지능형 금 나노 입자와 지능형 금 나노 입자 복합체의 생의학적 응용

Abstract

본 논문은 지능형 금 나노 입자 및 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체의 생의학적 응용에 관한 연구에 대해 기술한다. 일련의 화학 반응을 통해 폐하 민감성 표면 분자를 합성하고, 이를 10 nm 정도의 지름을 가지며 citrate 분자로 안정화되어 있는 금 나노 입자의 표면에 도입함으로써 지능형 금 나노 입자를 합성하였다. 지능형 금 나노 입자는 약산성 조건에서 표면 분자의 가수분해가 일어나 음전하에서 양전하로 표면 전하를 바꿀 수 있고, 이 과정에서 정전기적 인력을 통해 인접한 입자와 응집체를 형성할 수 있다. 지능형 금 나노 입자는 작은 크기로 인해 암 세포에 효율적으로 내입될 수 있고 산성 조건에 감응하는 표면 분자의 특성에 의해 엔도좀과 같은 세포 내 약산성 조건을 가지는 부분에서 응집체를 이룰 수 있다. 입자가 세포 내부에서 응집체를 형성하면 크기 효과로 인해 외부로의 배출이 억제되고 이에 따라 세포 내에 효율적으로 축적되는 것을 암시야 현미경을 통해서 실시간으로 확인하였다. 금 나노 입자 응집체들은 공간적으로 가까이 위치한 입자들간의 표면 플라즈몬 상호 작용에 의해 원적외선이나 근적외선 영역의 장파장 빛을 효과적으로 흡수할 수 있으므로 조직 투과 능력이 좋은 장파장의 광원을 이용한 암 세포 선택적인 항암 광열 치료에 사용할 수 있다. 지능형 금 나노 입자가 세포 내에서 응집체를 형성한 후 외부에서 장파장 광원을 조사하여 광열 치료를 수행하였을 때 비교적 낮은 광량에서도 효율적인 암세포의 사멸을 유도할 수 있음을 확인하였다. 또한 지능형 금 나노 입자의 표면 분자 말단에 항암 약물인 doxorubicin 을 공유 결합으로 도입함으로써 지능형 금 나노 입자와 항암 약물의 복합체를 형성하였다. 합성한 복합체는 약산성 조건에서 표면 분자의 가수분해가 일어남에 따라 doxorubicin 을 방출하며 동시에 금 나노 입자의 응집체를 형성한다. 이때 doxorubicin 은 암세포의 DNA 에 결합하여 세포 사멸을 유도할 수 있고 금 나노 입자 응집체는 외부에서 장파장 광원을 조사하여 열을 발생시키는 광열 치료에 사용할 수 있으므로 두 항암 요법을 병행하여 항암 치료 효율을 높일 수 있다. 지능형 금 나노 입자와 항암 약물의 복합체는 지능형 금 나노 입자와 비슷한 작은 크기를 가지므로 세포에 효율적으로 내입된다. 이후 세포 내 약산성 조건을 가지는 부분에서 doxorubicin 을 방출함과 동시에 금 나노 입자 응집체를 형성하며, 이들이 모두 세포 핵에 내입되어 공간적으로 가까이 위치하는 것을 확인하였다. 여기에 장파장의 광원을 조사하여 항암 치료를 수행하였을 때 항암 약물이 금 나노 입자 응집체 주위에 시간적, 공간적으로 중첩되어 방출됨에 따라 화학 요법과 광열 요법 간의 시너지 효과가 극대화되어 각각을 따로 처리한 경우에 비해 거의 10 배에 달할 정도로 세포 사멸 효율이 크게 증대되는 것을 관찰하였다. 소동물 모델을 사용하여 지능형 금 나노 입자 및 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체의 생체 내 항암 치료 효율에 대해서 연구하였다. 이들은 암 세포의 경우와 비슷하게 암 조직의 산성 조건에 감응하여 응집체를 형성할 수 있고 이때 크기가 커짐에 따라 외부로의 배출이 억제되어 암 조직 내에 효율적으로 축적될 수 있다. 이 때 암 조직에 축적된 금 나노 입자 응집체의 광열 효과를 이용하여 장파장의 광원을 사용한 항암 치료를 수행하였을 때 기타 다른 장기에는 손상을 유발하지 않으면서 암 조직의 성장만 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다. 특히 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체는 화학 요법과 광열 요법간의 시너지 효과에 의해 항암 치료 효율을 높일 수 있고, 이에 따라 지능형 금 나노 입자만 단독으로 사용한 경우에 비해 더 뛰어난 암 성장 억제 효과를 보이는 것을 관찰하였다. 따라서 지능형 금 나노 입자 복합체를 이용한 병용 항암 요법을 새로운 고효율 항암 치료 방법으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

This thesis describes the synthesis, characterization, and biomedical applications of smart gold nanoparticles and their anti-cancer drug conjugates. Smart gold nanoparticles are made by facile ligand exchange of citrate gold nanoparticles with novel pH-sensitive surface molecules that are synthesized using a series of chemical reactions. They are designed to convert surface charges from negative to positive under mild acidic environment by their hydrolysis-susceptible citraconic amide surfaces. The charge conversion induces rapid formation of mixed charged particle surfaces, which results in the formation and growth of smart gold nanoparticle aggregates. Smart gold nanoparticles can be efficiently internalized into cancer cells with the relatively small size of 10 nm. They can respond to mild acidic environments in the endosomal area of cancer cells, rapidly forming aggregates inside cells. The aggregates efficiently accumulate as the exocytosis is blocked by the increased size. Endocytosis of gold nanoparticles and their aggregation are monitored in real-time by dark field optical microscopy. The pH-induced formation of aggregates shifts the absorption to far-red and near infrared as coupled surface plasmon modes appear between closely located particles. This absorption shift to longer wavelength is used for selective photothermal cancer therapy which guarantees maximal tissue penetration for potential therapeutic applications. Smart gold nanoparticles show selective and efficient destruction of cancer cells by the turn-on mechanism of photo-activity with relatively low intensity threshold to induce the thermal destruction. Smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates are synthesized by covalently linking doxorubicin molecules at the terminals of the smart gold nanoparticle surface ligands via carbodiimide coupling chemistry. They are designed to release loaded doxorubicins and simultaneously form gold nanoparticle aggregates upon exposure to mild acidic conditions by their hydrolysis-susceptible citraconic amide surfaces. Released doxorubicin acts as chemotherapeutic agents while gold nanoparticle aggregate serves as a photothermal therapeutic agent. Similar to smart gold nanoparticles, the conjugates accumulate in cancer cells because of relatively small size of 10 nm that ensures rapid phagocytic action of cancer cells and also because of effective blockage of exocytosis by the increased size of the aggregates. Spatio-temporal concertion between the thermo and chemo agents is directed at the cellular and sub-cellular level in cellular nuclei regions, which results in a high synergistic effect with their cytotoxicity enhanced by nearly an order of magnitude. Smart gold nanoparticles and smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates are further exploited for in vivo cancer therapy using small animal model. They can respond to the mild acidic condition in tumor extracellular environment, resulting in the formation of aggregates inside of tumors. The aggregates efficiently accumulate in tumors because of their enhanced retention, in which they generate heat upon irradiation with external light. By exploiting large tumor accumulation and high photothermal conversion efficiency, significant tumor growth suppression is demonstrated without any noticeable damage to other organs. In particular, smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates show higher therapeutic efficacies compared with smart gold nanoparticles alone because of the synergistic effect between two therapeutic actions of chemo and thermo agents. This spatio-temporally concerting conjugate permits a new approach to combination therapy.