Theranostic Functions of Radioisotope Labeled Layered Double Hydroxide

Abstract

In nanomedicine, 2-dimesional (2D) inorganic nanoparticles, also called layered nanomaterials, have been attracted due to their high specific surface areas and ion exchangeable properties as well as anisotropic physicochemical ones for bio-applications such as anticancer drug, and/or bio-functional molecule delivery, imaging, biosensor, tissue engineering, etc. Among 2D nanomaterials, layered double hydroxide (LDH), also well known as hydrotalcite, has tremendously explored in nanomedicine due to controllable drug/gene loading capacity, its high biocompatibility, and enhanced cellular permeability. In fact, Choy’s group developed, for the first time, new bioinorganic nanomaterial based on LDH as a new gene reservoir in 1999, and also served a promising potential of 2D LDH as a delivery carrier of bio-functional molecules. A bio-functional LDH nanoparticles with magnetic, electric, or spectroscopic properties are intercalated into its interlayer spacing for therapy and imaging of diseases, via varying intercalation routes; coprecipitation, ion-exchange, calcination-reconstruction, and exfoliation-reassembling. Furthermore, a wide range of the stoichiometric coefficient (x) value of LDH makes possible varying isomorphic layered materials with chemical composition. And thus isomorphic LDHs controlled by a stoichiometric coefficient value are manipulated to create new types of functional ones as intact. For example, LDH consisted of magnetic elements such as Gd, Fe and Mn, or optical ones such as Y, Eu, and Dy, can serve magnetic and/or optical functions itself. In this point of view, new applications of LDH were explored in the field of nanomedicine. At first, in Chapter I, nuclear medicine and piezoelectric effect were shortly introduced to newly apply LDH, one of 2D inorganic nanoparticles. In nuclear medicine, specific substances with radioactive can be used to diagnose and/or treat disease. Among them, some radioisotopes, such as 18F, 99mTc, 64Cu, 89Zr, etc., were addressed to apply as imagining and diagnostic agents, which can be visualized opaque tissues in the body using single photon emission computed tomography (SPECT), positron emission tomography (PET), and gamma camera, and therapeutic radioisotopes were also introduced. Herein, a concept was suggested how to apply LDH in this field of nuclear medicine. Furthermore, piezoelectric effect, which is a phenomenon to generate electric energy by mechanical stress, was shortly described for the applications of LDH as an implantable medical device such as a pacemaker, and a cardioverter defibrillator. In Chapter II, biocompatible and stable 64Cu-LDH as a PET imaging nanoparticle for systemic delivery was successfully prepared by co-precipitation and hydrothermal method. The 64Cu-LDH with lamella structure and plate-like morphology showed very high labeling efficiency and stability. Small animal PET studies of the 64Cu-LDH were performed in MDA-MB-231 xenograft model, and its biodistribution was visualized after PET scan. And an enhance tumor uptake efficiency was showed in mice treated with the 64Cu-LDH covered with bovine serum albumin (BSA). In Chapter III, nanoplatform, based on layered double hydroxide (LDH) with radioisotope, fluorescent, and folic acid (FA), was developed for theranosis. Both of 64Cu and 177Lu radioisotopes were incorporated into the octahedral site of LDH lattice by co-precipitation and subsequent hydrothermal treatment reaction in one-pot process, and very high labeling efficiency and chemical stability were observed. The colony-formation was inhibited by ~60% upon treating with 177Lu-LDH compared to the control groups, and was further reduced than forward group upon treating with 177Lu-LDH-FA. In addition, the 64Cu radioisotope-labeled LDH nanoparticles could be resulted in excellent PET and fluorescence images. In Chapter VI, to develop a novel radio-therapeutic system based on 90Y, we have prepared nonradioactive Y3+ incorporated layered double hydroxide (Y-LDH) as the proof of concept. The as-prepared Y-LDH was determined to have an average size of ~100 nm with a plate-like morphology, and their cellular uptake efficiency and cytotoxicity were demonstrated in in-vitro system to apply as a radiotherapeutic nanomaterial. In Chapter V provides the overall conclusion of these works and further perspective for the enhanced theranosis of 2D LDH materials in nanomedicine. Finally, Appendix I as a special session for piezoelectricity, Y3+ cations were incorporated in the octahedral site of LDH lattice, and its solid solution limit was determined from the Rietveld profiling. The crystal lattice of LDH was expanded along the crystallographic a- and c-axes with an increasing Y3+ content. From the FT-IR and Raman spectra, we found symmetry change of CO32- ions from D3h to C2v due to lattice distortion resulting from the partial substitution of larger Y3+ ions into the LDH lattice. To better understand for the symmetry change of interlayer ions by isomorphous substitution of Y3+ in LDH lattice, its geometry was optimized using the DFT calculation. In addition, piezoelectric device containing Y-LDH was developed and its piezoelectric effect was demonstrated as an implantable medical device such as a pacemaker in nanomedicine.;나노의학에서 나노층상물질이라고부 불리우는 2차원 무기 나노입자들은 이방성의 물리화학적 특성뿐만 아니라, 높은 표면적과 이온교환능력을 보유하고 있어 약물 혹은 바이오기능성 물질 전달, 영상, 바이오센서, 조직공학과 같은 바이오응용분야에서 관심을 받아왔다. 2차원 나노물질 중에서, hydrotalcite로 잘 알려진 금속이중층수산화물(LDH)은 높은 생체적합성, 조절가능한 약물/유전자 담지능력, 그리고 향상된 세포 투과성의 특징들 때문에 나노의학에서 매우 높은 주목을 받아왔다. 특히, Choy 그룹은 1999년, 세계최초로 LDH 입자 내에 유전자를 저장되어 있는 새로운 형태의 바이오무기 나노입자들을 개발한 바 있으며, 이는 2차원 구조의 LDH가 바이오기능성 물질 전달체로써의 가능성을 제공하는 기회가 되었다. LDH 층간 안에 자성, 전기적, 또는 분광학적 특성을 이용하여 치료와 영상이 가능한 기능성 물질들을 담지된 LDH 나노입자는 공칩, 이온교환, 소성-복원, 그리고 박리-재조립과 같이 다양한 담지 방법을 통해 준비할 수 있다. 더군다나, 다양한 이론적 계수값을 가지는 LDH는 다양한 화학조성의 LDH나 이방성의 층간 물질들의 조합을 가능하게 한다. 그리고 이론적 계수값에 의해 조절된 이방성의 LDH는 그자체로 기능을 가지는 새로운 물질을 창조할 수 있다. 예를 들어 Fe, Mn, 그리고 Gd의 자성원소들이나 Y, Eu, 그리고 Dy과 같은 분광학적 월소들로 구성된 LDH는 그자체로 자성 특성 혹은 분광학적 특성을 제공할 수 있다. 이러한 관점에서, 본 연구에서는 핵의학 분야에서 치료나 영상기능을 가지는 금속계 방사성동위원소를 포함하는 LDH에 대한 탐구에 초점을 맞추었다. 첫번째로, 제 I장에서는 2차원 무기 나노입자들의 한 종류인 LDH를 새로운 분야에 응용하기 위해서 핵의학과 압전효과에 대해서 간략이 소개하였다. 핵의학에서, 방사성특징을 가지는 물질들은 질병을 진단하고 치료하기 위해 사용할 수 있다. 그 중에 18F, 99mTc, 64Cu, 89Zr 와 같은 일부 방사성동위원소들은 단일 광자 방출 촬영기법, 양전자 방출 촬영기법 그리고 감마카메라를 이용하여 몸속에 보이지 않는 조직들까지 영상화할 수 있는 영상 및 진단 물질로써 기술하고, 또한 치료특성의 방사성동위원소들 역시 소개하였다. 또한 여기서, 핵의학분야에서 LDH를 어떻게 적용할 수 있을지 컨셉을 제안하였다. 더나아가, 기계적인 자극에 의해 전기에너지가 생성되는 현상인 압전효과를 이용하여 삽입형 의학 장치로써 LDH를 적용에 대해서도 간략히 기술하였다. 제 II장에서는 체계적인 전달을 위한 PET 영상 나노입자로써 생체친화적이고 안정한 64Cu-LDH를 공칩 및 고온합성법으로 준비하였다. 판상형태의 라멜라 구조의 64Cu-LDH는 매우 높은 64Cu 표지효율 및 표지안정성을 보여주었다. 제노그라프트 마우스 모델에서, 64Cu-LDH의 소동물 PET 영상 연구를 수행하였고, 그의 생체내분포는 PET 스캔을 통하여 시각화하였다. 또한, BSA로 코팅된 64Cu-LDH는 향상된 암 침투 효과를 보여주었다. 제 III장에서는 테라노시스를 위하여, 방사성동위원소, 형광체, 엽산을 가지고 있는 LDH 기반 나노프렛폼을 개발에 대한 내용을 다루었다. 64Cu와 177Lu 방사성 동위원소는 원-팟 프로세스로 공침 및 수열합성을 통하여 LDH 격자내 팔면체 자리에 담지하였고, 매우 높은 표지 효율과 화학안정성이 확인되었다. 177Lu-LDH를 처치한 그룹에서의 콜로니 형성은 컨트로 그룹과 비교하여 ~60% 가까이 억제되었고, 177Lu-LDH-FA를 처치한 그룹에서는 콜로니 형성이 더 감소되는 것을 확인하였다. 64Cu표지된 LDH 나노입자들은 우수한 PET과 형광 영상 결과를 얻었다. 제 IV장에서는 방사성동위원소 90Y을 LDH에 담지하여 방사성치료물질로 개발하고자 개념증명으로 Y을 LDH 격자내에 담지된 Y-LDH를 개발하였다. 준비된 Y-LDH는 100nm 크기의 판상형구조를 가지는 것을 확인하였고, 방사성치료용 나노물질로써 적용하기 위하여 세포수준에서 세포내 침투 효과 및 독성 평가도 진행하였다. 제 V장에서는 이러한 연구의 전반적인 결론과 나노의학에서 2D LDH 물질의 향상된 치료를 할 수 있는 추가적인 논의를 기술하였다. 마지막으로, 유첨 I장에서는 특별세션으로 공침 및 고온합성법으로 무극성의 LDH에 yttrium을 LDH의 팔면체 중심자리에 위치된 Y-LDH를 준비하였고, 그의 솔리드 솔루션 한계는 리트벨드 프로파일링으로 결정하였다. LDH의 크리스탈 격자는 Y양이 증가할수록 a- 그리고 c-축 방향으로 확장되는 경향을 보였다. FT-IR 및 Raman 분석 결과, LDH 격자내에 Y이 부분 치환되어 격자 찌그러짐 현상 때문에 층간의 CO32- 이온이 D3h에서 C2v로 대칭성이 변화하는 것을 발견하였다. 이를 좀 더 이해하기 위해서 DFT 계산을 통한 지오메트리 최적화를 시도하였다. 또한, 나노의학에서 페이스메이커와 같은 삽입형 의학장치로의 적욯해보고자 Y-LDH를 포함하는 압전장치를 개발하고 그것의 압전효과를 평가하였다.