교모세포종(GBM)은 공격적이고 악성인 뇌암으로 평균생존기간이 짧고 재발하기 쉬우며 항암제 전달이 어려운 특징이 있습니다. 기존 화학요법보다 효과적이고 안전한 liposomes, 미셸 나노약물, microparticle 등의 시스템이 개발되었습니다. 나노입자와 하이드로젤을 결합한 시스템, 이식 가능한 wafers, lipid based nanoparticles 등이 활용되고 있습니다. 면역항암제 치료와 새로운 약물 전달 시스템이 연구 중이며, 고분자 나노입자(polymeric nanoparticles)가 BBB를 통해 GBM 치료를 개선하고 부작용을 줄일 가능성이 있습니다.
Abstract – glioblastoma multiforme (교모세포종, GBM)
- 교모세포종(GBM)
– 공격적이고 악성인 뇌암, 이질적인 뇌종양
– 짧은 평균생존기간
– 내성이 생기기 쉽고 재발하기 쉬움
– BBB 때문에 항암제가 들어가기 어려움
– 리포솜, 미셸 베이스 나노약물, 마이크로입자가 BBB를 통과
– 나노입자와 결합된 Hydrogel을 베이스로 한 시스템, 이식가능한 carmustine wafers, microspheres, 지질 기반 나노입자들이 기존의 화학항암요법보다 효과적이고 안전
Introduction
1. 교모세포종(GBM)
- 이종의 원발성 악성 뇌종양
- 성상세포에서 발생하며 이 세포는 혈관에 많이 존재하고 빠르게 재생산
- 특징 : 조절되지 않는 세포 증식, 방사선과 화학항암제에 저항성, 교모줄기세포의 성장, 암세포의 침윤, 세포자살
- octopus tumor라고도 함
- Astrocytoma는 WHO에서 네 가지 등급으로 분류했고 등급4에서 GBM은 45-50%의 발병률
- GBM의 전세계 발생률은 100,000명당 10명
- 75-84세, 남성에서 더 잘 발생
- 임상 징후 : 부종, 출혈, 정신상태 변화
2. GBM 치료
- 치료하지 않는다면 평균생존기간(MST)은 3개월
- 수술, 화학항암제, 방사선치료 등으로 개선
- 방사선치료와 TMZ(temozolomide)로 같이 치료한 환자들의 MST 13-14개월
- 방사선 단독 치료 MST 11-13개월
- GBM은 공격적이고 재발 잘 되어 완전히 치료하기 어려움
- 전신 치료 : 세포 독성 화학항암제 or 호르몬 치료
- bevacizumab, cetuximab, nimotuzumab, CSF-1R inhibitor과 같은 분자 타겟 치료는 뜨고있는 새로운 치료법
- 면역항암제 치료 : T cell, 암 백신, 면역 체크포인트 치료 등
- PD-1, TIM-3, CTLA-4, LAG-3 등 T세포의 활성을 억제
- GBM에서 음성조절자, GBM 치료 타겟 가능성
- PD-L1은 GBM에서 과발현
- FDA에 승인된 GBM 면역치료제는 없음
- Ipilimumab, nivolumab이 여러 단계의 GBM 환자들에 대해 임상3상 중임
- 항암제에서는 1999년에 TMZ가 1차 치료제로 FDA 승인
- TMZ는 알킬화제 항암제, 환자 생존율을 높임
- 세포 내에서 MTIC로 전환되고 DNA N, O 구아닌 잔기에 메틸화 → 이중나선 파괴 → 세포 수선 메커니즘을 방해해 세포 죽음
- 표준치료는 TMZ, 수술, 방사선치료를 혼합
- 치료 효과는 제한적
- 주입 가능한 hydrogel 시스템
- 항암제를 봉입하고 작용부위에 잘 전달
- 단백질-고분자 결합물로 구성 : DNA 백신의 봉입과 전달을 효과적으로 전달하기 위한 플랫폼
- pH, 온도에 반응하는 생체분해가능한 copolymer는 인간 혈청 알부민과 함께 안전성과 반감기가 향상된 hybrid injectable hydrogel을 생성
- 치료제 전달을 위한 잠재적인 재형
- 항암제 방출을 제어
- GBM 치료 제한의 주된 이유
- 해부학적 위치, 조절되지 않는 세포 증식을 초래하는 높은 종양 이질성
- 방사선 치료 및 화학항암제에 대한 저항성
- 신경교세포의 성장, 종양 침윤, 세포 사멸
- 절제술은 신경조직에 부수적인 손상을 일으켜 인지기능에 악영향, 중추신경계의 물리적 장벽으로 종양 부위에 항암제 전달이 지연
- 인전합 건강한 세포에 영향을 미치지 않고 항암제를 종양 부위에 전달하는 금 나노입자, microsphere, dendrimer 같은 약물 전달체를 이용한 전략이 활발이 연구되고 있음
3. GBM 재발
- 종양이 원래의 부위에서 재발하거나 다른 부위로 이동/전이
- 1차 치료로 대부분의 GBM 세포를 파괴
- 일부는 생존하고 계속 성장
- GBM 종양세포는 “손가락처럼 생긴 촉수“를 가짐 → 질병이 뇌 전체로 퍼지도록 함
- 인접 세포가 존재하는 미세환경에서 혈관 림프 네트워크, 저산소 조건에서 걸러진 신경교 줄기세포(GSCs)가 새로운 종양세포로 성장할 수 있음
- 뇌종양에서 저산소증 나타남
- 저산소 반응(HR) 나노입자는 종양치료에서 항종양효과가 더 좋지만 HR-나노입자를 이용한 GBM 치료는 잘 개발되지 않음
- 암세포의 화학항암제와 방사선치료에 대한 저항성 때문에 GBM이 재발
- 어떤 연구에서 기존의 치료법은 GSCs를 일시적으로 잠재하게 하는 것으로 밝혀짐
- GBM 재발은 경험한 환자의 MST는 8-9개월 → stereotactic radiosurgery로 6.5-30개월로 연장
- 2차 수술을 받거나 재발 때문에 TMZ 치료를 받은 환자는 5-9개월, 4.5개월
→ TMZ가 재발하는 GBM에 적절한 치료법
- 재수술과 재방사선은 삶의 질에 악영향을 미칠 수 있음
DDSs and GBM treatment
- GBM 치료로 FDA 승인 받은 약 : TMZ, lomustine, carmustine, bevacizumab
- 재발 때문에 MST에는 의미있게 개선 X
→ BBB를 통한 항암제 전달로 개선될 수 있음
- 기존 약물의 화학적 변형, 금속 or 비금속 나노입자, 고분자 담체, 지질 기반 나노입자를 기반으로 몇 가지 접근법들이 고안됨
- Nanoparticle DDS는 GBM의 치료 가능성을 갖는 것으로 입증됨
- 최근에는 셀프 조립, 생체 내 안정성, 종양 특이성, 효과적인 약물 봉입, 지속적인 약물방출, 타겟 부위로 효율적인 약물 전달을 나타내는 변형된 나노입자 시스템이 설계됨
- 고분자 담체 및 지질기반 나노 입자는 GBM 치료에 널리 사용됨
- 이 리뷰에서는 스마트 고분자 hydrogel, 고분자 입자, 리포좀 또는 고체 지질 나노입자(SLNs)에 의한 약물 전달을 기반으로 하는 GBM치료의 장점과 한계에 대해 논의함
GBM 치료에 사용되는 Polymeric DDSs
- Polymer
=> 친수성 및 소수성 약물의 지속적인 방출을 설계
- Polymer DDS는 hydrogels, 나노입자, wafers, chitosan, microsphere 같은 다양한 고분자 매트릭스를 활용
- 제한된 전신 독성을 가진 높은 국소 농도에서 다양한 약학적인 활성제의 조절되는 방출을 제공
- 생분해성, 생체적합성, 무독성, 높은 로딩 용량, 약물을 분해되지 않게 보호, 장기적인 약물 방출을 가능하게 함
- 화학 내성, 약물 분해, 전신 독성, BBB가 개발자들이 직면한 과제
- 고분자 담체는 설계를 통해 구조와 기능이 변경될 수 있기 때문에 이러한 장애물을 극복할 수 있을 것
1. Polymeric hydrogels
- Hydrogel 구성 : 3차원, 친수성, 고분자 네트워크 → 다량의 물을 흡수할 수 있음
- 약물 cargoes를 보호
- 물리화학적 특성 : 화학적 조성, pH, 온도, 빛, 수분 함량, mesh 크기, 점탄성, 유연성, 생체적합성, 분해 특성에 따라 달라짐
- 이러한 특성 + 친수성, 소수성 약물 봉입 능력 → 지속적인 약물 방출과 표적 약물 전달
- TMZ, paclitaxel(PTX), doxorubicin(DOX), lomustine 같은 항암제를 다양한 hydrogel에 로드할 수 있음
- PLGA, PLA, chitosan-based 나노 입자는 TMZ, PTX, DOX, lomustine에 로딩된 다음 hydrogel에 내장되어 종양에서 장기간 및 지속적인 약물 방출을 할 수 있음
- GBM은 PLGA기반, 열반응성, theranostic, ROS/redox반응성 hydrogel을 사용하여 치료할 수 있음
- (**theranostic : 표적치료를 하기 위한 진단 테스트의 한 형태)
2. PLGA-based hydrogel
- PLGA : 생체적합성 성분인 젖산, 글리콜산 단량체의 개환 중합에 의해 제조된 생분해성 고분자
- 내인성 단량체는 신체에서 쉽게 대사
- PLGA는 20년 동안 생체적합성, 무독성, 지속적인 약물 방출 특성으로 DDS, 조직 공학에서 널리 사용
- 유리전이 온도, 점도, 결정도, 인장 강도와 같은 특성은 젖산:글리콜산 단량체 비율을 변경하여 조절할 수 있음
- PLGA hydrogels의 Lactide는 장시간 약물 방출을 돕지만, 젖산 및 글리콜산 방출은 국부적인 pH 감소를 유발하고 주변 조직을 자극하여 약물 안정성을 감소시킴
- PLGA는 생체의학적 적용을 위해 FDA 승인을 받았으며 최소한의 전신 독성으로 암을 포함한 많은 질병을 치료하기 위해 사용됨
- PLGA와 가소제(PEG-400, triethyl citrate로 구성)로 구성된 겔 매트릭스에 TMZ를 함유하여 C6-GFP 신경교종의 외과적 절제 모델의 쥐의 resection cavities에 주입하여 새 DDS의 안전성과 효능을 연구
- 대조군에 비해 종양 부피를 95%까지 효과적으로 감소시킴
- TMZ 방출은 장기간에 걸쳐 발생하여 GMB 치료에 잠재력 있음
- GBM의 18Fischer-344쥐모델에서 수술후 방사선요법으로 OncoGelTM을 TMZ 유무에 따른 조사
- OncoGelTM : 열 반응성ReGelTM, PTX와 같은소수성약물의제어방출에사용
- ReGel : 열에민감,생분해,PLGA와PEG로구성
- OncoGelTM : GBM 재발 시간을 6주까지 연장. PTX가 로딩된 ReGel
→ 방사선 요법과 OncoGelTM의 병용 요법이 생존 시간을 개선하고 GBM 재발을 감소시킴
3. Thermo-responsive hydrogel
- 체온에서물리적젤을생성하는온도에민감한하이드로겔
- 높은흡수능력환경(NIPAAm가교중합체) 환경 의존적인방식으로형태를변화
- 특성 : 가역적인팽창특성과온도에의존하는겔화
- 겔화 온도에 도달하면 즉시 하이드로겔 형성
- 대부분의임계 용액 온도가낮고임계용액온도에도달하면가역적인방식으로겔을형성
4. Theranostic hydrogel
- Theranostic agents : 약물과 진단제를 결합
- 암 같은 질병의 치료 시작 전에 영상 진단
- theranostics는 개별로 치료제를 적용할 때와 영상화할 때 약물 생체분포를 평가할 수 있음
- 필요한 특성 : 선택적 종양 축적, 항암제 치료 용량의 표적 전달, 조기 종양 검출, 생체적합성, 생분해성
- Kim et al. => MRI-MLTH로 불리는 주사형 theranostic 제형을 개발하여 설치류 뇌종양에 SN-38의 전달을 관찰하는데 사용
- Jiang et al. 온도, pH 민감성 자성 나노겔
=> 쥐의 뇌종양 산성 미세환경에서 전신적으로 투여, 축적될 수 있는 MRI 조영제로 Cy5.5-표지 lactoferrin 함유 nanogel 생산
→ Cy5.50-Lf-MPNA nanogel보다 혈액 순환 시간이 더 길다 (RES에 의한 제거가 더 느려서)
- lactoferrin으로 인해 신경교종 조직에서 제형이 유지됨
- nanogel의 pH/온도 민감도는 타겟팅 능력을 향상시킴
- 5-lactoferrin SPIO-nanoparticles이 로드된 nanogel은 생체내에서 신경 교종 종양의 표적화를 가능하게 함
- 이식된 5 형광색소는 형광 이미지화를 가능하게 하고 SPIO-나노입자는 뇌종양에서 MRI 시각화를 가능하게 함
5. ROS/Redox responsive hydrogels
- ROS
– 과산화수소, 과산화물, ・OH, 과산화질산염, 차아염소산염이 포함 → 세포 신호 전달에 중요한 역할
– 원형질막에서 불완전한 산소 환원 등의 내인성으로 생성
– ROS는 건강 및 질병 상태에서 세포 기능을 매개
– 정상 대사 활동에서 항상성 유지, 세포 성장, 이동, 세포 사멸, 병원체와 싸우는 등 조직에서 지속적으로 생성, 전환, 소비됨
- 과도한 ROS 생성 : 항상성과 세포 대사 균형을 방해, 산화 스트레스 유발해 단백질, 지질, DNA 등 세포 구성 요소를 손상
- 미토콘드리아 암이 진행되는 동안 상승된 ROS 수치는 종양 유전자를 자극하고 대사를 항진, 손상을 입힘
- Hydrogel은 국소적, 지속적인 약물 전달에 사용 가능
- 산화 스트레스 하에서 약물은 고분자 매트릭스의 분해와 함께 ROS 반응성 hydrogel에서 방출됨
- 산화환원 자극 반응성 생분해성 제제는 종양에 약물 전달을 도움
- 그러나 hydrogel의 생체 내 팽창 또는 수축은 장기간 약물을 잔류시켜 불완전한 약물 방출을 야기할 수 있음
- 이 때문에 다양한 분해성 가교결합제가 hydrogel에 혼입됨 (특히, disulfide는 우수한 분해성 가교결합제를 제공)
- 산화 환원제의 첨가가 이황화 가교 hydrogel로부터 약물 방출을 향상시킨다고 보고됨
- Nano hydrogel
- 짧은 선형사슬보다 쉽게 분해
- pH 등 환원 환경에 반응하여 빠른 약물 방출
- 산화된 나노 전구 약물
- 산화된 나노 전구 약물은 비산화된 나노 전구 약물보다 더 효과적
- 산화된 나노 전구 약물을 신경교종 세포 내로 흡수 할 때 흡수 : 엔도사이토시스 < 세포막을 통한 흡수
- 산화된 CPT 나노 전구 약물은 BBB를 통과해 증식하고 있는 뇌종양 주변에 축적
- 대조군에 비해 종양 성장을 80% 이상 억제하고 쥐의 MST를 5일에서 72.5일로 증가시킴
6. Polymeric particles
- sub-micrometer 크기
- 임상 진단, photonics, 약물전달에 사용
- 두 그룹으로 분류 : 10-1000nm 크기의 나노 입자 포함 그룹, 3-800mm 크기의 마이크로 입자 포함 그룹
- DDS로서 특성 : 약물 통합 및 방출, 제형 안정성, 생체 적합성, 생분해성, 높은 약물용량 로딩 능력
- 약물 포착에도 사용 → 표적 약물 전달 향상, 근처 기관에 자유 약물 유발 독성 감소
- 고형암은 향상된 투과성, EPR 효과로 약물이 로딩된 고분자 입자의 전달을 개선
- 키메라시스템은 약물 로딩 효율, 전달 시스템 효능 향상
- 마이크로입자는 대규모 생산과 저장이 쉬움
- 나노 입자는 표면적/부피 비율이 높음
- 고분자 입자는 분해로부터 보호하고 표적부위에서 약물 농도를 증가시킴
- 키토산, poly cyanoacrylate, PLGA, PLA는 용매 증발, 자발적 유화, 중합 또는 이온 겔화에 의해 생분해성 고분자 입자를 제조하는 데 사용
7. Chitosan-based nanoparticles
- 키토산 : 키틴의 아세틸화로 얻어지는 다당류
- 이식, parental, 경피 시스템의 DDS로 사용
- 팽윤, 약물-중합체 상호작용으로 약물 방출
- 특성 : 생분해성, 생체적합성, 무독성, 점막접착, 약물방출조절, 향상된 약물 효능 및 표적화 능력
- 항균, 항산화 특성을 가짐, 면역원성 거의 없음
- DDS의 희석제, 충전제, 정제 또는 캡슐 형태로 사용하여 약물 방출 조절
- 단점 : 용해도가 낮고, 팽창하여 파열된 약물 방출을 일으킴
- 키토산 나노 입자
- 세포막을 잘 관통, 약물 로딩 능력 좋음
- 순환 시간이 길고 멀티기능
- pH-의존적 약물 방출이 가능
→ 화학요법 및 진단을 위한 전달 시스템으로 고려
- Galectin-1 (Gal-1) : GBM에서 과발현
- 면역 억제 단백질, 질병 진행 촉진, 혈관 신생 촉진
- Gal-1 siRNA 로딩한 키토산 나노입자를 비강 내 투여 → 키토산 나노입자가 siRNA가 RNAase로부터 분해되는 것을 보호함
- siRNA가 CNS로 전달될 때 부정적인 영향 미치지 않음
- 종양의 전이가 감소
- GBM이 있는 쥐에서 Gal-1을 반 이상 감소시킴
8. Dendrimers
- nano 사이즈, 방사상 대칭
- 구성 : core, 내부 shell, 외부 shell
- host-guest 상호작용, 공유결합에 의해 고분자량 친수성/소수성 제제를 포획/접합
- DDS, 이미징 방법을 설계하는 대체 수단 제공
- 특징 : 높은 수용성, 생체적합성, 다원자가, 정확한 분자량, 높은 약물 로딩 능력
- 형광 색소와 접합된 dendrimer : 암 이미지화에 사용, 광역학, 붕소 중성자 포획, 유전자 치료에 활용
- GBM에서는 세포 침투, 약물 잔류가 좋지 않아 제한됨
- 더 나은 GBM 약물 전달을 위해 종양에서 높은 잔류 효과를 갖는 작은 나노입자가 필요
9. Microspheres
- 평균 입자 크기 : 1-1000 mm
- 작은 약물과 단백질을 봉입, 약물의 생체이용률, 안정성, 특이성 향상
- 효소 및 광분해로부터 약물을 보호
- microsphere 입자 크기 감소는 난용성 약물의 용해도를 향상시킴
- 한계 : 제조의 어려움, 불안정성, 온도 및 pH와 생산효과에 대한 민감성
- GBM 및 결장암을 포함한 암치료에 약물 운반체로 사용
- 생분해 polymeric microsphere, 합성 polymeric microsphere
- Chen et al. => carboplatin이 로딩된 생분해성 PLGA microsphere 제형을 개발
- 쥐의 신경교종 모델에서 부작용이 거의 없이 종양에서 고농도의 CBP 축적
- 1시간동안 지속되는 식세포 염증 반응을 유도
- 현저한 MST 증가와 체중 감소가 줄어드는 것을 관찰
저분자량 폴리머의 빠른 분해는 약물 방출을 증가(뇌종양에서 CBP 농도 증가)
Wafers
- 디스크 모양의 활성 약제를 포함하는 합성 또는 생분해성 이식제
BBB를 극복하기 위해 개발됨
- carmustine과 같은 약물의 장기간 전달을 가능하게 함 생체이용률 증가, 전신 독성 효과 감소, 약물 보호
- Gliadel 1 wafers (carmustine wafers)
- 알킬화제 carmustine이 스며든 생분해성 BCNU polymer
- 높은 등급의 악성 신경 교종 치료를 위해 FDA 승인
- GBM 재발 방지를 위해 수술 후 2-3주 동안 절제한 공동에 놓아짐
- 새로 진단된 GBM 환자에서 MST를 2-3개월 향상시킴
Lipid-based nanoparticles
- BBB 통과 O
- 물리화학적으로 안정, 생체적합성, 약물을 잘 용해시킴, 약물관련 부작용을 감소시킴
- 리포좀, SLN은 뇌에 항암제 전달하고 GBM 치료할 수 있는 잠재력을 가짐
1. Liposomes
- 인지질 이중층
- 친유성/친수성 약물 포획 가능
- 약물방출조절을 위한 나노 시스템 영향 : 무독성, 구조적 유연성, 특이성, 생체적합성, 크기, 구성, 지질층의 막투과성
- 한계 : 낮은 용해도, 짧은 반감기, 인지질 산화, 봉입된 분자의 누출
- 치료적 적용 : 부위 특이적 표적화, 독성 감소, 세포내 지속적 약물 방출
- 제형의 효율성 : 표적 부위에서 약물 방출 연장, 독성 효과 감소
인지질로 구성되어 있기 때문에 BBB를 쉽게 통과해 GBM 종양에 고용량의 항암제 전달 가능
2. Solid-lipid nanoparticles (SLNs)
- 평균 직경 : 50-1000 nm
- 특성 : 우수한 물리적 안정성, 표적 약물 전달, 생물학적 생체 적합성 및 타당성, 약물 흡수 및 생체 이용률
항암제를 SLN에 로딩하여 종양세포에 대한 물리화학적 안정성과 세포 독성 효과를 향상시킬 수 있음
Conclusion and future perspectives
- GBM의 치료와 생존을 연장하기 위해 새로운 나노 입자 기반 제형을 개발하는 데에 노력중
- GBM 세포 내성을해결하기위해현재의표준치료및세포표적 나노 운반체, 고분자 또는 지질기반 나노입자의 조합도 고안됨.
- 주변 정상세포에 악영향을 미치지 않으면서 GBM 절제술 부위에 정확한 양의 약물을 전달하는 나노 운반체가 고안
- 고분자나노입자는 BBB를 통해 GBM종양에도 정확한 양의 치료제를 전달 → 부작용을 줄일 수 있음
- HR접합체 또는 나노 운반체의 응용은 암 영상화및치료에 도움
- HR 나노입자는 생리학적으로 안정하고 저산소세포로 소수성약물을 선택적으로 전달할 수 있기 때문에 GBM치료를 위한 잠재적인 약물 운반체
- non-lipid, lipid 기반 나노입자는 GBM의 검출과GBM에대한맞춤형 약물개발, 치료 부작용의 최소화에 중요한 역할을 할 것
- 나노 입자 표면의 수정, 유전자 치료 및 면역리포좀 전달 시스템에서 많은 연구가 필요