Synchronous Disintegration of Ferroptosis Defense Axis via Engineered Exosome-Conjugated Magnetic Nanoparticles for Glioblastoma Therapy

1.논문 제목: Synchronous Disintegration of Ferroptosis Defense Axis via Engineered Exosome-Conjugated Magnetic Nanoparticles for Glioblastoma Therapy

2.저자명: Boyan Li, Xin Chen, J. Dong, S. Zhang, W. Qin, R. Zhang, Z. Peng, S. Zhang, Q. Guo, Y. Qin, W. Wang, L. Deng, S. Nie, Y. Sun, H. Xu, H. Li, G. Liu

3.Publish: Advanced Science, 2022

4.DOI: 10.1002/advs.202105451

5.Abstract: GBM은 높은 악성도와 BBB로 인해 약물이 종양에 효과적으로 전달되기 어렵다. 또한 페롭토시스를 이용한 치료에서도 암세포가 여러 방어기전을 통해 페롭토시스를 회피할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 GPX4와 DHODH를 동시에 억제하는 약물전달 시스템을 개발하였다. DHODH 억제제인 BQR은 Fe₃O₄@mSiO₂ 자기 나노입자에 탑재하고, GPX4 억제를 위한 siGPX4는 hMSC 유래 엑소좀에 탑재하였다. 엑소좀 표면에는 Angiopep-2를 도입하여 BBB 투과와 GBM 세포 유입을 증가시켰으며, 자기장을 이용해 종양 부위로의 전달을 강화하였다. 그 결과 페롭토시스가 효과적으로 유도되었고 GBM 종양 성장이 억제되었다

6.한글 초록 요약: 본 연구에서는 GBM의 치료효과를 높이기 위해 페롭토시스 방어축을 동시에 붕괴시키는 나노 약물전달 시스템을 개발하였다. BQR은 Fe₃O₄@mSiO₂ 자기 나노입자에 탑재하여 DHODH를 억제하고, siGPX4는 hMSC 유래 엑소좀에 탑재하여 GPX4를 억제하였다. 또한 엑소좀에 Angiopep-2를 도입하여 LRP1을 통한 BBB 통과 및 GBM 세포 유입을 증가시켰으며, 외부 자기장을 이용하여 종양 부위에 약물을 집중시켰다. 두 방어기전을 동시에 억제한 결과 Fe²⁺와 ROS 및 지질과산화가 증가하면서 페롭토시스가 강하게 유도되었고, 동물실험에서도 종양 성장 억제와 생존율 향상을 확인하였다.

7.한글 논문 요약

7-1) Introduction: GBM은 매우 공격적인 뇌종양으로 현재 치료법을 사용하더라도 재발 가능성이 높고 생존율이 낮다. 특히 BBB가 대부분의 치료약물이 뇌 조직으로 이동하는 것을 제한하기 때문에 효과적인 약물전달이 중요한 문제이다. 최근에는 철 의존성 세포사멸인 페롭토시스(ferroptosis)를 이용한 새로운 항암전략이 주목받고 있다. 하지만 암세포에는 페롭토시스를 억제하는 여러 방어 시스템이 존재하며, 대표적으로 GPX4와 DHODH가 서로 보완적으로 작용한다. 따라서 하나의 방어기전만 억제하는 것보다 두 경로를 동시에 차단하는 전략이 필요하다. 본 연구에서는 BQR을 이용해 DHODH를 억제하고 siGPX4를 이용해 GPX4를 억제하는 동시에, ANG가 도입된 엑소좀과 자기 나노입자를 이용하여 BBB를 극복하고 GBM으로 약물을 전달하고자 하였다.

7-2) Method: 먼저 Fe₃O₄@mSiO₂ magnetic nanoparticles(MNP)를 제작하고 표면에 anti-CD63 항체를 결합하였다. 이후 DHODH 억제제인 BQR을 MNP에 탑재하였다. 별도로 hMSC의 배양액에서 엑소좀을 분리한 뒤, Lamp2b를 이용하여 엑소좀 표면에 Angiopep-2(ANG)를 발현시켰다. ANG는 BBB에서 LRP1과 상호작용하여 BBB 투과를 증가시키는 역할을 한다. 이후 siGPX4를 엑소좀에 electroporation으로 탑재하고, anti-CD63과 엑소좀의 결합을 이용하여 MNP와 엑소좀을 연결하였다. 완성된 MNP@BQR@ANG-EXO-siGPX4의 특성을 확인하고 A172, LN229 GBM 세포에서 세포 유입, ROS, Fe²⁺, MDA, 4-HNE 및 GPX4/DHODH 발현을 분석하였다. 또한 LN229 orthotopic GBM 마우스 모델에서 자기장을 적용하여 종양 성장과 생존율을 평가하였다.

7-3) Result:

7-3-1) 전달체 제작 및 특성 확인 : 먼저 Fe₃O₄@mSiO₂ 기반의 magnetic nanoparticle(MNP)을 제작하고, BQR을 탑재하였다. 또한 hMSC에서 엑소좀을 분리한 후 Lamp2b를 이용하여 엑소좀 표면에 Angiopep-2(ANG)를 도입하고, siGPX4를 엑소좀 내부에 탑재하였다. 이후 MNP와 ANG-EXO-siGPX4를 결합하여 최종적으로 MNP@BQR@ANG-EXO-siGPX4 복합체를 제작하였다. 엑소좀의 CD9, CD81, TSG101 등의 marker와 TEM 분석을 통해 엑소좀의 특성을 확인하였으며, 형광 분석과 TEM을 통해 MNP와 엑소좀의 결합도 확인하였다.

7-3-2) ANG 및 자기장을 이용한 표적 전달 : 제작한 ANG-EXO가 실제로 GBM 세포에 효과적으로 전달되는지 확인하기 위해 A172와 LN229 세포를 이용하였다. ANG를 표면에 도입한 엑소좀은 일반 엑소좀보다 세포 내 uptake가 증가하였으며, 이는 ANG가 LRP1을 이용하여 BBB 통과 및 종양세포 uptake를 증가시키기 때문으로 제시되었다. 또한 MNP의 자기적 특성을 이용하여 외부 자기장을 적용한 결과, 복합체의 뇌 및 종양 부위 축적이 더욱 증가하였다.

7-3-3) GPX4와 DHODH를 동시에 억제하여 페롭토시스 유도 : 다음으로 복합체가 실제로 페롭토시스를 유도하는지 확인하였다. BQR은 DHODH를 억제하고, 엑소좀에 탑재된 siGPX4는 GPX4 발현을 감소시켜 서로 다른 페롭토시스 방어 시스템을 동시에 차단하였다. 그 결과 복합체 처리군에서 lipid peroxidation의 지표인 MDA와 4-HNE가 증가하고, 세포 내 ROS와 Fe²⁺가 증가하는 반면 GSH는 감소하였다. 특히 BQR과 siGPX4를 동시에 전달한 최종 복합체에서 가장 강한 변화가 나타나, 두 방어축을 동시에 억제하는 것이 효과적인 페롭토시스 유도에 중요함을 확인하였다.

7-3-4) In vivo에서 항종양 효과 확인 : 마지막으로 LN229 orthotopic GBM mouse model을 이용하여 치료 효과를 평가하였다. 최종 복합체인 MNP@BQR@ANG-EXO-siGPX4를 투여한 군에서 다른 단독 또는 부분 조합 치료군보다 종양 성장 억제가 가장 크게 나타났으며, 생존기간도 가장 연장되었다. 종양 조직 분석에서도 4-HNE 증가와 GPX4 및 DHODH 감소가 확인되어, in vivo에서도 페롭토시스가 실제로 유도되었음을 확인하였다. 또한 치료 기간 동안 유의한 체중 감소가 나타나지 않았고, 주요 장기의 H&E 분석 및 혈액·혈청 생화학 분석에서도 뚜렷한 독성이 관찰되지 않았다.

8.대표 Figure