In situ reprogramming by nano-hypoxia of spleen to instruct therapeutic homing of vasculogenic cells

Abstract

Splenic capture of the targeting nanoparticles is one of the major reasons for only 0.7 % of the injected dose, on average from meta-analysis, being located in the target sites. However, the spleen doesn't need to be a hurdle if those captured nanoparticles move to the target sites with splenocytes since splenic mononuclear cells inherently target the inflammatory sites. One possible application for this is vasculogenic cell treatment, which has shown unmet needs in terms of dose and delivery limitations in clinical trials. Here, splenic mononuclear cells were in situ reprogrammed by nano-hypoxia towards vasculogenic cells. Hypoxic-mimetic agent-loaded nanoparticles were captured by splenic mononuclear cells, and the resulting cells were validated for facilitating angiogenesis. Also, secured vasculogenic cells are at >20-fold the conventional dose, and they inherently target inflammatory sites in an inflammatory degree-dependent manner, effectively addressing the dose and delivery issues. Consequently, the in situ reprogramming strategy demonstrated superiority over the conventional strategy regarding angiogenesis facilitation and the recovery of blood flow in a mouse hindlimb ischemia model. This strategy was also effective in enhancing angiogenesis and subsequent liver regeneration in a mouse 70 % hepatectomy model. In conclusion, the in situ reprogramming strategy using nano-hypoxia of the spleen can address the unmet needs of dose and delivery limitations in current vasculogenic cell treatment. 타겟팅 나노 입자가 타겟 부위에 도달하는 용량이 전체 주입 용량의 0.7 %에 불과하다는 메타분석 결과가 있는데, 그 주요 원인 중 하나는 비장이 혈액의 필터로서 나노 입자를 걸러내기 때문이다. 그러나 만약 비장에서 걸러진 나노 입자가 비장 세포와 함께 타겟 부위로 이동을 한다면 비장이 꼭 타겟팅의 장애물이 될 필요는 없는데, 실제로 비장의 단핵세포는 혈관 허혈 부위로 이동한다는 것이 알려져 있다. 이러한 내용은 혈관 형성 세포 치료에 활용해 볼 수 있는데, 이 치료 방법으로 수십여 번의 임상 실험이 진행되었으나 용량과 전달 방법에서 한계점을 극복하지 못하고 있다. 본 연구에서는 비장 단핵세포를 생체 내에서 혈관 형성 세포로 리프로그래밍을 시도하였으며, 그 수단으로써 나노-저산소화를 이용하였다. 저산소 환경 모사체를 담지한 나노 입자는 불가피하게 비장 단핵세포에 의해 걸러졌고, 비장 단핵세포는 혈관 형성 세포가 되어 혈관 형성을 촉진하였다. 또한 이렇게 확보된 혈관 형성 세포는 기존 치료 용량의 20배가 넘었으며, 이들은 자연적으로 혈관 허혈 부위로 이동하는 양상을 보여줌으로써, 기존의 혈관 형성 세포 치료의 용량 및 전달 방법 문제를 효과적으로 해결할 수 있었다. 이에 따라, 이 전략은 마우스 하지 허혈 모델에서 기존 치료 방법 보다 효과적인 혈관 재생과 혈류 회복을 보여줬다. 나아가, 마우스 간 70 % 절제 모델에서도 효과적인 혈관 재생 및 간 조직 재생 효과를 보여주었다. 결론적으로, 비장의 나노-저산소화를 통한 생체 내 리프로그래밍 전략은 기존 혈관 형성 세포 치료의 용량과 전달 방법 문제를 효과적으로 해결하는 치료 전략이 될 수 있을 것이다.