Development of extracellular vesicle–mimetic ghost nanovesicles as drug delivery systems

Doctor모든 살아있는 생명체에서, 세포간 정보교환은 외부 신호에 반응하여 개체의 행동을 조정하기 위한 필수적인 과정이다. 세포간 정보교환은 직접적인 접촉 또는 신호 물질의 전달을 통해 이루어진다. 최근 세포밖 소포체에 의한 세포간 정보교환에 관심이 집중되고 있다. 세포밖 소포체는 세포에서 분비되는 지단백질로서, 지질, 유전 물질, 단백질, 대사물질을 포함한 다양한 세포 물질들로 구성되어 있다. 세포밖 소포체의 분비는 박테리아, 식물, 인간에 이르기까지 진화적으로 보존된 현상이다. 세포밖 소포체는 세포 물질을 전달할 수 있는 내인성 나노전달체로서 대체 가능한 약물전달시스템으로 제안되었다. 그러나 세포밖 소포체는 생성량이 적고 세포밖 소포체 안에는 세포 물질들로 채워져 있어 효율적인 약물 로딩이 어렵다. 본 연구에서는 high pH 조건에서 세포막을 열고 중성 pH 조건에서 지질막을 닫아 세포 물질이 제거된 세포밖 소포체 모사 고스트 나노베시클을 개발하였다. 인간 단핵구 세포인 U937 세포에 염기성 용액을 처리하고 초음파 분해와 초원심 분리를 이용하여 세포막 시트를 얻었다. 세포막 시트를 중성 pH 조건에서 약물과 함께 초음파 분해하여 약물이 로딩된 고스트 나노베시클을 제조하였다. 고스트 나노베시클은 손상되지 않은 소포체로서 자연적인 세포밖 소포체와 유사한 120 nm의 평균 크기를 가졌다. 그러나 생성량은 고스트 나노베시클이 자연적인 세포밖 소포체와 비교하여 200배 높았다. 고스트 나노베시클은 본래의 막 위상을 유지함으로써 공여 세포의 자연적인 타켓팅 성질을 그대로 가진다. 웨스턴 블랏과 qPCR 결과를 통해 고스트 나노베시클이 세포질 단백질과 핵산은 제거되었지만, 반면 세포막 단백질은 많다는 것을 확인 하였다. 덱사메타손과 같은 항염증 약물이 로딩된 고스트나노베시클은 in vitro 내피세포에서 IL-8의 분비를 줄였으며, in vivo 에서 박테리아 유래 세포밖 소포체에 의한 전신성염증반응증후근을 완화하였다. 본 연구에서 우리는 외부 약물을 로딩하여 표적세포에 전달할 수 있는 세포밖 소포체 모사 고스트 나노베시클을 개발하였다. 고스트 나노베시클은 표적 세포에 효과적으로 약물을 전달하기 위한 새로운 표적약물전달시스템으로 사용될 수 있다.In all living organism, intercellular communication is fundamental process for coordinating its behavior responding to external signals. Intercellular communication is mediated by direct contact or delivery of signal molecules. Recently, increasing attention is being focus on the extracellular vesicle-mediated intercellular communication. Extracellular vesicles (EVs) are secreted proteolipids consist of diverse cellular molecules including lipids, genetic materials, proteins, and metabolites. The release of EVs from cells is evolutionary-conserved phenomena from bacteria, plants and humans. EVs, the endogenous nanocarriers that can convey cellular molecules, were suggested as alternative targeted drug delivery systems. However, EVs are produced in low quantities and the vesicles are filled with cellular molecules that may interrupt efficient drug loading. Here, we developed extracellular vesicle-mimetic ghost nanovesicles in which cellular molecules are removed by opening cell membrane under high pH and resealing the membrane under neutral pH. Cell membrane sheets of human monocytic U937 cells were isolated by sonication and ultracentrifugation of the cells suspended in alkaline solution. The drug-loaded ghost nanovesicles were generated by further sonicating the membrane sheets in the presence of the drug under neutral pH. The ghost nanovesicles were intact membrane vesicles with 120 nm average size similar to that of natural extracellular vesicles. However, the production yield of ghost nanovesicles was 200-fold higher than that of natural extracellular vesicles. The ghost nanovesicles retained natural targeting characteristic of source cells by preserving the original membrane topology. Western blot and qPCR results showed that the ghost nanovesicles are de-enriched with cytosolic proteins, nucleic acids while the nanovesicles enriched with membrane proteins for targeted delivery. The ghost nanovesicles loaded with anti-inflammatory drugs such as dexamethasone reduced the release of IL-8 from endothelial cells in vitro, and alleviated systemic inflammatory response syndrome caused by bacterial outer membrane vesicles in vivo. In this study, we developed extracellular vesicle-mimetic ghost nanovesicles that can be loaded with exogenous drugs and deliver the drugs to target cells. The ghost nanovesicles can be used as novel targeted drug delivery systems to effectively deliver drugs to target cells