【논문】 Smart 131I-Labeled Self-Illuminating Photosensitizers for Deep TumorTherapy

Guo, J., Feng, K., Wu, W., Ruan, Y., Liu, H., Han, X., ... & Sun, X. (2021). Smart 131I labeled self‐illuminating photosensitizers for deep tumor imaging guided therapy. Angewandte Chemie.¹

---

1. 개요

2. 결과

3. 한계

---

 

1. 개요

⑴ PDT(photodynamic therapy)

① 원리 : 빛을 받으면 PS(photosensitizer)가 활성산소(reactive oxygen species, ROS)를 방출하는 것을 이용

② 장점 : spatial selectivity와 temporal selectivity가 높아 각광받고 있음

③ 경우 1. 가시광선, 자외선 : 조직 투과도가 떨어짐

④ 경우 2. 적외선, X선 : 피부 부근의 손상이 우려

⑤ 경우 3. 외부 광원을 필요로 하지 않는 경우 

⑥ 3-1. bioluminescence 또는 chemiluminescence : 효소나 H₂O₂ 수치에 영향을 많이 받아 제어하기 어려움

⑦ 3-2. 체렌코프 방사(Cerenkov radiation, CR)를 이용하는 경우

○ PS와 radiopharmaceutical이 결합하지 않은 경우 : 효율성이 떨어짐

○ PS와 radiopharmaceutical이 결합한 경우 : phototoxicity와 safety issue가 있음 

⑵ ¹³¹I-sPS 시스템의 구성

① PPa(pyropheophorbide-a) : PS

○ 임상적으로 이용 가능한 PS

○ 400 nm에서 흡광도 피크를 가져 체렌코프 방사에 반응할 수 있음

② DPA(diisopropylamino group) : pH-sensitive group

③ ¹³¹I-labeled tyrosine group : CR donor 

④ PEG(polyethylene glycol) : 친수성이 강하기 때문에 소수성이 강한 나머지 부분과 함게 self-assemble 반응을 수행

⑶ ¹³¹I-sPS 시스템의 원리

 

Figure. 1. ¹³¹I-sPS 시스템의 원리

 

① 1^st. 합성 당시 소수성 상호작용에 의해 self-assemble 반응을 수행

② 2^nd. ¹³¹I는 PEG 등에 의해 가려져 ACQ(aggregation-caused quenchinig) : 정상 조직에 대한 phototoxicity가 낮음

③ 3^rd. ¹³¹I-sPS가 세포 내로 쌓인 뒤 낮은 pH 환경에 노출되면 DPA가 protonation됨

④ 4^th. disassembly : self-assemble 반응이 풀림

⑤ 5^th. 친수성 바깥 부분에 노출되었던 ¹³¹I에 의한 체렌코프 방사는 인접한 원자단에 의해 더 긴 파장으로 전환

○ 이를 CRET(Cerenkov radiation energy transfer)라고 함

⑥ 6^th. PS는 CRET를 흡수하고 ROS를 생성  

 

 

2. 결과

⑴ 일반 특성 평가

① TEM 결과

○ pH 7.4인 PBS에서 100.00 ± 5.32 nm

○ pH 5.4에서 disassembly가 잘 일어남을 보여줌 

② DLS 결과

○ hydrodynamic size를 본 결과 시간에 따라 안정하고 FBS에서도 안정하나 pH 6.5에도 disassembly

○ 계면활성제인 SDS를 첨가하자 hydrodynamic size가 크게 감소함 : 소수성 상호작용이 주된 메커니즘임을 밝힘

③ 흡광도 및 형광

○ 흡광도 : pH-independent. sPS의 화학적 구조가 보존됨을 보여줌

○ 660-700 nm 형광 : pH 낮아짐 → disassembly → PS가 노출됨 

 

Figure. 2. (참고) PPa의 흡광도와 형광²

 

④ SOSG(singlet oxygen sensor green)

○ ROS가 생성되면 510-560 nm 형광이 나타나는 키트

○ 405 nm 레이저 유무에 따른 510-560 nm 형광 : pH 낮아짐 → PS가 노출됨 → 레이저에 의해 ROS가 나타남

⑵ radiolabeling 특성 평가

① radio-HPLC 

○ radiochemical yield : 75.27 ± 2.46 %

○ radiochemical purity : 92.30 %

○ 다양한 용매에서 radiostability가 뛰어남

② 형태 및 광학적 특성 

○ radiolabeling은 형태나 광학적 특성을 변화시키지 않음 

③ radioisotope가 생성한 체렌코프 방사에 의한 SOSG 형광

○ pH가 낮아질수록 형광 세기가 세짐 

⑵ in vitro 실험

① in vitro 형광

○ pH 6.5 배지에서 4T1 세포를 키우고 pH 7.4 배지에서 L02 세포를 키운 뒤 형광 세기를 측정

○ pH 6.5 배지에서 키운 4T1 세포 배양용기에서 더 큰 형광이 관찰됨 

② MTT assay : 405 nm 레이저를 쏨

○ sPS : IC₅₀는 4T1 기준 1.0 mg/mL, L02 기준 8.0 mg/mL

○ "always-on" PS (DPA가 없음) : IC₅₀는 4T1 및 L02 모두에서 1.0 mg/mL로 관찰

○ "always-off" PS (DPA를 교체) : 세포 독성이 없음   

③ radioiodine labeling 후 퍼포먼스

○ ¹³¹I의 dose를 증가시키자 Na¹³¹I,  sPS와 달리 ¹³¹I-sPS의 세포 독성이 증가함

○ DCFH-DA(2,7-dichlorofluorescin diacetate) 반응 결과 ¹³¹I-sPS의 ROS 생성이 확인됨

○ γ-H2AX assay 결과 ROS에 의한 DNA 이중나선 결합의 파괴가 ¹³¹I-sPS에서만 관찰됨

○ CR이 레이저보다 약하지만 비슷한 세포 독성을 보인다는 사실은 주목할 만함 (∵ CR은 레이저와 달리 지속적) 

○ ¹³¹I-sPS의 cell uptake 효율은 4T1에서가 L02 세포에서보다 큼

○ 이는 4T1 세포에서 ¹³¹I-sPS의 protonation이 음하전을 띠는 세포막과 정전기적 결합을 했기 때문으로 여겨짐

○ 4T1 pH 6.5 ＞ 4T1 pH 7.4 ＞ ··· ＞ L02 pH 7.4 순으로 세포 독성이 강함 

○ 위 경향성은 Calcein-AM assay 및 PI(propidium iodide) assay 결과를 통해 뒷받침됨

○ DCF assay 결과 위 경향성은 ROS 때문인 것으로 여겨짐  

○ ¹³¹I-off-PS는 거의 세포 독성을 보이지 않음

○ ¹³¹I-on-PS는 4T1과 L02 세포 모두에 세포 독성을 보임 

⑶ subcutaneous in vivo 실험

① biodistribution

○ ¹³¹I-sPS로부터 떨어져 나온 ¹³¹I가 갑상선으로 가지 않아 뛰어난 radiostability를 엿볼 수 있음

② tumor volume, body weight 및 survival rate

○ ¹³¹I-sPS는 ¹³¹I-off-PS, Na¹³¹I, sPS에 비해 우월한 in vivo 퍼포먼스를 보여줌

○ 그러면서 body weight로 보건데 마우스에 큰 악영향을 주지 않음 

③ H&E 염색

○ ¹³¹I-sPS에 의한 염증이나 조직 손상이 관찰되지 않음 

⑷ orthotopic in vivo 실험 : deep tumor에 대한 치료 효과를 확인하기 위함

① ¹⁸F-FDG PET

○ VX2 tumor implant가 제대로 형성됨을 보여줌

② SPECT

○ ¹³¹I-sPS의 종양 내 섭취를 확인함

③ γ-counting

○ ¹³¹I-sPS의 종양 내 섭취를 확인함 

④ ¹⁸F-FDG PET에서 SUVmax 값의 조사

○ ¹³¹I-sPS의 종양 억제 효과를 보여주듯 SUV_max가 혼자만 작음

⑤ H&E 염색, Ki-67 면역 염색, TUNEL assay

○ ¹³¹I-sPS의 뛰어난 효과를 보여줌 

 

 

3. 한계

⑴ ¹³¹I-sPS, ¹³¹I-off-PS, Na¹³¹I, sPS를 넣었을 때 biodistribution의 차이를 보지 않음 

① pH-sensitivity가 tumor uptake에 영향을 줄 수도 있기 때문에 보았으면 좋았을 부분

⑵ orthotopic model을 왜 만들었는지에 대한 이유 소명이 부족함

⑶ 면역계 분석이 없음

⑷ cell uptake 전에 disassembly를 했을 가능성에 대한 고려가 필요함 

 

 

입력 : 2021.09.15 22:51

 

1. ⓒ Rights and Permissions : 텍스트 인용 사실 없음, 이미지 인용 사실 없음 (∵ 분자식은 저작권이 없음) [본문으로]
2. 출처 : https://www.researchgate.net/figure/Ultraviolet-visible-absorption-spectra-A-and-fluorescence-emission-spectra-B-of-Pa_fig5_312153602. ⓒ Rights and Permissions : Content Excluded [본문으로]