Stimuli responsive nanoparticles release piperlongumine to inhibit pulmonary metastasis of colorectal carcinoma cells

Abstract

Redox-responsive nanoparticles having a diselenide linkage were synthesized to target pulmonary metastasis of cancer cells. Methoxy poly (ethylene glycol)-grafted chitosan (ChitoPEG) was crosslinked using selenocystine-acetyl histidine (Ac-histidine) conjugates (ChitoPEGse) for stimuli-responsive delivery of piperlongumine (PL). ChitoPEGse nanoparticles swelled in an acidic environment and became partially disintegrated in the presence of H2O2 10mM, resulting in an increase of particle size and in a size distribution having multimodal pattern. PL release increased under acidic conditions and in the presence of H2O2. Uptake of ChitoPEGse nanoparticles (PL NP) showed similar anticancer activity in vitro against A549 and CT26 cells compared to PL itself. PL NP showed superior anticancer and anti-metastatic activity in an in vivo CT26 cell pulmonary metastasis mouse model. Furthermore, an immunofluorescence imaging study demonstrated that PL NP conjugates were specifically delivered to the tumor mass in the lung. Conclusively, ChitoPEGse nanoparticles were able to be delivered and released to cancer cells with an acidic- or redox state-sensitive manner and then were selectively targeted to pulmonary metastasis of cancer cells since ChitoPEGse nanoparticles have both pH- and redox-responsiveness.

이 연구는 약물 전달 매체인 나노입자 기반의 자극-반응성 약물 전달시스템을 이용하여 piperlongumine(PL)의 암 세포 폐전이 표적 항암효과를 보고자 하였다. Piperlongumine는 인도 남부와 동남아시아에서 발견되는 고추 식물 (Piper longum)의 열매를 구성하는 천연 제품으로 GSTP1 유전자를 침묵시켜 항암활성을 가진다고 알려져 있다. 이러한 배경을 바탕으로 diselenide linkage를 갖는 산화-환원 반응 나노입자 (ChitoPGEse nanoparticle ; PL NP)를 합성하여 대장암 세포주인 CT26 세포의 폐전이에 대해 연구하였다. 합성한 ChitoPEGse nanoparticle의 약물 전달을 보고자 약물 담지량, pH의 변화 및 ROS 환경에서 확인한 결과 약물의 적은 담지량과 산성 환경 및 ROS 존재에서 나노입자가 터지면서 약물이 더 잘 전달되는 것이 확인되었다. CT26 마우스 대장암 및 A549 사람 폐암 세포주에 대한 PL 및 PL NP의 세포 독성을 알아 본 결과 약물의 농도의 증가에 따라 세포 생존 능력이 점차 감소하는 것으로 항암 활성을 확인하였다. 또한 세포사멸과 관련하여 1차원 전기영동 방법과 면역 형광법을 이용하여 caspase-3을 포함한 다양한 세포사멸 단백질들의 발현을 확인하였다. 또한 암 세포의 전이와 관련하여 약물을 처리 한 결과 PL 및 PLNP의 농도가 높아질수록 억제되는 것이 확인되었다. 동물실험에서는 대장암 세포주 CT26을 정맥 주사 한 후 암세포의 전이를 관찰한 결과 폐로 가장 많이 전이가 되었으며, 암 조직을 만든 후 약물을 처리 한 결과 대조군보다 약물처리 마우스에서 폐 조직이 정상 조직에 가깝게 형태를 이룬 것으로 항암제로써의 활성이 확인되었다. 결론적으로 PL, PL NP는 체외에서 암세포의 세포 사멸을 유도하였고, 체내에서는 대장암 세포에서 폐로 전이 된 암의 활성을 억제하는 역할을 하는 것으로 PL NP가 항암제로써의 유망한 후보로 제안한다.