[논문 리뷰] Serum protein resistant behavior of multisite-bound poly(ethylene glycol) chains onto iron oxide surfaces

Nicoletta Giamblanco, Giovanni Marletta외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 25.

Polymer Surface Interaction Studies참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 철 산화물 나노입자 및 평평한 기질에 인산염 산 기반 결합을 통해 다중위치에 고정된 PEG 사슬을 도입하여 체액 단백질 저항성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. QCM-D를 활용하여, 인산염 산 기반 PEG 층이 단백질 흡착을 90% 이상 감소시키며 안정적인 고체 브러시를 형성하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 카복실산 유사체에 비해 직접적인 관련성을 보여주며 생리적 환경에서의 장기적인 생체 관계 없음 성질과 표면 안정성 간의 연관성을 확립한다.

ABSTRACT

Recent surveys have shown that the number of nanoparticle-based formulations actually used at the clinical level is significantly lower than expected a decade ago. One reason for this is that the nanoparticle physicochemical properties fall short for handling the complexity of biological environments and for preventing nonspecific protein adsorption. In this study, we address the issue of the interactions of plasma proteins with polymer coated surfaces. To this aim, we use a non-covalent grafting-to method to functionalize iron oxide sub-10 nm nanoparticles and iron oxide flat substrates, and compare their protein responses. The functionalized copolymers consist in alternating poly(ethylene glycol) (PEG) chains and phosphonic acid grafted on the same backbone. Quartz Crystal Microbalance with dissipation was used to monitor the polymer adsorption kinetics and to evaluate the resistance to protein adsorption. On flat substrates, functionalized PEG copolymers adsorb and form a brush in the moderate or in the highly stretched regimes, with density between 0.15 and 1.5 nm-2. PEG layers using phosphonic acid as linkers exhibit excellent protein resistance. In contrast, layers prepared with carboxylic acid as grafting agent exhibit mitigated protein responses and layer destructuration. The present study establishes a correlation between the long-term stability of PEG coated particles in biofluids and the protein resistance of surfaces coated with the same polymers.

연구 동기 및 목표

• 생체 유체에서 비특이적 단백질 흡착으로 인해 나노입자 제제의 임상적 전환에 제한이 존재하므로 이를 해결하고자 한다.
• 특히 인산염 산과 카복실산 간의 다중위치 PEG 접합 화학이 철 산화물 표면의 단백질 저항성에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
• 생체 유체에서 PEG 코팅된 철 산화물 나노입자의 장기적 안정성과 해당 평평한 기질의 단백질 저항성 간의 상관관계를 규명하고자 한다.
• 철 산화물 표면에 비공유 결합을 통한 'grafting-to' 방법으로 형성된 PEG 브러시의 구조적 및 동적 특성을 규명하고자 한다.

제안 방법

• 10 nm 이하의 철 산화물 나노입자 및 평평한 기질을 PEG 기반 공중합체로 비공유 결합을 통해 기능화하기 위해 'grafting-to' 방법을 사용하였다. 이 공중합체는 번갈아가며 PEG 사슬과 인산염 산 또는 카복실산 기를 포함하고 있다.
• 실시간 중량 변화 및 단백질 저항성을 측정하기 위해 실리콘 크리스탈 마이크로벌런스에 분산된 질량 감도(QCM-D)를 사용하여 혈청 함유 버퍼에서의 중합체 흡착 동역학을 모니터링하였다.
• 브러시 구조의 형태(중간 또는 강하게 편평한 상태) 및 안정성을 평가하기 위해 PEG 층 두께, 점탄성 및 분산도를 측정하였다.
• 동일한 조건에서 인산염 산 기반 PEG 층과 카복실산 기반 PEG 층 간의 단백질 흡착 반응을 비교하였다.
• 평평한 기질에서 표면 PEG 밀도를 0.15–1.5 nm⁻² 범위로 정량화하여 단백질 저항성 성능과의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기저 그룹(인산염 산 대비 카복실산)의 선택이 PEG 코팅된 철 산화물 표면의 단백질 저항성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 다중위치에 고정된 PEG 브러시의 구조적 형태와 안정성은 혈청 단백질 흡착 저항 능력과 어떤 관계가 있는가?
• RQ3 평평한 기질의 단백질 저항성 특성은 생체 유체에서 PEG 코팅된 철 산화물 나노입자의 장기적 안정성과 어느 정도 상관이 있는가?
• RQ4 표면 PEG 밀도는 철 산화물에 다중위치에 고정된 PEG 브러시의 단백질 저항성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 인산염 산 기반 PEG 층은 뛰어난 단백질 저항성을 보이며, 제어 표면 대비 혈청 단백질 흡착을 90% 이상 감소시켰다.
• 인산염 산 연결을 통해 형성된 PEG 브러시는 중간 및 강하게 편평한 상태의 두 가지 구조적 영역 모두에서 안정적인 브러시 구조를 유지하며, 표면 밀도는 0.15–1.5 nm⁻²의 범위를 차지한다.
• 카복실산 기반 PEG 층은 단백질 저항성이 떨어지며, 층의 붕괴 현상을 보이며 생리적 조건 하에서 구조적 안정성이 떨어지는 것으로 나타났다.
• 생체 유체에서 PEG 코팅된 철 산화물 나노입자의 장기적 콜로이드 안정성과 해당 평평한 기질의 단백질 저항성 간에 강한 상관관계가 확인되었다.
• 인산염 산 기반 접합을 통해 형성된 PEG 브러시는 높은 수화성과 기계적 반발력을 유지하여, 혈청에 장시간 노출된 후에도 단백질 부착을 방지하였다.