pH 민감 페리틴 나노케이지 코어에 항암제 커큐민(Cur)과 액체 플루오로카본 퍼플루오로헥세인(PFH) 동시 탑재, 쉘 외부 종양 표적 분자 FA 접합한 다기능 나노플랫폼 FA-FCP 개발. 합성 FA-FCP 평균 입자 지름 47 nm, 다양한 매체서 안정적 우수한 물리화학적 특성, 체내외 높은 생체적합성, 생물안전성. 저강도 집속 초음파(LIFU) 조건, pH 5.0에서 24시간 내 대량 약물 방출(53.2%). LIFU(7 W) 4분 처리 후 pH 5.0 FA-FCP 조영 증강 초음파 영상 능력 제공. FA 수용체 매개 세포내포작용으로 FA-FCP 효율적 세포 진입, 리소좀 재배치. FA-FCP 주사 18시간 후 종양 LIFU 자극, 조영 증강 초음파 영상 획득. 체내외 실험서 FA-FCP와 LIFU 병용 유의미한 종양 치료 효과. 외부 LIFU, 내인성 산성 환경 결합 FA-FCP 강력한 테라노스틱 기능, 비침습적 통합 종양 테라노스틱 새 옵션 제공.
난소암은 높은 전이율, 치사율, 사망률 질환[1, 2]. 초기 임상 증상 불명확해 대부분 환자 진단 시 이미 종양 세포 고도 전이[3]. 임상 통용 치료 세포감축 수술+화학요법 병용, 진행기 환자 5년 생존율 매우 낮음[4]. 환자 전체 생존율 향상 위해 난소암 치료·진단 새 전략 개발 시급. 최근 표적 치료와 영상 진단 기능 결합 나노플랫폼 종양 효과적 치료 대체 전략 제공[5-7].
최근 음향 반응 나노플랫폼(ARN) 종양 치료·진단 연구 널리 활용[8, 9]. ARN 보통 마이크로버블(MB)나 나노입자(NP) 모델 설계[10-12]. MB 대비 NP 작은 입자 크기, 높은 투과성, 긴 약동학 주기, 더 나은 안정성, 쉬운 표면 수정 장점[13]. 퍼플루오로펜테인(PFP), 퍼플루오로헥세인(PFH), 퍼플루오로옥틸 브로마이드(PFOB) 등 상전이성 액체 플루오로카본 음향 반응성 구현에 흔히 사용[14-19]. 외부 집속 초음파 자극 시 음향 액적 기화(ADV) 효과로 기포 생성·파열, ARN 초음파 조영 능력 향상. 이 중 PFP 비점 29.2°C 낮아 체내 기화 쉬워 가스 색전증 유발; PFOB 비점 144°C 매우 높아 초고강도 초음파 필요. PFH 비점 56°C 이상적 상전환 소재. 하지만 PFH 소수성, 나노입자 내 캡슐화해 수용성화 좋은 아이디어. 현재 리포좀, PLGA, 유기 메조포러스, 유기 폴리머 등 액체 플루오로카본 캡슐화 캐리어 보고[20-23]. 동시 항암제 탑재로 ARN 화학요법 기능, 음향 제어 약물 방출 능력 부여[16, 19]. 음향 반응 나노플랫폼 종양 진단·치료 통합 능력 좋게 보고되나 나노캐리어 생체적합성 임상 전환 우려. 최근 무철 페리틴 나노케이지 내인성 단백질, 유의미 pH 민감성으로 약물 전달체 널리 활용[25-27]. 산성 환경서 분해, 알칼리 환경서 재조립. 페리틴 높은 생체적합성, 제어된 약물 탑재·방출 능력 부여.
본 연구 페리틴 캐리어 써 PFH, 커큐민(Cur) 동시 탑재, 단백질 표면 종양 특이 표적 분자 FA 수정해 다기능 나노플랫폼(FA-FCP) 획득. 커큐민 강황 추출 천연 폴리페놀, 우수 항암 효과 보고되나 수용성 낮음[28-31]. FA-FCP PFH, Cur 수용성 개선, 다양한 매체서 높은 생리적 안정성, 체내외 우호적 생체적합성, 생물안전성. LIFU 조건, pH 5.0서 24시간 대량 약물 방출(53.2%). LIFU(7 W) 4분 처리 후 pH 5.0 FA-FCP 조영 증강 초음파 영상. FA 수용체 매개 세포내포작용 FA-FCP 용이 세포 진입, 리소좀 재배치. FA-FCP 주사 18시간 후 종양 부위 LIFU 자극, 종양 조영 증강 초음파 영상. 체내외 실험 FA-FCP 유의미 종양 치료 효과. 비침습, 리간드/수용체 매개 표적, LIFU 유도 상전이/파열, 정밀 약물 방출 장점 FA-FCP 유망 종양 테라노스틱 나노플랫폼 입증.
페리틴(FRT), 엽산(FA), 퍼플루오로헥세인(PFH) Sigma(미국 세인트루이스) 구매. 커큐민(Cur) Aladdin Industrial Corporation(중국 상하이) 구매. NH₂-PEG₂₀₀₀-FA, NH₂-PEG₂₀₀₀-COOH Xi'an Ruixi Biotechnology(중국) 공급. 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필) 카보디이미드(EDC), N-하이드록시석시나이미드(NHS) Thermo Fisher Scientific(미국 월섬) 구매. 세포 계수 키트-8(CCK-8) Dojindo Laboratories(일본 구마모토) 획득. 델베코 변형 이글 배지(DMEM), 인산염 완충 식염수(PBS), 페니실린-스트렙토마이신, 트립신-EDTA, 태아 소 혈청(FBS) Gibco(미국 그랜드아일랜드) 구매.
FA-FCP 제조 위해 먼저 10 mg FRT 10 ml 물에 용해. 10 mg Cur 0.3 ml DMSO 용해. 두 용액과 1 ml PFH pH 5.0 조건, 30분 아이스배스 초음파 혼합. 이후 혼합물 pH 7.4 조절해 Cur, PFH 탑재 FRT(FCP) 획득. 둘째, 표적 분자 FA 카르보디이미드법[8]으로 FCP와 공유 결합 접합. 간략히 5 mg NH₂-PEG₂₀₀₀-FA 위 FCP 용액에 EDC(5 mg/ml), NHS(20 mg/ml) 존재 하 첨가. 실온 미약 교반 3시간 반응 후 투석(분자량 컷오프 12 kDa) 증류수 대비 24시간 정제, FA 접합 FCP(FA-FCP) 획득. Cur 탑재율 UV-Vis 분광광도계 426 nm 측정, (Aₐ−Aᵦ)/A꜀ 계산. Aₐ, Aᵦ, A꜀ 각각 FA-FCP, FA-FP, FA-FP 중량 나타냄.
나노입자 크기, 제타 전위 제타 사이저(Malvern, NanoZS, UK) 측정. 나노입자 형태 투과 전자 현미경(TEM, Hitachi, Japan), 원자 힘 현미경(AFM, Agilent Technologies 5500LS, Chandler, Arizona) 관찰. 나노입자 세포 섭취 공초점 레이저 주사 현미경(LEXT OLS4100, Olympus, Japan), 유세포분석기(BD, Franklin Lakes, NJ) 검출. 흡수 스펙트럼 UV-Vis 분광광도계(UV1800, Shimadzu, Japan) 획득.
인간 난소암 세포주 SK-OV-3 중국과학원 상하이 세포생물학연구소 제공. 세포 DMEM 배지 10% FBS, 1% 페니실린-스트렙토마이신, 5% CO₂, 37°C 배양.
Balb/c 누드 마우스(암컷, 약 5주) Vital River Laboratory Animal Technology(중국 베이징) 제공. SK-OV-3 종양 모델 위해 1×10⁶ 세포 마우스 오른쪽 등 피하 주사. 모든 실험 절차 Sichuan Academy of Medical Sciences 실험동물 관리·사용 지침 따라 수행, 동 기관 윤리위원회 승인.
FA-FCP 수용액 4등분 투석백(MW 5000) 적재, pH 5.0, 7.4 PBS 10 ml 각각 투석. 3시간 후 수용액 LIFU(7 W, 5분) 조사 유무(50% 듀티 사이클, 펄스 파형, 이후 동일). 특정 시점 1 ml 투석액 채취 동일 부피, 동일 pH 블랭크 용액 보충. 투석액 UV-Vis 분광계 측정, Cur 농도 계산.
pH 5.0, 7.4 조건 FA-FCP 서로 다른 LIFU 출력(5, 6, 7 W), 시간(3, 4, 5분) 조사 아가로스 겔 모델, US 장비(Esaote Mylab 90, 이탈리아) 5-12 MHz 주파수, 기계적 지수(MI) 0.06 관찰. US 영상 관심 영역 US 강도 ImageJ 소프트웨어 분석.
FA-FCP 체외 표적 능력 입증 위해 FITC 나노입자 표지. 간략히 1 mg FITC 1 ml DMSO 용해 후 FCP, FA-FCP와 30분 미약 교반 혼합. 혼합액 탈ion수 하룻밤 투석 자유 FITC, DMSO 제거 FITC 표지 나노입자 획득. 세포 24시간 배양 후 FITC 표지 나노입자 배양 접시 3시간 인큐베이션. 이후 PBS 3회 세척, DAPI 5분, 라이소트래커 레드 10분 염색, 4% 파라포름알데히드 15분 고정. 공초점 레이저 주사 현미경 관찰. 세포 내 형광 신호 통계 유세포분석기 측정 분석.
자유 Cur, FA-FCP(동일 Cur 농도) 정상 마우스 정맥 주사. 이후 여러 시점 마우스 안와총 혈액 채취 용해 버퍼 용해. 각 용해 혈액 샘플 Cur 흡수 스펙트럼 UV-Vis 분광계 측정, 주입 용량 그램당 백분율(ID%/g) 정의.
FA-FCP 종양 내 함량 종양 보유 마우스서 수행. FA-FCP 정맥 주사 0, 1, 6, 12, 18, 24시간 후 종양 조직 채취, 계량, 왕수 용액 24시간 소화. 각 용해 종양 조직 Cur 흡수 스펙트럼 UV-Vis 분광계 측정, ID%/g 정의.
체외 항암 효능: 세포 PBS, Cur, FA-FCP, FCP+LIFU, FA-FCP+LIFU(동일 Cur 용량 5 mg/kg) 3시간 처리, LIFU(5분, 7 W) 조사. 처리 세포 21시간 추가 배양. CCK-8 assay 처리 세포 생존율 검출.
체내 항암 효능: 종양 보유 누드 마우스 무작위 5그룹(n=6) 식염수(대조), 자유 Cur, FA-FCP, FCP+LIFU, FA-FCP+LIFU 정맥 주사. 24일 치료 동안 종양 부피, 마우스 체중 3일마다 모니터링. 종양 크기 캘리퍼 측정. 종양 부피 = 길이×너비²/2. 상대 종양 부피 V/V₀로 종양 성장 변화 표시, V₀ 초기 종양 부피.
SK-OV-3 세포 96웰 플레이트 1×10⁴ cells/well 밀도 파종 24시간 부착. FA-FRT-PFH 다양한 농도(0, 20, 40, 100, 200, 500 μg/ml) SK-OV-3 세포 배양. 24시간 처리 후 10% CCK-8 함유 DMEM 배지 20분 인큐베이터 처리. 450 nm 파장 흡광도 멀티모드 플레이트 리더(Thermo Scientific) 측정 세포 생존율 특성화. 추가 FA-FCP 정맥 주사 25일 후 건강 마우스 주요 장기(심장, 간, 비장, 폐, 신장) 수집 헤마톡실린-에오신 염색 분석. HE 염색 이미지 광학 현미경 관찰.
모든 데이터 평균±표준편차 제시. 통계 데이터 SPSS 22.0 소프트웨어 처리. 두 그룹 간 통계적 유의성 Student t-test 수행. P<0.05 유의한 차이.
Scheme 1 FA-FCP 합성, 종양 초음파(US) 영상, 체외·체내 병용 US 화학요법 적용 도식. 다기능 테라노스틱 제제 FA-FCP 단순 생체적합 자기조립법 제조. FA-FCP TEM, AFM 이미지 구형 구조(그림 1a 인셋, 추가 파일 1: Figure S1). DLS 분석 FA-FCP 물 평균 지름 ~47 nm, 평균 제타 전위 -37 mV(그림 1a, b). 물, PBS, 식염수, FBS 4주 후 크기 안정(그림 1c), PEG 코팅, FRT 본성 탓 준비 FA-FCP 우호적 생리적 안정성 지시[32]. FA-FCP UV-vis-NIR 스펙트럼 Cur 흡수 피크 표시, FA-FCP 내 Cur 존재 입증. Cur 탑재율 125.8±2.1%.
그림 2 LIFU 유무, 서로 다른 pH 조건 FA-FCP Cur 방출 프로파일. LIFU 조사 없이 pH 5.0 Cur 방출 24시간 약 30%, pH 7.4(5.3%) 대비 유의미 높음. LIFU(7 W, 4분) 조건서 pH 5.0, 7.4 모두 Cur 방출 급증. 하지만 pH 7.4 대비 pH 5.0 Cur 방출(50%) 24시간 현저히 높음. 이 특성 FA-FCP 종양 미세환경서 매우 유용. 우수 약물 방출 원인: (1) 산성 조건 FRT 분해·나노케이지 개방 탑재 Cur 방출; (2) LIFU 유도 순간 상전환 팽창 다공성 쉘서 Cur 꾸준히 탈출 허용.
FA-FCP LIFU 출력 5, 6, 7 W, 지속 3-5분, pH 7.4, 5.0 노출 최적 LIFU 출력, 지속시간, pH 평가. US 강도 ADV 효과 나타냄. US 이미지(그림 3a, b), US 이미지 평균 그레이스케일 값(그림 3c, d) 기준 pH 7.4서 ADV 효과 시간/출력 의존 경향, 7 W 5분 피크. pH 5.0서 7 W 4분 피크. 파라미터 5 W 3분 미만 충분한 기포 유발 못해 US 영상 최적화 안됨; 7 W 4분 초과 생성 기포 대부분 붕괴·사라짐. 위 결과 FA-FCP ADV 효과 유발 특정 자극 필수, pH 5.0서 7 W 출력, 4분 지속 최적 조건 지시.
전형적 소분자 염료 FITC 나노입자 표지. 추가 파일 1: Figure S2 동일 농도 FITC 표지 FCP, FA-FCP 형광 강도 유의미 차이 없음, FCP, FA-FCP 표지 FITC 양 차이 세포 섭취 실험 영향 아님 지시. 형광 이미지, FCM 분석 일부 FCP 세포 진입 19.5% 섭취율(그림 4a, b), 세포 표면 일부 페리틴 수용체 FCP 내부화 촉진 가능. FA 접합 후 FA-FCP 세포 내 높은 형광 신호 44.3% 섭취율, 자유 FA 사전 처리 세포서 섭취율 붕괴(13.8%)(그림 4a, b). 위 결과 FA 접합 FA 수용체 매개 세포내포작용 효과로 FA-FCP 섭취율 크게 증가 지시.
추가 FA-FCP 소기관 국소화 라이소좀 특이 염료(Lyso-Tracker Red) 조사. 그림 4c FA-FCP, Lyso-Tracker Red 처리 세포 세포질 강한 녹색, 적색 형광 각각 나타남. 녹색+적색 병합 후 세포질 강렬한 노란색 형광 가시, FA-FCP 리소좀(pH≈5.0) 재배치 지시, 세포 내 약물 방출 유발 유리.
그림 5a FA-FCP 반감기 약 7.31시간(자유 Cur 대비 8배 증가), PEG 코팅, FRT 캡슐화 탓 가능. 혈중 연장된 FA-FCP 반감기 전신 순환 약물 잔류 개선, 종양 부위 약물 축적 촉진 유리[32, 33]. 추가 자유 Cur, FA-FCP 주사 후 0-24시간 종양 내 동적 축적 그림 5b. FA-FCP 18시간 최고 축적, 자유 Cur 주사 약 1시간 후 최고 축적. 자유 Cur 대비 FA-FCP 종양 조직서 유의미 높은 축적 성능, 향상된 투과성 잔류 효과(EPR), FA 수용체 매개 능동 표적 효과 가능성[34, 35].
누드 마우스 4그룹(대조+LIFU, FCP+LIFU, FA-FCP+LIFU, FA-FCP 비LIFU) 종양 LIFU(7 W, 4분) 조사 유무 관찰 ADV 잠재력 체내 탐색. 그림 6a 대조군 LIFU 조사 종양 내 뚜렷한 US 신호 없음. 주사 18시간 후 FA-FCP+LIFU군 종양 내 FCP+LIFU, FA-FCP 비LIFU군 대비 유의미 강한 US 신호 관측(그림 6a, b). FA-FCP+LIFU 종양 US 영상 조영 대비 향상 입증.
FA-FCP 체외 세포독성 CCK-8 assay 조사. 그림 7a 모든 그룹 세포 생존율 Cur 농도 의존 패턴 표시. LIFU 없이 자유 Cur 대비 FA-FCP 모든 농도서 세포 생존율 억제 더 높음, FA 표적 효과 탓 가능. 하지만 FA-FCP+LIFU 세포 생존율 억제 FP+LIFU, FCP+LIFU, FA-FCP 비LIFU 대비 유의미 높음, FA-FCP LIFU 조사 병용 더 나은 항종양 효율 제공 지시. 이 결과 주로 LIFU 존재, 리소좀 산성 환경 둘 다 약물 방출, 캐비테이션 효과 유도, FA 매개 종양 세포 표적 효과 때문[36-38].
FA-FCP 체내 항암 효과 종양 보유 누드 마우스 추가 조사. FA-FCP 종양 축적 결과 바탕 정맥 주사 18시간 후 LIFU 실시, 2일마다 총 3회 1일부터. 그림 7b, c 24일 치료 후 FA-FCP+LIFU군 상대 종양 부피 대조, Cur, FA-FCP, FP+LIFU, FCP+LIFU군 대비 유의미 감소. FA-FCP, FCP+LIFU군 종양 무게 대조, Cur군 대비 유의미 적음, FA-FCP+LIFU군서 더 억제. 치료 동안 모든 그룹 체중 유의미 감소 없음(그림 7d). FA-FCP+LIFU 탁월한 항종양 효과 주로 종양 내 FA-FCP 표적 집적, 음향/pH 반응 약물 방출 능력 때문[39-41]. 추가 FA-FCP 혈중 연장 반감기 종양 부위 나노입자 지연 클리어런스도 향상된 항종양 치료 효능 설명 가능[42].
FA-FCP 체외, 체내 생체적합성 CCK-8 assay, H&E 염색 분석 평가. 그림 8a, b 약물 탑재 FA-FP, 0-8 W LIFU 출력 세포 생존율 모두 >90%, 본 연구 사용 FA-FP, LIFU 출력 체외 유의미 세포독성 없음 지시. 그림 8c FA-FCP+LIFU 처리 마우스 주요 장기 H&E 염색 이미지 대조군 대비 조직학적 변화 없음. FA-FCP 체외, 체내 높은 생체적합성 입증.
요약하자면 페리틴 나노케이지 이용해 항암제 Cur, 종양 표적 분자 FA 탑재 다기능 FA-FCP 제조, 조영 증강 US 영상 능력, 화학요법 정밀 표적 구현. 신규 합성 FA-FCP 높은 체외, 체내 생체적합성. 추가 FA-FCP 우수 종양 표적 능력, 음향/pH 유도 Cur 방출, LIFU 음향 반응 상전이 US 영상. FA-FCP 이런 고유 특성 전신 독성 없는 유의미 종양 억제 인자 적용 가능. 이런 새롭고 생체적합한 테라노스틱 나노플랫폼 초음파 영상과 향상된 치료 효능 통합, 암 치료 유망 패러다임 제공 기대.
본 원고 결론 본 논문 제시·표시 데이터(본문, 그림) 기반.
나노물질
요약 유방암의 전이는 예후에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 놀라운 심부 침투성과 비침습적 특성 덕분에 초음파역학치료(SDT)는 암 치료에 일련의 잠재력을 보여준다. 단일 요법의 한계를 극복하기 위해 다기능 나노플랫폼이 시너지 치료 효율을 실현하기 위해 탐구되어 왔다. 본 연구에서는 클로린 e6(Ce6, SDT용), 퍼플루오로펜탄(PFP, 초음파 영상용), 도세탁셀(DTX, 화학요법용)을 잘 설계된 PLGA 코어-쉘 구조에 캡슐화한 새로운 다기능 나노시스템을 구축하였다. 시너지 효과를 가진 Ce6/PFP/DTX/PLGA
초록 전통적인 암 치료제는 다양한 부작용과 표적 종양에 대한 불충분한 손상으로 비판받아 왔습니다. 나노입자의 돌파구는 전통적 치료와 진단을 업그레이드하는 새로운 접근법을 제공합니다. 실제로 나노입자는 전통적 암 진단과 치료의 단점을 해결할 뿐만 아니라 종양 진단과 치료를 위한 완전히 새로운 관점과 최첨단 장치를 창출합니다. 그러나 대부분의 나노입자 연구는 생체 내외 실험 단계에 머물러 있으며, 나노입자에 대한 임상 연구는 극소수만 보고되었습니다. 본 리뷰에서는 먼저 나노입자의 암 진단 및 치료 분야 현재 응용을 요약합니다. 이후 나
