Augmented Anticancer Efficacy of Natural Killer Cells via Surface-functionalized Quantum Dots using PD-1 Binding Peptides = PD-1 결합 펩타이드로 표면개질된 양자점을 이용한 자연살해세포의 항암효과 향상

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As a currently spotlighted method for cancer treatment, cancer immunotherapy has made a lot of progress in recent years. Among tremendous cancer immunotherapy boosters available nowadays, drug delivery using nanoparticle is actively being studied.
Toll-like receptor (TLR) agonists were specifically selected, because of their effective activation of innate and adaptive immune cells, such as dendritic cells (DCs), T cells, and macrophages. We classify and summarize the recently reported delivery strategies using (1) exogenous TLR agonists to maintain the biological and physiological signaling activities of cargo agonists, (2) usage of multiple TLR agonists for synergistic immune responses, and (3) co-delivery using the combination with other immunomodulators or stimulants.
Peptide-nanoparticle conjugates have been investigated as an alternative to commercially available antibody products for immune checkpoint blockade (ICB) therapy due to (1) the small size of the peptide and its excellent modularity and (2) increased therapeutic effects resulting from multivalency when peptides conjugate to the nanoparticle surface. We developed surface-functionalized nanoparticles called quantum dots (QDs) using PD-1 binding peptides for efficient ICB therapy, particularly via the activation of an immune synapse between NK cells and target breast cancer cells. The peptide-functionalized QDs effectively enhanced the anticancer effect of NK cells by strongly associated with the corresponding surface receptors on NK cells, and successful imaging of NK cells using the fluorescence properties of the QDs. Consequently, peptide-functionalized QDs could be an ICB therapy-based immunotherapy strategy that used for cell imaging and tracking as well as improving the anticancer effect of NK cells.
Overall, this study presents nanoparticle-based drug delivery strategies on represent of TLR agonist, and suggests strategies for activating NK cells and cell surface modification using enhanced ICB treatments through peptide-functionalized QDs.

국문 초록 (Abstract)

암 치료를 위한 현재 주목받는 방법으로서, 암 면역 요법은 최근 몇 년 동안 많은 발전을 이뤘다. 오늘날 이용할 수 있는 다양한 암 면역 치료 촉진제 중 나노 입자를 이용한 약물 전달이 활발히 연구되고 있다.
나노입자를 사용한 면역세포의 활성화 전략 연구를 위해, 배경 연구로서 나노입자를 활용한 TLR(Toll-like receptor) 작용제의 전달 방안에 대한 리뷰가 진행되었다. 수지상 세포, T 세포 및 대식세포와 같은 선천 및 적응 면역 세포의 효과적인 활성화 때문에 TLR작용제가 사용될 수 있다. 우리는 (1) 화물 작용제의 생물학적 및 생리학적 신호 활성을 유지하기 위해 외인성 TLR 작용제를 사용하고, (2) 시너지 면역 반응을 위해 여러 TLR 작용제를 사용하고, (3) 다른 면역 조절제 또는 자극제와의 조합을 사용하여 공동 전달하는 최근 보고된 전달 전략을 분류하고 요약한다.
펩타이드-나노입자 결합물은 (1) 펩타이드의 작은 크기와 탁월한 모듈성 및 (2) 나노입자의 표면에 결합할 때의 다가성으로 인한 치료 효과의 증가로 인해 현재 면역 체크포인트 차단(Immune checkpoint blockade, ICB) 치료를 위해 상용화된 항체 제품의 대안으로 연구되고 있다. 우리는 특히 자연살해세포와 표적 유방암 세포 사이의 면역 시냅스 활성화를 통해 효율적인 ICB 치료를 위해 PD-1 결합 펩타이드를 사용하여 표면 기능화된 나노입자인 양자점을 개발했다. 펩타이드로 기능화된 양자점은 자연살해세포의 표면 수용체 PD-1과 효과적으로 강하게 연관되어 자연살해세포의 항암효과를 강화했으며, 양자점의 발광 효과를 활용한 자연살해세포의 이미징에 성공했다. 결과적으로, 펩타이드로 기능화된 양자점은 자연살해세포의 항암효과 향상 및 세포 이미징 과 트래킹에 활용될 수 있는 ICB치료법 기반 면역치료 방안이 될 수 있다.
전반적으로 본 연구는 TLR 작용제의 대표성에 대한 나노입자 기반 약물 전달 전략을 제시하고, 펩타이드 기능화 양자점을 통한 향상된 ICB 치료를 이용한 NK 세포 활성화 및 세포 표면 개질 전략을 제안한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background study - Engineering Therapeutic Strategies in Cancer Immunotherapy via Exogenous Delivery of Toll-Like Receptor Agonists 4
• 2.1. Introduction 4
• 2.2. Promoting immune responses through TLR agonist delivery 9
• 2.2.1. Strategies for Immune Cell Stimulation via Exogenous TLR agonist delivery 9
• 2.2.2. The role of TLR agonists in immune check point pathways 21
• 2.2.3. TLR agonists as adjuvants for cancer vaccines 24
• 2.3. Combined delivery of multiple TLR agonists for enhanced cancer immunotherapeutic efficacy 28
• 2.4. Combinative delivery of TLR agonists with various biochemical co-factors inducing immune system 35
• 2.4.1. Co-delivery using a single immune-substance 40
• 2.4.2. Synergistic immunogenic effects via co-delivery using diverse co-factors 47
• 2.4.3. Clinical relevance of TLR agonist delivery for the cancer treatment 48
• 2.5. Conclusion 50
• Chapter 3. Enhanced Immune Checkpoint Blockade Therapy for Natural Killer Cells using Peptide-functionalized QDs 52
• 3.1. Introduction 52
• 3.2. Experimental 58
• 3.2.1. Characterization of Ag2S QDs 58
• 3.2.2. Fabrication of functionalized QDs 59
• 3.2.3. Characterization of functionalized QDs 60
• 3.2.4. Augmented anticancer effect of NK cells 61
• 3.2.5. Cytokine secretion of NK cells 62
• 3.2.6. Quantification of PD-1 and FasL on the surface of NK cells and cell compounds 63
• 3.2.7. IR-imaging of NK cells 64
• 3.2.8. Statistical analysis 65
• 3.3. Results & Discussion 66
• 3.3.1. Characterization of Ag2S QDs 66
• 3.3.2. Conjugation efficiency and characterization of functionalized QDs 68
• 3.3.3. Augmented anticancer effect of functionalized QDs treated NK cells 71
• 3.3.4. Promoted IFN-γ and TNF-α release of NK cells 76
• 3.3.5. Target PD-1 blocking efficiency and verification of non-specific binding of functionalized QDs 79
• 3.3.6. in vitro IR-imaging for functionalized QDs treated NK cells 84
• 3.4. Conclusion 88
• Chapter 4. Summary 90
• References 91
• 국문 초록 107