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Sustained delivery of oncolytic vaccinia virus via injectable polyacrylamide hydrogel for the treatment of advanced solid tumors

Title
Sustained delivery of oncolytic vaccinia virus via injectable polyacrylamide hydrogel for the treatment of advanced solid tumors
Other Titles
난치성 고형암 치료를 위한 주입형 폴리아크릴아마이드 하이드로겔을 이용한 항암 박시니아 바이러스의 서방출 시스템
Authors
이은희
Issue Date
2017
Department/Major
대학원 생명·약학부약학전공
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
이승진
Abstract
Oncolytic vaccinia virus (VV) has been studied for the treatment of advanced solid tumors such as hepatic, renal, and pancreatic cancer by intratumoral administration. In spite of numerous therapeutic advantages, oncolytic virotherapy has shown low efficacy because of short maintenance of viral activity and rapid clearance of the virus from tumor tissues into blood flow and surrounding normal tissues. Hence, there has been a growing need to introduce a new strategy for therapeutic delivery of vaccinia virus, which increases clinical safety and anticancer efficacy. Herein, we expected encapsulation of vaccinia virus within polyacrylamide (PAAm) hydrogel to result in sustained release and prolonged local retention of vaccinia virus, leading to enhanced antitumor efficacy and reduced systemic toxicity. Therefore, in this study, we developed PAAm gel based injectable depot system for anticancer virotherapy of vaccinia virus. For the improvement of injectabiliy of PAAm gel, we optimized the rheological properties of the gels by adjusting the degree of crosslinking and polymer concentration. We also confirmed that PAAm gel showed sustained release of Cy5.5-MSN as a model drug of vaccinia virus. Furthermore, real-time in vivo imaging demonstrated the intratumoral retention of Cy5.5-labeled PAAm gel and the localized and sustained release of Cy5.5-MSN from PAAm gel. After that, we demonstrated that the virus was released from PAAm gel in a sustained release manner, and showed significantly enhanced antitumor efficacy compared to naked vaccinia virus. In conclusion, injectable biocompatible PAAm gel has superior properties suitable for local intratumoral delivery of vaccinia virus, providing sustained release of vaccinia virus along with prolonged biological activity, and thus maximizing the therapeutic potential of vaccinia virus.;기존에는 대표적인 항암치료방법으로서 외과적 수술이나 방사능요법, 화학요법 등이 행해져 왔으나, 간암 또는 신장암, 췌장암과 같은 난치성 고형암의 경우 기존의 방법으로는 치료에 한계가 있었다. 1세대 세포독성항암제, 2세대 표적항암제에 이어 최근 암백신과 단일클론항체, 면역관문억제제, 항암바이러스 등 3세대 면역항암제가 난치성 고형암에 뛰어난 항암 효과를 나타낸다는 연구 결과가 다수 보고되고 있으며, 매년 시장 규모가 크게 확대되고 있다. 이에 따라 면역항암제가 기존 난치성 고형암 치료제를 보완 및 대체할 새로운 치료법이 될 것으로 전망되고 있다. 특히, 암세포를 선택적으로 감염 및 사멸시키도록 유전자를 재조합하여 개발한 박시니아 바이러스가 전세계 20여개국 간암 환자들을 대상으로 임상 3상시험 허가를 받으면서 암 치료의 새로운 패러다임으로서 주목을 받고 있다. 이는 전신 또는 국소 투여 제제로 개발되었으나, 전신 투여의 경우 암 조직으로 도달하는 약물의 양이 적고, 혈중 면역시스템의 공격에 의한 약물의 안정성 저하와 발열, 염증 반응 등 전신 부작용이 우려되어, 대부분의 임상 시험에서 암 조직에 국소 투여하는 방식으로 진행되어 왔다. 그러나 종양 내에 국소 투여하는 경우에도 약물이 투여 부위에 머무르지 못하고 주변 정상 조직으로 퍼지거나, 체내 약물의 생리학적 활성이 감소하여, 치료 부위에서 장기간 약효를 기대하기 어렵다는 한계점이 있다. 따라서 원하는 치료 효과를 얻기 위해서는 고용량의 약물을 여러 번 투여해야 하므로 시간적•경제적 부담이 크고 환자의 편의성이 다소 떨어진다. 이에 대한 해결 방안으로 치료 부위에 국한하여 약물을 서서히 방출하고, 외부의 면역시스템으로부터 약물을 보호해줄 서방형 약물전달시스템의 개발이 임상적으로 요구되고 있다. 일반적으로 임상에서 흔히 사용되고 있는 하이드로겔에는 폴리아크릴아마이드, 콜라겐, 히알루론산, 알긴산, 그리고 키토산 등이 있다. 연구 결과 콜라겐과 알긴산, 키토산은 생체적합성이 비교적 낮고 체내 주입 시 독성을 나타낼 수 있다고 보고되고 있다. 히알루론산은 생체적합성은 높으나 점탄성과 부착성이 떨어진다. 반면, 폴리아크릴아마이드의 경우 높은 수팽윤성과 생체 조직에 대한 뛰어난 부착성과 인해 투여 부위에 장기간 머물러 있으면서, 봉입한 약물을 서방출하여 국소적으로 약효를 나타내게 할 뿐만 아니라, 약물을 내부에 봉입함으로써 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 할 것이라는 가정 하에 본 연구를 진행하였다. 폴리아크릴아마이드 하이드로겔의 생체적합성을 확보하기 위해 독성이 있다고 알려진 잔류 아크릴아마이드 단량체를 질소 가압 하에 초미세여과장치를 이용하여 제거하였으며, 단량체와 가교제 간의 비율 및 고분자 농도 조절을 통해 주사 가능한 하이드로겔을 위한 최적 조건을 확립하였다. 박시니아 바이러스의 항암 치료 효과를 극대화하기 위해서는 외부 환경으로부터 바이러스를 보호하여 면역반응에 의한 소실을 회피하고 체내 안정성을 제고하는 것이 필수적이다. 또한 약물의 분포를 암 조직에 국한시킴으로써, 주변 정상 조직에는 영향을 미치지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 확인하기 위해 바이러스와 크기가 유사한 기공성 실리카 나노입자 (평균 직경: 200 나노미터)와 폴리아크릴아미이드 하이드로겔에 Cy5.5 형광물질 수식 후 피하 종양 마우스 모델에 투여하여 체내 분포를 관찰하였다. 하이드로겔이 주변 조직으로 퍼지거나 흡수 또는 분해가 거의 일어나지 않고 종양 부위에서 장기간 유지되는 것을 확인하였다. 또한 나노입자 단독으로 투여한 경우 주변 조직으로 빠르게 분포 후 소실되는 반면, 하이드로겔 내부에 봉입한 나노입자의 경우, 오랜 기간 종양 내에 국한하여 잔존함을 확인하였다. 이후 실제 박시니아 바이러스를 이용하여 정량 시험을 통해 바이러스가 하이드로겔로부터 조절 방출됨을 확인하였고, 세포 실험 및 동물 실험을 통해 박시니아 바이러스 단독 투여 대비 하이드로겔 기반 약물전달시스템의 우수한 항암 치료 효과를 증명하였다. 이번 연구를 통해 폴리아크릴아마이드 하이드로겔은 외부 환경으로부터 바이러스를 보호하여, 일정 기간 바이러스의 안정성을 유지시켜줄 뿐만 아니라, 종양 부위에 국한하여 바이러스를 시간에 따라 서방출함으로써 장기간 약효를 지속시키고 치료 효과를 극대화함 증명하였다. 결과적으로, 폴리아크릴아마이드 하이드로겔 기반 박시니아 바이러스 약물전달시스템은 기존의 박시니아 바이러스 단독 치료법의 한계점을 보완 및 개선해 줄 차세대 난치성 고형암의 치료제로서의 개발 가능성을 시사해 준다.
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일반대학원 > 생명·약학부 > Theses_Master
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