암세포 표면의 산성은 종양 미세환경의 특징으로 종양 관류에 의존하지 않아 종양 세포 표적화의 일반적인 바이오마커가 될 수 있습니다. 우리는 pH(저) 삽입 펩타이드(pHLIP)로 리포좀과 니오좀을 장식했습니다. pHLIP는 암세포 표면의 pH를 감지하고 표적 세포 막에 삽입되어 나노물질을 세포 막 근접으로 가져옵니다. pHLIP 유무에 따른 DMPC 리포좀과 Tween 20 또는 Span 20 니오좀을 완전히 특성화하여 나노캐리어 특성에 대한 근본적 이해를 얻고 산성 감응성 나노벡터의 합리적 설계를 촉진했습니다. 시료의 시간 경과 및 혈청 존재 하 안정성 입증. 나노벡터의 크기, 제타 전위, 형태, 친수성 프로브 포집 능력 및 방출 조절 능력 조사. pHLIP 장식 소포체는 생리 활성 물질의 연장(수정) 방출을 얻어 종양 및 기타 산성 병변 조직 표적화에 유용할 수 있습니다.
서론
약 1세기 전 파울 에를리히가 약물 전달을 위한 '마법의 총알' 아이디어 제시[1]. '마법의 총알'은 전달 약물을 가혹한 환경에서 보호하고, 병든 조직에 표적화해 부작용 감소, 약물 약동학/약력학 개선, 약물 방출 조절 가능해야 함[2].
1965년 뱅햄이 인지질 기반 소포체 최초 관찰[3], 이후 그레고리 그레고리아디스가 리포좀이 약물 캡슐화 후 약물 전달 시스템으로 사용 가능 개념 정립[4,5]. 특히 인지질 닫힌 이중층(라멜라)으로 구성, 소수성 지질 사슬이 두 친수성 헤드그룹 층 사이에 갇힘. 닫힌 이중층이 수용액 코어 둘러싸 친지성/친수성 약물 각각 위치 가능.
리포좀 크기는 투여 후 단백질 흡착, 망상내피계(RES) 인식, 순환 반감기, 세포 내 이동 등 캐리어 운명 영향 중요 파라미터. 나노 크기 캐리어는 세포 내재화와 종양 표적화 유리, 많은 연구자 '나노화' 집중[6-9].
더 다재다능하고 경제적 나노캐리어 위해 합성 계면활성제 이용 리포좀 유사 약물 전달 시스템 개발. 비이온성 계면활성제 널리 사용, 단일층/다층 소포체(비이온성 리포좀, 니오좀, 비이온성 계면활성제 소포체) 자가 조립 가능. 소르비탄 에스테르 계면활성제(Spans®)는 니오좀 제조에 널리 쓰이는 친유성 물질. 혈중 순환 시간 연장과 '스텔스' 나노캐리어 위해 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 접합이 표준: 이 접합으로 에톡시에틸화 소르비탄 에스테르 계면활성제(Tweens®) 얻음. Span, Tween 각각 다른 친수/친유 균형(HLB) 값 가져 계면활성제 선택으로 원하는 특성 니오좀 제조 가능[10]. 콜레스테롤 추가는 계면활성제 꼬리 늘려 이중층 안정성 강화, 겔-액상 전이 온도 영향, 친유성 이중층 강성 부여[11,12]. '최적화' 나노캐리어는 제형 개선 및/또는 표적화 강화 위해 설계[10].
현재 암은 세계 주요 사망 원인. 기존 치료법은 종양 약물 전달 비효율, 종양 표적화 부족으로 바람직하지 않은 위험한 부작용 동반, 나노기술 접근이 극복 도움[13].
현재 다양한 표적화 접근법 개발 중. 대부분 암세포 표면 과발현 특정 바이오마커 표적화 기반. 그러나 인간 종양 매우 이질적, 더 일반적인 종양 표적화 접근법 훨씬 유리. 암세포 표면 산성은 종양 미세환경 특징, 종양 관류 의존 안 함, 종양 세포 표적화 일반 바이오마커 가능[14]. pH(저) 삽입 펩타이드(pHLIP) 기술은 표적 영상, 치료 소분자, 나노물질 종양 표적화 위해 급속 개발[15,16]. pHLIP는 암세포 표면 pH 감지, 표적 세포 막 삽입[17]. pHLIP 삽입 메커니즘은 저pH(pH < 7.0)에서 펩타이드 음성 하전 잔기 양성자화로 유발. 펩타이드 소수성 증가로 이중층 분배 평형 이동[17]. pHLIP 장식 나노캐리어는 생체적합, 종양 표적화, 암세포 세포 내 섭취 증진 입증. 조사된 pHLIP 코팅 나노입자 중 지질, 고분자, 금속 기반 나노물질[18-21].
본 연구 목적은 pHLIP 장식 신규 소포체 나노캐리어 완전 특성화로 나노캐리어 특성 근본 이해 얻고 산성 감응성 나노벡터 합리적 설계 촉진.
pHLIP를 메탄올에서 DSPE 지질과 공유 결합으로 접합. pHLIP N-말단 단일 시스테인 잔기와 DSPE-말레이미드 결합, 기존 방법 참조[18,21,22]. 간단히: 펩타이드 5 mg을 아르곤 분사 메탄올 250 μL에 녹이고, DSPE-말레이미드(9.9 mM 스톡 용액)를 클로로포름에 녹여 1:1 몰비 혼합. 반응 혼합물 실온 2-6시간 보관해 접합 완료. RP-HPLC로 반응 진행 모니터링(물 0.05% TFA 함유 아세토니트릴 25→80% 그라디언트, 미표지 pHLIP 피크 감소 관찰). 합성 구조물 SELDI-TOF 질량분석으로 특성화. DSPE-pHLIP 접합체 농도 pHLIP 몰 흡광 계수 ε₂₈₀ = 13,940 M⁻¹ cm⁻¹로 흡광도 측정해 결정.
소포체 제조 및 정제
비이온성 계면활성제(Tween 20, Span 20)와 인지질(DMPC) 소포체, pHLIP 유무에 따라 박막 증발법으로 제조. 각 제형에 콜레스테롤 다른 몰비 첨가(표 1)[23].
시료 구성은 이전에 잘 특성화된 구조[24,25] 선택해 최적화, 동일한 양 pHLIP 첨가.
친유성 성분 먼저 CHCl₃:CH₃OH 혼합물(3:1)에 용해, 유기 용매 시료별 다른 온도에서 진공 제거. 얻어진 막을 Hepes 완충액(0.01 M pH 7.4) 또는 칼세인 나트륨 용액 10⁻² M으로 수화. 현탁액 약 5분 볼텍스 혼합 후 초음파 처리(추가 파일 1: 표 S1 참조) 20 kHz 마이크로프로브 사용(VibraCell-VCX 400-Sonics, Taunton, MA, USA). LipoDMPC 초음파 처리는 산화 방지 위해 불활성 분위기에서 수행.
소포체 평균 크기 및 크기 분포 25°C에서 동적 빛 산란(DLS)으로 측정, Malvern NanoZetaSizer ZS90, 5 mW HeNe 레이저(파장 λ = 632.8 nm), 디지털 상관기 장착. 산란광 90° 각도 정규화 자기상관 함수 Contin 알고리즘 분석으로 입자 확산 계수 D 분포, 스토크스-아인슈타인 관계 R_H = k_BT/6πηD로 유효 수동적 반지름 R_H 분포 구함(k_BT 열에너지, η 용매 점도). 니오좀/리포좀 크기 분포 폭 작지만 무시 못 함. 표 2 값은 입자 강도 가중 평균 수동적 직경[26].
제타 전위 측정
전기영동 이동도 레이저 도플러 전기영동 기술로 측정, Malvern NanoZetaSizer ZS90 장치. 이동도 u를 스몰루초프스키 관계 ζ = uη/ε로 제타 전위 변환(η, ε 용매 상 점도, 유전율)[27].
소각 X선 산란
소각 X선 산란(SAXS) 실험 유럽 싱크로트론 방사광 시설(ESRF, 그르노블, 프랑스) 수행. ID02 고휘도 빔라인 사용으로 0.1 nm⁻¹ ≤ q ≤ 6 nm⁻¹ 운동량 전달 영역에서 희석 용액 측정 가능(q = (4π/λ)sin(θ/2), θ 산란각, λ = 0.1 nm X선 파장). 해당 조사 길이 스케일 1-60 nm, 니오좀/리포좀 소포체 내부 구조 접근 적합. 모든 실험 25°C, 짧은 조사 시간 0.1 s로 방사선 손상 방지. 각 시료 산란 강도 다른 산란각에서 2D 검출기 포착, 각도별 재그룹화, 배경/용매 기여 빼고 분석해 용액 내 소포체 형태, 내부 구조 정보 획득.
단일층 소포체 경우 닫힌 이중층을 외부 헤드그룹, 소수성 사슬, 내부 헤드그룹 대응 세 동심 쉘로 모델링. 소포체 크기 슐츠 분포 가정.
크라이오-TEM
소포체 용액(5 μL 방울) 레이스 포르마/카본 전자현미경 그리드에 펼치고 액체 에탄 급속 동결로 동결 수화 상태 보존. 비트리피케이션 FEI Vitrobot 시스템으로 단일 블로팅 3 s, 오프셋 1, 드레인/대기 1 s 설정. 투과전자현미경(TEM, JEOL 2100) 200 kV 가속 전압, ×10,000-×150,000 배율로 소포체 이미징.
안정성 연구
pHLIP 유무 니오좀, 리포좀 물리적 안정성 25°C, 4°C 두 보관 온도에서 90일간 평가. 각 배치 시료 정해진 간격(1, 30, 60, 90일) 인출, 크기, 제타 전위 측정.
마찬가지로 생물학적 유체(사람 혈청) 존재 하 안정성 조사. 현탁액 45% 사람 혈청과 37°C 접촉. 정해진 간격(0, 30분, 1, 2, 3시간) 크기, 제타 전위 변화 측정.
이중층 특성화
니오좀/리포좀 이중층 유동성, 미세점도-극성은 소수성 영역에 위치한 두 형광 프로브 디페닐헥사트리엔(DPH), 파이렌 형광 측정으로 접근. DPH(2 mM), 파이렌(4 mM) 각각 220 μL, 2.5 mg을 소포체 제조 전 계면활성제/인지질-콜레스테롤 혼합물에 첨가[28]. 이후 파이렌 함유 소포체 위와 동일 정제, DPH 함유 소포체 점진적 기공 크기(5.0→0.22 μm) 필터 여과.
형광 이방성 측정 실온 LS55 분광형광계(PerkinElmer, MA, USA) λ_exc = 400 nm, λ_em = 425 nm로 수행, 형광 이방성(A) 다음 식[29]으로 계산:
$$ A=\frac{I_{vv}-I_{vh}G}{I_{vv}+2I_{vh}G} $$
I_vv, I_vh는 수직 편광 여기광 방향 평행/수직 방출 형광 강도(임의 단위). 보정 인자 G = I_hv/I_hh는 여기광 수평 편광 시 수직/수평 편광 방출 성분 비. 형광 이방성 값은 막 유동성 반비례. 따라서 높은 형광 이방성 = 높은 구조 질서/낮은 막 유동성[30].
소포체 이중층 미세점도, 미세극성 평가를 위해 파이렌 형광 실험 Perkin-Elmer LS55 분광형광계 λ_exc = 330 nm, 방출 스펙트럼 350 < λ_em < 550 nm 기록[28]. 파이렌 형광 미세 구조 5개 피크. 제1(372 nm), 제3(382 nm) 진동 밴드 강도 비 I₁/I₃는 파이렌 환경 극성 관련[31]. 낮은 I₁/I₃ = 비극성 환경. 파이렌 분자 이중층 내 분자내 엑시머 형성 가능, 이 과정 프로브 미세환경 점도 민감[32]. 따라서 엑시머/단량체 형광 강도 비 I_E/I_M 미세점도 관련.
이 연구들 pHLIP 유무 시료 모두 수행, 결과 비교.
칼세인 방출 연구
비이온성 계면활성제/인지질 소포체 칼세인 10⁻² M 농도 적재. 이 농도에서 칼세인 형광 자가 소광[33]. 탈소광 측정으로 소포체 수용액 코어 칼세인 방출 결정. 형광 프로브 박막 수화 시 5 mL 칼세인 수용액 첨가로 소포체 내 적재. 소포체 현탁액 젤 투과 크로마토그래피 정제, 45% 사람 혈청 또는 Hepes 접촉, 셀룰로오스 막 투석 백(분자량 컷오프 8,000 Da, Spectra/Por®) 적재. 방출 실험 37°C, 자기 교반 하 Hepes 완충액(10 mM, pH 7.4) 외부 매질로 0-24시간 다양한 시점 외부 매질 알리쿼트 인출. 수시로 인출 알리콧 시스템 재도입[34].
칼세인 방출 Perkin-Elmer LS50B 분광형광계 λ_ex = 492, λ_em = 520 nm로 매질 형광 측정 모니터링. 기준값 F_∞(임의 단위)는 아이소프로필 알코올(1:1 v/v)로 소포체 파괴 후 총 포집 칼세인 양 상관[35]. 각 시점 방출 백분율(F%) 다음 식:
$$ F\% = F_t/F_\infty \times 100 $$
F_t(임의 단위) 특정 시점 t 형광 읽기값.
통계 분석
일원 분산 분석(ANOVA) 통계 분석. 사후 보너페로니 t-검정으로 ANOVA 유의성 평가. p < 0.05 통계적 유의. 결과 3회 실험 평균 ± 표준편차.
DSPE-pHLIP 유무 니오좀/소포체 내부 구조 SAXS 실험으로 결정. 그림 2 SAXS 강도 스펙트럼, 각 시스템 고유 특성 나타냄.
SAXS 스펙트럼. 니오좀/소포체 DSPE-pHLIP 무(검정 빈 기호), 유(색 기호) 강도 스펙트럼
Tween20 기반 니오좀 단일층, DMPC 소포체 다층성 정도 보임(리포좀 특성), q ≅ 1 nm⁻¹ 특성 피크로 층간 거리 6 nm(약 5 nm 지질 이중층 + 1 nm 물) 대응. Span20 기반 소포체 확실한 다층, q = 1.6 nm⁻¹ 특성 피크로 층간 거리 3.8 nm, Span20 분자 길이 2배와 일치. 결과 Span20 소포체 다층 쉘이 거의 층간 물 없는 인접 이중층 구성 나타냄.
DSPE-pHLIP 존재(1몰% 미만) 시스템 극적 영향 없음. 조사된 모든 q-범위 산란 강도 매우 유사, 구조화 물질 분율 및 소포체 입자 전체 크기 비교 가능 나타냄.
DMPC 기반 소포체 리포좀 내 이중층 수 약간 증가, q = 1 nm⁻¹ 브래그 피크 강도 증가로 추론. 각 펩타이드 분자에 연결된 DSPE C18 사슬 삽입이 지질 이중층 두께 변화시키지 않음, 주로 DMPC 대비 콜레스테롤 큰 비율(약 40-50%)이 좌우. 이 콜레스테롤 농도에서 지질 사슬 액상 정렬(Lo) 상, 사슬 약한 측면 위치 질서와 높은 배향 질서 분리, 구조 변화 없이 소수 C18 사슬 수용 가능[36]. Span20 기반 다층 소포체도 내부 구조 변화 없음.
Tween20 + pHLIP 시스템 소량 콜레스테롤 결정질 존재, q = 1.84 nm⁻¹ 전형적 날카로운 피크(특성 거리 3.41 nm)로 나타남, 소포체 구조 영향 없음. 소량 결정질은 Tween 기반 니오좀에서 자주 발견[37], 구성, 제조, 정제 의존 양. 그림 2에 Tween20, Tween20+pHLIP 소포체 두 실험 스펙트럼과 구형 닫힌 이중층 세 동심 쉘(외부 헤드그룹, 사슬, 내부 헤드그룹) 모델링 피팅 곡선 함께 표시. 피팅 평균 소포체 크기 두 시스템 모두 약 168 nm, DLS 결과 일치. 구조 파라미터 두 닫힌 이중층 동일(추가 파일 1: 그림 S1, 표 S2) 단 외부 쉘: DSPE-pHLIP 존재 시 헤드그룹 전자 밀도 약간 감소(5%, 0.42→0.40 e/ų), 층 거칠기 증가. 이 결과 DSPE-pHLIP 첨가가 소포체 외부 쉘 주로 영향 줌 시사. DSPE C18 사슬이 이중층 삽입해 펩타이드를 소포체 표면에 고정, 연장되고 분지된 폴리에틸렌글리콜 헤드그룹 사이에 위치하는 그림과 일치. pHLIP 펩타이드 자체(지질 분자 미연결)가 고pH에서 소포체 외부 표면 상호작용, 저pH에서 이중층 삽입 능력 최근 불포화 인지질 이중층 경우 SAXS로 관찰[38]. 본 연구 펩타이드 몰분율 현저히 낮고 지질과 연결, 목표 pHLIP 코팅 pH 감응 약물 나노벡터 설계. pHLIP 결합은 접합 DSPE C18 사슬 나노벡터 소수성 영역 삽입 소수성 상호작용에 의해 유도. pHLIP 펩타이드 고정돼 외부 헤드그룹 영역에 위치, 산성 pH에서 표적 막 상호작용 및/또는 저pH 환경 이중층 재배열 후 나노벡터 내용물 방출 경향.
pHLIP 존재가 이중층 미세유변 특성(유동성, 미세점도, 극성) 영향 줄지 조사 위해 친유성 쉘 특성화 수행. 특성화 연구 형광 프로브 파이렌 사용, 제조 초기에 시료 첨가. 친유성으로 이중층 삽입, 막 환경 극성, 미세점도 정보 제공.
표 3에서 세 시료 세트 모두 pHLIP 존재 시 극성 값 약간 감소, 미세점도 값 3배 증가.
이중층 추가 특성화 위해 다른 친유성 형광 프로브 DPH 형광 이방성 측정. 이 측정은 프로브 이동, 이중층 내 방향성 반영, 내용물 방출 능력 영향 줄 수 있는 이중층 유동성 정보 제공[29]. 형광 이방성 값은 막 유동성 반비례. 따라서 높은 형광 이방성 = 높은 구조 질서/낮은 막 유동성, 액상 정렬 상[30].
각 시료 이방성 값 표 3 표시. 데이터 DSPE-pHLIP 존재 시 형광 이방성 감소해 막 유동성 증가 나타냄. 이중층 유동성은 비극성 사슬 질서, 측면 배열뿐 아니라 극성 헤드그룹 영향 받음[31]. 세 시스템 SAXS 결과 DSPE-pHLIP 분자 주로 헤드그룹 영역 영향, 극성 헤드 다른 패킹 유발. 구조적 결과 두 다른 프로브로 드러난 결합 DSPE-pHLIP 존재 시 이중층 미세유변 특성과 일치. 파이렌으로 드러난 미세점도 증가(파이렌 log P 4.88로 외부 영역 근접 삽입 가능). 반면 DPH는 이중층 핵심부 매립, 지질 아실 사슬 축 평행 또는 이중층 중심 표면 평행 배향 가정. 양친매질 아실 사슬 각도 재배향 크게 민감[39]. DPH로 드러난 유동성 증가는 DSPE 사슬 타 아실 사슬 사이 삽입 효과와 pHLIP 극성 헤드그룹 영역 분배로 계면활성제 패킹 특성 변화 효과 관련 가능(그림 3).
pHLIP와 소포체 막 상호작용 표현
추가 특성화 연구 수행. 모든 시료 pHLIP 유무 관계없이 4°C 90일 보관, 크기, 제타 전위 변화 측정해 시간 경과 안정성 평가(추가 파일 1: 그림 S2). 실험 중 크기, 제타 전위 유의미 변화 없음; 따라서 모든 제형 4°C 보관 시 최소 3개월 안정.
또한 90%(v/v) 사람 혈청 존재, 37°C 3시간 보관 시 안정성 조사(추가 파일 1: 그림 S3).
사람 혈청 접촉 시 Tween20 소포체 크기 증가, 300 nm 미만 유지. 크기, PDI 값 3시간 실험 내내 일정, 현탁액 소포체 실험 전반 온전 유지 시사.
Span20 두 시료 모두 혈청 접촉 시 크기 증가, 특히 pHLIP 함유 제형에서, PDI 값 균일 크기 분포 시사(데이터 미표시). 이 현상 정전기적 상호작용 결과 혈장 단백질 니오좀 표면 흡착 때문이나 소포체 파괴 없이 발생. 이 가설 제타 전위 혈청 접촉 후 감소로 뒷받침. 제타 전위 중성 영역 근처 약간 음성 값 도달 시 시스템 불안정, 소포체 응집 시작.
Tween20과 마찬가지로 DMPC 소포체도 사전 접촉 시료 대비 크기 증가. 그러나 이 변동 비유의미, 크기 값 DMPC 280 nm 미만, DMPC+pHLIP 240 nm 미만 유지.
pHLIP 유무 시료 칼세인(친수성 프로브) 방출량 시간 경과 추적해 방출 능력 평가.
연구 37°C 24시간, 정제 시료 HEPES 완충액 또는 사람 혈청 노출로 수행. 그림 4에서 칼세인 방출 프로파일 Tween20, Tween20-pHLIP 모두 HEPES 완충액(그림 4a), 사람 혈청(그림 4b)에서 매우 유사.
칼세인 방출 프로파일. NioTween20, NioTween20-pHLIP HEPES 완충액(a) 또는 사람 혈청(b) 접촉
방출 칼세인 양 30-50% 사이, pHLIP 유무 시료 간 방출 능력 차이 없음.
Span, DMPC 시료도 동일 결과(데이터 미표시).
열 감응 큐보좀[40], 고분자 자가조립 나노캐리어(SANs)[41,42] 등 다른 자극 감응 나노캐리어에서도 비교적 방출 프로파일 보고됨.
결론적으로, pHLIP 유무 시료 간 미세점도, 유동성 차이(표 3) 관찰되나 방출 능력 영향 없음(그림 4), DSPE-pHLIP 분자 삽입이 주로 헤드그룹 영역 영향 준 증거와 일치. 이 데이터 중성/고pH에서 pHLIP가 1-팔미토일-2-올레오일-sn-글리세로-3-포스포콜린(POPC) 리포좀 표면 결합, 융합이나 막 누출 유도 안 함 보고 결과와 일치[38].
결론
이 연구는 pHLIP 장식 소포체 제조 가능성 확인. 시료 4°C 3개월 이상, 혈청 존재 하 안정. 제안 나노벡터 친수성 프로브 포집, 방출 조절 가능.
pHLIP 소포체 완전 특성화로 나노캐리어 특성 근본 이해 얻고 산성 감응성 나노벡터 합리적 설계 촉진.
pHLIP 결합은 접합 DSPE C18 사슬 나노벡터 소수성 영역 삽입 소수성 상호작용 유도. pHLIP 펩타이드 고정돼 외부 헤드그룹 영역 위치, 산성 pH 표적 막 상호작용 및/또는 저pH 환경 이중층 재배열 후 나노벡터 내용물 방출 경향.
이러한 발견에 따라 제안 pHLIP 장식 소포체 생리 활성 물질 연장(수정) 방출로 종양 및 기타 산성 병변 조직 표적화에 유용할 수 있음.