엑소좀의 약물탑재 연구 <엑소좀 분리전 탑재>

약물전달수단으로 엑소좀을 개발하는 것과 관련된 과제 중 하나는 치료제를 운반하는 능력이다. 엑소좀의 구조는 엑소좀이 코어에서 친수성 약물(hydrophilic drugs)을 캡슐화하고 소수성 분자(hydrophobic molecules)를 지질 이중층(lipid bilayer)에 통합할 수 있게 한다[1]. 약물을 엑소좀에 통합하는 방법은 엑소좀 분리전 적재와 분리후 적재 두가지 방식으로 분류할 수 있다.

<엑소좀 분리전 탑재>

miRNA, siRNA 및 mRNA와 같은 치료 유전자는 세포형질감염(cell transfection)에 의해 엑소좀 생성시 엑소좀에 통합될 수 있다. 폴리에틸렌이민(polyethylenimine, PEI)과 같은 양이온성 폴리머(cationic polymers)는 비바이러스 형질감염을 위한 나노입자를 개발하는 데 사용된다. 노스이스턴대 Mansoor M. Amiji 교수팀은 플라스미드 DNA를 발현하는 wt-p53 및 microRNA-125b로 형질감염하여 종양세포 엑소좀에 탑재한 연구를 2016년에 발표하였다[2]. 연구진은 변형된 SK-LU-1 세포뿐만 아니라 분비된 엑소좀에서도 microRNA-125b 및 wt-p53의 발현을 성공적으로 증가시켰다.

중국 Tianjin대 HaiFang Yin 교수팀은 미오스타틴 억제제 탑재 엑소좀의 뒤쉔 근이영양증 (Duchenne muscular dystrophy, DMD) 치료 연구결과를 2020년에 발표하였다[3]. 미오스타틴은 초기에 잠재 전구체로 합성되고 단백질 분해처리되어 더 짧은 활성형태(성숙 미오스타틴) 및 프로펩티드 단편으로 처리된다. 프로펩티드 단편은 성숙한 미오스타틴에 결합하는 억제제이다[4]. 트랜스제닉 마우스에서 프로펩티드의 과발현은 근육질량의 증가를 가져왔고 프로테아제 내성 프로펩티드를 mdx 마우스(DMD 유전자 돌연변이 모델)에 주입하면 4주 이내에 근육의 체중이 증가했다. 그러나 천연 프로펩타이드의 직접적인 사용은 mdx 생쥐에서 근육에 유익한 효과를 일으키지 못했다[5]. 천연 프로펩티드가 미오스타틴의 활성을 효과적으로 억제하지 못하는 것은 낮은 생체 이용률과 혈청 안정성에 기인할 수 있다. 이 문제를 해결하고자 HaiFang Yin 교수팀은 프로펩티드를 엑소좀 표면 단백질 CD63에 세포클로킹(cloaking)시켜 순환 반감기와 안정성을 향상시키고자 하였다. 엑소좀에서 발현된 프로펩티드는 mdx 마우스에서 향상된 전달 및 혈청 안정성을 나타냈고, 성숙한 미오스타틴에 효율적으로 결합하여 심장 독소로 손상된 야생형 및 mdx 마우스에서 근육재생 및 성장을 향상시켰으며, 독성은 검출되지 않았다.

유전자 조작이나 변형이 없는 세포는 약물분자에 노출되는 동안 약물을 흡수할 수 있다. 이태리 Milan대 Augusto Pessina 교수팀은 항암제인 파클리탁셀(Paclitaxel, PTX)에 노출된 중간엽줄기세포(MSC)에서 분리된 엑소좀에서 PTX의 존재를 확인한 연구결과를 2014년에 발표하였다.

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[1] Wang, Jin, Derek Chen, and Emmanuel A. Ho. "Challenges in the development and establishment of exosome-based drug delivery systems." Journal of Controlled Release (2020).

[2] Trivedi, M., et al. "Modification of tumor cell exosome content by transfection with wt-p53 and microRNA-125b expressing plasmid DNA and its effect on macrophage polarization." Oncogenesis 5.8 (2016): e250-e250.

[3] Ran, Ning, et al. "Effects of exosome-mediated delivery of myostatin propeptide on functional recovery of mdx mice." Biomaterials 236 (2020): 119826.

[4] Bogdanovich, Sasha, et al. "Myostatin propeptide‐mediated amelioration of dystrophic pathophysiology." The FASEB Journal 19.6 (2005): 543-549.

[5] Matsakas, Antonios, et al. "Molecular, cellular and physiological investigation of myostatin propeptide-mediated muscle growth in adult mice." Neuromuscular Disorders 19.7 (2009): 489-499.