KR20230073035A - Janus cells asymmetrically coated with metal-organic framework nanoparticles encapsulated with active substances and uses thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자가 비대칭적으로 코팅된 야누스 세포 및 이의 용도에 관한 것으로, 일반적인 살아있는 세포의 생물학적 및 구조적 특징을 유지함으로써 미세환경에 대한 세포의 고유한 결합 능력을 보존하면서, 세포독성 약물의 내재화가 방지된, 신규 야누스 구조의 세포 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한, 상기 신규 야누스 구조의 세포를 포함하는 약학 조성물을 제공한다.The present invention relates to a Janus cell asymmetrically coated with metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material and its use, which maintains the biological and structural characteristics of a typical living cell, thereby maintaining the cell's unique binding to the microenvironment. Provided are cells having a novel Janus structure in which internalization of a cytotoxic drug is prevented while preserving the ability, and a method for producing the same. In addition, a pharmaceutical composition comprising the cell having the novel Janus structure is provided.
나노기술은 암 치료를 강화하기 위해 다양한 약물의 효능을 향상시키는 유망한 전략을 제공한다. 그 중 금속 이온과 유기 리간드의 자가 조립을 통해 개발된 하이브리드 재료의 일종인 나노 규모의 금속-유기 프레임워크 (Nanoscale metal-organic frameworks, MOFs)가 종양 조직에 치료 약물의 효과적인 전달을 위한 플랫폼으로서 등장하였다. 다른 전통적인 다공성 물질과 비교하여 MOF는 약물 및 생물학적 거대분자 (DNA 및 단백질)의 높은 로딩 효율, 조정 가능하고 설계 가능한 기능, 자극-반응 분해성 및 생체 적합성과 같은 여러 가지 분명한 이점을 가지고 있다. 이러한 고유한 특성으로 인해 MOF 기반 약물 전달 시스템 (MOF-based drug delivery system , DDS)은 암 치료를 위한 전례 없는 기회를 보여주었다 [Liang, K, et al. "Biomimetic Mineralization of Metal-Organic Frameworks as Protective Coatings for Biomacromolecules." Nat. Commun. 2015, 6, No. 7240.; Liang, Kang, et al. "Enzyme Encapsulation in Zeolitic Imidazolate Frameworks: A Comparison Between Controlled Co-precipitation and Biomimetic Mineralization." Chem. Commun. 2016, 52, 473-476.; Poddar, Arpita, et al. "Encapsulation, Visualization and Expression of Genes with Biomimetically Mineralized Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8)." Small 2019, 15, No. 1902268.]. 그러나, MOF 기반 DDS의 적용은 짧은 생체 내 (in vivo) 순환 시간과 빠른 식세포 제거로 인해 제한된다 [Rosenblum, Daniel, et al. "Progress and Challenges Towards Targeted Delivery of Cancer Therapeutics." Nat. Commun. 2018, 9, No. 1410.]. 최근 몇 년 동안 세포의 외부 표면에 연결된 약물이 함유된 나노입자를 운반하는 살아있는 순환 세포를 기반으로 하는 새로운 약물 전달 시스템의 개발에 상당한 노력을 기울이고 있다. 향상된 이동성 및 긴 순환 수명과 같은 순환 세포에서 발생하는 많은 매력적이고 독특한 특징으로 인해, 새로운 세포 매개 약물 전달 시스템 (cell-mediated drug delivery systems, c-DDS)은 향상된 약물 운반 및 제어된 약물 방출을 입증하였다 [Rosenblum, Daniel, et al. "Progress and Challenges Towards Targeted Delivery of Cancer Therapeutics." Nat. Commun. 2018, 9, No. 1410.; Agrahari, V., Agrahari, V., Mitra, A. K. "Next Generation Drug Delivery: Circulatory Cells-Mediated Nanotherapeutic Approaches."Expert Opin. Drug Delivery 2017, 14, 285-289.]. 예를 들어, Mitragotri의 그룹은 혈액 내 나노입자의 저항 시간을 연장하기 위한 운반체로 적혈구 (RBC)의 사용을 입증하였다 [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non-covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled Release 2004, 100, 111-119.; Chambers, E., Mitragotri, S. "Long Circulating Nanoparticles via Adhesion on Red Blood Cells: Mechanism and Extended Circulation." Exp. Biol. Med. 2007, 232, 958-966.]. 문헌 [Stephan, Matthias T., et al., "Therapeutic Cell Engineering with Surface-conjugated Synthetic Nanoparticles." Nat. Med. 2010, 16, 1035-1041.]에서는 치료 T 세포 및 줄기 세포에 약물 함유 나노입자를 공유결합으로 부착하여 T 세포를 활성화하고 생체 내 (in vivo) 줄기 세포 개체군을 증가시킨다.Nanotechnology offers a promising strategy to improve the efficacy of various drugs to enhance cancer treatment. Among them, nanoscale metal-organic frameworks (MOFs), a type of hybrid material developed through self-assembly of metal ions and organic ligands, have emerged as a platform for the effective delivery of therapeutic drugs to tumor tissues. did Compared with other traditional porous materials, MOFs have several clear advantages, such as high loading efficiency of drugs and biological macromolecules (DNA and proteins), tunable and designable functions, stimuli-responsive degradability and biocompatibility. Due to these unique properties, the MOF-based drug delivery system (DDS) has presented an unprecedented opportunity for cancer treatment [Liang, K, et al. "Biomimetic Mineralization of Metal-Organic Frameworks as Protective Coatings for Biomacromolecules." Nat. Commun. 2015, 6, no. 7240.; Liang, Kang, et al. "Enzyme Encapsulation in Zeolitic Imidazolate Frameworks: A Comparison Between Controlled Co-precipitation and Biomimetic Mineralization." Chem. Commun. 2016, 52, 473-476.; Poddar, Arpita, et al. "Encapsulation, Visualization and Expression of Genes with Biomimetically Mineralized Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8)." Small 2019, 15, No. 1902268.]. However, the application of MOF-based DDS is limited due to its short in vivo cycle time and rapid phagocytic clearance [Rosenblum, Daniel, et al. "Progress and Challenges Towards Targeted Delivery of Cancer Therapeutics." Nat. Commun. 2018, 9, no. 1410.]. In recent years, significant efforts have been devoted to the development of novel drug delivery systems based on living circulating cells that deliver drug-laden nanoparticles linked to the cell's outer surface. Due to the many attractive and unique features that arise from circulating cells, such as enhanced mobility and long cycle life, novel cell-mediated drug delivery systems (c-DDS) demonstrate improved drug delivery and controlled drug release. [Rosenblum, Daniel, et al. "Progress and Challenges Towards Targeted Delivery of Cancer Therapeutics." Nat. Commun. 2018, 9, no. 1410.; Agrahari, V., Agrahari, V., Mitra, AK “Next Generation Drug Delivery: Circulatory Cells-Mediated Nanotherapeutic Approaches.” Expert Opin. Drug Delivery 2017, 14, 285-289.]. For example, Mitragotri's group demonstrated the use of red blood cells (RBCs) as a carrier to prolong the resistance time of nanoparticles in the blood [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non- covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled
이러한 시스템은 세포의 고유한 특성과 향상된 약물 로딩 및 제어된 약물 방출을 위한 나노입자의 기능의 이점을 모두 이용하지만, 이러한 기존 방법은 여전히 두 가지 주요 제한 사항을 가지고 있다. 첫째, 나노입자와 세포막 사이의 상호작용은 나노입자 축적을 야기하며 포식작용 또는 미세음세포작용에 의해 내재화로 이어진다 [Fleischer, C. C., Payne, C. K. "Nanoparticle-Cell Interactions: Molecular Structure of the Protein Corona and Cellular Outcomes." Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2651-2659.18]. 포유동물 세포의 이러한 자연적 흡수 메커니즘은 세포 독성이 높은 약물이 표적 조직에 도달하기 전에 세포 죽음을 유도할 수 있기 때문에 순환 세포에 의해 운반될 수 있는 치료제의 종류를 제한한다 [Verma, A., Stellacci, F. "Effect of Surface Properties on Nanoparticle-Cell Interactions." Small 2010, 6, 12-21.; Nel, Andre E., et al., "Understanding Biophysicochemical Interactions at the Nano-bio Interface." Nat. Mater. 2009, 8, 543-557.]. 내재화 문제를 극복하기 위해, 세포 백팩 (backpack), 즉, 수백 나노미터 두께의 마이크로 규모 패치가 제안되었다 [Shields, C. Wyatt, et al., "Cellular Backpacks for Macrophage Immunotherapy." Sci. Adv. 2020, 6, No. eaaz6579.; Klyachko, Natalia L., et al., "Macrophages with Cellular backpacks for Targeted Drug Delivery to the Brain." Biomaterials 2017, 140, 79-87.; Xia, Junfei, et al., "Asymmetric Biodegradable Microdevices for Cell-Borne Drug Delivery." ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6293-6299.]. 마이크로 크기로 인해 세포 백팩은 운반체 세포에 의해 삼켜지지 않는다. 그러나, 제조에는 비용과 시간이 많이 소요되는 LbL (Layer-by-Layer) 공정이 포함되지만, 세포에 부착할 수 있는 약물이 실린 "백팩"의 양은 제한적이다. 둘째, 보고된 바와 같은 세포 매개 약물 전달 시스템은 대부분 세포의 전체 표면에 약물을 함유한 나노 입자를 무작위로 코팅하여 약물 로딩 용량을 최대화하도록 설계되었다 [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non-covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled Release 2004, 100, 111-119.; Chambers, E., Mitragotri, S. "Long Circulating Nanoparticles via Adhesion on Red Blood Cells: Mechanism and Extended Circulation." Exp. Biol. Med. 2007, 232, 958-966.]. 나노입자 층을 이용한 이러한 완전하고 비특이적인 세포 표면 차단은 세포가 미세환경과 물리적으로 상호 작용하는 것을 방지하여 세포가 표적과 결합하는 것을 방해할 수 있다.Although these systems take advantage of both the unique properties of cells and the ability of nanoparticles for enhanced drug loading and controlled drug release, these existing methods still have two major limitations. First, interactions between nanoparticles and cell membranes lead to nanoparticle accumulation and lead to internalization by phagocytosis or micropinocytosis [Fleischer, C. C., Payne, C. K. “Nanoparticle-Cell Interactions: Molecular Structure of the Protein Corona and Cellular Outcomes." Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2651-2659.18]. This natural uptake mechanism of mammalian cells limits the types of therapeutic agents that can be delivered by circulating cells because highly cytotoxic drugs can induce cell death before reaching the target tissue [Verma, A., Stellacci , F. "Effect of Surface Properties on Nanoparticle-Cell Interactions." Small 2010, 6, 12-21.; Nel, Andre E., et al., "Understanding Biophysicochemical Interactions at the Nano-bio Interface." Nat. Mater. 2009, 8, 543-557.]. To overcome the internalization problem, cellular backpacks, i.e., microscale patches hundreds of nanometers thick, have been proposed [Shields, C. Wyatt, et al., "Cellular Backpacks for Macrophage Immunotherapy." Sci. Adv. 2020, 6, No. eaaz6579.; Klyachko, Natalia L., et al., "Macrophages with Cellular backpacks for Targeted Drug Delivery to the Brain." Biomaterials 2017, 140, 79-87.; Xia, Junfei, et al., "Asymmetric Biodegradable Microdevices for Cell-Borne Drug Delivery." ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6293-6299.]. Due to their microscopic size, the cell backpack is not swallowed by the carrier cells. However, manufacturing involves a costly and time-consuming layer-by-layer (LbL) process, which limits the amount of drug-laden "backpacks" that can adhere to cells. Second, most of the reported cell-mediated drug delivery systems are designed to maximize the drug loading capacity by randomly coating the entire surface of cells with drug-containing nanoparticles [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non-covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled
이러한 배경 하에, 본 발명자들은 나노입자 내재화 및 세포-미세환경 결합 문제를 해결하는 MOF-코팅 야누스 운반체 세포라는 새로운 c-DDS 시스템을 개발하였다.Under this background, the present inventors have developed a new c-DDS system called MOF-coated Janus carrier cells that solves the problem of nanoparticle internalization and cell-microenvironment binding.
따라서, 본 발명의 목적은 활성물질이 캡슐화된 약물 금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework) 나노입자로 표면의 일부가 비대칭적으로 코팅된 야누스 세포를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a Janus cell in which a part of the surface is asymmetrically coated with drug metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material.
본 발명의 다른 목적은 전술한 야누스 세포를 포함하는 약학 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition comprising the aforementioned Janus cells.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 야누스 세포의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the above-described Janus cells.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework) 나노입자가 탄닌산 (Tannic acid)에 의해 세포 표면의 일부에 비대칭적으로 코팅된 야누스 세포를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a Janus cell in which metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material are asymmetrically coated on a part of the cell surface by tannic acid. to provide.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속-유기 프레임워크는 ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8; 2-methylimidazole, zinc salt)일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the metal-organic framework may be zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8; 2-methylimidazole, zinc salt).
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 ZIF-8의 아연은 탄닌산과 배위 결합을 형성하여 ZIF-8 나노입자 간의 결합을 유도할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the zinc of the ZIF-8 forms a coordination bond with tannic acid to induce binding between the ZIF-8 nanoparticles.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속-유기 프레임워크 나노입자는 세포 표면 전체의 30 내지 80%에 코팅될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the metal-organic framework nanoparticles may be coated on 30 to 80% of the entire cell surface.
본 발명의 바람직한한 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속- 유기 프레임워크 나노입자는 1종 또는 2종 이상의 서로 다른 활성물질을 캡슐화할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the metal-organic framework nanoparticles may encapsulate one or two or more different active materials.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 캡슐화된 활성물질은 화합물, DNA, 단백질, 펩타이드, 항암제, 형광입자, 지질 및 세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the encapsulated active material may be at least one selected from the group consisting of compounds, DNA, proteins, peptides, anticancer agents, fluorescent particles, lipids and cells.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 야누스 세포의 종류는 혈액 순환 종양 세포, 면역세포, 적혈구 및 줄기세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the type of Janus cells may be at least one selected from the group consisting of circulating tumor cells, immune cells, red blood cells, and stem cells.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 야누스 세포는 상기 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크의 내재화가 방지되고, 미세환경에 대한 결합 능력이 보존되는 특성을 가질 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the Janus cell may have characteristics in which the internalization of the metal-organic framework encapsulating the active material is prevented and the ability to bind to the microenvironment is preserved.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 야누스 세포는 산성 환경에서 캡슐화된 활성물질을 방출할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the Janus cells can release the encapsulated active substance in an acidic environment.
본 발명은 또한, 프로테이나제 K (Proteinase K)가 캡슐화된 ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8; 2-methylimidazole, zinc salt) 나노입자가 탄닌산에 의해 세포 표면의 일부에 비대칭적으로 코팅된 야누스 세포를 제공한다.The present invention also relates to a method in which zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8; 2-methylimidazole, zinc salt) nanoparticles encapsulated with proteinase K are asymmetrically coated on a portion of the cell surface by tannic acid. Janus cells are provided.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 프로테이나제 K는 0.05 ㎍/mL 내지 2 ㎍/mL의 농도로 캡슐화될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the proteinase K may be encapsulated at a concentration of 0.05 μg/mL to 2 μg/mL.
추가로, 본 발명은 전술한 다양한 형태의 야누스 세포를 포함하는 약학 조성물을 제공한다.Additionally, the present invention provides pharmaceutical compositions comprising the various types of Janus cells described above.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 약학 조성물은 항암용으로 사용될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the pharmaceutical composition can be used for anticancer.
또한, 본 발명은 전술한 다양한 형태의 야누스 세포를 포함하는, 활성물질 전달용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for delivering an active substance comprising the above-described various types of Janus cells.
나아가, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는, 전술한 다양한 형태의 야누스 세포의 제조방법을 제공한다:Furthermore, the present invention provides a method for producing Janus cells of various types described above, comprising the following steps:
a) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자를 제조하는 단계;a) preparing metal-organic framework nanoparticles in which an active material is encapsulated;
b) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자를 용액에 단분산시키는 단계;b) monodispersing metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material in a solution;
c) 상기 플레이트에 부착된 세포에 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자가 단분산된 용액을 첨가하는 단계;c) adding a solution in which metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material are monodispersed to the cells attached to the plate;
d) 상기 c) 단계의 플레이트에 부착된 세포에 탄닌산을 첨가하는 단계;d) adding tannic acid to the cells attached to the plate of step c);
e) 세포에 결합되지 않은 금속-유기 프레임워크 나노입자를 제거하는 단계; 및e) removing metal-organic framework nanoparticles that are not bound to cells; and
f) 트립신을 처리하여 플레이트에 부착된 세포를 분리하는 단계.f) Separating cells adhered to the plate by treating with trypsin.
본 발명에 따른 MOF-코팅 야누스 세포는 일반적인 살아있는 세포의 생물학적 및 구조적 특징을 유지함으로써 미세 환경에 대한 세포의 고유한 결합 능력을 보존하고, 탄닌산의 사용으로 활성물질이 캡슐화된 MOF 나노입자의 내재화가 방지되어 운반체 세포를 세포 독성 약물로부터 보호할 수 있다. 또한, 1종 또는 2종 이상의 서로 다른 활성물질이 캡슐화된 MOF 나노입자를 세포에 비대칭적으로 코팅하여 조합 요법을 포함한 다양한 응용 분야에서 약물 전달을 위한 일반적인 플랫폼으로 활용하는데 매우 유용하다.The MOF-coated Janus cell according to the present invention preserves the cell's unique binding ability to the microenvironment by maintaining the biological and structural characteristics of general living cells, and the use of tannic acid allows the internalization of MOF nanoparticles encapsulated with active substances. can be prevented to protect carrier cells from cytotoxic drugs. In addition, MOF nanoparticles encapsulated with one or two or more different active substances are asymmetrically coated on cells and are very useful as a general platform for drug delivery in various applications including combination therapy.
도 1은 MOF-야누스 세포 기반 약물 전달 시스템의 개발 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 탄닌산 (TA)-유도 ZIF-8 나노입자의 분해를 검증한 결과를 나타낸 것으로, (A-i)와 (A-ii)는 각각 본래의 ZIF-8 (A-i) 및 TA-코팅 ZIF-8 (A-ii)의 고해상도 주사전자현미경 (High-resolution scanning electron microscopy, HRSEM) 사진이고 (스케일 바: 200 nm), (B)는 ZIF-8 및 TA-코팅 ZIF-8의 X선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 스펙트럼이며, (c)는 본래의 ZIF-8 및 TA-코팅 ZIF-8의 N2 흡착 그래프이고, (D)는 본래의 ZIF-8 및 TA-코팅 ZIF-8의 포어 (pore) 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 MDA-MB-231 상에 ZIF-8 및 탄닌산 코팅의 형성을 확인한 결과로, (A)는 MOF 나노입자의 SEM 현미경 사진이고, (B-i) 및 (B-ii)는 각각 본래의 세포 (B-i) 및 MOF와 탄닌산 (TA)으로 코팅된 세포 (B-ii)의 SEM/EDS 현미경 사진이다. MOF 입자 크기 및 형태는 세포 표면에 MOF 코팅 전후에 유지된다. (C)는 본래의 MDA-MB-231 세포, 탄닌산, ZIF-8 NP 및 ZIF-8/TA 코팅 MDA-MB-231 세포의 FT-IR 결과이고, (D)는 TA가 없는 상태에서 본래의 MDA-MB-231 세포 및 MOF 코팅된 MDA-MB-231 세포의 Z-스택 공초점 현미경 이미지이다.
도 4는 MOF-코팅 야누스 세포의 개발 결과를 보여주는 것으로, (A)는 ZIF-8 코팅 유리 부착 세포의 Z-스택 공초점 현미경 이미지이고 (파란색: 세포 핵, 녹색: FITC-표지 ZIF-8, 스캐일 바: 5 μm), (B)는 ZIF-8 나노입자로 코팅된 유리 부착 포유동물 세포의 세포 생존율 어세이 결과이며, (C)의 (I)와 (II)는 각각 본래의 (native) 세포 (I)와 야누스 세포 (II)의 공초점 현미경 사진이고 (스캐일 바: 5 μm), (D)는 FITC-표지 ZIF-8 나노입자를 운반하는 야누스 세포의 유세포 분석 결과이며, (E)는 본래의 세포와 야누스 세포 상에 부착된 MOF 나노입자 패치의 SEM 현미경 사진이다 (바: 1 μm). (B)의 p 값은 t-검정을 사용하여 계산되었다 (***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05).
도 5는 인테그린 매개 세포-미세환경 상호 작용을 나타낸 것으로, (A) 내지 (C)는 순서대로 유리 부착물 본래의 세포 (A), MOF-야누스 세포 (B) 및 ZIF-8로 완전히 코팅된 세포 (C)의 현미경 사진이고, (D)와 (E)는 각각 중성 pH (D) 및 pH 6 (E)에서 1시간 동안 DMEM과 함께 배양된 MOF-야누스 세포의 현미경 사진이다. (F)는 pH 6에서 ZIF-8 나노입자 제거 후 MOF-야누스 세포의 생존을 나타낸다. (G)는 내피 세포 단층을 가로지르는 본래의 MDA-MB-231 세포 및 MOF-야누스 세포의 전위의 시험관 내 (in vitro) 어세이 결과이다. (G)의 p 값은 t-검정을 사용하여 계산되었다 (***p < 0.001, **p < 0.01, *p < 0.05).
도 6은 감소된 pH가 세포 생존율 미치는 영향을 나타낸 것으로, (A)와 (B)는 각각 pH 7.4 (A) 및 pH 6 (B)에서 무혈청 세포 배양 배지와 함께 배양된 본래의 세포의 현미경 사진이다.
도 7은 서로 다른 농도의 프로테이나제 K의 MOF 캡슐화 결과를 나타낸 것으로, (A)는 캡슐화된 프로테이나제 K 효소를 갖는 ZIF-8 나노입자와 갖지 않는 나노입자의 SEM/EDS 현미경 사진이고, (B)는 서로 다른 농도의 프로테이나제 K에 대한 UV-Vis 표준 곡선을 나타낸다.
도 8은 MOF-야누스 세포의 체외 약물 전달 및 암 스페로이드 표적화를 나타낸 것으로, (A)는 ZIF-8 나노입자에서 다양한 농도의 프로테이나제 K의 캡슐화 효율을 나타낸 그래프이고, (B-i) 및 (B-ii)는 본래의 프로테이나제 K (B-i) 및 프로테이나제 K@MOF 나노입자 (B-ii)를 1시간 동안 처리한 세포의 현미경 사진이다. (C)는 1시간 동안 본래의 프로테이나제 K 또는 프로테이나제 K@MOF 나노입자로 처리한 후의 세포 생존율 (%)을 나타낸 그래프이고, (D)는 세포 상에 부착된 proteinaseK@MOF의 공초점 현미경 사진이며 (파란색: 세포 핵, 빨간색: 프로테이나제 K), (E)는 1시간 및 6시간 동안 야누스 세포 표면에 프로테이나제 K를 부착한 후 MOF-야누스 세포의 세포 생존율을 확인한 그래프이다. (F)는 1, 3 및 5시간 동안 다양한 농도의 프로테이나제 K를 함유하는 야누스 세포와 함께 배양한 후 표적 유방암 조직 생존율을 나타낸 그래프이고, (G)는 마트리겔-매입 (Matrigel-embedded) MDA-MB-231의 세포 생존율 (녹색: 살아있는 세포, 빨간색: 죽은 세포, 파란색: 모든 세포 핵)을 보여주는 공초점 현미경 사진이고, (H)는 MOF-야누스 세포 표적 부위 부착 및 마트리겔-매입 MDA-MB-231 (녹색: MOF-야누스 세포, 빨간색: 죽은 세포 핵, 파란색: 모든 세포 핵)을 죽이는 프로테이나제 K의 방출을 보여주는 공초점 현미경 사진이다. (C) 및 (F)의 p 값은 t-검정을 사용하여 계산되었다 (***p < 0.001, **p < 0.01, *p < 0.05).
도 9는 6시간 동안 Proteinase K@MOF 나노입자를 완전히 코팅한 후 MDA-MB-231 세포의 세포 생존율을 나타낸 것으로, (A)는 6시간 동안 Proteinase K@MOF (1.5 mg/ml)로 완전히 코팅된 MDA-MB-231 세포의 세포 생존율을 나타낸 그래프이고, (B)는 pH 6에서 MOF 나노입자로부터 프로테이나제 K의 방출 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 10은 마트리겔 트랩핑 MDA-MB-231 조직에 대한 MOF-야누스 세포 부착을 나타낸 것으로, (A)는 마트리겔에 트랩핑된 본래의 MDA-MB-231 상에 씨딩된 MOF-야누스 세포의 현미경 사진이고, (B)는 6시간 동안 배양하고 무혈청 DMEM으로 세척한 MOF-야누스 세포의 현미경 사진이다 (녹색: MOF-야누스 세포).
도 11은 ZIF-8 나노입자 내 BSA 및 우레아제의 캡슐화 결과를 나타낸 것으로, (A) 및 (B)는 각각 MOF 나노입자에서 BSA (A) 및 우레아제 (B)의 농도 의존적 캡슐화 효율을 나타내는 그래프이고, (C) 및 (D)는 각각 BSA@MOF 및 (D) Urease@MOF의 PXRD 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 MOF-야누스 운반체 세포에 로딩된 다중 단백질을 나타낸 것으로, (A)는 운반체 세포에 이중 단백질 로딩 결과를 나타낸 것이고, (B) 및 (C)는 두 가지 다른 배율에서 운반체 세포에 대한 삼중 단백질 로딩 결과를 나타낸 것이다 (빨간색: 프로테이나제 K, 녹색: BSA, 노란색: 우레아제, 파란색: 세포 핵).Figure 1 is a schematic diagram showing the development process of the MOF-Janus cell-based drug delivery system.
Figure 2 shows the results of verifying the degradation of tannic acid (TA)-induced ZIF-8 nanoparticles, (Ai) and (A-ii) are the original ZIF-8 (Ai) and TA-coated ZIF-8, respectively. (A-ii) is a high-resolution scanning electron microscopy (HRSEM) photograph (scale bar: 200 nm), and (B) is an X-ray diffraction (X-ray) of ZIF-8 and TA-coated ZIF-8. -ray diffraction, XRD) spectrum, (c) is a N 2 adsorption graph of original ZIF-8 and TA-coated ZIF-8, (D) is a pore of original ZIF-8 and TA-coated ZIF-8 (pore) It shows the size distribution.
Figure 3 is a result of confirming the formation of ZIF-8 and tannic acid coating on MDA-MB-231, (A) is a SEM micrograph of MOF nanoparticles, and (Bi) and (B-ii) are original cells, respectively. (Bi) and SEM/EDS micrographs of cells coated with MOF and tannic acid (TA) (B-ii). MOF particle size and morphology are maintained before and after MOF coating on the cell surface. (C) is the FT-IR result of intact MDA-MB-231 cells, tannic acid, ZIF-8 NP and ZIF-8/TA-coated MDA-MB-231 cells, and (D) is the original MDA-MB-231 cells without TA. Z-stack confocal microscopy images of MDA-MB-231 cells and MOF-coated MDA-MB-231 cells.
Figure 4 shows the development results of MOF-coated Janus cells, (A) is a Z-stack confocal microscope image of ZIF-8-coated glass adherent cells (blue: cell nuclei, green: FITC-labeled ZIF-8, Scale bar: 5 μm), (B) is the result of cell viability assay of glass-adhered mammalian cells coated with ZIF-8 nanoparticles, and (I) and (II) of (C) are native Confocal micrographs of cells (I) and Janus cells (II) (scale bar: 5 μm), (D) is the result of flow cytometry analysis of Janus cells carrying FITC-labeled ZIF-8 nanoparticles, and (E) are SEM micrographs of MOF nanoparticle patches attached on intact cells and Janus cells (bars: 1 μm). The p values in (B) were calculated using the t-test (***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05).
Figure 5 shows integrin-mediated cell-microenvironmental interactions, (A) to (C), in order, cells with free attachments (A), MOF-Janus cells (B), and cells fully coated with ZIF-8. Photomicrographs of (C), (D) and (E) are photomicrographs of MOF-Janus cells cultured with DMEM for 1 hour at neutral pH (D) and pH 6 (E), respectively. (F) shows the survival of MOF-Janus cells after removal of ZIF-8 nanoparticles at
Figure 6 shows the effect of reduced pH on cell viability, (A) and (B) are micrographs of intact cells cultured with serum-free cell culture medium at pH 7.4 (A) and pH 6 (B), respectively. It is a picture.
Figure 7 shows the results of MOF encapsulation of proteinase K at different concentrations, (A) is a SEM / EDS micrograph of ZIF-8 nanoparticles with and without encapsulated proteinase K enzyme , and (B) shows the UV-Vis standard curve for proteinase K at different concentrations.
Figure 8 shows the in vitro drug delivery and cancer spheroid targeting of MOF-Janus cells, (A) is a graph showing the encapsulation efficiency of proteinase K at various concentrations in ZIF-8 nanoparticles, (Bi) and (B-ii) is a photomicrograph of cells treated with native proteinase K (Bi) and proteinase K@MOF nanoparticles (B-ii) for 1 hour. (C) is a graph showing cell viability (%) after treatment with native proteinase K or proteinase K@MOF nanoparticles for 1 hour, and (D) is a graph showing proteinaseK@MOF attached to cells. (Blue: cell nuclei, red: proteinase K), (E) are MOF-Janus cells after attaching proteinase K to the surface of Janus cells for 1 hour and 6 hours. This is a graph showing the survival rate. (F) is a graph showing the survival rate of target breast cancer tissues after culturing with Janus cells containing various concentrations of proteinase K for 1, 3 and 5 hours, and (G) is Matrigel-embedded ) Confocal micrographs showing cell viability (green: live cells, red: dead cells, blue: all cell nuclei) of MDA-MB-231, (H) is MOF-Janus cell target site attachment and Matrigel-embedded Confocal micrographs showing release of proteinase K killing MDA-MB-231 (green: MOF-Janus cells, red: dead cell nuclei, blue: all cell nuclei). The p values for (C) and (F) were calculated using t-test (*** p < 0.001, ** p < 0.01, * p < 0.05).
Figure 9 shows the cell viability of MDA-MB-231 cells after completely coating with Proteinase K@MOF nanoparticles for 6 hours, (A) completely coated with Proteinase K@MOF (1.5 mg/ml) for 6 hours. It is a graph showing the cell viability of MDA-MB-231 cells, and (B) is a graph showing the release profile of proteinase K from MOF nanoparticles at
Figure 10 shows the attachment of MOF-Janus cells to Matrigel-trapped MDA-MB-231 tissue, (A) shows MOF-Janus cells seeded on original MDA-MB-231 trapped in Matrigel. (B) is a photomicrograph of MOF-Janus cells cultured for 6 hours and washed with serum-free DMEM (green: MOF-Janus cells).
Figure 11 shows the encapsulation results of BSA and urease in ZIF-8 nanoparticles, (A) and (B) are graphs showing the concentration-dependent encapsulation efficiency of BSA (A) and urease (B) in MOF nanoparticles, respectively. , (C) and (D) show the PXRD spectra of BSA@MOF and (D) Urease@MOF, respectively.
Figure 12 shows multiple proteins loaded into MOF-Janus carrier cells, (A) shows the results of double protein loading on carrier cells, (B) and (C) triplex protein loading on carrier cells at two different magnifications. It shows the protein loading result (red: proteinase K, green: BSA, yellow: urease, blue: cell nucleus).
상술한 바와 같이, 세포의 외부 표면에 연결된 약물이 함유된 나노입자를 운반하는 살아있는 순환 세포를 기반으로 하는 기존의 약물 전달 시스템은 나노입자 내재화로 인해 운반될 수 있는 치료제의 종류가 제한되고, 세포-미세환경 결합 문제로 운반체 세포가 표적에 결합하는 것을 방해하여 치료제가 표적 세포에 효과적으로 전달되지 않는 한계점이 있었다.As described above, existing drug delivery systems based on living circulating cells that deliver drug-containing nanoparticles linked to the outer surface of cells are limited in the types of therapeutic agents that can be delivered due to nanoparticle internalization, and cell -There was a limitation in that the therapeutic was not effectively delivered to the target cell due to the microenvironmental binding problem, which prevented the carrier cell from binding to the target.
이에, 본 발명자들은 나노입자 내재화 및 세포-미세환경 결합 문제를 해결하는 MOF 코팅된 야누스 운반체 세포라는 새로운 c-DDS 시스템을 개발함으로써, 상술한 문제의 해결방안을 모색하였다. MOF 코팅된 야누스 운반체 세포는 아연 기반 MOF (ZIF-8)의 나노입자를 운반체 세포의 표면에 캡슐화된 세포독성 효소로 비대칭적으로 고정시켜 제조된다 (도 1). 탄닌산 (Tannic acid, TA)은 전형적인 나노입자 내재화 경로를 방지하고, 여러자리 (multidentate) 탄닌산 착물화를 통해 MOF 나노입자와 MOF-세포막 사이의 고도로 안정적인 상호작용을 확립하는데 사용된다. 본 발명에서 개발된 MOF 코팅된 야누스 세포는 일반적인 살아있는 세포의 생물학적 및 구조적 특징을 유지함으로써, 미세환경에 대한 세포의 고유한 결합 능력을 보존한다. 또한, 암세포에 도달하면 운반체 세포 상의 MOF 나노입자가 도 1에 나타난 바와 같이 산성 조건에서 빠르게 분해되어 세포 독성 효소를 방출한다.Accordingly, the present inventors sought a solution to the above problems by developing a novel c-DDS system called MOF-coated Janus carrier cells, which solves the problems of nanoparticle internalization and cell-microenvironment coupling. MOF-coated Janus carrier cells are prepared by immobilizing nanoparticles of zinc-based MOF (ZIF-8) asymmetrically with cytotoxic enzymes encapsulated on the surface of carrier cells (Fig. 1). Tannic acid (TA) is used to prevent the classical nanoparticle internalization pathway and to establish highly stable interactions between MOF nanoparticles and MOF-cell membranes via multidentate tannic acid complexation. The MOF-coated Janus cells developed in the present invention preserve the cell's unique ability to bind to the microenvironment by maintaining the biological and structural characteristics of normal living cells. In addition, upon reaching the cancer cells, the MOF nanoparticles on the carrier cells are rapidly degraded in acidic conditions, as shown in FIG. 1, to release cytotoxic enzymes.
따라서, 본 발명의 제1 측면은 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework) 나노입자가 탄닌산 (Tannic acid)에 의해 세포 표면의 일부에 비대칭적으로 코팅된 야누스 세포에 관한 것이다.Accordingly, a first aspect of the present invention relates to a Janus cell in which a portion of the cell surface is asymmetrically coated with a metal-organic framework nanoparticle encapsulated with an active material by tannic acid. .
본 발명에서 상기 "금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework, MOF)"는 금속이온과 유기 리간드의 자기 조직화 반응에 의해 수득된 다공성 재로이다. 유기 리간드가 금속 이온을 연결함으로써, 내부에 공간 (세공)을 가지는 결정성 고분자 구조를 얻을 수 있다. MOF는 결정 내에 매우 큰 비표면적을 가진다. 또한, 금속 이온과 유기 리간드를 적절히 선택하여 조합함으로써, 기공 지름이나 토폴로지를 조절할 수 있다. In the present invention, the "metal-organic framework (MOF)" is a porous material obtained by a self-organizing reaction of metal ions and organic ligands. By linking metal ions with organic ligands, a crystalline polymer structure having spaces (pores) inside can be obtained. MOFs have a very large specific surface area in the crystal. In addition, the pore diameter and topology can be controlled by appropriately selecting and combining metal ions and organic ligands.
상기 MOF를 형성하기 위한 금속 이온은 목표로 하는 구조 설계에 따라 선택할 수 있다. 일반적으로 Co2+ , Ni2+, Cu2+, Zn2+ , Al3+, Fe2+, Cr3+ 등이 있다. 바람직하게는, Zn2+일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Metal ions for forming the MOF may be selected according to a target structural design. In general, Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Fe 2+ , Cr 3+ and the like. Preferably, it may be Zn 2+ , but is not limited thereto.
상기 MOF를 형성하기 위한 유기 리간드 또한 목표로 하는 구조 설계에 따라 선택할 수 있다. 일반적으로 테레프탈산, 4,4'-비피리딜, 이미다졸, 2-이미다졸 카르발데히드, 1,4-벤젠 디카르복실레이트, 1,4-디아자비사이클로 [2,2,2]옥탄 등이 있다. 바람직하게는, 2-메틸이미다졸레이트 일수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Organic ligands for forming the MOF may also be selected according to a target structural design. In general, terephthalic acid, 4,4'-bipyridyl, imidazole, 2-imidazole carbaldehyde, 1,4-benzene dicarboxylate, 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane, etc. there is Preferably, it may be 2-methylimidazolate, but is not limited thereto.
본 발명에서 바람직한 MOF는 ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8; 2-methylimidazole, zinc salt)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8; 2-methylimidazole, zinc salt)는 금속 노드 (metal node)로서 Zn2+ 양이온 및 링커 (linker)로서의 2-메틸이미다졸레이트(2-mIM)를 포함할 수 있다.A preferred MOF in the present invention may be zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8; 2-methylimidazole, zinc salt), but is not limited thereto. The ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8; 2-methylimidazole, zinc salt) contains Zn 2+ cation as a metal node and 2-methylimidazolate (2-mIM) as a linker. can do.
본 발명의 야누스 세포에 있어서, 상기 MOF가 ZIF-8인 경우, ZIF-8의 아연은 탄닌산과 배위 결합을 형성하여 ZIF-8 나노입자 간의 결합을 유도한다.In the Janus cell of the present invention, when the MOF is ZIF-8, zinc of ZIF-8 forms a coordinate bond with tannic acid to induce binding between ZIF-8 nanoparticles.
상기 탄닌산은 여러 자리 (multidentate) 탄닌산 착물화를 통해 MOF 나노입자 간의 결합 및 MOF와 세포막 사이의 고도로 안정적인 상호작용을 확립하는 역할을 한다.The tannic acid serves to establish a highly stable interaction between the MOF nanoparticles and between the MOF and the cell membrane through multidentate tannic acid complexation.
본 발명의 야누스 세포에 있어서, 상기 MOF 나노입자는 세포 표면 전체의 일부에만 코팅되며, 세포가 미세환경에 대한 고유의 결합 능력을 보존할 수 있는 수준으로 코팅되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 MOF는 세포 표면 전체의 30 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 70%, 보다 바람직하게는 40 내지 60%에 코팅될 수 있다.In the Janus cells of the present invention, the MOF nanoparticles are coated only on a portion of the entire surface of the cell, and it is preferable that the coating is coated at a level capable of preserving the cell's inherent binding ability to the microenvironment. For example, the MOF may be coated on 30 to 80%, preferably 40 to 70%, and more preferably 40 to 60% of the entire cell surface.
본 발명의 야누스 세포는 탄닌산의 사용으로 상기 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크의 내재화가 방지되고, MOF가 세포 표면의 일부에 비대칭적으로 코팅됨에 따라 코딩되지 않은 세포 표면을 통해 미세환경에 대한 결합 능력이 보존된다.In the Janus cell of the present invention, internalization of the metal-organic framework in which the active substance is encapsulated is prevented by the use of tannic acid, and the MOF is asymmetrically coated on a part of the cell surface, thereby entering the microenvironment through the non-encoded cell surface. binding capacity is preserved.
본 발명의 야누스 세포에 있어서, 상기 MOF 나노입자는 1종 또는 2종 이상의 서로 다른 활성물질을 캡슐화할 수 있다. 이를 통해, 다양한 활성물질 (효소)뿐만 아니라 여러 가지 단백질 (효소)을 표적 세포에 전달할 수 있으며, 이러한 능력은 큰 관심을 받고 있는 암 치료의 초석으로서, 2종 이상의 치료제를 결합한 치료법인 병용 요법에 유용할 것으로 예상된다.In the Janus cell of the present invention, the MOF nanoparticles may encapsulate one or two or more different active substances. Through this, it is possible to deliver various active substances (enzymes) as well as various proteins (enzymes) to target cells, and this ability is a cornerstone of cancer treatment, which is receiving great attention, for combination therapy, which is a treatment combining two or more types of treatments. expected to be useful.
본 발명의 야누스 세포에 있어서, MOF에 캡슐화되는 활성물질은 화합물, DNA, 단백질, 펩타이드, 항암제, 형광입자, 지질 및 세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 특히, 본 발명의 야누스 세포는 표면에 코팅된 MOF의 내재화가 방지되는 특성을 나타내므로, MOF에 캡슐화되는 물질로부터 세포를 보호할 수 있으며, 이에 따라 세포 독성을 나타내는 물질도 MOF에 캡슐화할 수 있다는 이점이 있다.In the Janus cell of the present invention, the active substance encapsulated in the MOF may be at least one selected from the group consisting of compounds, DNA, proteins, peptides, anticancer agents, fluorescent particles, lipids, and cells. In particular, since the Janus cell of the present invention exhibits the property of preventing the internalization of the MOF coated on the surface, the cells can be protected from substances encapsulated in the MOF, and thus substances exhibiting cytotoxicity can also be encapsulated in the MOF. There is an advantage.
본 발명의 야누스 세포의 종류는 표적 세포에 결합하여 MOF에 캡슐화된 활성물질을 효과적으로 전달할 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 혈액 순환 종양 세포, 면역세포, 적혈구 및 줄기세포로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 면역세포는, 예를 들어, T 세포, NK 세포, 수지상세포, 대식세포일 수 있다.The type of Janus cell of the present invention can be used without limitation as long as it binds to the target cell and can effectively deliver the active substance encapsulated in the MOF. For example, it may be at least one selected from the group consisting of circulating tumor cells, immune cells, red blood cells, and stem cells, but is not limited thereto. The immune cells may be, for example, T cells, NK cells, dendritic cells, or macrophages.
본 발명의 야누스 세포는 산성 환경에서 표적 세포에 도달할 때 캡슐화된 활성물질을 방출하여 표적 세포로 효과적으로 전달한다.When the Janus cells of the present invention reach the target cells in an acidic environment, they release the encapsulated active substances and deliver them effectively to the target cells.
본 발명의 구체적인 일실시예에서는 유방암 세포주인 MDA-MB-231 세포의 표면 일부에 여러 자리 탄닌산 착물화를 통해 프로테이나제 K가 캡슐화된 MOF를 비대칭적으로 코팅한 야누스 세포를 제조하였다. 이때, 캡슐화되는 프로테이나제 K의 최적의 용량은 0.05 ㎍/mL 내지 2 ㎍/mL, 바람직하게는 0.1 ㎍/mL 내지 1 ㎍/mL일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In a specific embodiment of the present invention, a portion of the surface of MDA-MB-231 cells, a breast cancer cell line, was asymmetrically coated with MOF encapsulated with proteinase K through multi-site tannic acid complexation to prepare Janus cells. At this time, the optimal dose of proteinase K to be encapsulated may be 0.05 μg/mL to 2 μg/mL, preferably 0.1 μg/mL to 1 μg/mL, but is not limited thereto.
본 발명의 제2 측면은 전술한 다양한 형태의 야누스 세포를 포함하는 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물에 관한 것이다.A second aspect of the present invention relates to a drug delivery composition and/or pharmaceutical composition comprising the above-described various types of Janus cells.
본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물은 MOF에 캡슐화 약물의 종류에 따라 다양한 질환 또는 질병에 사용될 수 있다. 예를 들어, MOF에 캡슐화되는 약물이 프로테이나제 K 또는 항암제인 경우, 본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물은 항암 용도로 사용될 수 있다.The composition for drug delivery and/or the pharmaceutical composition of the present invention may be used for various diseases or disorders depending on the type of drug encapsulated in the MOF. For example, when the drug encapsulated in the MOF is proteinase K or an anticancer drug, the drug delivery composition and/or pharmaceutical composition of the present invention can be used for anticancer purposes.
본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물에 포함되는 약제학적으로 허용되는 담체는 예를 들어 하나 이상의 물, 식염수, 인산 완충 식염수, 덱스트린, 글리세롤, 에탄올뿐만 아니라 이들의 조합을 포함한다. 이러한 조성물은 투여 후 활성물질의 빠른 방출, 또는 지속적이거나 지연된 방출을 제공하도록 제제화될 수 있다.Pharmaceutically acceptable carriers included in the drug delivery composition and/or pharmaceutical composition of the present invention include, for example, one or more of water, saline, phosphate buffered saline, dextrin, glycerol, ethanol, as well as combinations thereof. Such compositions may be formulated to provide rapid, sustained or delayed release of the active after administration.
약제학적으로 허용가능한 담체는 당업자에게 잘 알려진 여러 가지 인자에 따라 제조될 수 있는데, 예를 들면 사용된 특정 생리활성물질, 이의 농도, 안정성 및 의도된 생체이용성; 본 발명의 야누스 세포로 치료하고자 하는 질환 및 질병 또는 상태; 치료받을 개체, 나이, 크기 및 일반적인 상태; 조성물을 투여하는데 이용되는 경로, 예를 들어 비강, 구강, 안구, 국소, 경피 및 근육 등의 요인을 고려해야 하나, 이에 제한되지는 않는다. 일반적으로 경구 투여 경로 이외의 생리활성물질 투여에 이용되는 약제학적으로 이용가능한 담체에는 D5W, 덱스트로즈 및 생리학적 염을 용적의 5% 이내로 포함하는 수용액을 포함한다. 또한 약제학적으로 이용가능한 담체에는 보존제 및 항산화제와 같은 활성물질들의 안정성을 보강시킬 수 있는 추가 성분들을 포함할 수 있다.A pharmaceutically acceptable carrier can be prepared according to a number of factors well known to those skilled in the art, such as the specific bioactive substance used, its concentration, stability and intended bioavailability; diseases and disorders or conditions to be treated with the Janus cells of the present invention; the individual to be treated, age, size and general condition; Factors such as, but not limited to, the route used to administer the composition, such as nasal, oral, ocular, topical, transdermal and intramuscular, should be considered. In general, pharmaceutically available carriers used for administration of bioactive substances other than oral administration routes include aqueous solutions containing D5W, dextrose and physiological salts in an amount of less than 5% by volume. In addition, pharmaceutically usable carriers may contain additional ingredients capable of enhancing the stability of active substances such as preservatives and antioxidants.
본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물은 생리학적으로 양립가능한 담체에 현탁될 수 있다. 본 발명에서 용어 "생리학적으로 양립가능한 담체 (physiologically compatible carrier)"는 제형의 다른 성분들과 양립가능하며, 이의 수용자에게 유해하지 않은 담체를 가리킨다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 생리학적으로 양립가능한 담체에 대해 잘 알고 있다. 적합한 담체의 예에는 세포 배양 배지 (예컨대, 이글의 최소필수배지), 인산완충식염수, 행크의 균형잡힌 염 용액 +/-글루코오스(Hank's balanced salt solution: HBSS), 및 다중 전해질 용액, 예컨대 Plasma-Lyte?? A (Baxter)가 포함된다.The drug delivery composition and/or pharmaceutical composition of the present invention may be suspended in a physiologically compatible carrier. In the present invention, the term "physiologically compatible carrier" refers to a carrier that is compatible with other ingredients of the formulation and is not harmful to its recipients. The person skilled in the art is familiar with physiologically compatible carriers. Examples of suitable carriers include cell culture medium (e.g., Eagle's Minimum Essential Medium), phosphate buffered saline, Hank's balanced salt solution +/−glucose (HBSS), and multielectrolyte solutions such as Plasma-Lyte ?? A (Baxter) included.
또한, 본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물의 투여량은 의도하는 치료에 유효한 용량으로 투여된다. 특정의 의학적 질환을 치료하거나 또는 이의 진행을 억제시키는데 요구되는 치료상 유효량은 의학 분야에 공지된 예비임상 연구 및 임상연구를 이용하여 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 본 발명에서 상기 치료상 유효량은 임상의 또는 연구자가 목적하는, 특정 조직, 시스템, 및 동물 또는 인간의 생물학적 또는 의학적 반응을 유발시키는 활성물질의 양을 말한다. 본 발명의 약물 전달용 조성물의 투여 경로는 적합한 모든 투여 경로가 이용될 수 있다.In addition, the dose of the composition for drug delivery and/or the pharmaceutical composition of the present invention is administered in an effective dose for the intended treatment. The therapeutically effective amount required to treat or inhibit the progression of a particular medical disease can be readily determined by one skilled in the art using preclinical and clinical studies known in the medical arts. In the present invention, the therapeutically effective amount refers to an amount of an active substance that induces a biological or medical response in a specific tissue, system, animal, or human, which is desired by a clinician or researcher. Any suitable route of administration of the composition for drug delivery of the present invention may be used.
본 발명은 또한, 전술한 다양한 형태의 야누스 세포를 개체에게 투여하는 것을 포함하는 질환의 치료방법을 제공한다. 본 발명의 야누스 세포의 투여는 임의의 동물에 적용가능하며, 동물은 인간 및 영장류뿐만 아니라, 소, 돼지, 양, 말, 개, 마우스, 랫드 및 고양이 등의 가축을 포함할 수 있다.The present invention also provides a method for treating a disease comprising administering the various types of Janus cells described above to a subject. Administration of the Janus cells of the present invention is applicable to any animal, and the animal may include not only humans and primates, but also livestock such as cattle, pigs, sheep, horses, dogs, mice, rats, and cats.
본 발명에서 용어 "투여"는 어떠한 적절한 방법으로 개체에게 본 발명의 야누스 세포를 도입하는 것을 의미한다. 본 발명의 약물 전달용 조성물 및/또는 약학 조성물의 투여 경로는 전술한 바와 동일하므로, 그 기재를 생락한다.In the present invention, the term "administration" means introducing the Janus cells of the present invention into a subject by any suitable method. Since the route of administration of the composition for drug delivery and/or pharmaceutical composition of the present invention is the same as described above, description thereof is omitted.
본 발명의 제3 측면은 전술한 다양한 형태의 야누스 세포의 제조방법에 관한 것이다.A third aspect of the present invention relates to a method for preparing the above-described various types of Janus cells.
구체적으로, 본 발명의 야누스 세포의 제조방법은 다음의 단계를 포함한다:Specifically, the method for preparing Janus cells of the present invention includes the following steps:
a) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자 (Metal-organic framework, MOF)를 제조하는 단계;a) preparing a metal-organic framework nanoparticle encapsulated with an active material (Metal-organic framework, MOF);
b) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자를 용액에 단분산시키는 단계;b) monodispersing metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material in a solution;
c) 상기 플레이트에 부착된 세포에 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자가 단분산된 용액을 첨가하는 단계;c) adding a solution in which metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material are monodispersed to the cells attached to the plate;
d) 상기 c) 단계의 플레이트에 부착된 세포에 탄닌산을 첨가하는 단계;d) adding tannic acid to the cells attached to the plate of step c);
e) 세포에 결합되지 않은 금속-유기 프레임워크 나노입자를 제거하는 단계; 및e) removing metal-organic framework nanoparticles that are not bound to cells; and
f) 트립신을 처리하여 플레이트에 부착된 세포를 분리하는 단계.f) Separating cells adhered to the plate by treating with trypsin.
본 발명의 제조방법에 있어서, a) 단계는 활성물질이 캡슐화된 MOF를 제조하는 단계로, 이는 공지된 MOF 나노입자의 제조방법에 따라 수행될 수 있으며, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 사용되는 금속 이온 및 유기 리간드의 종류에 따라 공지된 방법을 이용하여 MOF 나노입자를 제조할 수 있다.In the production method of the present invention, step a) is a step of preparing an active material encapsulated MOF, which can be performed according to a known method for preparing MOF nanoparticles, and a person skilled in the art can use MOF nanoparticles can be prepared using known methods according to the types of metal ions and organic ligands.
본 발명의 제조방법에 있어서, b) 단계는 상기 a) 단계에서 제조된 MOF를 세포에 첨가하기 전에 용액에 단분산시키는 단계로, 분별원심분리, 분별침전 등과 같은 공지된 방법에 따라 제조된 MOF를 용액 내에 균일하게 단분산시킬 수 있다.In the production method of the present invention, step b) is a step of monodispersing the MOF prepared in step a) in a solution before adding it to cells, and the MOF prepared according to a known method such as fractional centrifugation, fractional precipitation, etc. can be uniformly monodispersed in the solution.
본 발명의 제조방법에 있어서, c) 단계는 활성물질이 캡슐화된 MOF를 세포의 표면에 코팅하기 위해 활성물질이 캡슐화된 MOF와 세포를 접촉시키는 단계로, 세포는 플레이트에 부착되어 있기 때문에, 활성물질이 캡슐화된 MOF는 플레이트에 부착되지 않은 세포의 표면과 접촉하게 되고 이에 따라 활성물질이 캡슐화된 MOF가 비대칭적으로 코팅될 수 있도록 한다.In the manufacturing method of the present invention, step c) is a step of contacting the MOF encapsulated with the active material and the cells to coat the surface of the cell with the MOF encapsulated with the active material. The material-encapsulated MOF comes into contact with the surface of cells that are not attached to the plate, and thus the active material-encapsulated MOF can be asymmetrically coated.
본 발명의 제조방법에 있어서, d) 단계는 캡슐화된 MOF 간의 결합 및 캡슐화된 MOF와 세포막 사이의 고도의 안정적인 상호작용을 달성하기 위해 탄닌산을 첨가하는 단계이며, 이를 통해 활성물질이 캡슐화된 MOF의 내재화가 방지된다.In the production method of the present invention, step d) is a step of adding tannic acid to achieve a highly stable interaction between the encapsulated MOF and the encapsulated MOF and the cell membrane, through which the active material Internalization is prevented.
본 발명의 제조방법에 있어서, e) 단계는 세포에 결합되지 않은 MOF 나노입자를 제거하는 단계로, 상기 c) 단계에서 세포가 부착된 플레이트에 포함된 배양 배지와 동일한 것을 사용하여 반복 세척을 통해 결합되지 않은 MOF 나노입자를 제거할 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, step e) is a step of removing MOF nanoparticles that are not bound to cells, and is repeated washing using the same culture medium contained in the plate to which cells are attached in step c). Unbound MOF nanoparticles can be removed.
본 발명의 제조방법에 있어서, f) 단계는 트립신을 처리하여 플레이트에 부착된 세포를 분리하는 단계로, 분리된 세포는 플레이트에 부착되지 않았던 표면에만 활성물질이 캡슐화된 MOF가 비대칭적으로 코팅되어 야누스 구조의 형태를 띄게 된다. In the manufacturing method of the present invention, step f) is a step of separating cells attached to the plate by treating with trypsin. It takes the form of a Janus structure.
요약하면, 본 발명에서는 야누스 구조의 한 면에만 뒤섞인 MOF로 코팅된 야누스 운반체 세포가 세포 매개 DDS로 개발되었다. 운반체 세포 상에 뒤섞인 MOF는 내부화될 수 없으므로, MOF에 함유된 세포독성 단백질로부터 운반체 세포를 보호한다. 표적 세포와 운반체 세포의 상호 작용은 야누스 세포의 맨 표면에 의해 보장된다. MOF 내 세포 독성 단백질은 MOF가 산성 환경에서 표적 세포에 도달할 때 방출된다. 암세포의 효과적인 제거는 프로테이나제 K를 함유한 MOF-야누스 세포를 생체 내 (in vivo) 유사 암 환경에 도입함으로써 정량적으로 확인되었다. 야누스 세포를 제조하는 전체 과정은 약물이 포함된 MOF 나노입자의 합성, 세포 표면에 나노입자의 비대칭 부착 및 기판으로부터 MOF 코팅된 세포의 분리를 포함하여 15분 미만이 소요된다. 다양한 단백질과 여러 효소를 전달하는 MOF-야누스 세포의 능력은 시스템을 세포 매개 약물 전달을 위한 일반적인 플랫폼에 적합하게 만든다. 또한 병용 요법을 포함한 공동 전달 적용을 가능하게 한다.In summary, in the present invention, Janus carrier cells coated with MOF interwoven on only one side of the Janus structure were developed as cell-mediated DDS. MOFs scrambled onto carrier cells cannot be internalized, thus protecting carrier cells from cytotoxic proteins contained in MOFs. The interaction of the target cell with the carrier cell is ensured by the bare surface of the Janus cell. Cytotoxic proteins in MOF are released when MOF reaches target cells in an acidic environment. Effective removal of cancer cells was confirmed quantitatively by introducing MOF-Janus cells containing proteinase K into a similar cancer environment in vivo . The entire process of preparing Janus cells takes less than 15 minutes, including synthesis of drug-loaded MOF nanoparticles, asymmetric attachment of nanoparticles to the cell surface, and separation of MOF-coated cells from the substrate. The ability of MOF-Janus cells to deliver a variety of proteins and multiple enzymes makes the system suitable as a general platform for cell-mediated drug delivery. It also enables co-delivery applications including combination therapy.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for exemplifying the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.
효소 캡슐화 또는 캡슐화되지 않은 ZIF-8 나노 입자의 합성Synthesis of enzyme-encapsulated or non-encapsulated ZIF-8 nanoparticles
1X PBS에 용해된 2-메틸이미다졸 (Hmim, 0.1g/mL)을 1X PBS에 용해된 동일한 부피의 0.07g/mL 아연 아세테이트(Zn(OAc)2(aq.))에 첨가하였다. 실온에서 10분 동안 교반한 후, 5분 동안 10,000rpm에서 원심분리하여 입자를 수집하였다. 수집된 입자를 에탄올과 물로 여러 번 세척하였다. 효소 캡슐화된 ZIF-8의 합성을 위해, 관심 효소를 0.1g/mL Hmim 및 0.07g/mL Zn(OAc)2(aq.)에 첨가하였다. 실온에서 10분간 교반한 후, 원심분리와 에탄올 및 물로 세척을 반복하여 입자를 수집하였다. 2-Methylimidazole (Hmim, 0.1 g/mL) dissolved in 1X PBS was added to an equal volume of 0.07 g/mL zinc acetate (Zn(OAc) 2 (aq.)) dissolved in 1X PBS. After stirring at room temperature for 10 minutes, particles were collected by centrifugation at 10,000 rpm for 5 minutes. The collected particles were washed several times with ethanol and water. For the synthesis of enzyme encapsulated ZIF-8, the enzyme of interest was added to 0.1 g/mL Hmim and 0.07 g/mL Zn(OAc) 2 (aq.). After stirring at room temperature for 10 minutes, centrifugation and washing with ethanol and water were repeated to collect particles.
탄닌산 적용 후 MOF 나노입자의 안정성 검증Verification of stability of MOF nanoparticles after application of tannic acid
DDS 관점에서, 캡슐화된 약물의 원치 않는 누출이 발생하면 운반체의 세포 생존율이 심각하게 손상될 수 있기 때문에, 약물이 실린 MOF 나노입자의 안정성은 중요한 문제이다. 따라서, MOF가 코팅된 야누스 세포의 형성에 대한 연구를 진행하기 전에, TA 적용 후 MOF 나노입자의 안정성을 나노입자 형태, 결정도 및 다공성 측면에서 조사하였다.From a DDS perspective, the stability of drug-loaded MOF nanoparticles is an important issue, since unwanted leakage of the encapsulated drug can seriously impair the cell viability of the carrier. Therefore, before proceeding with the study on the formation of MOF-coated Janus cells, the stability of MOF nanoparticles after TA application was investigated in terms of nanoparticle morphology, crystallinity and porosity.
TA 코팅된 ZIF-8 나노입자 (ZIF-8-TA)는 ZIF-8 나노입자를 TA 용액 (0.4 mg/mL)에서 10분 동안 부드럽게 교반하면서 배양하여 제조하였다. 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, ZIF-8 나노입자의 평균 크기는 160 nm였다. 도 3의 (A)는 다분산 입자 크기 분포를 보여준다. TA 용액 (ZIF-8-TA)에서 10분 동안 ZIF-8 나노입자를 배양한 후에는 눈에 띄는 형태 변화가 관찰되지 않았다. 또한, 도 2의 (B)는 ZIF-8의 결정도가 배양에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다. 다공성 및 기공 크기의 변화는 질소 흡착-탈착 측정을 통해 조사되었다. 도 2의 (C)에서 확인되는 바와 같이, ZIF-8 및 ZIF-8-TA 모두에서, 낮은 상대 압력에서 안정적인 N2 흡착이 관찰되었고, ZIF-8 및 ZIF-8-TA의 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 표면적은 각각 1599 및 1574 m2/g이었다. 또한, 도 2의 (D)에 도시된 바와 같이, TA 조각 공정으로 인해 다공성 구조의 전이가 발생하지 않았다. 이러한 결과는 세포에 TA를 이용한 MOF 코팅 후에도 MOF 나노입자의 안정성이 유지됨을 보여준다. 나노입자 캡슐의 안정성이 약물 분자의 세포독성 효과에 대한 운반체 세포의 안전한 보호에 중요하기 때문에, 이와 같은 결과는 고무적이다.TA-coated ZIF-8 nanoparticles (ZIF-8-TA) were prepared by incubating ZIF-8 nanoparticles in TA solution (0.4 mg/mL) for 10 minutes with gentle agitation. As shown in (A) of FIG. 2, the average size of the ZIF-8 nanoparticles was 160 nm. Figure 3 (A) shows the polydisperse particle size distribution. After incubating ZIF-8 nanoparticles in TA solution (ZIF-8-TA) for 10 min, no noticeable morphological change was observed. Also, Fig. 2 (B) shows that the crystallinity of ZIF-8 is hardly affected by culturing. Changes in porosity and pore size were investigated through nitrogen adsorption-desorption measurements. As confirmed in (C) of FIG. 2, in both ZIF-8 and ZIF-8-TA, stable N 2 adsorption was observed at low relative pressure, and the BET of ZIF-8 and ZIF-8-TA (Brunauer- Emmett-Teller) surface areas were 1599 and 1574 m 2 /g, respectively. Also, as shown in (D) of FIG. 2 , transition of the porous structure did not occur due to the TA engraving process. These results show that the stability of MOF nanoparticles is maintained even after MOF coating with TA on cells. These results are encouraging because the stability of the nanoparticle encapsulation is important for safe protection of the carrier cells against the cytotoxic effects of drug molecules.
MOF 코팅 야누스 세포의 제조Preparation of MOF-coated Janus cells
3-1. MOF 코팅된 야누스 세포의 개발3-1. Development of MOF-coated Janus cells
유방암 세포주 (MDA-MB-231 세포)는 근원 종양으로 귀환하는 것으로 나타났고, 우수한 암세포 표적 약물 전달 매개체로 제안되었기 때문에 모델 순환 세포로 선택되었다. 먼저, 세포외기질 (ECM)이 코팅된 플레이트에 부착된 MDA-MB-231 세포는 수성 조건에서 ZIF-8 나노입자와 상호작용하여 나노입자와 세포막 구성요소 사이에 다중 비공유 결합의 형성을 촉진한다. 다양한 약리학 및 생물 의학 응용 분야에 널리 사용되는 TA는 다가탄닌산 착물화를 통해 고도의 안정적인 다수의 MOF-세포막 및 MOF-MOF 상호작용을 달성하기 위해 시스템에 도입되었다. A breast cancer cell line (MDA-MB-231 cells) was chosen as a model circulating cell because it has been shown to homing to the source tumor and has been suggested as an excellent cancer cell-targeted drug delivery vehicle. First, MDA-MB-231 cells attached to extracellular matrix (ECM)-coated plates interact with ZIF-8 nanoparticles in aqueous conditions, facilitating the formation of multiple non-covalent bonds between nanoparticles and cell membrane components. . TA, which is widely used for various pharmacological and biomedical applications, has been introduced into the system to achieve highly stable multiple MOF-cell membrane and MOF-MOF interactions through polyvalent tannic acid complexation.
3-2. 살아있는 세포에 대한 탄닌산 결합제 보조 ZIF-8 코팅 (ZIF-8/TA 코팅된 세포) 및 MOF-야누스 세포의 형성3-2. Tannic Acid Binder Assisted ZIF-8 Coating on Living Cells (ZIF-8/TA Coated Cells) and Formation of MOF-Janus Cells
살아있는 세포에 대한 ZIF-8 나노입자의 코팅은 문헌 [Verma, A., Stellacci, F. "Effect of Surface Properties on Nanoparticle-Cell Interactions." Small 2010, 6, 12-21.]에 보고된 방법을 약간 수정하여 수행되었다. 약 1Х105 MDA-MB-231 세포 (KCLB30026)를 12웰 플레이트에 플레이팅하고 DMEM (Dulbecco Modified Eagle's medium)에서 37℃의 가습된 5% CO2 배양기에서 배양하였다. 80% 컨플루언스(confluence)에 도달한 후, 세포를 1x PBS로 헹군 다음, 1x PBS 용액에 단분산된 500 μL의 20 mg/mL ZIF-8 나노입자를 세포에 첨가하였다. 15초 동안 부드럽게 흔든 후, 1x PBS 용액에 용해된 500μL의 32μg/mL 탄닌산을 30초 동안 시스템에 첨가하였다. 그런 다음, DMEM으로 반복 세척하여 결합되지 않은 ZIF-8 나노입자를 시스템으로부터 제거하였다. MOF-야누스 세포의 형성은 트립신 (0.25 mg/mL)을 ZIF-8 코팅된 세포에 3분 동안 부드럽게 흔들면서 도입함으로써 달성되었다. 분리된 세포를 원심분리를 통해 수집하고 신선한 DMEM을 MOF-야누스 세포에 도입하였다. ZIF-8 코팅된 MOF-야누스 세포의 형성은 LSM 700 현미경 (Zeiss, Axio Observer) 및 유세포분석기 (BD CytoFLEX)를 사용하여 확인하였다.Coating of ZIF-8 nanoparticles on living cells is described by Verma, A., Stellacci, F. "Effect of Surface Properties on Nanoparticle-Cell Interactions." Small 2010, 6, 12-21.] was performed with minor modifications. About 1Х10 5 MDA-MB-231 cells (KCLB30026) were plated in a 12-well plate and cultured in DMEM (Dulbecco Modified Eagle's medium) at 37°C in a humidified 5% CO 2 incubator. After reaching 80% confluence, the cells were rinsed with 1x PBS and then 500 μL of 20 mg/mL ZIF-8 nanoparticles monodispersed in 1x PBS solution was added to the cells. After shaking gently for 15 seconds, 500 μL of 32 μg/mL tannic acid dissolved in 1x PBS solution was added to the system for 30 seconds. Then, unbound ZIF-8 nanoparticles were removed from the system by repeated washing with DMEM. Formation of MOF-Janus cells was achieved by introducing trypsin (0.25 mg/mL) into ZIF-8 coated cells for 3 min with gentle shaking. The separated cells were collected by centrifugation and fresh DMEM was introduced into the MOF-Janus cells. The formation of ZIF-8 coated MOF-Janus cells was confirmed using an LSM 700 microscope (Zeiss, Axio Observer) and a flow cytometer (BD CytoFLEX).
도 3의 B(i) 및 B(ii)는 세포 표면에 잘 부착된 나노입자를 보여준다. EDS (Energy-dispersive spectrometry) 맵핑은 Zn2+ 금속의 균일한 분포를 나타내고, ZIF-8 나노입자가 세포 표면에 성공적으로 부착되었음을 확인한다. B(i) and B(ii) of FIG. 3 show nanoparticles well attached to the cell surface. EDS (Energy-dispersive spectrometry) mapping showed a uniform distribution of Zn 2+ metal and confirmed that the ZIF-8 nanoparticles were successfully attached to the cell surface.
FT-IR (Fourier-transform infrared) 분광법은 TA와 ZIF-8 나노입자 사이의 배위 결합 형성을 확인하기 위해 ZIF-8 및 TA 코팅된 MDA-MB-231 세포에서 추가로 수행되었다. 도 3의 C에 나타난 바와 같이, 문헌 [Zhu et al., "SupraCells: Living Mammalian Cells Protected within Functional Modular Nanoparticle-Based Exoskeletons." Adv. Mater. 2019, 31, No. 1900545.]에서 보고된 것과 유사하게 ZIF-8의 이미다졸 고리에서 C≡N 및 C-N의 진동에 할당된 1179 및 994 cm-1에서의 특징적인 피크와 탄닌산에서 C-O의 스트레치 진동에 할당된 1080 cm-1에서의 특징적인 피크들이 확인되었고, TA와 아연 배위 결합의 존재를 확인하였다.Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy was further performed on ZIF-8 and TA-coated MDA-MB-231 cells to confirm the formation of coordination bonds between TA and ZIF-8 nanoparticles. As shown in Figure 3C, Zhu et al., "SupraCells: Living Mammalian Cells Protected within Functional Modular Nanoparticle-Based Exoskeletons." Adv. Mater. 2019, 31, No. 1900545.], the characteristic peaks at 1179 and 994 cm -1 assigned to vibrations of C≡N and CN in the imidazole ring of ZIF-8 and at 1080 cm assigned to the stretch vibration of CO in tannic acid. Characteristic peaks at -1 were identified, confirming the presence of TA and zinc coordination bonds.
다음으로, 공초점 현미경을 사용하여 MOF 나노입자의 비대칭 코팅을 확인하였다. 형광현미경으로 MOF 나노입자의 위치를 가시화하기 위해, FITC로 표지된 MOF 나노입자를 사용하였다. 도 4의 (A)는 MOF 나노입자가 입자에 비대칭적으로 부착되어 있음을 보여준다. 도 4의 (B)에서 확인되는 바와 같이, 비대칭적인 표면 변형 후 MDA-MB-231 세포의 세포 생존율은 코팅 후 0, 24 및 48시간 동안 각각 85.2, 82.4 및 88.8%였다.Next, the asymmetric coating of the MOF nanoparticles was confirmed using confocal microscopy. To visualize the location of the MOF nanoparticles with a fluorescence microscope, FITC-labeled MOF nanoparticles were used. Figure 4(A) shows that the MOF nanoparticles are asymmetrically attached to the particles. As shown in (B) of FIG. 4 , cell viability of MDA-MB-231 cells after asymmetric surface modification was 85.2, 82.4, and 88.8% at 0, 24, and 48 hours after coating, respectively.
이러한 MOF-코팅 운반체 세포가 플레이트에서 제거될 때, MOF 코팅된 야누스 세포는 야누스 구조의 맨 표면이 되는 플레이트와 접촉하는 세포 부분을 포함한다. 이러한 수집된 야누스 세포를 형광 현미경과 SEM으로 관찰하였다. When these MOF-coated carrier cells are removed from the plate, the MOF-coated Janus cells contain the portion of the cell in contact with the plate that becomes the bare surface of the Janus structure. These collected Janus cells were observed under a fluorescence microscope and SEM.
ZIF-8 코팅된 세포를 SEM으로 관찰하기 위해, ZIF-8 코팅된 MOF-야누스 세포는 2.5% 글루타르알데히드 (Sigma-Aldrich)로 고정되었다. 그 다음, PBS 중 25, 50, 75, 85, 95 및 100% 에탄올 용액으로 세포를 순차적으로 탈수시켰다. 그런 다음 밤새 완전히 동결 건조시켰다. 샘플은 영상화하기 전에 Pt로 스퍼터링 (sputtered)하였다. 샘플의 SEM 현미경 사진은 10.0 keV의 가속 전압에서 고해상도 FE-SEM을 사용하여 촬영되었다. To observe ZIF-8 coated cells by SEM, ZIF-8 coated MOF-Janus cells were fixed with 2.5% glutaraldehyde (Sigma-Aldrich). Cells were then sequentially dehydrated with 25, 50, 75, 85, 95 and 100% ethanol solutions in PBS. They were then completely lyophilized overnight. Samples were sputtered with Pt before imaging. SEM micrographs of the samples were taken using high-resolution FE-SEM at an accelerating voltage of 10.0 keV.
MOF에서 비롯된 비대칭 형광 신호는 도 4의 (C)와 같이 부동성 MOF 코팅 세포 (free-floating MOF-coated cell)에서 유지되었다. 유세포 분석은 수집된 야누스 세포의 80% 이상이 도 4의 (D)에 도시된 바와 같이 FITC로 표지된 MOF 나노입자를 운반한다는 것을 입증하였다. 도 4의 (E)에 나타난 SEM 현미경 사진은 세포 표면에 미세 크기 패치의 형태로 나노입자의 존재를 보여준다. 이와 관련하여, 개발된 나노입자 패치는 통상적인 마이크로 크기의 백팩 (backpack)과 달리 곡선형 세포 표면 주위에 등각 접촉을 하여 TA의 도움으로 운반체 세포에 약물이 보다 안정적으로 부착되었음을 나타낸다.Asymmetric fluorescence signals originating from MOF were maintained in free-floating MOF-coated cells as shown in (C) of FIG. 4 . Flow cytometry analysis demonstrated that more than 80% of the collected Janus cells carried MOF nanoparticles labeled with FITC, as shown in Fig. 4(D). The SEM micrograph shown in (E) of FIG. 4 shows the presence of nanoparticles in the form of fine-sized patches on the cell surface. In this regard, the developed nanoparticle patch shows that the drug is more stably attached to the carrier cell with the help of TA by making conformal contact around the curved cell surface, unlike conventional micro-sized backpacks.
내피 단층을 통한 미세환경 결합 및 이동 능력Microenvironment binding and movement ability through endothelial monolayer
4-1. 미세환경 결합 능력 확인4-1. Confirmation of microenvironment bonding ability
혈액 순환 종양 세포와 같은 순환 세포 또는 T-세포에서, 인테그린 단백질과 같은 막 단백질은 내피 또는 림프절을 통한 혈관외 유출 및 이동에 중심 역할을 한다. 앞서 언급한 인테그린 단백질의 중요성에도 불구하고, c-DDS의 기존 설계는 세포 표면에 약물 분자를 완전히 접합시키려고 시도하였다 [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non-covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled Release 2004, 100, 111-119.; Chambers, E., Mitragotri, S. "Long Circulating Nanoparticles via Adhesion on Red Blood Cells: Mechanism and Extended Circulation." Exp. Biol. Med. 2007, 232, 958-966.; Shields, C. Wyatt, et al., "Cellular Backpacks for Macrophage Immunotherapy." Sci. Adv. 2020, 6, No. eaaz6579.; Klyachko, Natalia L., et al., "Macrophages with Cellular backpacks for Targeted Drug Delivery to the Brain." Biomaterials 2017, 140, 79-87.; Xia, Junfei, et al., "Asymmetric Biodegradable Microdevices for Cell-Borne Drug Delivery." ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6293-6299.]. In circulating cells such as circulating tumor cells or T-cells, membrane proteins such as integrin proteins play a central role in extravasation and migration through the endothelium or lymph nodes. Despite the aforementioned importance of integrin proteins, existing designs of c-DDS have attempted to fully conjugate drug molecules to the cell surface [Chambers, E., Mitragotri, S. "Prolonged Circulation of Large Polymeric Nanoparticles by Non-covalent Adsorption on Erythrocytes." J. Controlled
기존 설계와 달리, 본 발명에서 개발된 MOF 코팅 야누스 세포는 MDA-MB-231 세포의 생물학적 및 구조적 특징을 보존한다. 따라서, 본 실시예에서는 세포-미세환경 상호작용을 위해 그대로의 (naked) MDA-MB-231 세포, 야누스 세포 및 전체 표면에 ZIF-8 나노입자를 코팅한 MDA-MB-231 세포를 비교하였다. 이를 위해, 세포를 ECM 코팅된 상업용 12웰 플레이트에 별도로 씨딩하여 세포 배양 배지 및 5% 소 태아 혈청과 함께 36℃의 CO2 배양기에서 6시간 동안 배양하였다. PBS로 세포를 여러 번 세척한 후, 기질 상의 세포 부착을 현미경으로 관찰하였다. Unlike previous designs, the MOF-coated Janus cells developed in the present invention preserve the biological and structural features of MDA-MB-231 cells. Therefore, in this example, naked MDA-MB-231 cells, Janus cells, and MDA-MB-231 cells coated with ZIF-8 nanoparticles on the entire surface were compared for cell-microenvironment interaction. To this end, the cells were separately seeded in ECM-coated commercial 12-well plates and cultured for 6 hours in a CO 2 incubator at 36° C. with cell culture medium and 5% fetal bovine serum. After washing the cells several times with PBS, cell adhesion on the matrix was observed under a microscope.
도 5의 (A) 내지 (C)는 그대로의 MDA-MB-231 세포와 야누스 세포는 기판에 잘 부착되어 있지만, ZIF-8 나노입자로 완전히 코팅된 세포는 기판에 거의 부착되지 않음을 보여준다. 그대로의 세포와 야누스 세포 사이에 형태의 차이가 관찰되었는데, 부착된 야누스 세포는 전형적으로 한정된 형태를 유지한 반면, 그대로의 세포는 가늘고 늘어진 형태를 나타낸다. 야누스 세포의 제한된 형태는 세포막에 코팅된 단단한 ZIF-8 나노입자가 세포를 단단히 잡고 있기 때문일 수 있다.5 (A) to (C) show that intact MDA-MB-231 cells and Janus cells adhered well to the substrate, but cells completely coated with ZIF-8 nanoparticles hardly adhered to the substrate. Differences in morphology were observed between intact and Janus cells, with adherent Janus cells typically retaining a confined morphology, whereas intact cells display an elongated morphology. The restricted morphology of Janus cells may be due to the tight ZIF-8 nanoparticles coated on the cell membrane that hold the cells tightly.
MOF의 분해가 야누스 세포의 형태와 생존력에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하기 위해, 세포에 코팅된 MOF는 야누스 세포를 pH 6의 산성 배양 배지에 1시간 동안 두어 분해하였다. 그런 다음 배지를 중성 pH에서 신선한 세포 배양 배지로 교환하였다. 도 5의 (D) 및 (E)에서 확인되는 바와 같이, ZIF-8 나노입자를 제거하면, 야누스 세포가 본래의 MDA-MB-231처럼 늘어나기 시작하여 길어진 반면, 처리되지 않은 야누스 세포는 둥근 형태를 유지하였다. 회복된 세포 생존력은 또한 건강한 세포의 세포질에 존재하는 에스테라제와 상호작용하는, 세포 투과성 형광 프로브인 칼세인 AM에 의해 확인되었다. 도 5의 (F) 및 도 6에서 볼 수 있듯이, 야누스 세포는 ZIF-8 나노입자를 제거한 후에도 좋은 세포 생존력을 보였다. To confirm that the degradation of MOF did not affect the morphology and viability of Janus cells, the MOF coated cells were lysed by placing the Janus cells in an acidic culture medium at
4-2. 이동 능력 확인4-2. Check your mobility
야누스 세포의 이동 활성은 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET; 8 μm 기공) 삽입물에서 성장한 HUVEC 세포의 융합 단층의 시험관 내 (in vitro) 모델을 사용하여 조사하였다. 배지 (50% DMEM, 50% EBM, 0.1% 소 혈청 알부민)에 현탁된 FITC 표지 야누스 세포(1.5 Х 105 cells/mL)를 상부 챔버에 함유된 HUVEC 세포에 첨가하였다. 본래의 MDA-MB-231 세포를 대조군으로 사용하였다. 잘 알려진 암세포 화학유인물질인 EGF를 하부 챔버에 로딩하였다. 37℃, 5% CO2에서 12시간 동안 배양한 후, 세포 삽입물을 제거하였다. 바닥 챔버의 세포를 수집하고 계수하였다. HUVEC 단층에 걸친 야누스 세포 전달률은 본래 회수된 야누스 세포의 수를 빼서 계산되었다. 각 실험은 세 번 반복되었다.The migration activity of Janus cells was investigated using an in vitro model of confluent monolayers of HUVEC cells grown on poly(ethylene terephthalate) (PET; 8 μm pore) inserts. FITC-labeled Janus cells (1.5 Х 10 5 cells/mL) suspended in medium (50% DMEM, 50% EBM, 0.1% bovine serum albumin) were added to the HUVEC cells contained in the upper chamber. Native MDA-MB-231 cells were used as controls. EGF, a well-known cancer cell chemoattractant, was loaded into the lower chamber. After culturing for 12 hours at 37° C., 5% CO 2 , the cell insert was removed. Cells in the bottom chamber were collected and counted. The rate of Janus cell transduction across the HUVEC monolayer was calculated by subtracting the number of Janus cells originally recovered. Each experiment was repeated three times.
도 5의 (G)에서 확인되는 바와 같이, 단층을 통해 전달된 야누스 세포의 수는 본래의 MDA-MB-231 세포의 수보다 약간 적었지만, 본래의 MDA-MB-231 세포뿐만 아니라 야누스 세포는 시험관 내 (in vitro)에서 HUVEC 세포 단층을 가로질러 통과할 수 있다.As shown in Fig. 5(G), the number of Janus cells transferred through the monolayer was slightly less than the number of original MDA-MB-231 cells, but the original MDA-MB-231 cells as well as the Janus cells Able to pass across HUVEC cell monolayers in vitro .
UV-Vis 분광 분석에 의한 프로테이나제 K 캡슐화 효율 및 방출 프로파일 측정 Determination of Proteinase K Encapsulation Efficiency and Release Profile by UV-Vis Spectroscopy
야누스 세포의 성공적인 형성 및 성능 평가에 대한 확인으로, 본 발명자들은 세포독성 약물 전달 및 암 표적화에서의 잠재적 사용을 시험하였다. 이를 위해, 표적 암 조직에 전달되는 모의 약물 (mock drug)로 세포 표면 단백질을 빠르게 소화하고 세포를 용해시키는 것으로 알려진 비특이적 세린 프로테아제인 프로테이나제 K (Proteinase K)를 선정하였다. 그러나, 테스트를 진행하기 전에 몇 가지 사항을 확인하고 명확히 해야 한다. 예를 들어, 관심 있는 것은 MOF에 의해 캡슐화된 프로테이나제 K의 양 또는 MOF 나노입자에 성공적으로 포획된 프로테이나제 K의 백분율로 정의된 캡슐화 효율이다. 다양한 농도의 프로테이나제 K를 함유하는 2-메틸이미다졸 (Hmim) 수용액에 0.07 mg/mL Zn(OAc)2(aq.)를 첨가하여 ZIF-8의 프로테이나제 K-함유 MOF (proteinase K@MOF)를 제조하기 위해 원팟 (one-pot) 합성 방법을 사용하였고, 프로테이나제 K-캡슐화된 MOF 나노입자의 형태는 SEM에서 조사되었다. Confirmation of the successful formation and performance evaluation of Janus cells, we tested their potential use in cytotoxic drug delivery and cancer targeting. To this end, Proteinase K, a non-specific serine protease known to rapidly digest cell surface proteins and lyse cells, was selected as a mock drug delivered to target cancer tissues. However, before proceeding with the test, a few things should be checked and clarified. For example, of interest is encapsulation efficiency, defined as the amount of proteinase K encapsulated by MOF or the percentage of proteinase K successfully entrapped in MOF nanoparticles. Proteinase K-containing MOF of ZIF-8 by adding 0.07 mg/mL Zn(OAc)2 (aq.) to 2-methylimidazole (Hmim) aqueous solution containing various concentrations of proteinase K. A one-pot synthesis method was used to prepare (proteinase K@MOF), and the morphology of the proteinase K-encapsulated MOF nanoparticles was investigated by SEM.
도 7의 A에서 확인되는 바와 같이, Proteinase K@MOF의 입자 크기는 본래의 ZIF-8보다 약간 컸는데, 이는 ZIF-8의 핵 생성 및 성장 과정에 대한 효소의 영향 때문일 수 있다 [Wu, Xiaoling, et al., Facile synthesis of multiple enzyme-containing metal-organic frameworks in a biomoleculefriendly environment. Chem. Commun. 2015, 51, 13408-13411.]. As confirmed in Fig. 7A, the particle size of Proteinase K@MOF was slightly larger than that of original ZIF-8, which may be due to the effect of the enzyme on the nucleation and growth process of ZIF-8 [Wu, Xiaoling , et al., Facile synthesis of multiple enzyme-containing metal-organic frameworks in a biomoleculefriendly environment. Chem. Commun. 2015, 51, 13408-13411.].
도 7의 (B)에 나타난 바와 같이, MOF에 의해 포획되거나 캡슐화된 양은 MOF를 산성 용액에서 분해한 다음 알려진 농도의 프로테이나제 K로 생성된 표준 곡선을 이용하여 정량화를 위해 UV-vis 및 브래드포드 분석을 사용하여 결정되었다. As shown in (B) of FIG. 7, the amount captured or encapsulated by MOF was determined by dissolving the MOF in an acidic solution and then UV-vis and UV-vis for quantification using a standard curve generated with a known concentration of proteinase K. It was determined using Bradford analysis.
구체적으로, SDS로 세척된 프로테이나제 K-캡슐화된 ZIF-8 나노입자는 산성 분해를 통해 캡슐화된 단백질을 방출하기 위해 6시간 동안 1mL의 시트르산 (pH 6)에 현탁되었다. 생성된 용액을 한외여과 장치 (Millipore, 100kDa)를 사용하여 처리하였다. 초순수로 2회 세척한 후, 생성된 용액 (100 μL)을 1 mL의 브래드포드 용액 (Sigma-Aldrich)과 혼합하고, 용액을 실온에서 5분 동안 배양하였다. 스펙트럼은 UV-2550 분광계 (Shimadzu, Japan)에서 수집되었다. 단백질의 캡슐화 효율은 proteinase K@MOF 나노입자 합성을 위한 반응 혼합물에 초기에 제공된 농도의 단백질 흡광도에 대한 단백질 캡슐화 ZIF-8 나노입자로부터 수집된 단백질의 흡광도의 비를 사용하여 계산하였다. 방출 프로파일의 결정을 위해, 세척된 샘플을 시트르산 (pH 6)에서 배양하였다. 5-10분마다 샘플 용액 100μL를 빼내고, 브래드포드 용액 1mL와 혼합하였다. MOF 나노입자로부터 방출된 단백질의 양은 UV-2550 분광계 (595 nm)를 사용하여 측정하였다. 모든 실험은 3회 수행되었다. 그런 다음, 생체 복합재의 단백질 함량의 전체 양을 용해에 의해 수득된 단백질의 양과 비교하였다.Specifically, SDS-washed proteinase K-encapsulated ZIF-8 nanoparticles were suspended in 1 mL of citric acid (pH 6) for 6 hours to release the encapsulated protein through acidic degradation. The resulting solution was treated using an ultrafiltration device (Millipore, 100 kDa). After washing twice with ultrapure water, the resulting solution (100 μL) was mixed with 1 mL of Bradford solution (Sigma-Aldrich), and the solution was incubated at room temperature for 5 minutes. Spectra were collected on a UV-2550 spectrometer (Shimadzu, Japan). The efficiency of protein encapsulation was calculated using the ratio of the absorbance of the protein collected from the protein encapsulated ZIF-8 nanoparticles to the absorbance of the protein at the concentration initially provided in the reaction mixture for proteinase K@MOF nanoparticle synthesis. For determination of the release profile, washed samples were incubated in citric acid (pH 6). Every 5-10 minutes, 100 μL of the sample solution was withdrawn and mixed with 1 mL of Bradford's solution. The amount of protein released from the MOF nanoparticles was measured using a UV-2550 spectrometer (595 nm). All experiments were performed in triplicate. Then, the total amount of protein content of the biocomposite was compared with the amount of protein obtained by dissolution.
도 8의 (A)는 평균적으로 효율성이 0.5, 1 및 1.5mg/mL 농도의 프로테이나제 K에 대해 각각 30.0, 46.6 및 75.2%임을 보여준다. 단백질 농도 의존적 증가의 캡슐화 효율은 문헌 [Zhu, Guixian et al., "A metal-organic zeolitic framework with immobilized urease for use in a tapered optical fiber urea biosensor." Microchim. Acta 2020, 187, No. 72.]에 보고된 것과 유사하였다.Figure 8 (A) shows that the average efficiency was 30.0, 46.6 and 75.2% for proteinase K at concentrations of 0.5, 1 and 1.5 mg/mL, respectively. Encapsulation efficiency of protein concentration dependent increase was described by Zhu, Guixian et al., "A metal-organic zeolitic framework with immobilized urease for use in a tapered optical fiber urea biosensor." Microchim. Acta 2020, 187, no. 72.].
시험관 내 (In vitro ( in vitroin vitro ) 암 모델로의 프로테이나제 K의 전달) Delivery of proteinase K to cancer models
6-1. MOF-야누스 세포를 이용한 프로테이나제 K의 2D 유방암 세포 조직으로의 전달 및 세포 생존율 측정6-1. Delivery of Proteinase K to 2D Breast Cancer Cell Tissue Using MOF-Janus Cells and Measurement of Cell Viability
노출된 (bare) 프로테이나제 K 및 MOF 나노입자에 함유된 프로테나제 K 존재 하에서 유리 기판에 부착된 MDA-MB-231 세포에 이들을 도입하여 세포 생존율을 조사하였다. 이를 위해 0.15 mg의 프로테이나제 K를 함유하는 proteinase K@MOF 나노입자를 (i) 1 mL의 무혈청 세포 배양 배지 및 (ii) 동일한 배지에 분산된 0.15 mg의 노출된 프로테이나제 K만을 분산시켰다.In the presence of bare proteinase K and proteinase K contained in MOF nanoparticles, cell viability was investigated by introducing them into MDA-MB-231 cells attached to a glass substrate. To this end, proteinase K@MOF nanoparticles containing 0.15 mg of proteinase K were mixed with (i) 1 mL of serum-free cell culture medium and (ii) 0.15 mg of exposed proteinase K dispersed in the same medium. only dispersed.
도 8의 (B-i)에서 확인되는 바와 같이, 1시간 이내에, 노출된 프로테이나제 K로 배양된 대부분의 세포가 유리 기판에서 분리되었으나, proteinase K@MOF 나노입자와 함께 배양된 MDA-MB-231 세포는 도 8의 (B-ii)에서 확인되는 바와 같이 기질에 안정적인 부착을 확립하였다.As shown in (B-i) of FIG. 8, within 1 hour, most of the cells cultured with the exposed proteinase K were detached from the glass substrate, but the MDA-MB-incubated with
추가로, 세포 생존력을 정량화하기 위해 MTS 어세이를 수행하였다. 2차원 (2D) 유방암 조직은 1Х104 MDA-MB-231 세포를 96웰 플레이트에 씨딩하여 준비하였다. 조직의 융합 단층이 형성되면, 1, 0.1 및 0.01μg/mL 농도의 프로테이나제 K를 포함하는 MOF-야누스 세포를 각 웰에 도입하였다. MOF 나노입자로부터 프로테이나제 K의 방출을 유도하기 위해, pH 6의 신선한 DMEM을 시스템에 도입하였다. 다양한 배양 시간에서의 암 조직 생존율은 MTS 어세이 키트를 사용하여 측정하였다. 대조군으로 프로테이나제 K가 없는 동일한 수의 MOF-야누스 세포와 함께 배양된 2D 유방암 조직을 사용하였다. 모든 실험은 3회 수행되었다.Additionally, an MTS assay was performed to quantify cell viability. Two-dimensional (2D) breast cancer tissue was prepared by seeding 1Х10 4 MDA-MB-231 cells in a 96-well plate. When a confluent monolayer of tissue was formed, MOF-Janus cells containing proteinase K at concentrations of 1, 0.1 and 0.01 μg/mL were introduced into each well. To induce the release of proteinase K from the MOF nanoparticles, fresh DMEM at
MTS 어세이에 의해 결정된 생존율은, 도 8의 (C)에서 확인되는 바와 같이, 노출된 프로테이나제 K 노출 그룹의 경우 39.7%, proteinase K@MOF 노출 그룹의 경우 93.9%였다. 이러한 결과는 MOF 나노입자 내부의 프로테이나제 K의 안정적인 캡슐화와 프로테이나제 K 효소와 MDA-M-231 세포 간의 직접적인 상호작용의 성공적인 차단을 확인시켜 준다.The survival rate determined by the MTS assay was 39.7% for the exposed proteinase K group and 93.9% for the proteinase K@MOF exposed group, as shown in FIG. 8(C). These results confirm the stable encapsulation of proteinase K inside the MOF nanoparticles and the successful blocking of the direct interaction between the proteinase K enzyme and MDA-M-231 cells.
도 8의 (D)는 공초점 현미경 사진을 통해 확인된 세포에 대한 proteinase K@MOF의 TA 보조 안정 결합을 보여준다. 세포의 프로테이나제 K 위치를 더 잘 시각화하기 위해 MOF 캡슐화 및 세포 표면 부착 전에 프로테이나제 K를 Cy5 형광단으로 표지하였다. Figure 8 (D) shows TA-assisted stable binding of proteinase K@MOF to cells identified through confocal micrographs. To better visualize proteinase K localization in cells, proteinase K was labeled with Cy5 fluorophore prior to MOF encapsulation and cell surface attachment.
또한, 운반체 세포에 로딩되는 프로테이나제 K 양을 정량화하기 위해, MDA-MB-231 세포 (1Х106)를 12웰 플레이트의 각 웰에서 배양하고, 약 20mg의 프로테이나제 K를 함유하는 MOF를 각 웰에 도입하여, proteinase K@MOF를 세포에 비대칭 코팅하였다. 상층액으로부터 결합되지 않은 MOF 나노입자를 수집하고, 나노입자를 시트르산 인산 용액 (pH 6)에서 6시간 동안 분해하였다. UV-vis 및 브래드포드 어세이를 사용하여 회수된 단백질의 양을 측정하였다. 1Х106 MDA-MB-231 세포로 처리된 프로테이나제 K의 원래 양에서 회수된 프로테이나제 K의 양을 빼서 운반체 세포에 로딩된 프로테이나제 K의 양을 계산하였다. 각 실험은 3회 수행되었다. 그 결과, 1Х106 세포당 부착된 프로테이나제 K의 총량은 0.167 mg으로 계산되었고, 처리된 proteinase K@MOF의 총량의 14.8%는 1x106 운반체 세포당 로딩되는 것으로 확인되었다.In addition, in order to quantify the amount of proteinase K loaded on the carrier cells, MDA-MB-231 cells (1Х10 6 ) were cultured in each well of a 12-well plate, and about 20 mg of proteinase K containing MOF was introduced into each well to asymmetrically coat cells with proteinase K@MOF. Unbound MOF nanoparticles were collected from the supernatant, and the nanoparticles were digested in a citric acid phosphate solution (pH 6) for 6 hours. The amount of recovered protein was measured using UV-vis and Bradford assay. The amount of proteinase K loaded into the carrier cells was calculated by subtracting the amount of proteinase K recovered from the original amount of proteinase K treated with 1Х10 6 MDA-MB-231 cells. Each experiment was performed in triplicate. As a result, the total amount of proteinase K attached per 1Х10 6 cells was calculated to be 0.167 mg, and 14.8% of the total amount of proteinase K@MOF treated was confirmed to be loaded per 1x10 6 carrier cell.
MOF에 의해 제공되는 세포독성 약물에 대한 MDA-MB-231 운반체 세포의 보호는 무혈청 세포 배양 배지가 있는 CO2 배양기에서 프로테이나제 K를 함유하는 MOF 나노입자로 코팅된 운반체 세포를 배양함으로써 확인되었다. MTS 어세이는 세포 생존력을 정량화하기 위해 수행되었으며, 노출된 MOF-나노입자 연결 세포는 대조군으로 사용되었다. Protection of MDA-MB-231 carrier cells against cytotoxic drugs provided by MOF was achieved by culturing carrier cells coated with MOF nanoparticles containing proteinase K in a CO 2 incubator with serum-free cell culture medium. Confirmed. An MTS assay was performed to quantify cell viability, and exposed MOF-nanoparticle-connected cells were used as controls.
도 8의 (E)는 1시간 및 6시간 후 세포 생존율이 각각 98.1% 및 86.2%임을 보여주며, 이는 약물 독성에 대한 성공적인 운반체 세포 보호를 확인시켜준다. 도 9의 (A)는 전체 코팅된 세포의 세포 생존율이 6시간 후 74.6%였음을 보여준다. 더 긴 배양 시간 동안 세포 생존율의 약간의 감소는 MOF 나노입자의 표면에 느슨하게 결합된 프로테이나제 K의 방출로 인한 것으로 추정되었다. Figure 8(E) shows that the cell viability after 1 hour and 6 hours were 98.1% and 86.2%, respectively, confirming successful carrier cell protection against drug toxicity. Figure 9 (A) shows that the cell viability of all coated cells was 74.6% after 6 hours. The slight decrease in cell viability during longer incubation times was presumed to be due to the release of proteinase K loosely bound to the surface of MOF nanoparticles.
마지막으로, 암 치료를 위한 MOF-야누스 세포 기반 c-DDS를 테스트하기 위해, MOF로부터의 프로테이나제 K의 방출 거동과 필요한 용량을 조사하였다. 방출 거동을 위해 0.15mg의 프로테이나제 K를 함유한 proteinase K@ZIF-8을 종양의 세포외 및 간질 공간에서 보편적인 것으로 알려진 pH인 pH 6에서 DMEM에 용해시켰고, 용액 내 단백질의 양을 UV-vis 및 브래드포드 분석을 사용하여 시간 경과에 따라 측정하였다.Finally, to test the MOF-Janus cell-based c-DDS for cancer treatment, the release behavior of proteinase K from MOF and the required dose were investigated. For release behavior, proteinase K@ZIF-8 containing 0.15 mg of proteinase K was dissolved in DMEM at
도 9의 (B)에서 확인되는 바와 같이, 60분 이내에 100% 단백질 방출이 관찰되었다. 방출 거동은 pH에 따라 다르지만, ZIF-8 나노입자의 빠른 용해 경향은 문헌 [(a) Carraro, Francesco, et al., "Phase dependent encapsulation and release profile of ZIF-based biocomposites." Chem. Sci. 2020, 11, 3397-3404.; (b) Badea, Madalina Andreea, et al., "Infuence of Matrigel on Single- and Multiple-Spheroid Cultures in Breast Cancer Research." SLAS Discovery 2019, 24, 563-578.]에 보고된 것과 유사하다.As confirmed in (B) of FIG. 9, 100% protein release was observed within 60 minutes. Although the release behavior is pH dependent, the rapid dissolution tendency of ZIF-8 nanoparticles can be found in [(a) Carraro, Francesco, et al., "Phase dependent encapsulation and release profile of ZIF-based biocomposites." Chem. Sci. 2020, 11, 3397-3404.; (b) Badea, Madalina Andreea, et al., "Infuence of Matrigel on Single- and Multiple-Spheroid Cultures in Breast Cancer Research."
용량을 최적화하기 위해, 각각 1, 0.1 및 0.01μg/mL 프로테이나제 K를 함유하는 3개의 배치의 야누스 세포를 96웰 플레이트에서 배양된 MDA-MB-231 세포 (2D 유방암 조직)의 융합성 단층에 도입하였다. 암 미세환경을 모방하기 위해, 세포 배양 배지를 pH 6으로 조정하고, 시간 경과에 따른 MTS 어세이에 의해 세포 생존력을 정량화하였다.To optimize the dose, three batches of Janus cells containing 1, 0.1, and 0.01 μg/mL proteinase K, respectively, were tested for confluentity of MDA-MB-231 cells (2D breast cancer tissue) cultured in 96-well plates. introduced into the monolayer. To mimic the cancer microenvironment, the cell culture medium was adjusted to
도 8의 (F)는 1μg/mL 프로테이나제 K의 야누스 세포에 노출된 2D 유방암 조직의 생존율이 1시간 후에 92.0%에서 3시간 및 5시간 후에 각각 32.5% 및 27.2%로 감소되었음을 보여준다. 투여량이 0.1㎍/mL로 감소했을 때, 상응하는 생존율은 1, 3, 5시간 배양에 대해 각각 89.2, 69.2, 30.9%였다. 0.01μg/mL로 추가로 감소시켰을 때, 세포 생존력의 유의한 변화는 관찰되지 않았고, 세포 생존율은 배양 1시간, 3시간 및 5시간 동안 각각 79.9, 78.5 및 80.9%였다. Figure 8 (F) shows that the viability of 2D breast cancer tissues exposed to Janus cells with 1 μg/mL proteinase K decreased from 92.0% after 1 hour to 32.5% and 27.2% after 3 and 5 hours, respectively. When the dose was reduced to 0.1 μg/mL, the corresponding survival rates were 89.2, 69.2, and 30.9% for 1, 3, and 5 hour incubations, respectively. When further decreased to 0.01 μg/mL, no significant change in cell viability was observed, and cell viability rates were 79.9, 78.5 and 80.9% for 1 hour, 3 hours and 5 hours of incubation, respectively.
6-2. MOF-야누스 세포를 이용한 프로테이나제 K의 암 스페로이드로의 전달 및 세포 생존율 측정6-2. Transfer of proteinase K to cancer spheroids using MOF-Janus cells and measurement of cell viability
생체 내 (in vivio) 유사 암 치료법을 위해, 현적배양기술 (hanging drop technique)을 통해 마트리겔 (Matrigel)과 혼합된 MDA-MB-231을 배양하여 3차원 종양 스페로이드를 생성하였다 [Hu, C. M. J., Zhang, L. "Nanoparticle-based Combination Therapy Toward Overcoming Drug Resistance in Cancer." Biochem. Pharmacol. 2012, 83, 1104-1111.]. For in vivo ( in vivo ) similar cancer treatment, three-dimensional tumor spheroids were generated by culturing MDA-MB-231 mixed with Matrigel through a hanging drop technique (hanging drop technique) [Hu, CMJ , Zhang, L. "Nanoparticle-based Combination Therapy Toward Overcoming Drug Resistance in Cancer." Biochem. Pharmacol. 2012, 83, 1104-1111.].
구체적으로, 암 스페로이드의 형성은 3D 조직 모델로 수행되었다. 마트리겔 (Corning)을 먼저 5% FBS, 1x Pen Strep을 함유하는 DMEM으로 최종 농도 0.1 mg/mL로 희석하였다. 희석된 마트리겔 1ml를 (8-10)Х105 MDA-MB-231 세포와 혼합하였다. 100μL 피펫을 사용하여, 30μL의 방울을 24웰 플레이트의 바닥에 추가하였다. 웰 플레이트를 뒤집고 37℃/5% CO2에서 밤새 배양하여 겔을 형성하였다. FBS가 포함된 세포 배양 배지와 함께 CO2 배양기에서 2일 동안 배양한 후, 1 μg/mL 농도의 프로테이나제 K를 갖는 MOF-야누스 세포를 시스템에 도입하고 4시간 동안 공배양하였다. 그런 다음, MOF 나노입자로부터 프로테이나제 K의 방출을 유도하기 위해, pH 6의 신선한 DMEM을 시스템에 추가하였다. 다양한 배양 시간에서의 암 조직 생존율은 도 8의 (G)와 같이 칼세인 AM 및 PI 염색을 이용한 라이브/데드 어세이 (live/dead assay)를 통해 조사되었다. 살아있는 세포와 죽은 세포를 시각화하기 위해 공초점 현미경을 사용하였다. Z-스태킹 (Z-stacking)은 3D 겔에서 죽은 세포의 위치를 더 조사하기 위해 수행되었다.Specifically, formation of cancer spheroids was performed with 3D tissue models. Matrigel (Corning) was first diluted with DMEM containing 5% FBS, 1x Pen Strep to a final concentration of 0.1 mg/mL. 1 ml of diluted Matrigel was mixed with (8-10)Х10 5 MDA-MB-231 cells. Using a 100 μL pipette, a drop of 30 μL was added to the bottom of a 24-well plate. The well plate was inverted and incubated overnight at 37° C./5% CO 2 to form a gel. After culturing for 2 days in a CO 2 incubator with a cell culture medium containing FBS, MOF-Janus cells having proteinase K at a concentration of 1 μg/mL were introduced into the system and co-cultured for 4 hours. Then, fresh DMEM at
도 10에 나타난 바와 같이, 1 μg/mL 프로테이나제 K를 포함하는 야누스 세포가 암 스페로이드 시스템에 도입되었을 때, 마트리겔 포매 암 스페로이드의 표면에 야누스 세포의 안정적인 부착이 관찰되었다. 도 8의 (H)에 나타난 바와 같이, 종양 세포외 환경과 같은 조건이 시스템에서 모방되면, 종양 스페로이드 세포와 야누스 세포의 급속한 죽음이 3시간 이내에 발생하였다. 이러한 결과는 본 발명에서 개발된 c-DDS의 독성 치료 단백질 전달 효과 및 암 표적화 효율을 입증한다.As shown in FIG. 10 , when Janus cells containing 1 μg/mL proteinase K were introduced into the cancer spheroid system, stable attachment of the Janus cells to the surface of the Matrigel-embedded cancer spheroids was observed. As shown in FIG. 8(H), when conditions such as the tumor extracellular environment were mimicked in the system, rapid death of tumor spheroid cells and Janus cells occurred within 3 hours. These results demonstrate the toxic therapeutic protein delivery effect and cancer targeting efficiency of the c-DDS developed in the present invention.
다중단백질이 로딩된 야누스 세포의 개발Development of polyprotein-loaded Janus cells
다양한 효소 및 여러 가지 효소를 운반하고 전달하는 능력은 야누스 세포를 세포 매개 약물 전달을 위한 일반적인 플랫폼으로 확립하는데 도움이 될 것이다. 이를 입증하기 위해, 본 실시예에서는 프로테이나제 K, 우레아제 및 소 혈청 알부민 (BSA)을 캡슐화한 MOF를 제조하였다.A variety of enzymes and the ability to transport and deliver multiple enzymes will help establish Janus cells as a general platform for cell-mediated drug delivery. To prove this, in this example, an MOF encapsulating proteinase K, urease, and bovine serum albumin (BSA) was prepared.
7-1. 형광단 표지 단백질의 제조7-1. Preparation of fluorophore-labeled proteins
프로테이나제 K, BSA 및 우레아제를 각각 Cy5, FITC 및 Cy5.5 형광단으로 표지하여 별도로 준비하였다. 관심 효소를 먼저 PBS (1x; pH 7.4)에 1 mg/mL로 용해키고, 이어서, 4 μL의 설포-형광단-NHS 에스테르 (1mM; Lumiprobe)를 첨가한 후 30분 동안 배양하였다. 그 다음, 변형된 단백질을 10분 동안 3600 rpm에서 원심분리하면서 100 kDa 필터(Millipore)를 통해 PBS로 3회 정제하였다. Proteinase K, BSA, and urease were separately prepared by labeling with Cy5, FITC, and Cy5.5 fluorophores, respectively. The enzyme of interest was first dissolved at 1 mg/mL in PBS (1x; pH 7.4), then 4 μL of sulfo-fluorophore-NHS ester (1 mM; Lumiprobe) was added and incubated for 30 minutes. Then, the modified protein was purified three times with PBS through a 100 kDa filter (Millipore) while centrifuging at 3600 rpm for 10 minutes.
7-2. 다중 단백질이 로딩된 MOF-야누스 세포의 형성7-2. Formation of MOF-Janus cells loaded with multiple proteins
MOF 캡슐화 효소는 형광 표지된 프로테이나제 K, BSA 및 우레아제를 ZIF-8 전구체와 혼합하여 별도로 제조하였다. 수집된 나노입자를 새로운 DMEM에 재현탁시키고, 동일한 부피의 서로 다른 ZIF-8 캡슐화된 MOF를 함께 혼합하였다. 그런 다음, 500μL의 혼합된 ZIF-8 나노입자 캡슐화된 효소를 MDA-MB-231 세포 함유 12웰 플레이트에 첨가하였다. 15초 동안 부드럽게 교반한 후, 1x PBS 용액에 용해된 500μL의 32μg/mL 탄닌산을 30초 동안 시스템에 첨가하였다. 그런 다음, DMEM으로 반복 세척하여 결합되지 않은 ZIF-8 나노 입자를 시스템으로부터 제거하였다. ZIF-8이 코팅된 MOF-야누스 세포의 형성은 LSM 700 현미경 (Zeiss, Axio Observer)을 이용하여 확인하였다.The MOF encapsulated enzyme was prepared separately by mixing fluorescently labeled proteinase K, BSA and urease with the ZIF-8 precursor. The collected nanoparticles were resuspended in fresh DMEM and equal volumes of different ZIF-8 encapsulated MOFs were mixed together. Then, 500 μL of the mixed ZIF-8 nanoparticle encapsulated enzyme was added to the 12-well plate containing MDA-MB-231 cells. After gently agitating for 15 seconds, 500 μL of 32 μg/mL tannic acid dissolved in 1x PBS solution was added to the system for 30 seconds. Then, unbound ZIF-8 nanoparticles were removed from the system by repeated washing with DMEM. The formation of MOF-Janus cells coated with ZIF-8 was confirmed using an LSM 700 microscope (Zeiss, Axio Observer).
MOF를 함유하는 단백질과 포유동물 세포의 간단한 혼합 및 후속 TA 보조 결합으로 인해 여러 가지 효소가 로딩된 세포가 생성되었다. 도 12는 BSA@MOF, proteinase K@MOF 및 urease@MOF의 2종의 단백질과 3종 단백질의 세포에 성공적인 공동-로딩 결과를 보여준다. 본 발명에서 개발된 야누스 세포 DDS의 MOF에서 여러 가지 효소를 운반하는 능력은 큰 관심을 받고 있는 암 치료의 초석으로서 두 가지 이상의 치료제를 결합한 치료법인 병용 요법에 유용할 것으로 예상된다.Simple mixing of MOF-containing proteins with mammalian cells and subsequent TA-assisted ligation resulted in cells loaded with several enzymes. Figure 12 shows the results of successful co-loading of two and three proteins of BSA@MOF, proteinase K@MOF and urease@MOF into cells. The ability to transport various enzymes in the MOF of the Janus cell DDS developed in the present invention is expected to be useful for combination therapy, which is a treatment combining two or more therapeutic agents as a cornerstone of cancer treatment, which is receiving great attention.
통계 분석statistical analysis
수득된 결과의 통계적 유의성은 스튜던트 t-검정 (Student's t-test)를 사용하여 결정되었다. 유의성 수준은 0.05의 최소 p 값에서 선택되었다.The statistical significance of the results obtained was determined using Student's t-test. The significance level was chosen at a minimum p-value of 0.05.
Claims (15)
상기 금속-유기 프레임워크 나노입자는 탄닌산 (Tannic acid)에 의해 세포 표면에 결합되는 것인, 야누스 세포.A Janus cell in which a part of the surface is asymmetrically coated with metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material,
The metal-organic framework nanoparticles are bound to the cell surface by tannic acid, Janus cells.
상기 야누스 세포의 종류는 혈액 순환 종양 세포이고, 상기 ZIF-8 나노입자는 탄닌산에 의해 세포 표면에 결합되는, 야누스 세포.A Janus cell whose surface is asymmetrically coated with zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8; 2-methylimidazole, zinc salt) nanoparticles encapsulated with Proteinase K,
The Janus cell type is a blood circulating tumor cell, and the ZIF-8 nanoparticles are bound to the cell surface by tannic acid.
a) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자를 제조하는 단계;
b) 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자를 용액에 단분산시키는 단계;
c) 상기 플레이트에 부착된 세포에 활성물질이 캡슐화된 금속-유기 프레임워크 나노입자가 단분산된 용액을 첨가하는 단계;
d) 상기 c) 단계의 플레이트에 부착된 세포에 탄닌산을 첨가하는 단계;
e) 세포에 결합되지 않은 금속-유기 프레임워크 나노입자를 제거하는 단계; 및
f) 트립신을 처리하여 플레이트에 부착된 세포를 분리하는 단계. A method for preparing the Janus cells of claim 1, comprising the following steps:
a) preparing metal-organic framework nanoparticles in which an active material is encapsulated;
b) monodispersing metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material in a solution;
c) adding a solution in which metal-organic framework nanoparticles encapsulated with an active material are monodispersed to the cells attached to the plate;
d) adding tannic acid to the cells attached to the plate of step c);
e) removing metal-organic framework nanoparticles that are not bound to cells; and
f) Separating cells adhered to the plate by treating with trypsin.
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