Gold nanoparticles in biomedical application : diagnostics, therapies, and bone tissue regeneration

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gold nanoparticles (GNPs) are widely used in diagnostics, drug delivery, biomedical imaging, photo-thermal therapy, and biomedical engineering due to their unique physical and chemical properties. In this study, we describe the application of GNPs through their unique properties in diagnostics, therapies, and bone tissue regeneration.
In Chapter 1, we describe whether the GNP-5ʹ surface-functionalized with PEG, biotin, paclitaxel (PTX) and rhodamine B linked beta-cyclodextrin (β-CD) can be useful as a theranostic agent for cancer therapy without the cytotoxic effect of normal cells. Prior to surface-functionalizing GNPs, the cytotoxicity of the nanoparticles was evaluated, followed by their biocompatibility. PTX, an anticancer agent, formed inclusion complexations with β-CD conjugated GNPs, and effectively released from the GNP-2ʹ surface-functionalized with PEG, β-CD and PTX using the intracellular glutathione (GSH) level (10 mM). Two types of GNPs-4 surface-functionalized with PEG and rhodamine B linked β-CD and 5 were used for evaluating their specific interaction on cancer cells such as HeLa, A549 and MG63. These were also tested against normal NIH3T3 cell determining that the GNP-5 was more effectively involved with the cancer cells. Confocal laser scanning microscopy (CLSM), fluorescence-activated cell-sorting (FACS) and cell viability analyses showed that the GNP-5ʹ plays a significant role in the diagnosis and therapy of the cancer cells at the same time such as theranostic agents.
The aim of Chapter 2 was to develop a new approach for bone tissue regeneration based on the utilization of biodegradable hydrogel loaded with GNPs. We have used photo-curable gelatin hydrogels (Gel) in order to provide a proof of principle of GNPs in regeneration strategies for bone tissue repair. We have investigated the effects of these Gel-GNP composite hydrogels both in vitro and in vivo. The in vitro results showed that the hydrogels loaded with GNPs promote proliferation, differentiation, and alkaline phosphate (ALP) activities of ADSCs as they differentiate towards osteoblast cells in dose-dependent manner. Moreover, the in vivo results showed that these hydrogels loaded with a high concentrations of GNPs had a significant influence on new bone formation. Through these in vitro and vivo tests, we found that the Gel-GNP can be a useful material for bone tissue engineering.
GNPs have been previously reported to inhibit osteoclast (OC) formation. However, the precise biological mechanisms which drive this inhibitory effect towards OC differentiation remain unclear.
In Chapter 3, we prepared functionalized GNPs covered with β-CD/curcumin (CUR) inclusion complex (CUR-CGNPS), and used these to investigate the inhibitory effect and biological mechanisms on the receptor activator of nuclear factor- κb ligand (RANKL)-induced osteoclastogenesis in bone marrow-derived macrophages (BMMs). The CUR-CGNPs significantly inhibited the formation of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP)-positive multinuclear cells in BMMs without cytotoxicity. The mRNA expression of c-Fos, nuclear factor of activated T cells 1 (NFATc1), TRAP, and osteoclast associated receptor (OSCAR), which are genetic markers of OC differentiation, were significantly decreased in the presence of CUR-CGNPs. Also, the CUR-CGNPs inhibited OC differentiation of BMMs through suppression of the RANKL-induced signaling pathway. Additionally, CUR-CGNPs caused a decrease in RANKL-induced actin ring formation, which is an essential morphological characteristic of OC allowing them to carry out bone resorption activity. Therefore, CUR-CGNPs may prove to be useful as novel therapeutic agents for preventing and treating osteoporosis.

국문 초록 (Abstract)

금나노입자는 100 nm 이하의 미세 나노입자크기로 제조가 가능하며 입자의 크기조절이 용이하며 표면에 약물이나 치료 물질들을 결합시킬 수 있는 특징을 가지고 있어 다양한 방면의 의학적 의료기술에 적용되고 있다. 나노입자가 의학적 적용으로 사용되기 위해서는 입자 자체의 안정성이 요구되는데 금나노입자는 생체안전성이 높으며 세포독성도가 낮다는 장점이 있다. 최근에는 진단과 치료를 함께 할 수 있는 theragnosis 분야에서 금나노입자에 관한 연구가 급속히 증가하고 있으며 표적화된 치료제전달 방법을 접목시켜 그 효율을 극대화하고 있다. 본 연구에서는 금나노입자의 표면에 암세포 특이적 표적인자, 암세포치료 약물과 형광물질을 동시에 결합시킴으로써 진단과 치료가 동시에 가능한 기능성 금나노입자를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 제작된 기능성 금나노입자는 30 nm 크기로 암세포에 특이적으로 반응하여 세포내부로 들어가게 되며, 침투된 금나노입자는 형광을 발현함과 동시에 항암제를 암세포 내로 전달함으로써 암세포를 사멸시키는 효능을 보이게 된다. 이 결과는 개발된 기능성 금나노입자가 암세포 진단 및 치료에 효과적임을 볼 수 있다.
금나노입자의 또다른 장점으로 금나노입자 자체만으로 줄기세포의 골분화를 유도할 수 있다는 연구가 보고되고 있다. 이에 관련해 최근의 많은 연구자들이 금나노입자의 골분화 유도체로써의 사용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 금나노입자 단독으로 손상된 골조직 부위를 재생하기에는 어려움이 많기에 이를 담지하면서 골조직 재생을 향상시킬 수 있도록 금나노입자를 광가교성 하이드로젤에 봉입하여 기능성 하이드로젤을 개발하였다. 세포실험과 동물실험을 통해 금나노입자의 봉입량이 많아질수록 골세포로의 분화능이 높아지는 것을 볼 수 있으며 손상된 골조직 부위에 많은 신생골들이 생성되는 결과를 보였으며 이는 골조직 재생을 위한 생체재료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
기존에 보고되었던 연구결과에서 금나노입자는 파골세포의 분화를 억제한다는 연구가 보고되었다. 하지만 파골세포의 분화 억제능이 어떠한 생물학적 메커니즘에 의해 일어나는지에 관해서는 연구되어지지 않았다. 따라서 본 연구에서 제작된 Beta-cyclodextrin이 결합된 골드나노입자에 골다공증치료제인 커큐민을 탑재하여 receptor activator of nuclear factor- κb ligand (RANKL)에 의해 유도되는 파골세포의 분화능을 억제하는 효과에 관해 연구하였다. 커규민이 탑재된 골드나노입자는 세포독성을 나타내지 않으며 tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP)-positive multinuclear cells의 형성을 억제하는 것을 보였다. 이러한 결과는 단백질과 유전자의 발현을 통해 확인되었으며, 이를 통해 금나노입자가 RANKL에 의해 유발되는 signaling pathway를 억제시켜 파골세포로의 분화를 억제한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에 사용된 기능성 금나노입자는 골다공증 치료제로도 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. General Introduction 1
• 1.1. Introduction 2
• 1.2. Synthesis methods of GNPs 5
• 1.3. Surface modification and bioconjugation of GNPs by Au-S bonds 8
• 1.4. Conclusion 10
• 1.5. References 11
• Chapter 2. Gold nanoparticles surface-functionalized with anticancer paclitaxel drug and biotin receptor as theranostic agents for cancer therapy in nanomedicine 14
• 2.1. Introduction 15
• 2.2. Materials and Methods 19
• 2.3. Results 26
• 2.4. Discussion 46
• 2.5. Conclusion 50
• 2.6. References 51
• Chapter 3. Enhanced bone regeneration with a gold nanoparticle-hydrogel complex 56
• 3.1. Introduction 57
• 3.2. Materials and methods 61
• 3.3. Results 71
• 3.4. Discussion 87
• 3.5. Conclusion 90
• 3.6. References 91
• Chapter 4. Inhibition of osteoclast differentiation by Gold-Nanoparticles functionalized with cyclodextrin curmin complexes 96
• 4.1. Introduction 97
• 4.2. Materials and methods 102
• 4.3. Results 109
• 4.4. Discussion 132
• 4.5. Conclusion 137
• 4.6. References 138
• 국문요지 145