Enzyme-responsive Polymeric Micelles by Controlled Depolymerization for Drug Delivery System

Abstract

약물을 이용한 항암치료의 부작용을 줄이고 약물의 전달 효율을 높이고자 고분자 마이셀을 이용한 약물 전달 시스템이 활발히 연구되어왔다. 고분자 마이셀이 특정 자극으로 마이셀의 붕괴를 유도하고 약물을 방출하는 시스템을 개발하여, 약물의 부작용을 줄이면서 전달 효율을 높이는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 생체적합성이 우수한 친수성인 폴리에틸렌글라이콜(polyethyleneglycol, PEG)과 소수성인 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL)을 기반으로 한 양친매성 블록 공중합체를 자기 조립 시스템을 이용하여 고분자 마이셀을 형성하여 약물 전달체로써 사용하고자 하였다. 또한, 고분자 마이셀에 암에 대한 선택성을 높이기 위해 암에서 과발현하는 NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1(NQO1) 효소에 감응하는 quinone propionic acid (QPA)를 접목하고, 효율적인 붕괴를 유도하기 위해서 해중합(depolymerization) 시스템을 폴리카프로락톤에 도입하고자 하였다. 이를 통해 고분자 마이셀이 enhanced permeability and retention (EPR) 효과를 이용하여 암 조직에 축적된 후 NQO1 효소에 감응하여 해중합이 유도하고, 고분자 마이셀이 붕괴되면서 약물을 방출시키는 시스템을 고안하였다. 먼저 NQO1 효소에 감응하는 QPA 그룹을 합성하고, QPA 그룹을 해중합 시스템이 도입된 카프로락톤 전구체에 접목했다. 다음 카프로락톤 전구체를 최종적인 카프로락톤 단량체로 합성하고, 폴리에틸렌글라이콜을 개시제로 사용하여 개환중합을 통해 양친매성 블록공중합체 (PEG-b-PCL-QPA)로 중합하였다. 이 때 QPA 대신 염화벤조일 (benzoyl chloride, Bz)를 접목시켜 대조군 블록 공중합체 (PEG-b-PCL-Bz)를 중합하였다. 합성한 두 고분자를 겔 투과 크로마토그래피 (gel permeation chromatography, GPC)와 핵자기 공명 (nuclear magnetic resonance, NMR)을 통해 분석하였다. 또한 PEG-b-PCL-QPA 고분자가 선택적으로 NQO1 효소에 감응하여 해중합을 유도한다는 것을 GPC를 통한 분자량 감소와 NMR을 통한 구조 변화를 관찰하여 확인하였다. 양친매성인 PEG-b-PCL-QPA 고분자와 PEG-b-PCL-Bz 고분자가 자기조립 시스템을 통해 고분자 마이셀을 형성하다는 것을 동적 광산란법 (dynamic light scattering, DLS)과 투과 전자현미경 (transmission electron microscopy, TEM), 임계 마이셀 농도 (critical micelle concentration, CMC) 측정을 통해 확인하였다. PEG-b-PCL-QPA 고분자 마이셀이 선택적으로 NQO1 효소에 감응하여 붕괴된다는 것을 DLS를 통한 마이셀 크기 변화와 TEM을 통한 마이셀 형태 변화를 통해 확인하였다. 또한, 형광체를 담지한 마이셀의 형광 분석을 통해 시간에 따른 마이셀의 붕괴 거동을 관찰하였다. 다음 독소루비신 (doxorubicin, DOX) 약물을 사용하여 고분자 마이셀의 약물 담지 능력에 대해 관찰하고, 약물을 담지한 PEG-b-PCL-QPA 고분자 마이셀이 선택적으로 NQO1 효소에 의해 약물의 방출이 가속화된 것을 확인하였다. 고분자 마이셀이 세포에서의 거동을 관찰하기 위해 NQO1 효소를 과발현하는 암세포 (A549 cell)와 과발현하지 않는 암세포 (H596 cell)를 이용하여 in vitro 실험을 진행하였다. 형광현미경을 통해 세포 내 환경에서도 NQO1 효소에 의해 PEG-b-PCL-QPA 고분자 마이셀이 약물의 방출이 가속화된 것을 확인하였다. 다음 세포 독성 실험을 통해 약물을 담지하지 않은 고분자 마이셀의 경우 높은 생체적합성을 나타내는 것을 확인하였고, 약물을 담지한 마이셀의 경우 PEG-b-PCL-Bz 고분자 마이셀보다 PEG-b-PCL-QPA 고분자 마이셀이 NQO1 효소를 과발현하는 세포에서 높은 세포 독성이 확인되었다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 개발된 고분자 마이셀을 이용한 약물 전달 시스템은 선택적으로 NQO1 효소에 의해 해중합을 유도하고 마이셀 붕괴를 통하여 효율적인 약물 전달을 하는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 시스템은 고분자 마이셀을 이용한 약물 전달 시스템의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Chemotherapy is a technique of anticancer therapy using chemical substance as a drug. However, the anticancer drugs have serious side effects owing to non-specific interaction with normal cells, as well as tumor cells. In this aspect, self-assembled polymeric nanoparticles have obtained considerable attention as anticancer drug carriers because of improving the therapeutic efficiency and reducing side effects of anticancer drugs. However, traditional polymeric carriers with nondegradable polymer exhibits insufficient drug release in the cancer cells. To accomplish the efficacy of the drug, it is necessary to develop controlled dissociation and triggered drug release of polymeric carriers. The disintegration of the drug carriers has been induced by utilizing specific-stimuli responsiveness. In particular, enzymes over-expressed in cancer are recognized and used as crucial targets in the improvement of carriers for anticancer therapy. The activity or high concentration of a specific enzyme in cancer has been utilized in diagnosis of cancer, as well as cancer-targeted drug delivery system. NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 (NQO1) is one of over-expressed enzymes in cancer cells. The NQO1 activity in certain cancer cells is raised up to 50 times than in normal cells. In addition, quinone propionic acid (QPA) has been employed as a trigger of NQO1 for anticancer such as prodrug, probe and liposome. Although QPA was also used to the polymeric micelle for drug delivery, the strategy was not enough to dissociate the micelles and release drug with NQO1. Recently, depolymerization have been reported to completely decomposed a polymer chain. Moreover, the depolymerizable polymer by self-immolation was induced to the polymeric carrier for drug delivery. However, the self-immolative polymer is not sufficient to verify biocompatibility for in vivo and in vitro. Depolymerization of biocompatible polycaprolactone (PCL) by intramolecular cyclization was reported. Therefore, polymeric micelles constituted QPA trigger and depolymerzable PCL is anticipated to enhanced the efficiency of drug delivery. This work demonstrates that the development of enzyme-responsive drug delivery systems. The enzyme-responsive polymer (PEG-b-PCL-QPA) by depolymerization was successfully synthesized by ring-open polymerization. PEG-b-PCL-QPA was depolymerized by cascade cyclization with NQO1 enzyme. In addition, the polymeric micelle of PEG-b-PCL-QPA was formed by self-assembly system and disintegrated by NQO1. it is allowed to load the hydrophobic drug. Compared to the control group (PEG-b-PCL-Bz), enzyme-responsive micelle showed efficient drug release and enhanced anticancer effects in vitro. Therefore, the strategy of NQO1 enzyme responsive polymeric micelle by depolymerization has promising potential for improving the efficient drug delivery system.