유전자 전달 기술은 유전자 치료 및 유전자 편집부터 암 치료와 줄기세포 연구에 이르기까지 다양한 응용 분야를 포괄하는 생명과학의 핵심 기술로 활용되고 있으며, 동시에 핵 표적 약물 ...

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유전자 전달 기술은 유전자 치료 및 유전자 편집부터 암 치료와 줄기세포 연구에 이르기까지 다양한 응용 분야를 포괄하는 생명과학의 핵심 기술로 활용되고 있으며, 동시에 핵 표적 약물 ...
유전자 전달 기술은 유전자 치료 및 유전자 편집부터 암 치료와 줄기세포 연구에 이르기까지 다양한 응용 분야를 포괄하는 생명과학의 핵심 기술로 활용되고 있으며, 동시에 핵 표적 약물 전달은 핵심적인 세포 과정의 교란을 통해 항암 효능을 증대시키는 유망한 전략으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 세포 분열에 의존하지 않는 유전자 형질 도입 및 핵 표적화 약물 전달을 동시에 수행할 수 있는 알파-시뉴클레인-금나노입자(αS-AuNP) 기반 다기능 전달 시스템을 개발하였다.
알파-시뉴클레인(αS)은 비정형 단백질(intrinsically disordered protein, IDP)로서 지질막과 상호작용 시 무작위 코일 구조에서 알파-나선 구조로의 전이가 일어나는 특성을 갖는다. 이를 기반으로, αS의 C-말단 타이로신(Y136)을 시스테인(C)으로 치환한 αS(Y136C) 변이체를 활용하여, 특정한 방향으로 금나노입자(AuNP) 표면에 공유 결합시킨 αS(Y136C)-AuNPs를 제작하였다. 이 방향성은 나선 형성에 기여하는 염기성 N-말단을 노출시켜 세포 내 유입을 촉진하였다. 본 복합체는 αS(S9C)-AuNP와 달리, 세포 독성 없이 유전자를 세포 내로 전달할 뿐만 아니라, 신속한 유전자 발현을 유도함을 확인하였다. 또한, 엔도좀 의존 및 비엔도좀 경로를 통한 세포 내 유입이 모두 가능하며, 핵으로의 DNA 전달 과정이 세포 분열과 무관하게 진행됨을 입증하였다. 본 시스템은 그랜자임 A 유전자의 전달에 효과적으로 활용되었으며, 파이롭토시스(pyroptosis) 세포 사멸을 성공적으로 유도하였다.
나아가, αS-AuNP 기반 전달 시스템을 항암 치료로 확장하기 위해 독소루비신을 열 민감성 가교제를 이용하여 αS(Y136C)-AuNP에 결합하였으며, 이를 근적외선(NIR) 조사에 의해 제어된 약물 방출 시스템으로 개발하였다. 금나노입자의 광열 효과 의해 국소적인 고온 상태가 발생하면서 가교제의 아조 결합(azo bond)이 절단되었다. 이 과정은 독소루비신의 핵 내 방출을 효과적으로 촉진하여 항암 효능을 극대화함을 확인하였다. 이러한 핵 표적 전략은 기존 항암제의 세포 내 유입률 저하 및 핵 내 축적의 어려움과 같은 암 치료의 주요 한계를 극복할 수 있는 강력한 전략을 제시한다.
본 연구에서 개발한 αS(Y136C)-AuNP 기반 전달 시스템은 유전자 형질 도입과 핵 표적화 약물 전달을 동시에 수행할 수 있는 다기능 플랫폼으로, 정밀 의학, 유전자 치료 및 표적 항암 치료 등의 다양한 생명공학 및 의생명과학 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 추가적으로 항체 고정화, RNA·단백질·융합 생체재료의 DNA 및 약물 대체 적용 등을 통해 본 전달 시스템의 적용 범위를 더욱 확장할 수 있을 것이다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
Gene delivery is a fundamental technology in biomedical science, spanning applications from gene therapy and gene editing to cancer treatment and stem cell research. Simultaneously, nucleus-targeted drug delivery has emerged as a powerful strategy for...
Gene delivery is a fundamental technology in biomedical science, spanning applications from gene therapy and gene editing to cancer treatment and stem cell research. Simultaneously, nucleus-targeted drug delivery has emerged as a powerful strategy for enhancing anticancer efficacy by disrupting key nuclear processes. In this study, we introduce a multifunctional delivery system based on α-synuclein-gold nanoparticle conjugates (αS-AuNPs), designed for both cell division-independent gene transfection and nucleus-directed drug delivery.
α-Synuclein (αS), an intrinsically disordered protein (IDP) known for its membrane interactions, undergoes a structural transition from a random coil to an α-helix upon binding to lipid membranes. Leveraging this property, we engineered αS(Y136C)-AuNPs, where a cysteine-substituted mutant αS(Y136C) was covalently anchored to the AuNP surface in a specific orientation. This orientation exposed the helix-forming basic N-termini to enhance cellular uptake. Unlike αS(S9C)-AuNPs, the αS(Y136C)-AuNP conjugates facilitated rapid and non-disruptive DNA transfection, enabling cell division-independent gene delivery into nucleus via both endosomal and non-endosomal pathways. The system was effectively utilized for the delivery of the granzyme A gene. This mechanism subsequently induced pyroptotic cell death.
To extend the application of αS-AuNPs to cancer therapy, doxorubicin (Dox) was conjugated to αS(Y136C)-AuNPs via a heat-sensitive crosslinker, enabling controlled drug release upon near-infrared (NIR) irradiation. The photothermal effect of AuNPs induced localized hyperthermia, which cleaved the azo bond in the linker. This process facilitated the nuclear release of Dox, significantly enhancing its anticancer activity. This nucleus-targeted strategy addresses key challenges in cancer therapy, including limited cellular uptake and poor nuclear localization of conventional anticancer agents.
The multifunctionality of αS(Y136C)-AuNPs, enabling both gene transfection and nucleus-directed drug delivery, presents a promising platform for future biomedical applications. Modifications such as antibody immobilization and the replacement of DNA and drug with RNA, proteins, or hybrid biomaterials further expand its potential for precision medicine, gene therapy, and targeted cancer treatment.
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