Hollow mesoporous silica nanoparticles with extra-large mesopores for enhanced cancer vaccine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the limitations of the conventional cancer therapy, the cancer immunotherapy has emerged to prevent the recurrence of cancer. In order to provoke the adaptive immune responses in antigen-specific manners, it is important to develop an efficient antigen delivery system that could enhance the activation and maturation of the dendritic cells (DCs) in the body. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are one of the most promising nanocarriers for antigen delivery due to their mesopores, high surface area and large pore volume, easy modification of physical and chemical functionalities, their biocompatibility, and self-adjuvanticity. In this study, we have synthesized the hollow mesoporous silica nanoparticles with extra-large pores (H-XL-MSNs) with large mesopores (20~30 nm) and hollow interior void based on a single-step synthesis of core-shell mesoporous silica nanoparticles with a core composed of assembly of iron oxide nanoparticles. The hollow void inside the mesoporous silica nanoparticles with large mesopores allowed to have advantages for high loading efficiency of various model proteins with different sizes. The H-XL-MSNs were coated with the poly(ethyleneimine) solution (PEI) to provide immune adjuvant and to change the surface charge of the particles for loading and slow release of model antigen. In vitro study showed the enhanced activation of the DCs. The in vivo study demonstrated that the resulting cancer vaccine led to the increase of antigen-specific cytotoxic T cells, enhanced suppression of tumor growth, and improved survival rate after challenging cancer to mice. With this finding, the hollow MSNs with extra-large pores, can be used as superior antigen-carrier for immunotherapy.

국문 초록 (Abstract)

지금까지의 전통적인 암 치료법의 한계로 인해 최근 암의 재발을 억제하는 암 면역 치료에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 항원 특이적 방식으로 적응 면역 반응을 유발하기 위해서는 체내의 수지상세포를 활성화시키고 성숙시키는 효율적인 항원 전달 시스템이 중요하다. 다공성 실리카 나노입자는 다공성 구조, 높은 표면적, 큰 기공 부피, 표면 화학적 기능기 개질의 수월성, 생체 적합성, 그리고 고유의 면역보조제 기능으로 인해 암백신 전달체로 적합한 특성을 지니고 있다. 본 연구에서는 내부에 빈 공간(중공)을 가지며 동시에 이를 감싸는 실리카 외벽에 상대적으로 큰 크기의 중형세공 (20~30 nm)을 갖는 다공성 실리카 나노입자 (H XL MSNs) 를 합성하고 이를 암백신에 적용하였다 먼저 수용액의 극성에 따라 제어되는 산화철 나노입자의 자기조립된 군집을 코어로 하여 계면활성제 존재 하에서 실리카 졸-겔 반응을 유도하여 산화철 나노입자 군집 코어와 다공성 실리카 쉘을 가진 나노입자를 합성하고, 이후 내부의 산화철 나노입자 군집 코어 부분을 낮은 pH에서 제거하여 최종적으로 H-XL-MSN을 합성하였다. H-XL-MSN 내부의 빈 공간과 외부의 큰 다공성 기공으로 인해 다양한 크기의 단백질 분자의 높은 담지량을 확인하였다. 이후 H-XL-MSN의 표면에 면역보조제 역할을 하는 poly(ethyleneimine) (PEI)를 코팅하여 입자 표면의 표면 전하를 양전하로 바꾸어 높은 양의 모델 항원의 담지 및 이의 서방형 방출이 가능한 암백신 나노입자를 합성하였다. 이 나노입자 암백신이 골수유래 수지상세포의 성숙을 촉진하며 생쥐에 피하주사한 이후 항원 특이적 세포독성 T 세포의 증가가 유도됨을 확인하였다. 마지막으로 나노입자 암백신의 피하주사 후 암세포를 다른 부위에 피하주사한 생쥐에서 암세포의 성장을 효과적으로 억제하여 쥐의 생존율이 증가하는 것이 확인되었다. 이와 같이 본 연구를 통해 개발된 내부 중공과 외부 큰 중형세공을 동시에 가지고 있는 다공성 실리카 나노입자는 향후 강화된 암면역 치료를 위한 항원 전달체로 사용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Limitation of conventional cancer treatments 1
• 1.2 Cancer immunotherapy 3
• 1.3 Nanocarriers for biomedical application 6
• 1.4 Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) 8
• 1.5 Scope of this work 14
• 2. Experiment 16
• 2.1 Materials 16
• 2.2 Synthesis of H-XL-MSNs 17
• 2.3 Surface Modification of H-XL-MSNs 18
• 2.4 Cancer Vaccine Preparation 19
• 2.5 Cell Cytotoxicity Test 19
• 2.6 Culture of Bone-Marrow-Derived Dendritic Cell 20
• 2.7 In Vitro Studies 20
• 2.8 In Vivo Studies 21
• 3. Results and discussion 23
• 3.1 Synthesis of Mt-XL-MSNs and H-XL-MSNs 23
• 3.2 Physical Properties of H-XL-MSNs 26
• 3.3 Loading Ability of H-XL-MSNs 30
• 3.4 Poly(ethyleneimine) Coated H-XL-MSNs 34
• 3.5 In Vitro Activation of BMDCs Via H-XL-MSNs 43
• 3.6 In Vivo Production of Antigen-Specific CTLs Via H-XL-MSNs 52
• 3.7 In Vivo Tumor Suppression Study 52
• 4. Conclusion 59
• Reference 60
• Summary in Korean 64