KR102618727B1 - Lipid nanoparticle for delivering nucleic acid - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셍체 내 핵산 전달을 위한 지질 나노입자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양이온성 스테롤 유도체를 포함하는 핵산 전달용 지질 나노입자에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 각기 다른 용도로 개발된 지질 유도체를 함께 사용함으로써 기존의 전달체보다 생체 내 핵산 전달에 더 효과적인 것을 확인하였다.The present invention relates to lipid nanoparticles for nucleic acid delivery within the body, and more specifically, to lipid nanoparticles for nucleic acid delivery containing cationic sterol derivatives. According to the present invention, it was confirmed that lipid derivatives developed for different purposes were used together to deliver nucleic acids in vivo more effectively than existing delivery vehicles.

Description

핵산 전달용 지질 나노입자{Lipid nanoparticle for delivering nucleic acid}Lipid nanoparticle for delivering nucleic acid}

본 발명은 생체 내 핵산 전달을 위한 지질 나노입자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양이온성 스테롤 유도체를 포함하는 핵산 전달용 지질 나노입자에 관한 것이다.The present invention relates to lipid nanoparticles for in vivo nucleic acid delivery, and more specifically, to lipid nanoparticles for nucleic acid delivery containing cationic sterol derivatives.

유전자 치료(gene therapy)는 치료 유전자를 환자의 체내로 도입시켜 결손 유전자를 교정하거나 세포에 새로운 기능을 추가하여 암, 감염성 질환, 유전질환 등을 치료하거나 예방하는 방법을 말한다. 최근 핵산(DNA,RNA)을 치료제로 사용하여 질병을 치료하는 방식인 유전자 치료가 다양한 질병에 대한 새로운 임상 치료법으로 급부상하고 있다.Gene therapy refers to a method of treating or preventing cancer, infectious diseases, genetic diseases, etc. by introducing therapeutic genes into the patient's body to correct defective genes or add new functions to cells. Recently, gene therapy, a method of treating diseases using nucleic acids (DNA, RNA), is rapidly emerging as a new clinical treatment for various diseases.

유전자 치료를 효과적으로 하기 위해서는 치료 유전자를 원하는 표적세포로 전달하여 높은 발현 효율을 얻을 수 있도록 하는 유전자 전달 기술을 개발하는 것이 필요하다. 즉, 유전공학적으로 생산된 핵산과 이를 전달하기 위한 전달체, 예를들면 지질 나노입자(lipid nanoparticle)의 개발이 필수적이다. In order to effectively perform gene therapy, it is necessary to develop gene transfer technology that can deliver therapeutic genes to desired target cells and achieve high expression efficiency. In other words, the development of genetically engineered nucleic acids and delivery vehicles for delivering them, such as lipid nanoparticles, are essential.

지질 나노입자를 이용하여 정제된 핵산 분자를 진핵세포에 도입하는 것을 트랜스팩션(transfaction)이라고 하는데, 첨단 치료 약품 개발, 세포주 제조, 단백질 생산, 바이러스 생산 등 다양한 바이오 분야에서 응용되는 기초 연구 방법 중 하나이다. The introduction of purified nucleic acid molecules into eukaryotic cells using lipid nanoparticles is called transfaction. It is one of the basic research methods applied in various bio fields such as advanced therapeutic drug development, cell line production, protein production, and virus production. .

새로운 약물을 개발함에 있어서 신규 화합물의 구조를 도출하거나 다양한 약물을 혼합하는 칵테일 요법, 기존 약물을 다른 용도로 사용하는 약물 재창출 등이 있다. In developing a new drug, there are methods such as deriving the structure of a new compound, cocktail therapy that mixes various drugs, and drug reinvention that uses an existing drug for a different purpose.

새로운 유전자 전달체 개발도 앞서 언급한 신약 개발의 과정과 유사한 전략을 적용할 수 있다. 즉, 기존의 지질을 기반으로 한 새로운 유도체 합성, 유도체의 결합부위의 변경 등을 이용하여 신규성 지질 구조를 도출하여 새롭게 시작하는 접근법이 있다. 또한, 기존의 지질에 다른 지질 또는 인지질 등을 조합하여 최적화된 비율을 도출하는 연구방법 역시 적극적으로 행해지고 있다.A similar strategy to the previously mentioned drug development process can be applied to the development of new gene delivery systems. In other words, there is an approach to start anew by deriving a novel lipid structure by synthesizing a new derivative based on an existing lipid or changing the binding site of the derivative. In addition, research methods to derive an optimized ratio by combining existing lipids with other lipids or phospholipids are also being actively conducted.

최근 연구중인 유전자 전달체로 사용되는 양이온성 중합체는 유전자와 결합하여 양이온성 중합체-유전자 복합체를 형성함으로써 진핵세포의 형질주입을 유도하게 된다. 이러한 양이온성 중합체의 구체적인 예로는, 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리아미도아민(polyamidoamine), 폴리L-리신, 폴리아미노에스테르, 폴리프로필렌이민과 같은 양이온성 단일중합체 및 폴리에틸렌글리콜(PEG)-블록-폴리L-리신 및 PEG-PEI와 같은 양이온성 블록 나노복합체 등을 들 수 있다.Cationic polymers used as gene carriers under recent research combine with genes to form cationic polymer-gene complexes, thereby inducing transfection of eukaryotic cells. Specific examples of such cationic polymers include cationic homopolymers such as polyethyleneimine (PEI), polyamidoamine, polyL-lysine, polyaminoester, polypropyleneimine, and polyethylene glycol (PEG)-block-poly. Cationic block nanocomposites such as L-lysine and PEG-PEI can be mentioned.

그런데 다수의 양이온성 중합체들은 생체 내에서 유전자의 세포 내로의 유입이 원할하지 않다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 해결할 수 있는 신규 양이온성 지질을 포함하는 유전자 전달체의 개발이 요구된다.However, many cationic polymers have the disadvantage that genes do not enter cells smoothly in vivo. Therefore, the development of a gene delivery system containing novel cationic lipids that can solve these shortcomings is required.

대한민국 등록특허 제10-1769666호 (2017.08.11 등록)Republic of Korea Patent No. 10-1769666 (registered on August 11, 2017)

본 발명의 목적은 유전자를 전달하여 높은 발현 효율을 얻을 수 있도록 하는 유전자 전달 기술을 개발하고자 한다.The purpose of the present invention is to develop a gene transfer technology that can achieve high expression efficiency by transferring genes.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 (ⅰ) 하나 이상의 핵산 분자, (ⅱ) 화학식 1로 표시되는 양이온성 콜레스테롤 유도체 A, (ⅲ) 화학식 2로 표시되는 양이온성 시토스테롤 유도체 B 및 (ⅳ) 인지질을 포함하는 지질 나노입자를 제공한다.In order to solve the above problem, the present invention includes (i) one or more nucleic acid molecules, (ii) cationic cholesterol derivative A represented by Formula 1, (iii) cationic sitosterol derivative B represented by Formula 2, and (iv) phospholipid. Provided is a lipid nanoparticle comprising:

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 핵산 분자는 pDNA 또는 siRNA 인 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the nucleic acid molecule is pDNA or siRNA.

또한 상기 지질 나노입자 내의 유도체 A: 유도체 B: 인지질의 몰 혼합비율은 2~3: 2~3: 0.5~1 인 것을 특징으로 한다.In addition, the molar mixing ratio of derivative A: derivative B: phospholipid in the lipid nanoparticle is 2-3: 2-3: 0.5-1.

또한 상기 인지질은 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine(DOPE)인 것을 특징으로 한다. Additionally, the phospholipid is characterized as 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine (DOPE).

또한 본 발명은 상기 지질 나노입자 및 약제학적으로 허용되는 담체를 포함하는 약제학적 조성물을 제공한다.The present invention also provides a pharmaceutical composition comprising the lipid nanoparticles and a pharmaceutically acceptable carrier.

또한, 본 발명은 세포를 상기 지질 나노입자와 접촉시키는 것을 포함하는 핵산을 세포에 전달하는 방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method of delivering nucleic acids to cells comprising contacting the cells with the lipid nanoparticles.

또한 본 발명은 지질 나노입자를 이용하여 난소암과 유방암세포 증식에 억제력을 보이는 약제학적 조성물을 제공한다.Additionally, the present invention provides a pharmaceutical composition that exhibits inhibitory effect on the proliferation of ovarian cancer and breast cancer cells using lipid nanoparticles.

본 발명은 유전자 전달체로 양이온성 콜레스테롤 유도체와 양이온성 시토스테롤 유도체를 혼합하여 사용함으로써 단독으로 사용할 때 보다 RNA 전달에 효과적임을 확인하였다. In the present invention, it was confirmed that by using a mixture of cationic cholesterol derivatives and cationic sitosterol derivatives as a gene delivery vehicle, it is more effective in RNA delivery than when used alone.

즉, 구조적인 차이가 있는 양이온성 지질 유도체를 혼합하는 방법을 통해 유전자 전달 능력이 크게 향상됨을 알 수 있었다.In other words, it was found that the gene delivery ability was greatly improved by mixing cationic lipid derivatives with structural differences.

도 1은 본 발명인 지질 나노입자의 크기 및 분포도 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 다양한 비율을 이용한 지질 나노입자의 플라스미드 DNA 발현 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 BES 2 입자를 이용한 siRNA 전달 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 혼합 전 후의 지질 나노 입자의 투과 전자 현미경 관찰 결과이다.
도 5는 혼합 전 후의 지질 나노 입자의 유세포 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a graph showing the size and distribution results of the lipid nanoparticles of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the results of plasmid DNA expression of lipid nanoparticles using various ratios.
Figure 3 is a graph showing the results of siRNA delivery using BES 2 particles.
Figure 4 shows the results of transmission electron microscopy of lipid nanoparticles before and after mixing.
Figure 5 is a graph showing the results of flow cytometry analysis of lipid nanoparticles before and after mixing.

이하 실시예를 중심으로 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail below, focusing on examples.

1.1. 세포 및 화학약품1.1. Cells and Chemicals

사용한 세포주는 모두 한국세포주은행 (KCLB)으로부터 분양 받았으며 권장하는 10% FBS가 포함된 권장 배지를 사용하였고, 5% CO2가 포함된 37℃에서 배양하여 사용하였다.All cell lines used were purchased from the Korea Cell Line Bank (KCLB), and the recommended medium containing 10% FBS was used and cultured at 37°C with 5% CO 2 .

전달한 pDNA는 eGFP를 포함하며 CMV 벡터를 가지고 있는 것을 사용하였고, siRNA는 마크로젠에서 주문하여 사용 하였다.The delivered pDNA contained eGFP and a CMV vector, and siRNA was ordered and used from Macrogen.

화학식 1과 화학식 2로 표기된 화합물은 각각 문헌을 따라 직접 합성하여 사용하였다.Compounds represented by Formula 1 and Formula 2 were each synthesized directly according to the literature.

[화학식 1][Formula 1]

이 구조는 Carbamate 결합으로 퓨트레신과 콜레스테롤이 연결된 구조이며, Trifluoroacetate 염을 이용하여 pH 7 이하에서 양이온의 형태를 나타내는 구조이다.This structure is a structure in which putrescine and cholesterol are linked through a carbamate bond, and is a structure that exhibits the form of a cation at pH 7 or lower using trifluoroacetate salt.

[화학식 2][Formula 2]

이 구조는 Ester 결합으로 1차 아민구조를 시토스테롤과 연결된 구조이며, Trifluoroacetate 염을 이용하여 pH 7 이하에서 양이온의 형태를 나타내는 구조이다.This structure is a structure in which the primary amine structure is connected to sitosterol through an ester bond, and it is a structure that shows the form of a cation at pH 7 or lower using a trifluoroacetate salt.

본 발명에서는 핵산과 결합 효율을 높이기 위해 합성된 양이온성 콜레스테롤 유도체를 이용한 지질 나노입자(이하 "ED"라 함)와 방사선 치료 및 효과 증진을 위해 사용한 양이온성 시토스테롤 유도체를 이용한 지질 나노입자(이하 "SD"라 함)를 병용하여 새로운 전달체 BES 2를 형성하였다.In the present invention, lipid nanoparticles using a cationic cholesterol derivative (hereinafter referred to as "ED") synthesized to increase binding efficiency with nucleic acid and lipid nanoparticles using a cationic sitosterol derivative used for radiation treatment and enhancement of its effectiveness (hereinafter referred to as "ED") SD") was used in combination to form a new carrier, BES 2.

1.2. 지질 나노입자 제조 1.2. Lipid nanoparticle manufacturing

화학식 1의 양이온성 유도체 및 화학식 2의 양이온성 유도체와 인지질인 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine(DOPE)의 몰 비율이 5:1이 되도록 지질 혼합물을 클로로폼과 메탄올에 녹여 각각 준비 하였다. 상기 지질 혼합물들은 회전식 증발기를 이용하여 얇은 지질필름을 형성하였으며, 해당 필름은 하루 동안 증류수에 노출시켜 수화하였다. 수화된 필름은 초음파 생성기를 통하여 지질 나노입자를 형성 하였으며, 실험을 위하여 4℃에 보관하였다.Dissolve the lipid mixture in chloroform and methanol so that the molar ratio of the cationic derivative of Formula 1 and the cationic derivative of Formula 2 and the phospholipid 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE) is 5:1. Each was prepared. The lipid mixture was formed into a thin lipid film using a rotary evaporator, and the film was hydrated by exposure to distilled water for one day. The hydrated film was formed into lipid nanoparticles through an ultrasonic generator and stored at 4°C for the experiment.

화학식 1의 유도체와 DOPE의 몰 비율이 5:1 인 입자를 ED, 화학식 2의 유도체와 DOPE의 몰 비율이 5:1 인 입자를 SD로 표기하였으며 화학식 1의 유도체와 화학식 2의 유도체 및 DOPE 가 몰 비율로 2.5:2.5:1 로 혼합된 지질 나노입자는 BES 2로 표기하였다.Particles with a molar ratio of the derivative of Formula 1 and DOPE of 5:1 were denoted as ED, particles with a molar ratio of the derivative of Formula 2 and DOPE of 5:1 were denoted as SD, and the derivative of Formula 1, the derivative of Formula 2, and DOPE were denoted as ED. Lipid nanoparticles mixed at a molar ratio of 2.5:2.5:1 were designated as BES 2.

1.3. 지질 나노입자의 물리화학적 분석1.3. Physicochemical analysis of lipid nanoparticles

분석하기 전 각각의 지질 나노입자는 증류수로 20~50배 희석하였고, Nano-ZS 제타전위 분석기(Malvern Inc., UK)를 이용하여 분석하였다. 입자의 크기 및 분포도는 15회 반복 측정을 3회 수행하여 평균값 및 표준편차값으로 표기하였다.Before analysis, each lipid nanoparticle was diluted 20 to 50 times with distilled water and analyzed using a Nano-ZS zeta potential analyzer (Malvern Inc., UK). The particle size and distribution were expressed as average and standard deviation values by performing 15 repeated measurements three times.

1.4. 투과 전자 현미경 관찰1.4. Transmission electron microscopy observation

지질 나노입자는 4% 포름알데히드 용액을 통하여 고정하였고, 니켈 성분의 formava-carbon이 코팅된 그리드(200 meshes, TED PELLA, USA)를 이용하여 샘플을 제작하였다. 제작된 그리드는 전자 현미경 (H-7000B, Hitachi, Japan)을 통하여 관찰하였다.Lipid nanoparticles were fixed through a 4% formaldehyde solution, and samples were produced using grids (200 meshes, TED PELLA, USA) coated with nickel-based formava-carbon. The produced grid was observed through an electron microscope (H-7000B, Hitachi, Japan).

1.5. 지질 나노입자를 이용한 트랜스팩션 실험1.5. Transfection experiment using lipid nanoparticles

지질 나노입자를 구성하는 ED와 SD의 혼합 비율에 따른 효율을 비교하기 위하여 화학식 1과 화학식 2의 유도체의 혼합비율을 바꾸어가며 5개의 지질 나노입자를 형성하였고, 3가지 세포에서 eGFP를 가지는 플라스미드 DNA발현을 상대값으로 나타내어 분석하였다. 플라스미드 DNA 발현 실험은 96 웰 플레이트에서 수행하였으며, 각 웰 당 A549 세포와 CHO세포 1만개 혹은 CHO 세포 1만 2천개를 사용하였으며 100ng 의 플라스미드 DNA를 사용하였다. In order to compare the efficiency according to the mixing ratio of ED and SD that make up lipid nanoparticles, five lipid nanoparticles were formed by changing the mixing ratio of the derivatives of Formula 1 and Formula 2, and plasmid DNA carrying eGFP in three types of cells. Expression was expressed as a relative value and analyzed. The plasmid DNA expression experiment was performed in a 96-well plate, and 10,000 A549 cells and 10,000 CHO cells or 12,000 CHO cells were used per well, and 100ng of plasmid DNA was used.

각각의 지질 나노입자를 핵산과 15분 간 결합한 다음 세럼(serum)이 있는 상태에서 24시간 동안 트랜스팩션(transfaction) 실험을 수행하였으며, 발현된 eGFP 단백질은 각 웰의 세포를 lysis하여 형광 측정기를 통하여 형광 세기를 기록하였다. 형광의 강도는 가장 높은 BES 2 형광 강도를 기준으로 하여 상대값으로 나타내었다.Each lipid nanoparticle was combined with nucleic acid for 15 minutes, and then a transfection experiment was performed for 24 hours in the presence of serum. The expressed eGFP protein was measured through a fluorometer by lysing the cells in each well. The fluorescence intensity was recorded. The intensity of fluorescence was expressed as a relative value based on the highest BES 2 fluorescence intensity.

siRNA 발현 실험은 12웰 플레이트에서 수행하였으며, 각 웰당 KB 세포와 MCF 7 세포를 각각 8만 개씩 사용하였으며 25nM 농도로 siRNA를 처리 하였다. 각 지질 나노입자는 15분 간 결합 후 세럼이 있는 상태에서 24시간 동안 트랜스팩션 실험을 수행하였으며, 트리졸을 이용하여 RNA를 추출하였다. cDNA를 역전사 키트 (thermofisher scientific Inc., USA)를 이용하여 추출하였으며, Lamin A/C, Bcl-2, GAPDH의 전사 및 역전사 프라이머를 이용하여 증폭시켰다. The siRNA expression experiment was performed in a 12-well plate, 80,000 KB cells and 80,000 MCF 7 cells were used per well, and siRNA was treated at a concentration of 25nM. Each lipid nanoparticle was bound for 15 minutes, then a transfection experiment was performed for 24 hours in the presence of serum, and RNA was extracted using Trizol. cDNA was extracted using a reverse transcription kit (thermofisher scientific Inc., USA) and amplified using transcription and reverse transcription primers for Lamin A/C, Bcl-2, and GAPDH.

각 서열에 상응하는 mRNA 레벨의 결과값은 음성 대조군의 GAPDH mRNA 레벨에 대한 상대값으로 나타내었다. 각 siRNA에 사용된 프라이머의 서열은 다음과 같다. Lamin A/C primer (forward) 5'-TGGAAGATGATCCCTTGCTGA-3', (reverse) 5'-GCATGGCCACTTCTTCCCA-3'; Bcl-2 primers (forward) 5'- CTGCACCTGACGCCCTTCAC-3′' and (reverse) 5′'- CACATGACCCC-ACCGAACTCAAAGA-3′',; GAPDH primer (forward) 5' AACGGGAAGCTTGTCATCAATGGAAA-3', (reverse) 5'-GCATCAGCAGAGGGGGCAGA-3'.The resulting value of the mRNA level corresponding to each sequence was expressed relative to the GAPDH mRNA level of the negative control. The sequences of primers used for each siRNA are as follows. Lamin A/C primer (forward) 5'-TGGAAGATGATCCCTTGCTGA-3', (reverse) 5'-GCATGGCCACTTCTTCCCA-3'; Bcl-2 primers (forward) 5'- CTGCACCTGACGCCCTTCAC-3'' and (reverse) 5''- CACATGACCCC-ACCGAACTCAAAGA-3'',; GAPDH primer (forward) 5' AACGGGAAGCTTGTCATCAATGGAAA-3', (reverse) 5'-GCATCAGCAGAGGGGGCAGA-3'.

1.6. 유세포 분석기를 통합 세포 내 이입 및 유전자 발현 실험1.6. Endocytosis and gene expression experiments incorporating flow cytometry

세포 내 유전자 전달 및 발현 양상을 분석하기 위해 트랜스팩션 후 24시간 뒤에 형광 분포를 관찰하였다. 24웰 플레이트의 각 웰 당 5만 개의 CHO 세포를 배양하였고, 500ng핵산과 지질 나노입자를 15분 간 결합시켜 준 후 트랜스팩션을 해 주었다. 트랜스팩션을 마친 세포는 Trpsin-EDTA를 사용하여 분리하였고, PBS를 통하여 2번의 워싱 과정을 거친 후 1% 포름 알데히드 용액에 현탁하여 분석하였다.To analyze intracellular gene transfer and expression patterns, fluorescence distribution was observed 24 hours after transfection. 50,000 CHO cells were cultured per well of a 24-well plate, and 500ng nucleic acid and lipid nanoparticles were combined for 15 minutes before transfection. The transfected cells were separated using Trpsin-EDTA, washed twice with PBS, and then suspended in 1% formaldehyde solution for analysis.

유세포 분석기(CytoFlex, Beckman, Germany)를 이용하여 1만 개의 세포를 분석하였으며 제조사 제공 프로그램을 통하여 결과 값을 히스토그램으로 나타내었다.Ten thousand cells were analyzed using a flow cytometer (CytoFlex, Beckman, Germany), and the results were displayed as a histogram using a program provided by the manufacturer.

세포 내 이입을 관찰하기 위해 형광 지질 나노입자를 1%의 로다민-B를 섞어 제조하였으며, 트랜스팩션 후 1시간 뒤에 형광 분포를 관찰하였다.To observe intracellular transfection, fluorescent lipid nanoparticles were prepared by mixing 1% rhodamine-B, and fluorescence distribution was observed 1 hour after transfection.

1.7. 통계분석처리1.7. Statistical analysis processing

모든 그래프 및 통계 처리는 Graph pad prism 7을 이용하여 one way-ANOVA로 수행하였으며, 3회 반복 실험의 평균값±표준편차 값으로 표기 하였다. 통계 분석 결과 P 값에 따라 *의 개수로 통계적 유의함을 표기하였다.All graphs and statistical processing were performed using one way-ANOVA using Graph pad prism 7, and were expressed as the average value ± standard deviation of three repeated experiments. As a result of statistical analysis, statistical significance was indicated by the number of * according to the P value.

<실시예 1><Example 1>

콜레스테롤은 생체막을 이루고 있는 기본 구성 성분으로써 생체 적합성이 우수하며 최근 각광받고 있는 mRNA 전달용 LNP 구조의 필수 성분이다. 나노 입자 구성에 콜레스테롤의 비율이 올라갈수록 입자의 단단한 정도가 올라가게 되며, 이에 따라 지질 나노입자의 내부물질 방출 효율은 감소하지만 입자의 안정성은 증가한다. Cholesterol is a basic component of biological membranes, has excellent biocompatibility, and is an essential component of the LNP structure for mRNA delivery, which has recently been in the spotlight. As the proportion of cholesterol in the nanoparticle composition increases, the hardness of the particle increases. Accordingly, the efficiency of internal substance release from lipid nanoparticles decreases, but the stability of the particle increases.

즉, 나노 입자를 구성함에 있어서 적절한 콜레스테롤의 비율은 매우 중요하며 이것은 입자의 물리 화학적 특성뿐 아니라 생물학적 활성에도 영향을 미친다. 이러한 장점 외에도 세포 내 콜레스테롤의 증가는 유전자 발현 효율을 개선한다는 최근 연구 결과가 있다.In other words, the appropriate cholesterol ratio is very important in composing nanoparticles, and this affects not only the physical and chemical properties of the particles but also their biological activity. In addition to these advantages, recent research has shown that increasing intracellular cholesterol improves gene expression efficiency.

한편, 콜레스테롤을 식물성 스테롤인 시토스테롤로 대체하였을 때 mRNA 전달 효율에 증가에 대한 보고가 있다. 해당 문헌에 따르면 시토스테롤로 형성한 지질 나노입자는 기존의 구형의 형태에서 일부 다각형의 형태가 관찰이 되며, 세포와 접촉 면적의 증가에 따른 유전자 전달을 향상시킨다고 한다.Meanwhile, there are reports of an increase in mRNA delivery efficiency when cholesterol is replaced with sitosterol, a plant sterol. According to the literature, lipid nanoparticles formed from sitosterol are observed to have a polygonal shape instead of the existing spherical shape, and are said to improve gene transfer by increasing the contact area with cells.

기 개발단계에서 화학식 1의 유도체는 콜레스테롤을 이용해 제작하였으며 인지질과 섞지 않고 단독으로 유전자 전달에 우수성을 보여주었다. 화학식 2의 유도체는 시토스테롤을 항암제에 직접 컨쥬게이션 시켜서 머무름 시간을 늘리는 용도로 사용함으로써 약물 전달의 효율을 향상시켰다.In the initial development stage, the derivative of Chemical Formula 1 was produced using cholesterol and showed excellence in gene transfer alone without mixing with phospholipids. The derivative of Formula 2 improved the efficiency of drug delivery by directly conjugating sitosterol to an anticancer drug and using it to increase retention time.

하지만 화학식 1의 유도체만을 이용한 유전자 전달체는 전달 능력에 한계를 보여 주었고 이것을 해결하기 위해 화학식 2의 유도체를 융합하여 5종의 지질 나노 입자를 신규하게 형성하였다. However, the gene delivery vehicle using only the derivative of Formula 1 showed limitations in delivery ability. To solve this, five types of lipid nanoparticles were newly formed by fusing the derivatives of Formula 2.

전체적으로 양이온성 지질 총합과 인지질(DOPE)의 비율은 5:1의 몰비가 되도록 구성하였으며, 각 양이온성 지질의 역할을 분석하기 위해 화학식 1의 유도체: 화학식 2의 유도체: 인지질의 몰 혼합 비율을 각각 5:0:1(ED), 4:1:1, 2.5:2.5:1 (BES 2), 1:4:1, 0:5:1(SD)로 세부적으로 분류하였다. Overall, the ratio of total cationic lipids and phospholipids (DOPE) was set to a molar ratio of 5:1, and to analyze the role of each cationic lipid, the molar mixing ratio of derivative of Formula 1: derivative of Formula 2: phospholipid was used, respectively. It was classified in detail as 5:0:1 (ED), 4:1:1, 2.5:2.5:1 (BES 2), 1:4:1, and 0:5:1 (SD).

5종의 입자들의 물리화학적 특성 평가를 위하여 DLS장비 분석을 해보면 ED와 SD에 비해서 입자가 약 30nm 커진 것으로 측정되었으며 PDI 값은 모두 0.2 이하로 비교적 균일하게 제작이 된 것을 알 수 있었다. (도 1 참조)When analyzing the physicochemical properties of the five types of particles using DLS equipment, the particles were measured to be approximately 30 nm larger than ED and SD, and the PDI values were all below 0.2, indicating that they were produced relatively uniformly. (see Figure 1)

다음으로 지질 나노입자의 유전자 전달 능력을 평가하기 위해 CHO, HeLa, A549 세포에 eGFP 플라스미드 DNA를 트랜스팩션 시켰으며, 24 시간 후 형광 값 측정을 위해 각 웰의 세포를 용해시켜 측정하였다. 화학식 1의 유도체 및 화학식 2의 유도체를 다양한 몰 비로 형성한 지질 나노 입자는 대부분 비슷한 효율의 유전자 발현 능력을 보였지만 특히 BES 2 그룹에서는 시너지 효과가 있는 것으로 나타났다. (도 2 참조)Next, to evaluate the gene delivery ability of the lipid nanoparticles, eGFP plasmid DNA was transfected into CHO, HeLa, and A549 cells, and after 24 hours, the cells in each well were lysed to measure the fluorescence value. Most lipid nanoparticles formed of the derivatives of Formula 1 and the derivative of Formula 2 at various molar ratios showed similar efficiency in gene expression, but in particular, the BES 2 group showed a synergistic effect. (see Figure 2)

상기의 시너지 효과는 각 유도체의 구조의 차이로 인한 것으로 보인다. 일반적으로 가지 구조를 가지는 ISO- 타입의 분자가 일반 분자보다 끓는점과 같은 물리 화학적 특성이 낮게 측정이 되는데 이것은 입체 구조적 장애로 인한 것이다. The above synergistic effect appears to be due to differences in the structures of each derivative. In general, ISO-type molecules with a branched structure have lower physical and chemical properties, such as boiling point, than regular molecules, but this is due to three-dimensional structural disorder.

본 발명에서 사용한 지질인 콜레스테롤 유도체와 시토스테롤 유도체는 구조적 차이가 있으며, 특히 시토스테롤에 있는 가지 구조가 지질 나노입자 형성에 장애를 주게 되어 지질 막의 유동성을 늘리는 것으로 판단된다. The lipids used in the present invention, cholesterol derivatives and sitosterol derivatives, have structural differences. In particular, the branched structure of sitosterol is believed to impede the formation of lipid nanoparticles and increase the fluidity of the lipid membrane.

이 후 실험은 각각의 ED, SD, BES 2 3종을 중심으로 실험을 수행하였다.After this, the experiment was conducted focusing on the three types of ED, SD, and BES 2.

<실시예 2> 지질 나노 입자의 siRNA 유전자 전달능력 평가<Example 2> Evaluation of siRNA gene delivery ability of lipid nanoparticles

BES 2의 siRNA 서열 전달 및 발현 효과를 확인하기 위해 Lamin A/C 유전자의 발현을 방해 하는 siRNA를 난소암 세포인 KB 세포주와 유방암 세포주인 MCF 7 세포주에 처리를 하였다. To confirm the effect of siRNA sequence delivery and expression of BES 2, siRNA that interferes with the expression of the Lamin A/C gene was treated with ovarian cancer cell line KB cell line and breast cancer cell line MCF 7 cell line.

Lamin A/C는 GAPDH와 마찬가지로 양성 대조군으로 많이 사용되는 하우스 키핑 유전자로써, 세포 내 핵막을 유지하는데 필요한 필수 유전자이다. 제조한 양이온성 지질 나노입자는 해당 구성 성분의 비율에 따라 다른 효율을 보여 주었으며, 화학식 1의 유도체와 화학식 2의 유도체를 동등한 비율로 포함하고 있는 BES 2에서 가장 좋은 효율을 보여 주었다. (도 3 참조) 특히 BES 2는 현재 시판되는 경쟁 시약보다 뛰어난 결과를 보여주었으며 이것은 플라스미드 DNA 트랜스팩션 결과와 유사한 경향성을 띄고 있었다. Lamin A/C, like GAPDH, is a housekeeping gene often used as a positive control and is an essential gene required to maintain the nuclear membrane within cells. The prepared cationic lipid nanoparticles showed different efficiencies depending on the ratio of the corresponding components, and BES 2, which contains the derivative of Formula 1 and the derivative of Formula 2 in equal proportions, showed the best efficiency. (See Figure 3) In particular, BES 2 showed superior results than competing reagents currently available on the market, and this trend was similar to that of plasmid DNA transfection results.

추가적으로 암세포가 생존하는데 필수 유전자인 Bcl-2를 억제하는 siRNA를 트랜스팩션 해보았을 때, 마찬가지로 BES 2가 가장 뛰어난 결과를 보여 주었다. Bcl-2가 억제된 암세포를 실험 과정 중 관찰하였을 때 음성 대조군이나 양성 대조군은 정상적이지만, 실험군은 세포의 형태가 변하며 생존을 더 이상 하지 못하고 사멸 단계로 들어가는 것을 확인 하였다. Additionally, when transfecting siRNA that suppresses Bcl-2, an essential gene for cancer cell survival, BES 2 showed the best results. When cancer cells with Bcl-2 suppressed were observed during the experiment, it was confirmed that the negative and positive control groups were normal, but the cell shape of the experimental group changed and they were no longer able to survive and entered the death stage.

이는 본 발명의 유전자 전달체가 암세포 생존에 관여하는 유전자를 억제하거나 암세포 사멸에 필요한 유전자를 지속적으로 전달함으로써 암 치료 효과를 보일 수 있음이 확인되었고, 유전자 치료를 위한 운반체 후보군으로써 사용 가능함을 밝혔다.This confirmed that the gene carrier of the present invention can exhibit cancer treatment effects by suppressing genes involved in cancer cell survival or continuously delivering genes necessary for cancer cell death, and that it can be used as a carrier candidate for gene therapy.

<실시예 3> 지질 나노입자 관찰과 세포 내 이입 확인<Example 3> Observation of lipid nanoparticles and confirmation of intracellular transfection

화학식 1의 유도체와 화학식 2의 유도체가 융합된 다음 전달체의 형태가 바뀌는지를 확인하기 위하여 전자 현미경으로 관찰을 하였다. ED만 사용하여 제작한 샘플은 2중층을 가지는 막의 형태로 보였으며, SD 만 사용한 샘플은 구형의 입자안에 작은 구형이 더 들어가있는 다낭성의 형태를 보여 주었다. After the derivative of Formula 1 and the derivative of Formula 2 were fused, they were observed using an electron microscope to check whether the shape of the carrier changed. The sample produced using only ED appeared to be in the form of a double-layered membrane, while the sample produced using only SD showed a multicystic form with additional small spheres inside spherical particles.

BES 2는 ED 사용 샘플과 비슷한 형태를 보여주었으며 인지질 이중층을 이루고 있는 리포좀의 형태를 확인하였다. (도 4 참조) 나노 입자의 형태는 기존에 사용하던 화학식 1의 유도체와 유사하지만 전달 효율에서 크게 개선 되는 효과를 보여 주었으므로 해당 결과를 증빙하기 위하여 추가 실험을 수행 하였다.BES 2 showed a similar shape to the ED used sample and confirmed the shape of the liposome forming a phospholipid bilayer. (See Figure 4) The shape of the nanoparticles is similar to the previously used derivative of Chemical Formula 1, but it showed a significant improvement in delivery efficiency, so additional experiments were performed to prove the results.

나노 입자의 세포 내 이입을 조사하기 위하여 각 입자에 형광 지질을 넣어서 처리 후 세포내 형광을 분석 하였다. ED와 SD는 세포 내 이입에서 서로 다른 양상을 보여 주었는데, 화학식 1의 유도체만을 단독으로 사용하는 ED는 세포 내로 이입된 지질 나노입자는 많았지만 강한 형광을 보이는 세포 수가 적었다. 즉, 세포 내로 전달은 우수하지만 각 세포 당 이입된 지질 나노입자의 수에서 한계를 보였다. To investigate the endocytosis of nanoparticles, fluorescent lipids were added to each particle and intracellular fluorescence was analyzed after treatment. ED and SD showed different aspects of intracellular transfection. ED, which used only the derivative of Formula 1, had many lipid nanoparticles transfected into cells, but the number of cells showing strong fluorescence was small. In other words, although delivery into cells was excellent, there was a limit to the number of lipid nanoparticles transfected per cell.

반면 화학식 2의 유도체를 사용하는 SD의 히스토그램은 ED 처리 샘플보다 오른쪽으로 옮겨진 것으로 보아 세포 당 이입된 지질 나노입자는 다수이지만 이러한 결과를 보이는 세포 숫자가 적었다. On the other hand, the histogram of SD using the derivative of Formula 2 was shifted to the right compared to the ED-treated sample, indicating that although there were many lipid nanoparticles transfected per cell, the number of cells showing this result was small.

BES 2 같은 경우, 세포 내에 다수의 지질 나노입자가 이입되어있는 비율이 훨씬 높으며, 각 세포들이 보여주는 형광이 강한것으로 보아 세포당 지질 나노입자 역시 다수 인 것을 알 수 있었다. (도 5(a)참조). In the case of BES 2, the rate of incorporation of multiple lipid nanoparticles into cells was much higher, and the strong fluorescence shown by each cell showed that there were also multiple lipid nanoparticles per cell. (See Figure 5(a)).

지질 나노입자의 이입 패턴에 이어 단백질 발현 양상을 조사하기 위해 eGFP 형광 유전자를 트랜스 팩션하여 유세포 분석기로 분석하였다. ED와 SD는 컨트롤과 비슷한 형광의 강도를 보여주었으며, 형광이 발현된 세포의 비율이 절대적으로 낮았다. To investigate protein expression patterns following the transfection pattern of lipid nanoparticles, eGFP fluorescent gene was transfected and analyzed by flow cytometry. ED and SD showed similar fluorescence intensity as the control, and the proportion of cells expressing fluorescence was absolutely low.

반면, BES 2를 처리한 실험군은 100배 이상 강한 형광 세기를 보여주었고 발현된 세포의 비율도 상당 수 늘어났다. (도 5(b) 참조) 이는 도 2의 결과와 유사한 경향성을 보여 주는 것으로 보아, 비약적으로 상승된 유전자 발현 능력을 세포 내 이입 양상과 관계가 있음을 알 수 있었다.On the other hand, the experimental group treated with BES 2 showed a fluorescence intensity that was more than 100 times stronger, and the proportion of expressed cells also increased significantly. (See Figure 5(b)) This shows a similar tendency to the results in Figure 2, indicating that the dramatically increased gene expression ability is related to the pattern of intracellular transfection.

결론적으로 BES 2는 다수의 세포에서 다수의 이입된 지질 나노 입자가 분석되었으며, 가지 구조를 지닌 화학식 2로 인해 증가된 막 구조의 유동성으로 내부 물질 방출에 도움을 주었을 것으로 예상된다. 이러한 결과는 두 유도체 사이 특정 비율에서만 발동하는 것을 확인하였다.In conclusion, BES 2 analyzed a large number of imported lipid nanoparticles in a large number of cells, and it is expected that the increased fluidity of the membrane structure due to the branched structure of Formula 2 helped release internal substances. These results confirmed that it only works at a certain ratio between the two derivatives.

따라서 BES 2는 기존의 유도체 각각에 대비해 뛰어난 플라스미드 DNA(pDNA) 및 siRNA 전달 능력을 보여 주었으며, 그 효과는 특정 비율에서만 나타나는 것으로 밝혀졌다. 각기 다른 용도로 개발된 지질 유도체를 함께 사용함으로써 기존의 전달체보다 더 효과적인 것을 확인하였으며, 특히 유세포 분석기를 통해 분석해 본 결과 특정 비율로 조합한 샘플에서만 단 시간에 세포 내 이입이 증가하였고 유전자 발현에 도움이 되는 것으로 확인되었다.Therefore, BES 2 showed superior plasmid DNA (pDNA) and siRNA delivery capabilities compared to each of the existing derivatives, and its effect was found to occur only at a certain ratio. By using lipid derivatives developed for different purposes together, it was confirmed to be more effective than existing delivery vehicles. In particular, when analyzed using a flow cytometer, intracellular transfection increased in a short period of time only in samples combined at a specific ratio, helping with gene expression. It was confirmed that this was the case.

<실시예 4> 지질 나노입자의 투여<Example 4> Administration of lipid nanoparticles

본 발명의 지질 나노입자(예를 들어, LNP)는 단독으로 또는 투여 경로 및 표준 제약 실시에 따라 선택된 약제학적으로 허용되는 담체(예를 들어, 생리 식염수 또는 포스페이트 버퍼)와의 혼합물로 투여될 수 있다. 일반적으로, 일반 완충 식염수(예를 들어, 135-150 mM NaCl)가 약제학적으로 허용되는 담체로서 사용될 것이다. Lipid nanoparticles (e.g., LNPs) of the invention may be administered alone or in mixture with a pharmaceutically acceptable carrier (e.g., physiological saline or phosphate buffer) selected according to the route of administration and standard pharmaceutical practice. . Typically, normal buffered saline (e.g., 135-150 mM NaCl) will be used as a pharmaceutically acceptable carrier.

또다른 담체로는, 물, 완충수, 0.4% 식염수, 0.3% 글리신 등이 사용될 수 있으며 알부민, 지질단백질, 글로불린 등과 같은 안정성을 위한 당단백질을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용된 "담체"는 임의의 모든 용매, 분산 매질, 비히클, 코팅, 희석제, 항균제 및 항진균제, 등장화제 및 흡수 지연제, 버퍼, 담체 용액, 현탁액, 콜로이드 등을 포함한다. 어구 "약제학적으로 허용되는"은 인간에게 투여될 때 알러지 또는 유사한 부반응을 일으키지 않는 분자 실체 및 조성물을 지칭한다.As another carrier, water, buffered water, 0.4% saline, 0.3% glycine, etc. may be used and may include glycoproteins for stability such as albumin, lipoprotein, globulin, etc. As used herein, “carrier” includes any and all solvents, dispersion media, vehicles, coatings, diluents, antibacterial and antifungal agents, isotonic and absorption retarding agents, buffers, carrier solutions, suspensions, colloids, etc. The phrase “pharmaceutically acceptable” refers to molecular entities and compositions that do not cause allergic or similar side effects when administered to humans.

지금까지의 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 통상의 기술자라면 상기 설명을 통해 발명을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하여 결정되어야 하는 것이 아니라, 청구범위를 참조하여, 그러한 청구항이 권리를 부여하는 균등물의 완전한 범위와 함께 결정되어야 한다. The description so far is illustrative rather than restrictive, and a person skilled in the art will be able to clearly understand the invention through the above description. Therefore, the scope of the invention should be determined not with reference to the foregoing description, but rather with reference to the claims, together with the full scope of equivalents to which such claims are entitled.

Claims (7)

핵산 전달용 지질 나노입자로서,
(ⅰ) 화학식 1로 표시되는 양이온성 콜레스테롤 유도체 A, (ⅱ) 화학식 2로 표시되는 양이온성 시토스테롤 유도체 B 및 (ⅲ) 인지질을 일정 비율로 혼합하여 제조되고,
상기 지질 나노입자 내의 유도체 A: 유도체 B: 인지질의 몰 혼합비율은 2~3: 2~3: 0.5~1 인 것을 특징으로 하는
핵산 전달용 지질 나노입자.
[화학식 1]

[화학식 2]
Lipid nanoparticles for nucleic acid delivery,
It is prepared by mixing (i) cationic cholesterol derivative A represented by Formula 1, (ii) cationic sitosterol derivative B represented by Formula 2, and (iii) phospholipids in a certain ratio,
The molar mixing ratio of derivative A: derivative B: phospholipid in the lipid nanoparticle is 2-3: 2-3: 0.5-1.
Lipid nanoparticles for nucleic acid delivery.
[Formula 1]

[Formula 2]
제1항에 있어서,
상기 핵산은 pDNA 또는 siRNA인 것을 특징으로 하는
핵산 전달용 지질 나노입자.
According to paragraph 1,
The nucleic acid is pDNA or siRNA.
Lipid nanoparticles for nucleic acid delivery.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 인지질은 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine(DOPE)인 것을 특징으로 하는
핵산 전달용 지질 나노입자.
According to paragraph 1,
The phospholipid is 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine (DOPE).
Lipid nanoparticles for nucleic acid delivery.
제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항의 지질 나노입자 및 약제학적으로 허용되는 담체를 포함하는 약제학적 조성물.A pharmaceutical composition comprising the lipid nanoparticle of any one of claims 1, 2, or 4 and a pharmaceutically acceptable carrier. 제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항의 지질 나노입자와 인간을 제외한 세포를 접촉시키는 단계를 포함하는 인간을 제외한 세포내로 핵산을 전달하는 방법.A method of delivering a nucleic acid into a non-human cell, comprising contacting the lipid nanoparticle of any one of claims 1, 2, or 4 with the non-human cell. 삭제delete
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