Layered double hydroxide nanomaterials for drug delivery and cancer diagnostic applications

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 2차원 층상형 구조를 가지는 무기나노입자 중 하나인 금속이중층수산화물이 진단 및 치료가 동시에 가능한 테라그노시스 물질로 응용될 수 있도록 다양한 금속 조성의 금속이중층수산화물의 합성하고 이에 약물 및 기능성 분자를 담지하고 평가하는데 목적을 두고 있다. 테라노시스 물질로써 금속이중층수산화물을 이용하기 위해 인체 내 존재하는 금속이온들 중 칼슘과 철을 이용하여 합성하고, 이에 대한 구조분석을 통해 2차원 구조를 가지는 층상형 나노구조가 잘 형성되었음을 확인하였다. 또한 크기와 성상의 조절이 용이하다고 연구된 마그네슘-알루미늄 금속이중층수산화물을 균일한 크기 및 성상을 가지도록 합성하였으며 이에 대한 구조분석을 통해 앞선 연구의 결과와 잘 부합하는 것을 확인하였다.
합성된 금속이중층수산화물은 고분자 코팅 유/무에 따른 금속이온의 용출평가 및 동물모델 안정성 평가를 통해 약물전달체로서의 가능성을 평가하였다. 또한 기능성 분자인 엽산, 타우린을 각각 박리화-재조합, 고체상 삽입법을 통해 칼슘-알루미늄, 칼슘-철 금속이중층수산화물에 담지하여 결정구조의 변화와 담지된 물질과 금속수산화물층의 물리화학적 성질에 대해 평가하였다. 또한 항암제로 많이 이용되고 있는 약물분자인 메토트렉세이트와 5-플루오로우라실을 함께 마그네슘-알루미늄 금속이중층수산화물에 재건법을 통해 담지하고 헬라세포를 이용하여 약물분자 자체와 약물-금속이중층수산화물 약물전달체의 효능을 평가하였다. 이 결과를 통해 메토트렉세이트와 5-플루오로우라실을 동시에 담지한 금속이중층수산화물 기반 약물전달체가 약물분자 자체 또는 한가지 약물분자만 담지된 약물전달체보다 더 좋은 항암 효능을 나타내는 것을 확인하였다.
또한 금속이중층수산화물이 생체 내에서 양전자 단층촬영과 같은 이미지 장비를 통해 진단이 가능하도록 하기 위해 금속수산화물층에 방사성 동위원소를 도입하고자 하였다. 금속이중층수산화물의 격자 내 다른 금속이온의 도입의 가능성을 확인하기 위해 예비실험으로 2가의 비방사성 코발트이온을 간단한 수열합성법을 이용하여 동형치환하고 이에 대한 결정구조 및 치환된 코발트 이온의 분포를 평가하였다. 이런 결과를 기초로 하여 방사성 코발트이온을 금속이중층수산화물 격자 내 도입하였으며 도입된 방사성 동위원소의 안정성 및 세포 내포화뿐 아니라 소동물 모델에서의 생체 내 분포를 평가하였다.
이러한 결과를 통하여 2차원의 금속이중층수산화물이 단순한 약물전달체가 아닌 진단과 치료가 동시에 가능한 테라노시스 물질로써 응용될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Layered double hydroxide (LDH), one of the 2-dimensional (2D) layered inorganic nanomaterials, can be applied as theragnostic materials which enable simultaneous diagnosis and therapy. This study is aimed to prepare and evaluate the LDHs with various metal composition and intercalate drug or bio-active molecules into interlayer space of LDHs for theragnostic applications. LDHs consisted with Ca2+/Al3+ and Ca2+/Fe3+ were prepared having 2D layered structure through X-ray diffraction patterns and Rietveld refinement. Also Mg2+/Al3+ LDHs with homogeneous size and morphology were prepared with highly crystalline 2D lamellar structure.
First, prepared CaAl-LDH was coated with enteric polymer (Eudragit® L100) and evaluate the dissolution in simulated body fluids. From the cytotoxicity test and pharmacokinetic study results on polymer coated CaAl-LDHs showed great potential as calcium supplement without acute toxic effect. Then, bio-active molecules, folic acid (FA) and taurine (Tau) were intercalated into CaAl- and CaFe-LDHs interlayer space through exfoliation-reassembly and solid-phase intercalation method, respectively. The crystal structure and physicochemical properties of bio-active molecule intercalated calcium containing LDH nanohybrids were evaluated with X-ray diffraction patterns and spectroscopic analysis. From these results, intercalated bio-active molecules were successfully stabilized with positively charged metal hydroxide layer via electrostatic interaction. Also methotrexate (MTX) and 5-fluorouracil (5-FU), which are components as anticancer CMF cocktail chemotherapy drugs, were intercalated into MgAl-LDHs with homogeneous size and morphology through reconstruction process. Also the anticancer therapeutic efficacy of MTX and 5-FU co-intercalated LDH nanohybrids were investigated with HeLa cells. The inhibition of cancer cell efficacy of MTX and 5-FU co-intercalated LDH nanohybrids shows highest suppression efficacy in comparison with all other controls tested.
In order to trace LDH nanohybrids in biological system utilizing imaging instrument like positron emission tomography (PET), introduction of radioisotope into LDH lattice is required. As a preliminary study, non-radioactive Co2+ ions were isomorphously substituted into LDH lattice originally occupied by Mg2+ by hydrothermal treatment at mild condition. The crystal structure of Co2+ substituted LDHs were investigated with X-ray diffraction and absorption spectroscopic analysis. Also the energy dispersive spectroscopy (EDS) with electron microscope utilized for evaluate the distribution of substituted Co2+ ions in LDH particle. From this results, we introduce radioactive 57Co2+ into LDH frameworks. The 57Co2+ incorporation efficacy and human serum stability showed radioactive Co2+ ions were successfully incorporated with LDH lattice. Though in vitro cellular uptake and in vivo bio-distribution results, 57Co2+ incorporated LDH nanoparticles could selectively deliver radioactivity to tumors with high tumor-to-organ ratios.
From these results, layered double hydroxide which has 2D layered structure could be applied as theranostic nanomaterials not only drug delivery carrier but also traceable nanomaterials in biological system.