Nanoparticle delivery 는 현재 계속해서 주목 받고 있는 분야이다. 그 중에서도 약물을 Solid tumor에 전달하는 것은 쉽지 않기 때문에 NP delivery를 통해서 solid tumor를 타겟하는 전략에 대해 연구를 많이 한다. 이 리뷰 논문은 Nanoparticle의 여러 특성들을 제시하고 끝에는 근본적인 전략에 대해서 언급한다. 개인적으로 가장 관심이 있는 연구 주제이기 때문에 전반적인 이해에 도움이 될 것같아 논문을 디테일하게 읽고, 요약하고, 분석하여 정리해두려고 한다. 나름 최신 논문이다.
Introduction
나노입자는 target cell 에 Therapuetic agents를 전달하는데에 주목받고 있는 기술이다. 그 이유로는
1) 작은 사이즈 특성을 가져 몸에서 전달하는데 용이함
2) 여러 타입의 치료제를 운반하기 위해 가공될 수 있음
3) 세포의 수용체를 인식하기 위한 리간드를 표면에 부착할 수 있음
4) 특정 size, shape, chemical composition, surface property 등을 위해 높은 재현성으로 mass manufartured 될 수 있음
등의 장점이 있기 때문이다.
** 하지만, 문제는 therapeutic efficacy가 높아짐에도 np(nanoparticle) based therapuetic agent에 toxicological profile이 생길 수 있다는 점이다.
poor delivery efficacy도 하나의 문제점에 속한다. 특히 solid tumor의 경우에는 투여된 나노입자의 0.7%만 간다는 연구 결과도 존재한다. 대부분의 나노입자들이 nontumor organ에 붙잡히면 당연히 투여된 용량보다 덜한 효과가 나온다. 임상 동물 모델에서는 더 많은 나노 입자를 투여하여 낮은 전달 효율을 해결한다. 하지만 부작용때문에 사람에게도 동일한 전략을 취할 수는 없다.
결국 이 문제를 해결하는 것이 21세기에서 중요한 목표이고 더 나은 전략을 세우는데 집중해야한다. 그렇게 하기 위해서는 in vivo delivery 를 위해서 nano particle을 설계하기 위한 parameter를 정의해야한다. 즉 nano-bio interaction 이라고 할 수 있다. nanoparticle이 체내로 들어왔을 때 어떻게 거동하고 어떤 반응을 하는지에 따라 전달 효율이 달라지기 때문이다.
해당 리뷰 논문에서는 5가지의 general principle을 제시하고 있다. 세럼에서 나노입자가 붙는 분자들이 나노입자의 화학적 특성을 바꾸고 nontumor organ에 붙게 된다. 또 physicochemical property(size, shape, surface chemistry) 가 그 여정을 결정한다.
First Principle: Nanoparticles will acquire a biological identity
나노 입자는 생물학적 정체성을 가진다!
처음 나노 입자가 들어오면 biomolecule들과 interaction을 한다. 마치 새로 전학온 친구에게 반 친구들이 몰리듯이 (?) ..
가장 많이 연구된 것은 serum protein 과의 interaction이다. protein corona라고 부르고, 나노입자 표면에 serum protein들이 레이어를 형성하여 둘러싼 형태를 의미한다. 이런 과정이 나노 입자 자체의 특성을 바꾸게 되고 연구자들은 이 부착된 세럼 단백질이 나노 입자의 cellular interaction을 조절한다고 예상했다.
corona protein, (hard, soft corona) hard : strong interaction/ soft: weak 뭐 이런 표현도 존재한다.
하지만 아직 이 이동 특성에 있어서 생물학적 특성의 역할은 완전히 연구되지는 않았다. 연구라는 게 늘 그렇듯이..
모르는 게 참 많다. 연구자들은 이러한 단백질과의 interaction 이 cell uptake에 영향을 주는지 궁금했다.
apolipopreotein B, low density lipoprotein receptor의 경우는 nonspecific uptake of nanoparticle에 영향을 주었다. (healthy tissue)
수업에서도 이에 대해서 배운적이 있지만, 참 어려운 것은 우리의 몸이다. 결국 수많은 단백질, 다른 물질들과 상호작용하고 이분법적으로 나눠서 정의할 수 없기에 수많은 연구가 필요하고 또 정리하는 과정이 필요한 것 같다.
Second Principle: Organs will compete with tumors for nanoparticles in circulation
종양이 아니면 나대지 말아줘..
우리 몸은 참 똑똑하다. 외부에서 어떤 물질이 들어오면 알아서 잘 걸러주니.. 근데 약은 거르지 말라고 하고 싶지만 말이 통하지는 않는다. RES(Reticuloendothelial system)의 장기들은 30%-99%의 나노 입자들이 쌓이는 곳이다. 애는 착한데 참...
Liver
간은 가장 큰 RES 장기이다. 외부에서 들어온 입자들을 제거해준다. first pass effect라고도 한다. 나노입자가 portal vein을 통해 간으로 들어가고, hepatic artery, sinusoid에 들어가면 유속이 매우 느려진다. 그러면서 liver immune cells 들에게는 기회이다. (ex ) Kupffer cells) 쿠퍼셀들은 sinusoid에 가서 나노입자를 receptor나 nonreceptor mediated phagocytosis를 통해 먹는다. 쿠퍼셀 내에 enzyme들이 lipid, organic nanoparticle을 분해한다. 그런데? inorganic nanoparticle은 어렵다. 나노입자들은 sinusoid endothelial cell, hepatocyte와도 상호작용한다. general circulation에 나오면 나노입자들은 다음 패스에 다시 간에 들어가고 더 많은 입자들이 제거된다. 계속 반복되면서 제거되거나, 분해되거나 ... 아놔 ..
그런데 kupffer cell 들이 어떻게 나노 입자와 작용하는지 그 메커니즘은 계속 연구중이다. 대부분 쿠퍼셀 수용체가 나노입자 코로나
liver에서 빠져나온 나노 입자들도 다른 장기들의 면역 세포들과 상호작용을 할 수 있다. spleen, lymph node, bone marrow, lung cell 등.. 하나의 장기가 기능하지 못할 시에 다른 장기들이 동일한 기능을 하게 된다는 것이다.
Third Principle: Nanoparticles must enter solid tumors for effective delivery
암을 뚫고 지나가욥
종양에 전달되는 나노입자는 종양 혈관과 미세환경에 존재하는 나노입자의 총합이다. 약물 dose는 종양 내에 있는 나노 입자와 약물 용량/ 나노입자 1개 의 곱과 같다. RES를 탈출한 나노 입자들이나 체내에서 제거되지 않은 나노입자들은 tumor endothelium을 지나 microenvironment로 간다.
원래 solid tumor에 들어가는 나노 입자들은 혈관 사이 갭을 통해 들어간다는 가설이 존재했다. 암 조직은 빠른 vascularization을 거쳐 혈관이 매우 불규칙적이고 빠르게 자란다. 그래서 tight junction이 형성되지 않고 inter endothelial gap이 생기게 된다. 이때문에 나노 입자의 size cutoff 는 200-1200nm 정도 되는 것으로 밝혀졌고 MCaIV model 의 경우에는 2000nm 까지, 그래서 갭 사이즈가 2000nm라고 결론을 내렸다. 하지만 사람의 종양에서 실제로 이 갭을 직접 조사할 수는 없었다. 대부분의 연구자들도 이를 찾기 힘들었다. 연구자들은 갭 사이즈보다 작은 나노입자들이 확산 되어 TME에 들어간다고 예상했다. 이 passive transport 는 EPR principle (Enhanced permeability and retention principle)에 중심이 되는 메커니즘이다. 이 메커니즘은 연구자들로 하여금 interendothelial gap보다 작은 나노 입자를 설계하고 만드는데 역할을 하였다.
그런데???? 여기서 반전. 리뷰논문들에서 이 메커니즘에 반하는 데이터를 최근에 발표했다. 97%의 나노입자들이 actively transported 된다는 것이다. (endothelial cells 를 통해서..) 와우
이건 진짜 반전이다. 왜냐면 수업 때 EPR effect를 배우걸랑
이름하야 N-TECs(Nanoparticle transport endothelial cells)
종양에서의 이 N-TEC의 위치가 나노입자 분산 패턴에 영향을 끼치는 것을 보여주었다. 이 N-TEC은 endocytosis와 연관된 높은 양의 gene을 띠고 있었다. ( 예를 들자면 clathrinmediated transport pathway gene)
이를 설명하고 이해하는 데에 더 많은 연구가 필요하다. 최근 연구에는 platelet factor 4를 통해 나노 입자가 injured blood vessel 에 들어간다고 발표되었다. 재밌네. 모 이 이외에도 다양한 transport mechanism들이 존재한다. 그렇기 때문에 이 나노 입자 전달 메커니즘에 대해 잘 이해하는 것이 중요하다.
Fourth Principle: Nanoparticles will interact with many tumor and cellular component
나노 입자는 종양에서 다양한 아이들과 만난다.
종양자체는 매우 복잡하다. TME라고 해서 종양 세포 주변에 환경들이 있고 종양은 그 미세환경과 계속 상호작용을 이루면서 세력을 유지한다. ECM도 있고 ,, interior necrotic region도 있구 .. TME 자체는 특이한 interstitial pressure이 존재하여서 나노 입자들은 이것을 지나 암 세포를 향해 가야한다. 암에 도달하기 전에 종양의 ECM이나 nontarget cell들을 피해 피해 가야한다. 참 여정이 길다..
TAM(Tumor- associated macrophages) 라고 하는 아이는 membrane에 있는 나노 입자들을 전달 해줄 수 있다. 이 아이는 많은 수의 나노 입자들을 종양 내부로 깊게 전달할 수 있다. 입자 사이즈는 입자가 diffusion을 통해 이동할지, TAM에 의해 먹힐지 를 결정한다. 30nm보다 작으면 미세 환경으로 확산되고, 더 큰 아이들은 TAM에 의해 먹히기 쉽다.
근데 쉽지 않다. 왜냐하면 TME는 너무나도 복잡하고 그 안에 다양한 요소들이 나노 입자를 붙잡기 때문에.. 아놔
진짜 어렵네
Fifth Principle: Nanoparticle Physicochemical properties will influence the delivery process
물리화학적 특성이 중요하다고 정말로..
마지막 원리는 나노입자 자체의 물리화학적 특성이다. 그 중에는 particle size, shape, surface chemistry, 그리고 다른 특성들.. 이 존재한다. 이 특성들은 나노 입자의 tumor entry rate, residence time, penetration depth, interaction with RES organ에 영향을 미친다. 뭐 이러한 연구들을 데이터베이스화 해서 최적의 나노 입자를 설계하는 데에 도움을 주면 되지 않을까?
주로 PEGylation이라던지,, sphere shape vs rod shape 차이 라던지..
중요한것은 생물학적 시스템을 너무 방해하지 않는 디자인을 찾아야 하는 것이다. 자연의 섭리를 거스르면 해가 되는걸까..
아무래도 연구를 통해서 수치적으로 비교할 수 있는 부분이기 때문에 ai를 이용해 전달 패턴을 분석하면 앞으로 연구에 있어서 명확한 방향성이 잡힐 것이다. 그래서 우리는 데이터베이스에도 관심을 가져야만 한다.
Summary
지난 30년 간 정말 많은 발전이 있었고, 금 나노 입자라던지 다양한 유기나노입자들을 설계하고 만드는 방법등을 연구해왔다. 합성에 대해서 연구한 이후로는 계속해서 암 치료를 위해 어떻게 하면 잘 전달할 수 있을지에 대해 연구를 했고, 나노 입자 formulation의 한계때문에 probe를 부착하여 변형할 수 있는 다양한 방법을 고안해왔다. 그렇지만 더 연구가 필요하다. 아직 나노 입자를 이용하여 암 치료를 하는 것이 강력한 방법은 아니다. 여러 이점들이 많지만, 그만큼 단점이나 한계도 존재한다. 사실 나는 설계 자체 보다도 기초 연구가 더 중요하다고 생각하는 입장인데 뭐 가능하다면 같이 발전하는 것이 맞지 않나 싶다. 과연 암을 정복할 수 있는 날이 올까?