[보고서]에어로졸 나노 캡슐화 공정 기반 흑린 나노입자 제조 및 이를 활용한 광열-항암면역 병용 치료

김종오

에어로졸 나노 캡슐화 공정 기반 흑린 나노입자 제조 및 이를 활용한 광열-항암면역 병용 치료
Development of Aerosol process-based Black Phosphorus Nanoparticle and its application in Combinatorial Photothermal and Immuno Cancer Therapy 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	영남대학교 YeungNam University
연구책임자	김종오
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2021-03
과제시작연도	2020
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202100017784
과제고유번호	1711111674
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2022-03-19
키워드	흑린.에어로졸.나노 캡슐화.나노의약품.항암면역.black phosphorus.aerosol.nano encapsulation.nanomedicine.immuno cancer therapy.

초록 ▼

□ 연구개요
생분해성/생체적합성 신소재로서 극박막/나노 “흑린(black phosphorus)”을 제조하고, 이를 활용한 나노의약품 구현을 위한 에어로졸 나노 캡슐화 공정을 개발하여, 나노의약품의 크기, 형상, 조성 및 표면특성을 제어할 수 있는 플랫폼 기술을 도출하고, 생체내/외 모델을 통한 실험을 통해 광열-항암면역 병용 치료에 유효성 확인하는 것을 최종 목표로 하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
<1차년도>
1) 극박막/나노 흑린의 제조 및 최적화: 100%
- 생분해성/생체적합성 나노복합소재로서 극박막/나노 크기의 흑린의 제조
- 공정변수로서 초음파, 기체유량, 단극성 대전의 조건 최적화
2) 에어로졸 기반 나노 캡슐화 공정 개발 및 플랫폼 구현: 100%
- 에어로졸 기반 나노 캡슐화 공정 개발
- 입자크기, 형상, 조성 및 표면 특성 제어를 위한 공정변수 연구
<2차년도>
1) 에어로졸 나노 캡슐화 공정기반 유-무기 흑린 나노입자 제조 및 최적화: 100%
- 흑린 함유 유-무기 나노입자의 물리화학적 특성 평가
- 약물 선정 및 약물 탑재, 약물 봉입 효율 평가 및 pH에 따른 약물 방출거동 확인, 표적 리간드 부착을 통한 나노전달체 개발
- 에어로졸 나노 캡슐화 공정 최적화
2) 제조된 유-무기 나노입자의 임상 적용 가능성 확보에 기초가 되는 in vitro 세포모델에서 효능 평가: 100%
- 다양한 암세포주에서 CTLA-4, PD-1/PD-L1 등 면역체크포인트 단백질 발현 분석 및 확인
- In vitro 세포모델에서 나노입자의 광열-항암면역 효과 연구
- T 세포와 암세포주와의 in vitro co-culture 조건 확립 및 항암 효과 검증
<3차년도>
1) 개발된 나노입자의 동물모델 적용을 통한 전임상/임상 연구기반의 구축: 100%
- in vivo 동물 모델에서 광열-항암면역 효능 검증 및 독성 연구
- in vivo 분자 영상시스템을 통한 제형의 체내동태 및 분포
- in vivo 면역반응 및 독성 평가
- in vivo 분자 영상시스템을 통한 제형의 종양 표적능 평가
- 용량최적화 및 임상적용 가능성 평가
2) 양산화 및 적용 약물/질환 확대 연구: 100%
- 에어로졸 나노 캡슐화 공정기반 유-무기 흑린 나노입자 제조 양산화 연구
- 적용 약물 및 질환 확대 응용 연구

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
- 흑린은 생분해성과 생체적합성을 가지고 있어 광열 소재 및 약물전달 소재로 활용 가능성이 크며, 나노 기술을 이용하여 미해결된 문제점들을 개선하여 상승적 융합치료에 응용될 수 있고, 향후 중개 연구를 통해 임상적용도 가능.
- 기존 액상화학방식을 개선한 확산 가능한 나노의약품 제조 플랫폼 기술이 확보가 능하고, 이러한 에어로졸 나노 캡슐화 공정 기술 연구를 통해 효율적인 약물봉입 및 전달이 가능하며, 나노의약품 개발에 필요한 생산 시스템 개발을 위한 원천기술로 제공 가능함.
- 항암면역활성을 보유한 약물 또는 항체 등을 탑재한 광열치료 유-무기 흑린 나노입자를 종양조직에 전달하여 광열항암치료와 동시에 T세포를 직간접적으로 자극하는 새로운 치료 전략을 제시함.
- 면역요법, 항암화학제와 함께 치료하는 병용치료를 통해 암치료 효과를 극대화 시킬 수 있고, 기존의 항암화학제의 용량을 낮춤에 따라 부작용을 낮추고 완치의 가능성을 제시하는 연구가 될 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
가. 흑린(Black Phosphorus) ... 4
나. 에어로졸 나노 캡슐화 공정 플랫폼 ... 4
다. 기존 항암요법의 한계점 및 광열-항암면역 병용치료의 필요성 ... 4
라. 연구 목표 ... 5
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
가. 극박막/나노 흑린의 제조 및 에어로졸 기반 나노 캡슐화 공정 개발 ... 5
나. 에어로졸 나노 캡슐화 공정 기반 항암제 함유 나노입자의 제조 및 평가 ... 6
다. 세포내 작용기전 및 in vitro 광열-항암면역 효과 평가 ... 6
라. in vivo 광열-항암면역효과 평가 ... 6
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
3) 목표 달성 수준 ... 16
4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
6. 참고문헌 ... 17
[붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
[붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
끝페이지 ... 39

표/그림 (20)

표 흑린 연구에 있어 해결해야하는 문제점 (a) Thickness control and (b) Air stability
표 흑린 나노시트 제조 과정
표 흑린 나노시트(BP)에 다른 농도의 cF를 로딩한 후 입자 크기, 제타 전위(A) 및 다분산지수 (polydispersity index, PDI) (B)
표 흑린 나노시트(BP)에 다른 농도의 D를 로딩한 후 흑린 용액의 색상 변화(A), 자외선-적외선(UV-vis) 스펙트럼 변화(B) 및 로딩 용량(C)을 확인한 결과
표 흑린 나노시트(BP)에 독소루비신(BP-D); 또는 독소루비신, 키토산-PEG, siRNA 및 엽산을 각각 로딩한 후 자외선-적외선 스펙트럼 변화(A), 로딩 용량(B)의 변화, 입자 크기와 제타 전위(C), BP-DcF와 sPL의 결합 비율(D)
표 BP-DcF@sPL의 투과전자현미경 (TEM) 이미지 (A), 유체역학적 크기 분포 그래프(B). C: 흑린 나노시트의 원자간력 현미경 이미지(상단)과 주사 터널링 현미경 이미지(하단)
표 흑린 나노시트(BP)에 DcF@sPL이 로딩되는지 여부를 각각 푸리에 변환 적외선 분광기(A), X-선회절 분석기(B) 및 에너지-분산형 X-선 분광(C)으로 확인한 결과
표 다른 농도의 BP-DcF@sPL에 근적외선을 조사한 후 온도 변화(A), 흑린 나노시트(BP), BP-DcF 및 BP-DcF@sPL에 근적외선을 조사했을 때 온도 변화(B), 상이한 pH 조건에서 BP-DcF@sPL로부터 독소루비신 방출 정도(C)
표 Cytotoxicity and uptake of BP-DcF@sPL in different cell lines. (A–C) Cytotoxicity profiles of BP-DcF@sPL with and without NIR irradiation (808 nm, 3.0 W/cm2,5min) in HCT116, HT29, and MC-38 cells. n= 6)
표 Confocal images and FACS analysis of the cells incubated with BP-DcF@sPL with and without F pretreatment
표 PL gene silencing and expression analyses in HCT116, HT29 and MC-38 cells after treatment with BP-DcF@sPL
표 (A) ROS generation and (B) live/dead of MC-38 cells after incubation with BP-DcF@sPL with and without F treatment, including PBS, D, and BP-Dc for comparison purposes in the absence and presence of NIR irradiation (808 nm, 1.5 W/cm2,5min, N = 3)
표 Apoptosis assays of MC-38 cells after incubation with BP-DcF@sPL with and without F treatmen (808 nm, 1.5 W/cm2,5min, N = 3)
표 Co-culture approach in a Transwell system and intracellular uptake of BP-Dc@s with and without F. (A) Schematic of the co-culture of MC-38 and CD8+ T cells to simulate the tumor microenvironment. Competitive uptake of MC-38 (B), CD8+ T (C), dendritic (D), and RAW264.7 (E) cells in the co-culture system for 6 h of incubation with BP-Dc@s and BP-DcF@s
표 (A) Percentage hemolysis of RBCs at different concentrations of BP andBP-DcF@sPL. (B, C) In vivo biodistributions and corresponding fluorescence intensities of Cy5.5 labeled BP-Dc@s (i.e., without F) and BP-DcF@s (i.e., with F) at 0, 12, and 24 h post-injection (N = 6). (D, E) Fluorescence intensities and corresponding ex vivo biodistributions of Cy5.5 labeled BP-Dc@s (i.e., without F) and BP-DcF@s (i.e., with F) in heart, liver, spleen, lung, kidney, and tumor 24 h post-injection (N = 6). (F, G) Photothermal contours and corresponding temperature elevation profiles in the tumor region of MC-38 tumor-bearing mice treated with Cy5.5-labeled BP-Dc@s (i.e., without F) and BP-DcF@s (i.e., with F), including PBS for comparison purposes under NIR irraidation (808 nm, 1.5 W/cm2,5min)
표 Antitumor T cell and apoptotic responses in the tumor microenvironment of MC-38 tumor-bearing mice after treatments with BP-DcF and BP-DcF@sPL in the absence and presence of NIR irradiation, including individual PBS, NIR, and D with BP-DcF+aPL (in the presence of NIR) for comparison purposes (N = 6 for each group, **p < 0.01, ***p < 0.001). (A, B) FACS analysis of the percentages of matured DCs (characterized by CD11c+ CD86+) and activated CD8+ T cells (characterized by CD8+ CD69+). (C) ELISA analyses to determine TNF-α expression levels. (D–G) DCFDA-specific ROS generation (forward scatter, FSC), PL expression, IFN-γ-specific CD8+ T cells, and annexin V/PI staining-specific apoptotic tumor cell levels
표 Potent therapeutic efficacies of BP-DcF and BP-DcF@sPL in the absence and presence of NIR irradiation, including individual PBS, NIR, and D with BP-DcF+aPL (in the presence of NIR) for comparison purposes against MC-38 tumor via monitoring of tumor volume, body weight, and survival rate (N = 6 for each group, **p < 0.01, ***p < 0.001), as well as performing immuno-histochemical and histopathological staining. (A) Schematic of the therapy regimen. The sample injections were performed and continued at days 10, 13, 16, 19, 22, and 25 when the tumor size reached 100 mm3. The NIR irradiation (808 nm, 1.5 W/cm2, 5 min) was applied at 8 h after each injection. (B, C) Average tumor volumes and body weights of the treated mice. (D) Percentages of surviving mice with different treatments. (E) Representative optical microscope images of tumor sections showing H&E staining and levels of CD4+, CD8+, Ki-67, CD31, and necrosis after the treatments. Scale bar, 120 μm
표 Histomorphometrical analysis of tumor mass, taken from MC-38 colon adenocarcinoma cell-allograft mice. 대조군(G1): PBS 투여; G2=NIR 조사군; G3=D 단독 투여군; G4=BP-DcF 투여군(NIR 비조사); G5=BP-DcF 투여군(NIR 조사); G6=BP-DcF@sPL 투여군(NIR 비조사) 및; G7=BPDcF@sPL 투여군(NIR 조사); 및 G8=BP-DCF+aPL 투여군(NIR 조사)
표 (A) Histopathological observations in heart, liver, spleen, lungs, and kidneys collected from mice treated with BP-DcF and BP-DcF@sPL in the absence and presence of NIR irradiation, including individual PBS, NIR, and D with BP-DcF+aPL (in the presence of NIR) for comparison purposes. (B) Digital images of HCT116 tumor-bearing Balb/c nude mice treated with BP-DcF and BP-DcF@sPL in the absence and presence of NIR irradiation, including individual PBS, NIR, and D for comparison purposes
표 Potent therapeutic efficacies of BP-DcF and BP-DcF@sPL in the absence and presence of NIR irradiation, including individual PBS, NIR, and D for comparison purposes against HCT-116 tumor via the monitoring of tumor volume, body weight, and survival rate (N = 6 for each group, **p < 0.01, ***p < 0.001). The sample injections were performed and continued on days 10, 13, 16, 19, 22, and 25 when the tumor size reached 100 mm3. The NIR irradiation (808 nm, 1.5 W/cm2, 5 min) was applied 8 h after each injection. (A, B) Average tumor volumes and body weights of the treated mice. (C) Percentages of surviving mice with different treatments

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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