Effective Drug Delivery Strategy for Precise Radio-chemotherapy

Abstract

The drug delivery system utilizing nanoparticle prodrugs has been widely used as a potent anticancer therapy. These drugs selectively activate tumor cells, leading to tumor cell-specific killing. However, these drugs can accumulate in and cause toxicity to non-tumor organs due to interactions with blood components and specific reticuloendothelial systems during systemic circulation. To address these issues, this study developed a device (MSC) capable of intratumoral administration to overcome the low delivery efficiency and off-target accumulation of nanoparticles. The research focused on optimizing liposomal nanoparticles that evenly distribute and accumulate within tumors. The "MSC" loaded liposomal nanoparticles with a prodrug form combining DEVD, recognized by the apoptosis-inducing factor caspase-3 activated by radiation therapy, and doxorubicin to maximize therapeutic efficacy. Specifically, the "Gamma-Knife" radiation therapy, which can target specific tumor regions, was introduced to induce targeted drug activation. Results showed that co-treatment with 10 Gy radiation and the prodrug increased caspase-3 expression, promoting prodrug activation and cell death. The study concluded that selectively administering low-dose radiation to cancer cells induced specific low-level apoptosis in tumor cells. The overexpression of caspase-3 led to drug release, effectively inhibiting tumor growth.;나노입자 전구체를 활용한 약물전달시스템은 종양세포에 선택적으로 활성화됨으로서 종양세포 특이적 사멸을 일으키는 강력한 항암치료 방법으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 이러한 약물은 전신순환을 거치면서 혈액성분 및 망상 내피계와의 상호작용으로 인해 종양 외 장기로의 축적 및 독성을 유발한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 나노입자의 낮은 전달효율과 비표적 조직으로의 약물축적을 극복하기 위해 종양 내 투여가 가능한 소자(MSC) 를 제작하였고, 종양에 고르게 퍼지면서 축적되는 최적의 리포좀 형태의 나노입자의 연구가 진행되었다. “MSC”에 방사선 치료로 유도되는 세포사멸인자인 caspase-3로 인식되는 DEVD와 세포사멸을 일으키는 약물(Doxorubicin)을 결합한 나노입자 전구체약물을 리포좀형태로 탑재하여 치료 효과를 극대화 시키고자 한다. 특히, 특정 종양 부위에 방사선을 조사할 수 있는 “Gamma-Knife”방사선 치료를 도입하여 약물의 표적부위 활성화를 유도하였다. 연구 결과, 10 Gy의 방사선과 전약물을 같이 처리하였을때 caspase-3의 발현이 증대되어 전약물의 활성화와 세포 사멸이 촉진되었다. 연구결과, 낮은 용량의 방사선을 암 선택적으로 조사하여 종양세포에 특이적으로 낮은 수준의 세포사멸이 유도되고, 과발현된 caspase-3로 약물이 방출되면서 종양 조직의 성장을 효과적으로 억제함을 확인하였다.