Iron-based metal-organic framework engineering for ferroptosis-mediated breast cancer therapy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation investigates iron (Fe)-based metal–organic frameworks (MOFs) as multifunctional drug delivery platforms to enhance ferroptosis-mediated cancer therapy. Ferroptosis, an Fe-dependent form of regulated cell death driven by lipid peroxidation, represents a promising strategy for exploiting the redox vulnerability of tumor cells. Owing to their high porosity, structural tunability, and controllable biodegradation, MOFs provide an ideal platform for ferroptosis induction while enabling efficient drug delivery.
In the first study, the effects of MOF structural parameters on ferroptosis efficacy were systematically evaluated. Four MIL-88(Fe)–NH2 variants with identical crystallinity but distinct shapes and sizes (octahedral and rod-shaped; 200 nm and 800 nm) were fabricated. Among them, small rod-shaped MOFs exhibited markedly enhanced cellular internalization, leading to accelerated lipid peroxidation and robust ferroptotic cell death, demonstrating that morphological parameters influence rapid cellular internalization, leading different ferroptosis.
In the second study, Fe-based MOFs were extended to metastasis-inhibiting platform for triple-negative breast cancer (TNBC). A mesoporous Fe-based MOF was engineered to co-deliver sivelestat, a neutrophil elastase (NE) inhibitor, and DNase I to degrade neutrophil extracellular traps (NET), which are critical role of postoperative metastatic progression. Dual drug loading exhibited ferroptosis induction and sustained release of sivelestat while retaining DNase I enzymatic activity. In a postoperative lung metastasis model, the developed formulation effectively reduced metastatic burden, prolonged survival, and reshaped the immune landscape characterized by increasing dendritic cells (DCs) and memory T cell populations.
Overall, this dissertation demonstrates that Fe-based MOFs can serve as versatile therapeutic platforms that integrate ferroptosis induction with targeted drug delivery and immune modulation. By leveraging their structural tunability and high porosity, Fe-based MOFs induce efficient ferroptosis and drug delivery capacity, improving postoperative outcomes in breast cancer. The proposed platform is anticipated to be adaptable for a broad range of solid tumors, highlighting its significance in the development of next-generation cancer therapies.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 철 기반 금속–유기 골격체의 생분해를 통한 철 이온 제공, 구조적 조절 가능성과 다공성 구조를 활용하여 효과적인 페롭토시스 유도를 통한 암세포 사멸과 암 전이 억제를 유도할 수 있는 약물전달시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다. 전 세계적으로 암 발병률은 지속적으로 높아지고 있다. 암 치료법은 계속 발전해 왔지만 여전히 악성 종양의 완치에는 어려움을 마주하고 있다. 효과적인 암세포 사멸을 이끌어내기 위해 철-의존적 세포사멸 기전인 페롭토시스(Ferroptosis)가 최근 주목을 받고 있다. 이는 비정상적 대사 활동으로 인해 높은 활성산소종(Reactive oxygen species, ROS)을 유지하는 암세포에게 임계점 이상의 활성산소종을 유도하여 역설적으로 쉽게 세포 사멸을 유도할 수 있는 방법이다. 그러나 세포 내 철 이온 조절 단백질로 인해 세포 외부 철 농도를 단순히 증가시키는 방식만으로는 페롭토시스를 유도하기 어렵다. 따라서 세포 내부에 철 이온을 공급할 수 있는 철 기반의 전달체 설계가 요구된다.
이를 위해 첫째, 동일한 결정 구조를 유지하며 서로 다른 모양(정팔면체, 막대)과 크기(200 nm, 800 nm)를 가진 4종의 철 기반 금속-유기 골격체 MIL-88(Fe)-NH2를 제작하여 구조–기능 관계를 규명하였다. 막대 형태의 소형 입자는 정팔면체 소형 입자 대비 3배 이상 빠른 세포섭취를 보였고, 이는 1.5–2배 이상의 지질 과산화 증가로 이어졌다. 위 결과는 금속-유기 골격체의 형태학적 특성이 세포막과의 접촉 각도와 막 굽힘 에너지 감소 등에 영향을 주어 빠른 세포 내 이동을 통해 페롭토시스 유도 효율에 영향을 미치는 요인임을 확인했다.
둘째, 페롭토시스 기반 항암 치료전략을 위해 다공성 구조의 MIL-100(Fe) 기반 약물전달시스템을 개발하였다. 호중구 세포 외 덫 (Neutrophil extracellular trap, NET)을 억제하기 위해 시벨레스타트 (Sivelestat)를 기공 내부에 탑재하고, DNase I을 표면에 흡착시켰다. 두 약물의 탑재는 페롭토시스 효율에 영향을 미치지 않았으며, 시벨레스타트는 24시간 내 용출되었고 DNase I의 활성 역시 유지되었다. 제작된 전달체는 유방암 절제 후 폐전이 감소, 생존율 향상, 수지상세포 아형 구성의 변화 및 기억 T 세포 증가와 같은 면역 환경의 변화를 유도하였다.
종합적으로, 철 기반 금속-유기 골격체의 설계는 페롭토시스 유도 효율에 영향을 미치며, 약물전달을 통해 암 전이 및 재발 억제에 효과적인 복합 치료 전략으로 활용될 수 있음을 제시하였다. 위 결과는 향후 다양한 암 종에 적용 가능한 철 기반 금속-유기 골격체 기반 차세대 항암 치료 플랫폼의 개발 가능성을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Global cancer trends 1
• 1.2 Conventional cancer therapy 4
• 1.3 Ferroptosis 7
• 1.4 Cancer vulnerability driven by ROS imbalance 9
• 1.5 Metal-organic frameworks (MOFs) 11
• 1.6 Research aims 14
• Chapter 2. Shape and size-dependent cellular uptake influence ferroptosis efficacy 17
• 2.1 Introduction 17
• 2.2 Materials and Methods 22
• 2.2.1 Materials 22
• 2.2.2 Preparation of MIL-88(Fe)-NH2 with distinct shape and size 22
• 2.2.3 Characterization 24
• 2.2.4 Cell culture 25
• 2.2.5 Cell viability assay 25
• 2.2.6 Intracellular ROS analysis 26
• 2.2.7 Lipid peroxidation test 26
• 2.2.8 GPX4 activity test 27
• 2.2.9 Intracellular uptake evaluation 27
• 2.2.10 Statistical analysis 28
• 2.3 Results 29
• 2.3.1 Shape and size-controlled MIL-88(Fe)-NH2 29
• 2.3.2 Cytotoxicity 38
• 2.3.3 Ferroptosis efficacy 40
• 2.3.4 Intracellular uptake efficiency between octahedron and rod-shaped MIL-88(Fe)-NH2 47
• 2.4 Discussion 51
• 2.5 Conclusion 55
• Chapter 3. MOFs-mediated ferroptosis and drug delivery improve cancer therapy 56
• 3.1 Introduction 56
• 3.2 Materials and Methods 61
• 3.2.1 Materials 61
• 3.2.2 Preparation of MIL-100(Fe) 63
• 3.2.3 Characterization 63
• 3.2.4 Preparation of Siv@MIL-100 64
• 3.2.5 Drug release profile of Siv@MIL-100 64
• 3.2.6 Preparation of DN/Siv@MIL-100 65
• 3.2.7 DNase I enzymatic activity test 65
• 3.2.8 Cell culture 66
• 3.2.9 Cell viability assay 66
• 3.2.10 Intracellular ROS analysis 67
• 3.2.11 Lipid peroxidation test 67
• 3.2.12 GPX4 activity test 68
• 3.2.13 MDA test 68
• 3.2.14 Immunocytochemistry 69
• 3.2.15 In vivo experiments 70
• 3.2.16 Flow cytometric analysis 71
• 3.2.17 Statistical analysis 72
• 3.3 Results 73
• 3.3.1 Characterization of MIL-100, Siv@MIL-100, and DN/Siv@MIL-100 73
• 3.3.2 Drug release and DNase I activity profile 81
• 3.3.3 Ferroptosis efficacy of MIL-100 formulations 85
• 3.3.4 NETosis inhibition of DN/Siv@MIL-100 in mouse neutrophils 91
• 3.3.5 Prevention of lung metastasis after tumor surgery 93
• 3.3.6 Simultaneously delivered sivelestat and DNase I suppress NETosis and attenuate lung metastasis 100
• 3.3.7 Dual delivery with ferroptosis elicit DC maturation with memory T cell responses 104
• 3.4 Discussion 108
• 3.5 Conclusion 111
• Chapter 4. Discussion 112
• Chapter 5. Conclusion 119
• Reference 121
• 국문요약 140