High-Dose Treatment of Pro-Apoptotic Doxorubicin Prodrug Liposome for Pancreatic Cancer Therapy

Abstract

Pancreatic cancer poses difficulties in early diagnosis and surgery due to its deep location. Also, metastasis of pancreatic cancer to the peritoneal cavity is common. the only viable treatment option for most patients diagnosed with metastasis is chemotherapy. For these reasons, drug therapy plays a crucial role. However, drug resistance and toxicity of chemodrugs are significant issues. Specifically, Doxorubicin (DOX), a first-generation chemotherapy drug, lacks specificity in targeting, leading to drug resistance and various off-target toxicities such as those affecting the heart and spleen. It makes high-dose drug treatment impossible.To address these shortcomings, we propose a liposomal nanoparticle formulation of Doxorubicin prodrug designed to be cleaved at the FRRL site by the enzyme cathepsin B (cat B), releasing free DOX and SMAC peptide. Previous studies have indicated that cat B is verexpressed in tumors compared to normal tissue, enhancing the tumor-suppressing effects of these drugs while reducing toxicity. Also, SMAC peptide decreases drug resistance by interacting with cIAPs as an anti-apoptotic factor. Additionally, we developed a PEGylated liposome formulation to improve bioavailability in the body, known as “SLL.”SLL has demonstrated tumor-suppressing effects by diminishing drug resistance and showing low toxicity in both in vitro and in vivo models, as we anticipated. Furthermore, toxicity in the heart and spleen, major issues associated with DOX, was not observed.;최근 평균 기대 수명이 증가하면서, 노화와 밀접한 관계에 있는 암은 인간에게 피할 수 없는 중요한 질병 중 하나가 되었다. 의학 기술의 발전으로 일부 암은 조기 진단, 적절한 투여, 수술법으로 생존율이 크게 증가하였다. 그럼에도 불구하고 일부 암은 여전히 조기 진단이 어렵고, 수술방법과 약물 선택의 폭이 좁아 5 년 이후 생존율이낮다. 그 중에서도 췌장암은 장기 위치 상 진단이 어려운 깊숙한 곳에 발병하며, 초기무증상 등의 이유로 조기 진단이 어렵고, 수술이 어려운 암으로 알려져 있다. 또 다른 특징으로는 Cathepsin B(이하 Cat B)라는 물질을 과 발현한다고 알려져 있다. 일반적으로 Cat B 발현 양이 증가할수록 종양의 침투와 전이가 촉진되며 예후가 나빠진다. 특히, 췌장암은 복강 내 전이가 빈번하다. 때문에 약물 치료가 중요한 현황이나, 췌장암종은 약물 저항성이 커 약물 선택의 폭이 좁다. 특히, 전이된 췌장암 환자의 유일한 치료 방법은 화학 요법으로 알려져 있다.이러한 이유로 사용하는 화학항암제에는 여러 부작용이 존재하는데, 그 중에서 Anthracycline 계 1 세대 화학 항암제인 Doxorubicin(이하 Dox)은 경제적이며 항암능력이 매우 탁월하여 임상에서 널리 사용해왔다. 하지만 약물의 표적 능력이 떨어져 다른 정상 장기에 독성을 보이는 부작용이 보고되었다. 특히, 심장과 비장에 대한 독성이 많이 보고되었다. 수술 전 종양 크기를 줄이기 위한 약물 치료에서 약물 독성은 환자의 생존율을 떨어뜨리고, 심장기능저하 등의 다양한 후유증을 남긴다. 또한 화학 항암제는 투여 시, 약물 저항성이 증가하는 것으로 알려져 있으며, 이는 치료 효과를 저해하는 원인이 된다. Dox 투여 시, cIAPs 라는 암세포 자가사멸의 내인성 경로를 저해하는 단백질의 발현을 증가시키며 약물 내성을 유발한다. 효과적인 약물 치료를 위해서는 Dox 의 독성과 약물 내성을 줄이는 것이 중요하다. 따라서 우리는 부작용을 줄이고 약물 효능을 향상시키기 위해, 암세포 특이적으로 과 발현하는 Cathepsin B 를 타겟으로 하는 nano-particle prodrug 을 고안했다. 이 nano-particle prodrug(SMAC-FRRL-DOX)은 약물 내성억제를 위한 SMAC 펩타이드와 Cat B 에 의해 끊어지는 FRRL site 를 Dox 에 합성한 것이다. Cat B 에의해 SMAC 펩타이드와 Dox 로 유리되는 특이성때문에, Cat B 발현양이 낮은 정상 세포에서는 Dox 방출이 거의 없어 세포 독성을 유발하지 않아 부작용이 감소한다. 이어서 암세포에 작용한 Dox 에 의해 증가된 cIAPs 는 유리된 SMAC 펩타이드에 의해 줄어들게 되고, 이에 따라 약물 내성을 개선할 수 있다. 추가적으로, 나노 입자 로서의 안정성과 생체 순환율을 증가시키기 위해서 nanoparticle prodrug 을 PEGylated liposome (이하 SLL)로 제형화 하였다. 더욱이 SLL은 다른 암 종들 보다 cat B 발현양이 많은 췌장암에서 더욱 큰 반응성을 보일 것으로 예상했다. 그리고 Dox 의 잘 알려진 심장 독성, 비장 독성 등의 부작용과 달리 SLL 은 앞선 원리로 인해 고용량의 투여에서도 독성이 나타나지 않으면서 종양성장 저해 효과를 보였다. 더하여 약물 내성인자 cIAPs 의 발현을 낮춰 내성 개선과 함께 시너지 효과를 보이면서 Dox 대비 훌륭한 종양성장 억제 효과를 확인할 수 있었다. 이 연구는 SLL 이 췌장암의 종양성장 억제에 적합한 약물이며, 고용량에서도 독성이 매우 적다는 것이 검증되었다. 향후 임상연구로의 진행에 대해 이러한 결과는 SLL 의 전 임상적 의의를 가진다고 생각된다