
• PLGA NP의 제조 방법은 입자 화, 입자 크기 분포, 입자 모양, 약물 캡슐화 효율 및 입자 안정성 과 같은 물리 화학적 특성에 영향을 줄 수 있음
• 유화, 나노 침전과 같은 PLGA NP의 제조를 위한 가장 일반적인 방법 , 분무 건조 및 미세 유체 에 대해서는 이후에 설명될 것임
유화-증발법
• 유화가 가장 많이 사용되는 방법이며, 이 방법은 에멀젼 (단일; 예를 들어, 수 중유 [O/W] 에멀젼 및 이중 또는 다수; 예를 들어, 수 중유 [W/O/W] 에멀젼) 및 NP (즉, 수 중유)에 기초하여 세분 될 수 있음 (용매 증발 및 투석)
• PLGA 중합체 및 소수성 약물을 클로로포름 오르디클로로메탄과 같은 수불 혼화성 유기 용매에 용해시킨 후, 폴리(비닐 알코올) (PVA)과 같은 계면 활성제를 함유하는 수상에 첨가하여 O/W 에 멀젼을 수득 할 수 있음
• 이 유화는 높은 전단 에너지를 제공 할 수 있는 균질화 기 또는 초음파 프로브를 사용하여 제조 될 수 있음. 이어서, 간단한 교반, 온화한 질소 가스 스트림하에 또는 진공 상태에서 유기 용매를 증발시킬 수 있음
• 경화된 NP는 원심 분리에 의해 수득 될 수 있고, 남아있는 계면 활성제를 제거하기 위해 세척되 고, 추가 저장을 위해 동결 건조 될 수 있음
• 또한 에멀젼 시스템의 유상에서 유기 용매는 또한 다량의 물에 대한 투석에 의해 확산 될 수 있 음. 또한 PLGA 폴리머 및 약물을 함유하는 고형 입자는 침전 및 획득 될 수 있음
• 이중 또는 다중 에멀젼 방법을 사용하여 추가의 친수성 약물을 캡슐화 할 수 있음
• 친수성 약물을 함유하는 수용액을 PLGA- 용해 유기상에 첨가하여 강하게 교반하고, W/O 에멀 젼을 수득함. 이 에멀젼은 고전단 에너지 하에서 계면 활성제를 함유하는 제 2 수용액에 첨가되 어 W/O/W 에멀젼을 형성시킴 그 후 강화 된 나노입자는 용매 증발에 의해 얻어짐
• 유화법은 소수성 약물과 친수성 약물을 캡슐화하는 데 사용될 수 있으며, 교반 속도와 투입량을 조절하여 나노에서 마이크론 크기까지 다양한 입자를 제조하는데 사용될 수 있음
• 그럼에도 불구하고, 용매 증발을 위한 열 또는 진공에 대한 요구 및 안정제의 불완전한 제거와 같은 이 방법에는 몇 가지 문제점이 있음
• 최근에, 유화 공정 후 좁은 크기 분포를 갖는 NP를 제조하기 위해 막 압출이 사용됨
• 멤브레인 압출은 고압 하에서 폴리카보네이트 막을 사용하여 수행됨
나노 침전법
• PLGA 및 소수성 약물은 디메틸 설폭 사이드 (DMSO), 아세톤 및 에탄올과 같은 수혼 화성 용매 에 용해 될 수 있음
• 이 유기 용액은 일반적으로 자동-인젝터로 제어 된 속도로 계면 활성제 함유 계면 활성제에 주 입됨
• NP는 유기상으로부터 중합체 및 약물의 치료 적 확산에 의해 형성 될 수 있고, 용매 제거에 의해 얻을 수 있음
• 나노 침전 법 (Nanoprecipitation)은 1 단계 절차를 통해 소수성 약물을 NP에 로딩하는데 사용 됨
분무 건조법
• 분무 건조 방법은 소수성 및 친수성 약물을 모두 캡슐화하는 데 사용될 수있는 빠른 공정임
• 친수성 약물을 함유하는 수성 용액을 강하게 교반 하면서 PLGA- 용해 유기상에 첨가하여 W/O 에멀젼을 수득 할 수 있고, 다중 에멀젼을 제조하는데 사용될 수 있음
• 입자는 가열 된 공기의 흐름으로 W / O 에멀젼 또는 다중 에멀젼을 분무함으로써 얻어짐
• 그러나 이 방법의 주된 한계는 분무 건조기의 벽과 사이클론 부분에 입자가 부착되어 생산성이 떨어짐
미세 유체법
• 플로우 포커싱 시스템 및 공류 시스템을 포함하는 연속 상 유동 미세 유체 시스템은 단일 에멀젼 을 형성함으로써 나노 크기 PLGA 입자를 제조하는데 사용될 수 있음
• 플로우 포커싱 시스템에서, 분산 된상은 좁은 모세관을 통해 흐르고, 분산 된상의 수직 방향을 갖는 2 개의 측면 채널로부터 연속적인 상류가 흐름
• 공류 시스템에서 분산상은 모세관 내부로 흐르고 연속상은 모세관 외부로 같은 방향으로 흐르 게 됨
• 미세 유체 방법은 좁은 분포, 높은 재현성, 초기 버스트 릴리스를 방지함
• 또한, 미세 유체 시스템은 다양한 표면이 개선된 PLGA NP, 예를 들어 PEG화된 NP 및 표적 부 분을 갖는 NP를 제조하는데 사용될 수 있음
• 그러나 제한된 생산 규모 (및 규모 확대)와 마이크로 채널 막힘 및 파울 링과 관련된 문제도 포함 하여 한계가 있음
종양 표적화를 위한 PLGA NP의 표면 변형
PLGA의 물리 화학적 및 생물학적 특성
• PLGA는 LA와 GA로 구성된 공중 합체이며 이 두 단위는 에스테르 결합을 통해 연결됨. 따라서 PLGA는 체내 가수 분해에 의해 LA와 GA로 분해 될 수 있으며 대사 경로에 합류 할 수 있음
• PLGA NP의 분해는 분자량 (MW), LA와 GA의 mol 비, 결정도, 유리 전이 온도 및 엔드캡 유형 (산 대 에스테르)에 의해 영향을 받을 수 있음
• 폴리(락트산) (PLA)은 폴리(글리콜산) (PGA)보다 소수성이며; 따라서 더 높은 비율의 LA / GA를 갖는 PLGA 공중 합체는 더 느리게 분해 될 수 있음
• 또한 에스테르 엔드캡이있는 PLGA는 산 엔드캡이있는 PLGA와 비교하여 가수 분해에 대한 내 성이 더 높음. 이러한 생체 적합성과 생분해성은 임상 응용에서 PLGA NP를 사용하는 가능성을 증가시킬 수 있음
• 중합 공정을 조절하여 MW, LA : GA 비율, 엔드캡 및 키랄성 측면에서 다양한 유형의 PLGA를 제조 할 수 있게 됨. 이러한 특성은 폴리머 분해, NP의 약물 방출, 세포 흡수 및 NP의 생체 내 운 명에 영향을 줄 수 있음
• 양친매성 공중 합체 (예를 들어, PEG-PLGA 및 PLGA-PEG-PLGA)는 수성 환경에서 분산된 후 아밀라렐 구조를 형성 할 수 있으며, 상이한 입자 특성을 나타낼 수 있음.
• 이러한 구조적 변화는 PLGA 기반 NP의 물리 화학적 및 생물학적 특성을 조절할 수 있음
PLGA 기반 NP의 표면 엔지니어링
• 수동 종양-표적화 접근법 (즉, EPR 효과)과 함께 활성 종양-표적화 전략 (즉, 리간드-수용체 상 호 작용)을 위해, PLGA- 기반 NP의 외부 표면은 다양한 기능 그룹으로 조작됨
• 표면 공학 PLGA NP를 준비하는 데 두 가지 방법을 사용할 수 있음 1) PLGA 유도체를 합성 한 후 (관능기에 연결) NP를 제조하는 데 사용할 수 있음 2) PLGA NP를 제작 한 후, PLGA의 노출 된 관능기 (즉, 카르복실산 및 히드록실기)는 표적 부분에 화학적으로 연결되거나 PLGA NP의 외 표면이 기능성 물질로 코팅되어 있음
• PEG로서, 폴록사머 및 트윈 80은 일반적으로 PLGA NP의 표면에 접합되어 있음
• NP의 이러한 친수성 분자는 은폐 특성을 유도 할 수 있으며, 망상 내피계 (RES)에 의한 식균 흡 수의 회피 및 전신 순환에서의 연장 된 시간을 초래함
• CS와 같이 양으로 하전된 분자로 접합되거나 코팅된 PLGA NP는 흡착-매개 트랜스 사이토시스 를 통해 종양 세포로보다 쉽게 흡수 될 수 있음
• 종양 특이 적 전달을 위한 능동적 표적화는 표적화 부분을 NP의 표면에 도입함으로써 달성 될 수 있는데, 이는 NP 세포의 표면에 수용체에 의해 특이적으로 인식되어 수용체-매개 세포 내 이 입을 통한 종양 세포의 침투를 증가시킴
• 수용체 또는 표면 결합 항원은 정상 세포와 비교하여 종양 세포상에서 독점적으로 또는 과발현 될 수 있음
• 엽산 (FA), Tf, 비오틴, HA, 펩타이드, 앱타머 및 항체 (Abs)와 같은 다양한 표적 부분이 PLGA NP의 표면에 사용되어 종양 미세 환경을 적극적으로 표적으로 함
• 그러나, 종양 세포 또는 혈관에서 수용체의 발현이 변경 될 수 있고 대안적인 수용체가 상향 조 절 될 수 있음
• 최근에, 다수의 (예를 들어, 이중 또는 삼중) 리간드를 운반하는 NP가 종양-표적화 효율을 최대 화하기 위해 연구되어 왔으며, 세포-침투 펩티드, Pluronic® P85 (약물 유출 펌프 억제제)로 변 형 된 다기능 PLGA NP의 개발, 또는 PEG는 암 치료를 위한 유망한 전략이 될 수 있음
• 이 PLGA NP는 수동적으로 EPR 효과를 통해 종양으로의 전달을 목표로 하고 리간드-수용체 상 호 작용을 기반으로 종양으로의 전달을 적극적으로 목표로 하고 유출 펌프 억제제와의 약물 내 성을 극복하여 최종적으로 항 종양 효능을 개선하고 정상 조직 및 기관에서 전신 독성을 감소시 킴
* Kim KT, Lee JY, Kim DD, Yoon IS, Cho HJ. Recent Progress in the Development of Poly(lactic-co-glycolic acid)-Based Nanostructures for Cancer Imaging and Therapy. Pharmaceutics. 2019 Jun 14;11(6). pii: E280.
그림 1 참고
종양 표적화를 위한 PLGA NP의 표면 변형 방법
Formulation Anticancer Agent Target (Cell Line) Surface Modification Method mPEG-PLGA NPs Mitramycin Pancreatic carcinoma (BxPC-3 and MIA Paca
-2 cells)
Mitramycin was loaded onto mPEG-PLGA NPs by the single-e mulsion solvent evaporation method using poloxamer 188 as a stabilizer
CS-modified PLGA NPs PTX Breast cancer (MDA-MB- 231 cells)
PTX-loaded PLGA NPs were prepared by the nanoprecipitatio n method using a high-gravity rotating packed bed. Then, PL GA NPs were modified with CS through electrostatic adheren ce
Pluronic® P85 or Tf-mo
dified PLGA NPs PTX Glioma (C6 cells) PTX-loaded PLGA NPs were prepared by the nanoprecipitatio n method. PLGA NPs were coated with Pluronic® P85 or conj ugated with Tf
C24-LMWP peptide-modi
fied PLGA NPs DOX Drug-resistant lung cancer (A549/T cells) and drug-resistant breast cancer (MCF-7/ADR cel ls)
Desalted DOX-loaded PLGA NPs were prepared by the nanop recipitation method. Then, a C24-LMWP hybrid peptide was i ntroduced to PLGA NPs by electrostatic interaction
HA-PEG- PLGA or CD-PE
G-PLGA NPs pDNA lipoplex Glioblastoma (U87 cells) HA or CD was conjugated to PLGA-PEG-NH2 using a reducin g agent and a catalyst. HA-PEG-PLGA or CD-PEG-PLGA NPs were prepared by the dialysis method
PLGA-PEG-biotin NPs SN-38 (active met abolite of irinotec
an) Breast cancer (4T1 cells)
NHS-Biotin and H2N-PEG-NH2 were conjugated. Then, PEG-b iotin was conjugated to PLGA-NHS to synthesize PLGA-PEG- biotin. PLGA-PEG-biotin NPs were prepared by the modified emulsification solvent evaporation method
PLGA-PLL-PEG-Tf NPs DNR Leukemia (K562 cells) DNR-loaded PLGA-PLL-PEG NPs were prepared by the modif ied double-emulsion solvent evaporation/diffusion method. T f was conjugated to the surface of NPs with CDI
Anti-EGFR mAb-PLGA-P
EG NPs PTX Triple-negative breast cancer (MDA-MB-468 c
ells)
PTX-loaded PLGA-PEG NPs were prepared by the nanoprecip itation method. The anti-EGFR mAb was anchored on the sur face of NPs by crosslinking with MBS
CS-RGD-modified PLGA
NPs PTX or CDDP Lung cancer (H1299 and A549 cells)
Drug-loaded PLGA NPs were prepared by the emulsification solvent evaporation (PTX) or double emulsion (CDDP) method . CS-RGD was synthesized by conjugating the GRGDSP peptid e to chitosan via maleimide-PEG-NHS. CS-RGD was physicall y adsorbed onto the PLGA NPs
Glucose-PLGA DTX Human laryngeal carcinoma (Hep-2 cells) DTX-loaded glucose-PLGA NPs were prepared by the single- emulsion solvent evaporation method
CD133 aptamerPEG-PLG
A Salinomycin CD133-positive osteosarcoma (Saos-2 cells) a nd cancer stem cells
Salinomycin was loaded into PLGA-PEG-COOH NPs by the sin gle-emulsion solvent evaporation method. CD133 aptamers w ere conjugated to PLGA-PEG-COOH NPs by EDC/NHS couplin g.
Arg-Gly-Asp (RGD); chitosan (CS); chondroitin sulfate (CD); cis-diamine platinum (CDDP); daunorubicin (DNR); dicyclohexylcarbodiimide (DCC); docetaxe l (DTX); doxorubicin (DOX); epidermal growth factor receptor (EGFR); 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC); hyaluronic acid (HA); low- molecular-weight protamine (LMWP); methoxypolyethylene glycol (mPEG); m-maleimidobenzoyl-N-hydroxysuccinimide (MBS); monoclonal antibody (mA b); N-hydroxysuccinimide (NHS); N,N-carbonyldiimidazole (CDI); paclitaxel (PTX); polyethylene glycol (PEG); poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA); poly-l-lys ine (PLL); transferrin (Tf).
PLGA NP의 암 세포로의 흡수
표면 조작 된 PLGA NP의 종양 세포로의 흡수는 수용체, 운반체 및 흡착 매개 세포 내 이입과 같은 여러 세포 내 이입 메커니즘을 통해 설명 할 수 있음
이러한 세포 내 이입 메커니즘을 통해 NP의 증가 된 세포 흡수가 관찰 될 수 있음
따라서 수동적 또는 능동적 표적화를 통한 종양-특이 적 약물 전달 전략으로 간주
입자 크기, 입자 모양, 입자의 표면 전하, 입자의 친수성 / 소수성, 입자의 탄성 및 세 포 유형은 세포 내 이입 경로 및 효율에 영향을 미치고 결정될 수 있음
세포 내 소포에 들어가기 위해서는 작은 입자가 그들의 빠른 세포 진입에 유리한 것 으로 알려짐
또한, 입자의 다분산도 및 표면 전하는 세포 유입에 영향을 줄 수 있게됨
* Kim KT, Lee JY, Kim DD, Yoon IS, Cho HJ. Recent Progress in the Development of Poly(lactic-co-glycolic acid)-Based Nanostructures for Cancer Imaging and Therapy. Pharmaceutics. 2019 Jun 14;11(6). pii: E280.
그림 2 참고
수용체 매개 Endocytosis
• PLGA NP를 포함한 항종양제를 보유한 대부분의 NP는 세포 내 이입에 의해 종양 세포 내로 내재화 될 수 있 음
• 수용체-매개 세포 내 이입에서, NP는 PLGA NP에 고정 된 표적 부분 및 종양 세포막 또는 종양 혈관에 발현 된 상응하는 수용체의 특이 적 결합에 의해 세포 내로 효과적으로 내재화 될 수 있음
• 이러한 특정 리간드-수용체 복합체는 비오틴-비오틴 수용체, HA-CD44 수용체, 항표피 성장인자 (EGF) 항체 (Ab) -EGF 수용체(EGFR), FA- 엽산 수용체, Arg-Gly-Asp(RGD)- 펩타이드-인테그린 αvβ3 및 Tf-Tf 수용체 가 있음
• 클라트린 및 카베올린은 시토졸에 존재하고 수용체-매개 세포 내 이입 작용을 하는 내인성 분자임
• 표적 부분에 접합 된 NP가 수용체와 상호 작용할 때, 각각의 클라트린 또는 카베올린 분자는 시토졸에서 세 포막으로 이동하고, 리간드-수용체 복합체를 포함하며, 복합체를 함유하는 클라 트린-코팅 소포 또는 카베 솜의 생성에 기여함
• 클라트린-의존적 세포 내이 입은 포유 동물 세포로의 대표적인 진입 경로는 다음과 같음. 1)클라 트린 의존성 엔도사이토시스에서, 코팅된 클라트린은 초기 엔도 솜과 융합되기 전에 벗겨 질 수 있으며 NP는 엔도 리소좀 경로를 통해 리소좀에 도달할 것임. 반대로, 카베올린 의존성 엔도 사이토시스에서 NP는 원시의 형태로 내재 화 될 수 있음
• 이는 리소좀과의 융합을 피하고 리소좀 분해를 방지 할 수 있는 것임
캐리어 매개 Endocytosis
• 세포의 빌딩 블록, 신경 전달 물질 및 에너지원으로 사용될 수 있는 아미노산, 펩타이드, 모노아 민 및 포도당과 같은 일부 친수성 분자는 일반적으로 세포막에서 발현되는 담체 단백질과의 상 호 작용을 통해 선택적으로 인식되고 능동적으로 운반됨
• 종양 세포는 비정상적인 성장을 위해 높은 수준의 에너지 및 빌딩 블록을 필요로 하므로, 헥소스 담체 및 아미노산 담체를 포함하는 담체 단백질을 과발현시킴
• 따라서, 글루코스는 PLGA NP의 종양-특이적 전달을 위한 유망한 표적화 모이어티로서 사용될 수 있게 됨
• 포도당이 포함 된 PLGA NP는 특정 종양 세포에서 GLUT-1 및 GLUT-3 또는 포도당 연결 운반 체 (SGLT) -1 및 -2와 같은 포도당 수송 체에 특이 적으로 결합 될 수 있으며, 담체-매개 세포 내 이입을 통해 세포로 내재화됨 [ 교 모세포종과 같은 뇌종양의 치료를 위해, 치료 분자는 인체에 서 가장 불 침투성 인 BBB (blood-to-brain barrier)를 가로 질러야 함
• 신경 전달 물질을 운반하기 위해(콜린 및 l- 도파)와 에너지원 (포도당)이 뇌로 전달되면 콜린 수 송체, 1- 시스템 대중성 아미노산 수송체, GLUT 및 SGLT를 포함하는 특정 운반체가 BBB에 존 재하게 됨
• 뇌 종양-특이 적 전달을위한 항-종양제로 로딩된 NP는 표적 모이어티로 변형 될 수 있으며, 이 는 BBB상의 담체 및 종양 세포상의 수용체 (즉, CD44 수용체, 엽산 수용체 및 Tf 수용체)에 결합 될 수 있음
흡착 매개 Endocytosis
• 생리적 pH에서 세포막의 표면이 약간의 음전하를 띠면 양이온 NP와 종양 세포막 사이의 정전 기적 상호 작용은 종양 세포에 입자 흡착을 촉진 할 수 있음
• 비기능화 된 PLGA NP는 PLGA 폴리머의 구조로 인해 음의 표면 전하를 가지므로 정전기 반발 로 인해 종양 세포로의 침투가 낮아짐
• 따라서, CS 및 세포 침투 펩티드 (CPP)와 같은 양이온성 중합체로 기능화된 NP(예를 들어, 저분 자량 프로타민 (LMWP), 전사의 트랜스 활성제 (transactivator) 및 페트라틴)는 흡착 매개를 통 해 종양 세포에 쉽게 침투 할 수 있게 됨
• 몇 가지 예외로 양으로 하전된 NP는 아클라트린 매개 경로를 통해 지배적으로 내재화 될 수 있 음
• 예를 들어, CS- 코팅된 PLGA NP는 마크로 피노사이토시스 및 클라트린-매개 세포 내 이입 둘 다를 통해 내재화되는 반면, PLGA NP의 흡수는 MDCK 세포에서 카베올린-매개 세포 내 이입 을 수반 할 수 있음
• NP의 양으로 하전된 표면은 강화된 옵소닌 화 및 RES에 의한 인식으로 인한 순환 시간 감소와 같은 일부 문제와 관련 될 수 있음
PLGA 기반 NP의 입자 특성에 따른 세포 내 이입의 유형
Surface Functionalities Mean Diameter (n
m) Type of Endocytosis
AS1411 aptamer 128 Receptor (nucleotin)-mediated endocyt osis
CD44 antibodies 140 Receptor (CD44)-mediated endocytosis l-carnitine 189 Carrier (OCTN2)-mediated endocytosis Glutamatepolyoxyethylene stear
ate 152-181 Carrier (LAT1)-mediated endocytosis CS 140-173 Adsorption-mediated endocytosis PEG-HIV-TAT 97-176 Adsorption-mediated endocytosis Arginine-rich peptide 156 Adsorption-mediated endocytosis
생체 내 영상화에 의한 종양 표적화의 시각화
이미징 방식의 NP 디자인
• PLGA- 기반 NP의 종양 표적화 능력은 생체 내 이미징 기술을 사용하여 입증 될 수 있음
• NP의 생체 내 소실을 모니터링하려면 NP에 해당 이미징 방식을 도입해야 함
• 이미징제는 PLGA 백본 (NP 제조 이전) 또는 NP의 외부 표면 (NP 제조 후)에 부착 될 수 있게 됨
• 상업적인 PLGA 제품은 카르복실산 또는 에스테르말 단기를 가지므로, 영상화 작용기의 관능기 와 공유 결합을 생성하는데 사용될 수 있음
• 예를 들어, 영상화제의 아민 또는 하이드록실 그룹은 PLGA의 말단 카복실산 그룹과 직접적으로 아미드 또는 에스테르 연결을 형성 할 수 있음
• 영상 양식은 PLGA 유도체의 작용성 그룹 (예 : 아민 그룹)에 부착 될 수 있는데 적절한 링커 (예 를 들어, 이작 용성 PEG 링커)를 사용하여 영상 형성과 PLGA를 연결할 수 있음
• 또한 PLGA NP의 외부 표면은 이미징 에이전트를 사용하여 수정할 수 있으며, PLGA NP의 노 출 된 작용기는 이미징 방식과의 반응에 참여할 수 있음
• PLGA (또는 PLGA NP)와 영상 화제 사이의 공유 결합은 주사 후 종양 영역에 NP를 국소화하기 전에 영상 화제의 손실을 감소시킬 수 있으며, 생체 내 영상화를위한 충분한 해상도를 얻기 위해 서는 영상 화제에 의한 치환도를 최적화하는 것이 중요함
• PLGA- 기반 NPs에 물리적으로 이미지화제를 도입 할 수 있음
• PLGA NP가 제조 된 후, NP의 외부 표면은 흡착에 의해 영상 화제로 코팅 될 수 있지만 그러나, 이것은 혈류로 주사 후 영상 화제 방출의 초기 파열 위험에 노출 될 수 있고, 표적 부위를 시각화 하는 효율을 감소시킬 수 있음
• 유기상에서 PLGA의 가용화와 함께, NP를 제조하는 동안 여러 가지 영상 화제가 유기 용매 (예 : 아세톤, 클로로포름, 디클로로 메탄, DMSO 및 에탄올)에 첨가 될 수 있음
• PLGA NP에서 영상화 양상을 캡슐화하기 위해, 약물 캡슐화 효율 및 방출 속도는 또한 생체 내 영상화를 적용하기 전에 평가되어야 함
• 자기 공명 (MR) 영상화를 위해, T1- 또는 T2- 중량 조영제가 PLGA NP에 도입 될 수 있으며, 일 반적으로, 가돌리늄 (Gd) 유도체 또는 산화철 (Fe3O4) NP는 MR 이미징에서 콘트라스트를 향상 시키기 위해 NP에 로딩되는 생체 내 형광 이미징에 널리 사용되어짐
• 최근에, 형광 이미징보다 더 깊은 조직 산란 특성으로 인해 나노 포뮬레이션의 개발 중에 근적외 선 형광 (NIRF) 이미징을 사용하여 많은 시도가 이루어지고 있음
• NIRF 이미징에서, 여러 종류의 형광 분자 (예 : Cy5.5, Cy7, 프로토 포르피린 IX [PpIX] 및 인도 시 아닌 그린 [ICG])가 PLGA NP에 도입 될 수 있으며, NIRF 염료의 유도체는 PLGA에 공유 접 합되거나 PLGA NP에 캡슐화 될 수 있음
• 초음파 (미국) 진단을 위해 기포 발생제 (예 : 퍼플루오로헥산 [PFH])를 PLGA NP에 통합 할 수 있음
• 전산화 단층 촬영 (CT) 이미징에서, 여러 조영제 (예 : 요오드 유도체 및 금 나노 구조)가 PLGA NP에 포획되거나 PLGA NP의 외부 표면에 코팅 될 수 있음
• 생체 내 영상화에 적용하기 전에, 종양 조직을 시각화하기 위한 적절한 용량을 결정해야 함
• 영상 요법의 화학적 변형 및 물리적 로딩은 암 치료 요법에서 약물 방출, 세포 결합 및 시험 관내 / 생체 내 항암 활성을 포함하여 PLGA NP의 고유 생체 기능에 영향을 미치지 않아야 함
• 신체의 영상 양식이 포함 된 PLGA 기반 NP의 신호 탐지는 생체 분포를 나타낼 수 있음
• 암 진단에 대한 장단점은 각각의 영상 방식에 대해 보고되어 있는데, 예를 들어, MR 이미징은 공간 해상도가 높고 상대적으로 감도가 낮음
• 대조적으로, 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미징은 높은 감도 및 낮은 공간 해상도를 나타냄
• PET / MR 영상의 조합은 질병 진단에서 높은 감도 및 높은 공간 해상도를 제공 할 수 있음
• 이중 또는 삼중 양식을 갖는 생체 내 영상화 방법이 결합되어 각각의 영상화 기술의 이점을 이용 하게 되고, 다중 영상화 방식은 전신 투여 후 질환 상태의 NP의 정확한 추적 및 진단 능력을 가 능하게 할 수 있음
PLGA NP에 대한 종양 표적화 리간드 소개
• 활성 종양 표적화 전략에 의해 종양 표적화 효율을 증가시키기 위해, 다양한 종류의 리간드가 PLGA- 기반 NP에 도입 될 수 있음
• 수동 종양 표적화 전략으로서 ＂뗶 효과＂와 함께, 리간드-수용체 상호 작용은 암 영상 및 치료 에서 종양-표적화 효율을 향상시킬 수 있으며, 소분자, 중합체, 단백질, 펩티드 및 Ab는 PLGA 골격 또는 PLGA 유도체의 작용기에 연결될 수 있음
• 아민-, 알데히드-, 카르 복실-, 말레이 미드-, 숙신 이미딜 에스테르-또는 설프히 드릴 작용 기화 PEG- 연결 PLGA는 다양한 종류의 종양-표적 리간드와 결합 될 수 있음
• 아민-관능화된 엽산-폴리에틸렌 글리콜 (PEG)을 카보디이미드 반응을 통해 PLGA-PEG-COOH 에 접합시켜 아폴레이트 결합 PLGA-PEG 유도체를 합성 하였음
• 펩티드 표지를 위해, 시클릭 Arg-Gly-Asp (cRGD)-티올 (SH)을 말레이미드-작용화 된 PLGA- PEG NP와 반응시켜 cRGD- 연결된 PLGA-PEG NP를 제조하기도 함.
생체 내 영상화에 의한 종양 표적화의 검증
• 약물 전달 및 암 영상화를 유도하는 수동적 및 활성 종양-표적화 접근법은 몇몇 생체 내 영상화 기술을 사용하여 평가 될 수 있음
• 생체 내 및 생체 외 영상화 데이터는 신체에서 제조 된 NP의 생체 분포 패턴에 대한 데이터를 제공 할 수 있음
• 생체 내 영상화는 실험 동물을 희생시킬 필요 없이 제조 된 NP의 실시간 분포 및 암조직의 현재 상태를 보여줄 수 있으며, 실시간 이미징에 의해 유도된 PLGA- 기반 NP는 약물화물의 치료 효 능을 증가시킬 수 있게 됨
• 최근에, 몇몇 연구는 바이오 이미징 기술에 의해 PLGA- 기반 NP의 생체 내 종양 표적화 능력을 보고 하였음
• PFH, 파클리탁셀 (PTX) 및 초상 자성 산화철 (SPIO)을 포함하는 HER2- 표적화 PLGA NP를 제 조하고 광 음향 (PA) / US 영상화에 의해 유도된 광열 / 화학-치료 효과를 평가함
• 허셉틴을 PLGA- 기반 NP의 외부 표면에 접합시켜 HER2 수용체를 표적으로 하였으며, SPIO와 PFH는 각각 PA 및 US 이미징용 NP에 포함하였음
• SPIO는 외부 근적외선 (NIR) 빛을 열 에너지로 변환 할 수 있어 종양의 광열 제거에 사용될 수 있고, 그런 다음 유방암 치료를 위해 PTX의 화학 요법 효과와 결합 될 수 있게됨
• SPIO의 광열 가열은 PLGA 폴리머로 옮겨져 폴리머의 구조를 고무로 만들 수 있음
생체 내 영상화에 의한 종양 표적화 능력의 검증
Polymer Drug Targeting Material Target Receptor (Cell Line) Imaging Techniqu
e Imaging Modality
PLGA-mPEG Platinum(II) prodr
ug cRGD Integrin (SKOV-3 cells) US and NIRF PFH and Cy7
PLGA-PEG-COOH PTX Herceptin HER2 receptor (SKBR-3 cells) PA and US PFH and SPIO
PLGA-PEG-COOH DOX AS1411 aptamer Nucleolin receptor (C26 cells) MR SPIO
PLGA-PEG DOX Biotin Biotin receptor (4T1 cells) FL DOX
PLGA-PEG-COOH DOX FA Folate receptor (Bel-7402 cells) US and MR PFH and Fe3O4
mPEG-PLGA-PLL PTX Anti-CA19-9 Ab CA19-9 (capan-1 cells) FL DiR
Maleimide-PEG-PLG
A Curcumin c(RGDf(N-me)V) αvβ3 , αvβ5 , and α5β1 integrins (C6 cells
) FL DiR
PLGA DTX Angiopep-2 LRP-1 (U87-MG cells) NIRF and X-ray IR780 and gold n
anoshell
PLGA-Glc DTX Glucose Glucose transporter (Hep-2 cells) NIRF Cy5.5
PLGA DTX HA CD44 receptor (MDA-MB-231 cells) NIRF Cy5.5
PLGA-PEG Curcumin and PT
X T7 (HAIYPRH) pepti
de Tf receptor (U87 cells) FL, X-ray, and MR DiR and MNP
PLGA ZnPc Anti-VEGFR-2 Ab VEGFR-2 (MDA-MB-231 cells) PA and US ZnPc and PFH
Antibody (Ab); cyclic Arg-Gly-Asp (cRGD); 1,1‘-dioctadecyl-3,3,30, 3‘-tetramethylindotricarbocyanineiodide (DIR); docetaxel (DTX); doxoru
bicin (DOX); fluorescence (FL); folic acid (FA); hyaluronic acid (HA); low-density lipoprotein receptor-related protein-1 (LRP-1); magnetic
nanoparticle (MNP); magnetic resonance (MR); methoxypolyethylene glycol (mPEG); near-infrared fluorescence (NIRF); paclitaxel (PTX); p
erfluorohexane (PFH); photoacoustic (PA); phthalocyanine zinc (ZnPc); poly((d,l)lactic-glycolic)acid–star glucose (PLGA-Glc); polyethylene
glycol (PEG); poly-l-lysine (PLL); superparamagnetic iron oxide (SPIO); transferrin (Tf); ultrasound (US); vascular endothelial growth facto
r receptor (VEGFR).
• 그 후, 수용성이 낮은 약물 (PTX)이 NP로부터 확산 될 수 있음
• 허셉틴-개선된 NP의 종양-표적화 효율은 SKBR-3 종양-이종 이식 마우스 모델에서 광 음향 (PA) / US 이봉이미징에 의해 평가되었음
• NIR 레이저 조사에서 PHF, PTX 및 SPIO를 포함한 Herceptin-modified NP는
photothermaland chemo-therapeutic 효능의 상승 작용에 기초하여 우수한 종양 성 장 억제 효과를 나타내었고, -트리거된 약물 방출 및 화학-광열 치료 효능을 평가 하였 음
• 코어-쉘 구조에 기초한 유기-무기 하이브리드 NP는 NIR 레이저를 열 에너지로 변환 하고 X- 선 영상화제로서 광열요법 (PTT)에 사용될 수 있는 외부 Au 쉘로 설계되었음
• NP에 의해 운반된 안지오 펩티드 -2는 수용체-매개 세포 내 이입을 통해 U87MG 세포 에서 효율적으로 내재화 될 수 있고 개선 된 항암 활성을 나타내었음
• 종양-표적화 효율 및 치료 잠재력을 입증하기 위해 X- 선 및 NIR 열 화상 분석을 수행 함
• Angiopep-2-conjugated Au nanoshell / PLGA / DTX NPs는 U87MG 종양이 있는
마우스 모델에서 anti-gliomaactivity를 나타냄
• 양친매성 HA 유도체 (HA- 세라마이드 [HACE])로 코팅 된 PLGA NP는 약물 전달을 위 한 CD44 수용체를 목표로 개발됨
• HACE는 친수성 골격 (HA) 및 소수성 세그먼트 (CE)로 구성되고; 따라서, PLGA NP는 자기 조립된 HACE 나노 구조의 내부 소수성 공동에 포획 될 수 있음
• DTX는 난 수용성 화학 요법 제로서 PLGA 기반 NP에 캡슐화되었고, 더 높은 수준의 HACE-으로 코팅된 PLGA NP는 CD44 수용체 (NIH3T3 세포)에 대해 음성인 암 세포 와 비교하여 CD44 수용체-(MDA-MB-231 세포)를 발현하는 암세포에 의해 내재화됨
• MDA-MB-231 종양을 갖는 마우스에서, HACE-PLGA NP는 PLGA NP와 비교하여 종
양 조직에서 더 높은 수준으로 축적된 것을 관찰함
PLGA 기반 NP의 생체 내 항암 활성
생체 내 항종양 활성을 평가하기 위한 파라미터
• 항암 요법으로서 개발된 다양한 PLGA NP가 동물에 적용되어 우수성을 입증 하였음
• 현재, 생체 내 항 종양 활성을 평가하는데 사용되는 표준 기술은 종양 크기 측정 및 생존 분석을 포함하는데, 구체적으로, 암 세포주는 종종 면역 손상된 동물에서 이종 이식되고, 종양 부피 또 는 생존율은 치료에 대한 반응으로 시간이 지남에 따라 모니터링됨
• 종양 부피는 변형 된 모형화 식을 사용하여 결정되나 직접 종양 측정이 불가능한 일부 모델 (예 : 두개골, 폐 또는 간 종양)에서는 스캔 이미지의 종양 또는 해부 된 종양의 무게를 사용하여 부피 데이터를 대체 할 수 있음
• 생존율은 진단 후 특정 기간 동안 그룹의 생존자 비율로 정의됩니다. 생존율 대 시간 함수 (즉, Kaplan–Meier 곡선)로부터 평균 생존 값을 추정하여 치료 효과를 평가하는 데 사용할 수 있음
항 종양 효능 개선을 위한 주요 요인
• 항암 요법을 위해 개발된 대부분의 PLGA NP는 EPR 효과를 통한 수동적 표적화 및 약물 방출 제어와 같은 치료적 이점을 공유함
• 더욱이, 다른 화합물에 의한 추가의 화학적 또는 물리적 변형은 변형되지 않은 NP에 의해 제공 되지 않는 특정 기능을 제공함
제어 방출 및 EPR 효과
• 항암제의 임상적 가치는 용량-제한 중증 부작용 (예를 들어, 신장 및 위장 독성)으로 인해 종종 크게 손상됨
• PLGA NP를 사용하는 많은 접근법이 정상 조직에서 약물의 축적을 피하기 위해 개발되어짐
• Moreno 등 연구진의 시스플라틴 (CP)-부하 PLGA NP는 유리 CP와 유사한 항 종양 효능을 나 타냈다고 보고했으나 PLGA NP는 체중과 혈액 요소 질소 (BUN) 측면에서 전신 독성이 감소함
• PEGlation은 PLGA NP의 항종양 효능을 향상시키고 순환을 증가시키는 가장 광범위하게 연구 된 전략 중 하나이며, 약동학적 이점은 종양이 NP에 의해 표적화 될 가능성을 증가시킴
• mPEG-PLGA 공중 합체로 제조 된 CP- 부하 NP는 유리 CP와 비교하여 생존율이 향상되었으 며, 비변형 PLGA NP를 사용할 때 관찰되지 않음
* Kim KT, Lee JY, Kim DD, Yoon IS, Cho HJ. Recent Progress in the Development of Poly(lactic-co-glycolic acid)-Based Nanostructures for Cancer Imaging and Therapy. Pharmaceutics. 2019 Jun 14;11(6). pii: E280.
그림 3 참고
대상 운송
• 종양-표적 모이어 티 (즉, 활성-표적화 전략)에 의한 PLGA NP의 표면 변형은 또한 항암 활성을 향상시킬 수 있음
• 전형적인 예는 PEG 링커의 도움으로 표적화 부분이 테 더링 된 PTX-로드 PLGA NP를 사용한 연구에서 찾을 수 있음
• 엽산 수용체의 소분자 리간드인 FA를 PTX- 적재 된 PLGA NP의 표면에 첨가하면 HEC-1A 종 양-이종 이식 마우스에서 변형되지 않은 NP와 비교하여 종양 부피의 감소가 증가되었다고 보고 함
• 종양-표적화 모이어 티로서펩티드 (iNGR; CRNGRGPDC)를 이용하는 연구에서 유사한 개선이 관찰됨
• 두개 내 U87-MG 교모세포종을 보유한 마우스의 중앙 생존은 변형되지 않은 NP와 비교하여 PTX- 로딩 된 iNGR-PEG-PLGA NP로 처리 한 후 1.6 배 더 길어짐
• 앱 타머 (AS1411) 컨쥬게이션은 또한 PLGA NP의 종양 억제 활성을 증강시켰다. PTX- 적재된 AS1411-PEG-PLGA NP로 처리한 후 C6 종양-이종 이식된 마우스의 평균 종양 부피는 비표적 NP로 처리된 것과 비교하여 33 % 감소됨
• 표적화 부분은 간접적으로 부착 될 수 있으며, 가장 간단한 접근법은 표적 부분과 NP 표면 사이 의 전하-전하 상호 작용에 기초함
• Wu 등 연구진들은 양전하 계면 활성제인 비타민 E- 올리고 (메틸 디 글리콜 1- 글루타메이트) 로 개질 된 PLGA NP의 표면을 음이온 성 중합체 HA로 코팅한 것에 대해 설명함
• 이 연구에서, DTX가 장입된 HA- 코팅된 PLGA (HPLGA) NP는 오르토토프 A549-Luc 폐 이종 이식편 모델에서 유리 DTX와 비교하여 평균 생존 생존 평균 1.4 배를 가지게 됨
• 다른 접근법은 아비딘과 비오틴 사이의 강한 결합 친화성을 이용 하였음
• 비오틴-접합된 RVG29 (광견병 바이러스 코트 단백질의 단편)는 캄프토테신 (CPT)-부하 PLGA NP의 표면에 고정된 아비딘-팔미 테이트에 성공적으로 부착되었으나 두개 내 교모세포종을 보 유한 마우스에서 비오틴-부착된 CPT-로드 PLGA NP (대조군)와 비교하여 중앙 생존율에서 유 의미한 차이는 발견되지 않았음
• 이것은 전신 투여 후 NP의 레시틴-풍부 표면에 혈류 내인성 표적화 부분인 아포지 단백질 A-1 의 흡착에 기인함
세포 흡수 및 침투
• 세포 흡수 및 침투에 관한 인자는 또한 PLGA NP의 항 종양 활성과 밀접한 관련이 있음
• 한 가지 흥미로운 접근법은 Zhang 등 연구진들은 PLGA NPs에서 NaHCO3와 함께 소변 항균제 인 메탄 (methenamine mandelate) (MM)을 함께 로딩하였음
• 엔도-리소좀 경로를 통한 NPs 암 세포의 진입 후, NaHCO3는 엔도-리소좀의 산성 성질로 인해 CO2 버블을 생성하게 되는데, 기포는 NP의 구조적 완전성을 무너뜨리고 MM의 후속 방출은 암 세포에서 포름 알데히드 생성을 함
• 이 pH- 반응성 약물 방출은 NaHCO3가없는 NP와 비교하여 MCF-7 종양 이종 이식 마우스에서 종양 성장의 더 큰 억제를 초래 하였음
• Wang 등 연구진들이 보고한 다른 접근법에서는 PLGA NP의 표면을 장식하기 위해 CPP를 사 용함
• 이 연구에서, PLGA NP에 고정된 알킬-쇄 LMWP에 의해 DOX의 종양 침투 및 핵 내 전달이 달 성되었으며, 이는 MCF-7 / ADR 종양-이종 이식 마우스에서 종양 성장의 거의 완전한 정지를 관찰함
PDT (Photodynamic Therapy) 및 / 또는 PTT와의 병용
• PDT와 PTT는 암 치료 효과에 기초하여 많은 주목을 받고 있음
• 다기능 PLGANP를 사용한 화학 요법, PDT 및 PTT의 병용 치료가 연구됨
• 감광제 (예를 들어, 5- 아미노레불린산, 하이포클레린 A, 메조 테트라하이드록시페닐 염소
[mTHPC], 포스포로이드 a [Pba] 및 PpIX) 및 / 또는 광열제 (예 : ICG)는 캡슐화 또는 흡착에 의 해 PLGA NP에 도입 될 수 있음
• Pba를 포함한 FA- 변형 PLGANP가 제조되었으며, 정맥 주사 후 위암 (MKN28 종양)에 대한 PDT에 기초한 향상된 항암 활성이 입증함
• Peng 등 연구진들은 폴리도파민 (PDA) 및 d-α- 토코페릴 폴리에틸렌글리콜 1000 석시네이트 (TPGS)-코팅된 DTX-로드 PLGA NP의 사용에 대해 보고함
• NIR 레이저 조사로 공동 처리된 경우,이 나노 플랫폼은 MCF-7 / ADR 종양-이종 이식된 마우스 에서 DTX의 상업적 제제 인 Taxotere와 비교하여 종양 크기 및 중량이 대략 10 배 감소함
• 이 결과는 PDA에 의해 증강 된 광열 보존 특성 및 TPGS에 의해 감소 된 다중 약물 내성에 의해 설명됨
• 유사하게, 금-또는 폴리아닐린-개선된 PLGA NP는 또한 NIR 조사의 존재 하에서 효과적인 종 양 억제를 관찰함
• 이러한 치료적 진보는 화학 / 광 역학 / 광열 요법의 상승 효과에 기인
다양한 유형의 PLGA NP를 사용한 성공적인 생체 내 암 치료 요약
Drug@Formulation Target (Cell Line) Functions Therapeutic Benefits
As2O3@PLGA-PEG/LA N
Ps Liver cancer (HepG2 cells) EPR effect; controlled release of A s2O3
1.49- and 1.09-fold reduction in tumor volume co mpared with saline and free As2O3 , respectively, in HepG2 tumor-bearing mice
CBP/ICG@FA-PEG-PLGA
NPs Breast cancer (MCF-7 cells)
EPR effect; targeted delivery via th e folate receptor; combination of c hemo, photodynamic, and phototh ermal therapy
The strongest tumor growth suppression potenti als in NPs with NIR laser irradiation group rather than the other group
CPT@RVG-PLGA NPs Glioblastoma (GL261-Luc2 cell
s) Brain-specific delivery of CPT
Prolonged tumor doubling time and increased m edian survival (3.15/23 days) compared with eithe r saline (2.46/16.5 days) or blank RVG-PLGA (2.50 /19 days) in mice bearing intracranial GL261-Luc 2 gliomas
CP@PLGA NPs Colon cancer (DHD/K12PROb c
ells) Higher activation of caspase-3-me
diated apoptosis Comparable reduction in tumor volume with free CP in DHD/K12PROb tumor-xenografted mice CP@mPEG-PLGA NPs Colorectal cancer (HT 29 cells) EPR effect; prolonged CP residence in the systemic circulation Increased survival rate of HT 29 tumor-bearing m
ice compared with saline, free CP, or blank NPs DOX@lecithin-PLGA NPsGlioblastoma (GB 101/8 cells)
Adsorption of apolipoprotein A-1 o n the surface of the NPs and subs equent improvement of endocytosi s into vascular endothelial cells via lipoprotein receptors
Reduced mean tumor area (9.6 ± 10.7 mm2 ) co mpared with vehicle (32.1 ± 3.8 mm2 ) and free D OX (21.7 ± 13.4 mm2 ) in rats with orthotopic glio blastoma
DOX@LMWP/PLGA NPs Breast cancer (MCF-7/ADR cells)
Targeted nuclear delivery of DOX; t umor penetration by breaking dow n the diffusion barriers caused by i nterstitial fluid pressure
Near-complete tumor growth arrest in MCF-7/AD R tumor-bearing mice compared with vehicle, fre e DOX, or DOX-loaded PLGA NPs
DTX@HPLGA NPs Lung cancer (A549-Luc cells) Enhanced colloidal stability; superior tumor selectivity in vivo
Improved median survival (46 days) compared wit h vehicle (20 days), free DTX (34 days), and blank HPLGA NPs (24 days) in orthotopic A549-Luc lung xenografts
DTX@PLGA-PDA-TPGS
NPs + NIR Drug-resistant breast cancer ( MCF-7/ADR cells)
Improved photothermal conservati on by PDA; inhibition of P-glycopro tein by TPGS
Approximate 10-fold reduction in tumor size and weight compared with Taxotere®
DTX@ANG/GS/PLGA NP
s + NIR Glioblastoma (U87-MG cells) DTX accumulation in the tumor; heat-induced tumor cell damage
The greatest tumor inhibition rate among all gro ups comprising saline, 808 nm irradiation, free D TX, GS/PLGA/DTX NPs, and ANG/GS/PLGA/DTX N Ps.
다양한 유형의 PLGA NP를 사용한 성공적인 생체 내 암 치료 요약
GEM/BA@mPEG-PLGA
NPs Ehrlich ascites carcinoma (E
AC cells) Combination drug delivery; impro ved pharmacokinetic properties
Reduced mean tumor volume (195.5 mm3 ) co mpared with saline (1236.5 mm3 ), GEM solutio n (553.1 mm3 ), GEM NPs (367.8 mm3 ), or GEM + BA solution (213.5 mm3 ) in mice bearing Ehrl ich tumors
MM@NaHCO3 /PLGA N
Ps Breast cancer (MCF-7 cells)
EPR effect; pH-responsive degra dation of NPs due to CO2 bubbles generated from NaHCO3 and sub sequent rapid release of MM in ly sosomes
Highest tumor growth inhibition compared with vehicle, blank NPs, or MM–loaded NPs in MCF-7 tumor-xenografted mice
MTX@PANI-LT-PLGA N
Ps + NIR Breast cancer (MDA-MB-231 cells)
Targeting somatostatin receptors by LT modification; hyperthermia effect
Higher tumor suppression compared with salin e, free MTX, PANI PLGA NPs, MTX/PANI PLGA N Ps, or MTX/PANI LT-PLGA NPs in mice
PTX@FA-PEG-PLGA NP
s Endometrial carcinoma (HEC
-1A cells) EPR effect; targeted delivery via t
he folate receptor Higher anti-tumor efficacy than free PTX and n on-targeted NPs in mice
PTX@AS1411-PEG-PLG
A NPs Glioma (C6 cells) Targeted delivery to the tumor an d angiogenic blood vessels by AS 1411 aptamer
The highest average tumor inhibition based on tumor volume and weight (81.68 and 79.93%), c ompared with non-targeted NPs (66.95 and 68.
69%) and Taxol® (68.69 and 46.75%)
PTX@iNGR-PEG-PLGA
NPs Glioblastoma (U87-MG cells) Targeted delivery to angiogenic bl ood vessels and tumor penetratio n by iNGR
Prolonged median survival (42.5 days) compare d with saline (17.5 days), PTX-loaded PEG-PLGA NPs (27 days), Taxol® (21.5 days), and PTX-load ed cNGR-PEG-PLGA NPs (34 days) in mice bear ing intracranial U87-MG glioblastoma
Adriamycin (ADR); angiopep-2 (ANG); betulinic acid (BA); camptothecin (CPT); carboplatin (CBP); cisplatin (CP); CNGRC peptide (cNGR);
CRNGRGPDC peptide (iNGR); d-α-tocopheryl polyethylene glycol 1000 succinate (TPGS); docetaxel (DTX); doxorubicin (DOX); enhanced p
ermeability and retention (EPR); folic acid (FA); fragment of rabies virus coat protein (RVG); gemcitabine (GEM); gold nanoshell (GS); hy
aluronic acid-coated PLGA (HPLGA); indocyanine green (ICG); lactose acid (LA); lanreotide (LT); low molecular weight protamine (LMWP
); luciferase (Luc); methenamine mandelate (MM); methotrexate (MTX); methoxypolyethylene glycol (mPEG); near-infrared (NIR); paclita
xel (PTX); polyaniline (PANI); polydopamine (PDA); polyethylene glycol (PEG).
PLGA 기반 NP의 생체 내 약동학
• DTX-로드된 PEG화된 PLGA NP (DTX-PEG-PLGA NP)의 약동학을 C26 종양이 있는 Balb / C 마우스에서 평가함
• PEG화된 NP는 현저하게 지연된 클리어런스 (CL)를 나타냄
• DTX-PEG-PLGA NP의 투여 후, 혈장 DTX 수준은 유리 DTX 용액 및 DTX- 부하 PLGA NP의 것 에 비해 24 시간 후에 훨씬 더 높게 유지되었음
• 대조적으로, DTX 용액 및 DTX- 부하 PLGA NP는 전신 순환으로부터 신속하게 제거되었고 투약 2 시간 후 혈장 농도는 낮았음
• 이들 데이터는 입체 PEG 장벽을 갖는 NP가 단핵성식세포 시스템에 의한 그들의 빠른 흡수를 막고 순환 반감기를 개선시킬 것이라는 것을 시사함
• Shah 등 연구진들은 C6 glioma가 있는 수컷 Sprague-Dawley (SD) 쥐에서 Tf 및 Pluronic®
P85로 표면 개질 된 PTX-loaded PLGA NP의 약동학에 대해 보고한 바 있음
• 정맥 내로 투여 된 용액 중 PTX는 혈액으로부터 신속하게 제거되는 반면, 상이한 NP 제형에 로 딩된 PTX는 혈액에 더 오랫동안 보유되어 약물-부하 된 NP의 긴 순환 특성을 나타냄
• 체류 시간의 이러한 증가는 NP의 더 작은 크기 (200 nm 미만) 및 친수성 (비침입성)으로 인해 혈액으로부터의 옵소피네이즈화로 인한 것일 수 있음
• Milane 등 연구진들은 다약제 내성 유방암의 오르토토프 동물 모델에서 lonidamine이 들어간 폴리머 블렌 드 (PLGA-PEG-EGFR- 표적화 펩타이드) NPs의 생체 분포와 약동학을 보고함
• EGFR- 표적화 펩티드 (표적된 NP)를 함유하는 NP는 용액으로서 투여되는 로니다민에 비해 플라스미드 AUC, MRT, 및 로니 다 민의 t1 / 2를 증가시킴
• 표적화된 NP는 종양 λz를 감소시키고, 종양 MRT를 증가 시키며, 약물 용액에 비해 AUC를 증가시키는데, 종 합적으로, 정확한 메카니즘은 불분명하지만 NP 제제는 약물 용액에 비해 종양 약동학을 개선하고, 표적화 된 NP는 표적화되지 않은 NP에 대한 lonidaminerelative의 약동학 파라미터 측면에서 약간의 이점을 제공함
• 로딩된 PLGA-PEG NP 및 Pt 프로 드러그는 최대 허용 용량의 화합물 (각각 40 및 20 mg / kg)의 정맥 내 투 여 후 수컷 SD 래트에서 평가하였음
• Pt-PLGA-b-PEG-NP의 투여 후 1 시간 후 전신 순환에 남아있는 Pt는 Pt-PLGA-b-PEG-NP의 투여 후 77 % 이고 Pt 프로드럭의 투여 후 15.6 % 인 반면, CP에 대한이 값은 문헌에서 1.5 %로 보고됨
• 혈액 내 총 Pt에 대한 평균 AUC는 플라스미드에서 관찰된 것의 약 26 %였으며, Pt가 적혈구에 광범위하게 분포되어 있지 않음을 시사함
• Pt 로딩된 NP의 단일 정맥 투여 후, 간 및 비장은 둘 다 24 시간에 가장 높은 Pt 농도를 나타내었고, 시스플라 틴 독성의 주요 표적 기관인 신장에서, Pt 로딩된 NP는 Pt 전구 약물보다 Pt 수준이 더 낮았음
• 신장에서 낮은 Pt 수준은 NPsystem이 CP의 것에 비해 감소된 신 독성을 나타냄을 나타냄
• Pt- 부하 PLGA-PEG NP 후 24 시간 누적 Pt 배설은 시스플라틴 처리 후보다 약 17 배 더 적었 으며, 이러한 차이는 Pt 화합물의 특성 때문일 수 있으며, 이는 공유 결합을 통해 단백질 또는 다른 조직 조성물에 단단히 결합 될 수 있음
• Ma 등 연구진들은 엽산 수용체의 높은 발현을 나타내는 MDA-MB-231 종양으로 이종 이식 된 PEG 및 FA 친근으로 변형 된 ICG-로드 PLGA NP의 조직 분포를 보고함
• 혈장 AUC0-12 h 간에서 AUC0-12 시간을 제외하고, 비변형 PLGA NP에서 이중-변형 PLGA NP는 상응하는 AUC0-12h보다 높았음. 이러한 증가 및 감소는 PEG의 기능을 확인시켜, NP가 혈액에서 더 오래 순환하고 부분적으로 간에 의한 제거를 피할 수 있게 함
• 이중-개선된 PLGA NP의 종양 AUC0-12h는 비-개선된 PLGA NP의 것보다 3 배 높았으며, 이 중-개선된 PLGA NP의 종양-표적화 능력을 강력하게 입증함
• PEG 및 FA는 이중-개질 된 NP에 존재하기 때문에, 본 연구는 어느 요인이 종양 표적화에 더 기 여했는지를 밝히기가 어렵지만 더 긴 전신 순환은 EPR 효과를 통한 종양 표적화의 전제 조건이 며, FA는 엽산 수용체-발현 종양 세포와 NP의 친 화성을 향상시켜 축적 및 세포 내 흡수를 초래 하는 것으로 추측됨
• mPEG, PLGA, PLL 및 cRGD로 구성된 NP는 SW620 결장암이있는 마우스에서 수행됨
• 혈장에서, bufalin은 bufalin-loaded mPEG-PLGA-PLL-cRGD NPs (BNPs)로 처리된 마우스에 주사한 후 24 시간 후에도 검출 할 수 있는 반면, bufalin은 유리 bufalin으로 처리 된 마우스의 혈장에서 검출되지 않았 고, BNP의 MRT 및 제거 반감기는 유리 부팔린의 것보다 유의하게 더 크게 나타남
• SD 랫트에서 PLGA / HA 블록 공중합체 (PLGA / HA NP)로 만들어진 생분해성 DTX-로드 자체 조립 된 NP 의 약동학; DTX가 장착된 PLGA와 PLGA / HA NP 모두 유리 DTX와 비교하여 DTX의 혈장 수준이 약간 증가 함
• PLGA / HA NP에 대한 Vd는 PLGA NP 또는 유리 DTX에 대해보고 된 것의 절반에 불과하며, 이는 PLGA / HA NP에 로딩될 때 활성 DTX 혈장 순환의 더 큰 보유를 나타냄
• PLGA / HANP의 AUC는 아마도 HA 쉘로 인해 PLGA NP 및 자유 DTX보다 2.5 배 및 3.8 배 높았으며, PLGA / HA NP는 DTX의 순환을 혈장에서 연장 할 수 있었음
• Chen 등 연구진들은 전립선 종양에 DTX의 표적화된 전달을 위해 LNCaP 종양-이종 이식 된 BALB / c 마우 스에서 항-전립선-특이 적 막 항원 (PSMA) 앱타머로 변형 된 DTX-로드 PLGA-PEG NP의 약동학을 보고 함
• DTX가 캡슐화 된 제형에 적용될 때 DTX의 CL 및 Vd는 감소하였고, 이는 AUC의 증가에 의해 반영된 개선된 전신 노출에 대한 유리한 조건을 시사함
• DTX 용액은 PLGA-PEG-apt NP와 비교하여 심장, 심장, 간, 비장, 폐 및 신장을 포함한 다른 기관으로의 더 낮은 분포를 나타냄
• 일반적으로 정맥 내로 투여 된 NP는 비장, 간 및 폐에 풍부한 독특한 미세 구조인 RES에 쉽게 갇히게 됨
• 이전 연구에서 임상적으로 유망한 항암 피토케미칼인 curcumin은 반감기가 매우 짧았음
• 암컷 BALB / c 누드 마우스에서 유리 형태로 정맥 내 투약 후 ~ 8 분. 유방암 치료를 위해 EGFR- 표적화 GE11 펩티드와 접합된 PLGA-PEG NP는 반감기를 ~ 6 시간까지 연장시킨
• 이것은 NP 제형으로부터의 커큐민의 지속적인 방출 및 / 또는 전신 순환에서의 제거로부터의 보호가 커큐민에 대한 종양 노출 기간을 연장시킬 수 있다는 추가 증거를 제공함
• 최근 유방암 치료를 위한 항 –EGFR 단백질이 고정 된 PLGA-PEG NP (면역 입자, INP)는
PLGA-PEG NP 및 무 흉선의 유리 PTX와 비교하여 종양 PTX 농도를 약 93 배 크게 향상 시켰 다고 보고된 바 있음
• Paolini 등 연구진들은 천연 CYP3A4- 억제 화합물인 베르가모틴의 간-특이적 전달을 위해 63nm의 유체 역학적 직경을 갖는 갈락토사민-개선된 PLGA NPs 개발한 바 있음
• 간세포에서. MDA-MB-231 종양을 갖는 나체에서 DTX 단독 치료와 비교하여, NP 로의 공동 처 리는 종양 성장 지연을 현저하게 개선시켰고, 전체 생존 (55 일에 0 %에서 생존율 67 % 대 생존 율)에서 주요 개선을 입증함
• Ahmad 등 연구진들은 장암의 표적 치료를 위해 개발 된 DTX-로드 CS- 코팅된 PLGA NP (DTX-CS-PLGA NP)의 계내장내 수송 및 생체 내 약동학을 평가 하였음
• DTX-CS-PLGA 및 DTX-PLGA NP는 GF120918과 함께 랫트 회장 투과 연구에서 명백한 장 투 과성에서 각각 5 배 및 2.2 배 향상을 나타냄
• 유사하게, 랫트에서의 유리 DTX 현탁액과 비교하여 DTX-CS-PLGA 및 DTX-PLGA NP의 투여 후 상당히 높은 Cmax, Tmax 및 AUC가 관찰되었음
• 더 높은 Tmax는 지속적인 시험 관내 방출 프로파일과 일치하는 반면, 나노 제제에 대한 더 높은 Cmax 및 AUC는 DTX의 향상된 장 흡수에 기인 할 수 있음
• 강화된 DTX 흡수의 가능한 메커니즘은 DTX의 캡슐화, GI 차폐로부터 보호, CYP 및 P- 당 단백 질 인식을 피하고, 세포 내로의 세포 내 이입 (NP의 직접 흡수)을 포함함
PLGA 기반 NP에 의해 변경된 생체 내 약동학 파라미터의 요약
Drug@Formulation Animal Model Pharmacokinetic Alterations
DTX@PEG-PLGA NPs Balb/C mice bearing C26 tum
ors ■ Plasma CL (mL/h/kg): 407.1 in solution; 148.4 in DTX-PEG-PLGA NPs PTX@P85/Tf-PLGA NPs SD rats bearing C6 glioma
■ Plasma AUC (µg·h/mL): 108.23 in solution; 362.52 in PLGA-NPs; 391.54 in P85-PL GA-NPs; 551.83 in Tf-PLGA-NPs
■ Plasma t1/2 (h): 2.1 in solution; 3.96 in PLGA-NPs; 4.33 in P85-PLGA-NPs; 5.43 in Tf-PLGA-NPs
Lonidamine@PLGA-PEG-EGFR peptide N
Ps Female nude mice xenograft
ed with MDA-MB-231 tumors
• Plasma
■ AUC (µg·h/mL): 768.8 in solution; 992.44 in PLGA-PEG NPs; 1316.01 in PLGA-PEG -EGFR NPs
■ MRT (h): 2.36 in solution; 3.77 in PLGA-PEG NPs; 4.38 in PLGA-PEG-EGFR NPs
■ t1/2 (h): 1.67 in solution; 3.92 in PLGA-PEG NPs; 4.16 in PLGA-PEG-EGFR NPs
•Tumor
■ AUC (µg·h/mL): 4.58 in solution; 32.09 in PLGA-PEG NPs; 49.96 in PLGA-PEG-EGF R NPs
■ MRT (h): 1.94 in solution; 4.46 in PLGA-PEG NPs; 7.25 in PLGA-PEG-EGFR NPs
■ λz (h): 0.63 in solution; 0.26 in PLGA-PEG NPs; 0.13 in PLGA-PEG-EGFR NPs
Pt@PLGA-PEG NPs SD rats
• Plasma
■ AUC0–24 h (µg·h/mL): 14.7 in Pt prodrug; 48.9 in PLGA-PEG NPs
■ Vd (mL/kg): 210.9 in Pt prodrug; 43.2 in PLGA-PEG NPs
• Blood
■ AUC0–24 h (µg·h/mL): 3.8 in Pt prodrug; 12.7 in PLGA-PEG NPs
■ Vd (mL/kg): 678.7 in Pt prodrug; 81.9 in PLGA-PEG NPs ICG@PEG/FA-PLGA NPs Female NCr mice xenografte
d with MDA-MB-231 tumors ■ AUC0–12 h ratio (PEG/FA-PLGA NPs: PLGA NPs): 3.45 in plasma;2.94 in tumor; 0.
87 in liver
Bufalin@PEG-PLGA-PLL-RGD NPs Mice bearing colon cancer ■ t1/2 (h): 3.35 in solution; 7.17 in PEG-PLGA-PLL-RGD NPs
■ MRT (h): 3.45 in solution; 7.63 in PEG-PLGA-PLL-RGD NPs
■ Vd (L/kg): 63.37 in solution; 187.83 in PEG-PLGA-PLL-RGD NPs
DTX@PLGA/HA NPs SD rats ■ AUC (µg·h/L): 6110 in solution; 9394 in PLGA NPs; 23,175 in PLGA/HA NPs
■ Vd (L/kg): 6.94 in solution; 7.52 in PLGA NPs; 3.16 in PLGA/HA NPs
DTX@PLGA-PEG-Apt NPs SD rats
■ AUC (ng·h/mL): 1393.6 in solution; 3996.9 in PLGA-PEG NPS; 3807.4 in PLGA-PEG -Apt NPs
■ CL (L/h): 3.588 in solution; 1.251 in PLGA-PEG NPS; 1.313 in PLGA-PEG-Apt NPs
■ Vd (L): 0.501 in solution; 0.165 in PLGA-PEG NPS; 0.166 in PLGA-PEG-Apt NPs Aptamer (Apt); Arg-Gly-Asp (RGD); docetaxel (DTX); epidermal growth factor receptor (EGFR); folic acid (FA); hyaluronic acid (HA); indocyanine green (ICG);
platinum (Pt); Pluronic® P85 (P85); polyethylene glycol (PEG); poly-l-lysine (PLL); Sprague-Dawley (SD); transferrin (Tf).
임상 적용을 위한 PLGA 기반 제형의 현재 상태 및 과제
• 연구 상태에 있는 질병의 진단 및 치료를 위한 PLGA 기반 제제에는 많은 발전이 있었음
• PLGA를 기반으로 하는 여러 의약품은 다음과 같이 규정되어 있음 : Arestin® (미노사이클린 HCl, 마이크로스피어, 치주; OraPharma), Bydureon® (엑세나타이드, 마이크로스피어, 피하;
AstraZeneca PLC), Eligard® (류프롤리드 아세테이트, 원위치 형성 겔, 피하; Tolmar)
Pharmaceuticals, Inc.), Lupron depot® (류프롤리드 아세테이트, 마이크로스피어, 근육 내;
AbbVie Inc.), Ozurdex® (덱사메타손, 임플란트, 유리 체내; Allergan), SigniforLAR® (파시레 오 타이드파모 에이트, 마이크로스피어, 근육 내; Norvatis Pharmaceuticals Corp.), Vivitrol®
(Naltrexone, 마이크로스피어, 근육 내; Alkermes, Inc.) 및 Zoladex® (고세렐린 아세테이트, 임플란트, 피하; AstraZeneca PLC)
• PTX를 포함하는 mPEG- 폴리 (d, 1- 락타이드)에 기초한 미셀 라 구조 또한 Genexol® PM (Samyang Biopharm)으로서 임상에서 개발되어 사용되었으나 안타깝게도 암 영상 및 치료를 위한 PLGA 기반 NP의 상용화에는 거의 진전이 없었으며, 개발 된 PLGA NP의 임상 적 번역을 위해서는 다음과 같은 단점을 극복해야 함: 약물 적재 효율이 낮음 (약물 캡슐화 효율에도 불구 하고), 약물의 높은 초기 파열 방출 속도, 생분해 후 산성 산물의 생성, 스케일 업 과정의 어려움 및 나노 독성학
