KR101101261B1 - 생체분해성 삼블럭 공중합체, 이의 합성 방법, 및이로부터 제조된 하이드로겔 및 생체물질 - Google Patents

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Abstract

사이클로덱스트린 및 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 공중합체로부터 형성된 하이드로겔, 및 하이드로겔 내에 균질하게 함유되어 있는 하나 이상의 치료제의 치료학적 유효량을 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, A 중합체 블럭은 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO)이고 B 중합체 블럭은 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트](PHB)이고, 공중합체는 삼블럭 ABA 공중합체 PEO-PHB-PEO이다. 양쪽성 삼블럭 공중합체를 합성하는 방법을 또한 제공한다.
사이클로덱스트린, 폴리(알킬렌옥사이드), 중합체 블럭, 폴리(하이드록시알카노에이트), 양쪽성 공중합체, 하이드로겔, 약물 전달 시스템, 삼블럭 ABA 공중합체 PEO-PHB-PEO.

Description

생체분해성 삼블럭 공중합체, 이의 합성 방법, 및 이로부터 제조된 하이드로겔 및 생체물질{Biogradable triblock copolymers, synthesis methods therefor, and hydrogels and biomaterials made there from}
본 발명은 폴리(하이드록시알카노에이트) 중합체 블럭 및 폴리(알킬렌옥사이드) 중합체 블럭을 갖는 양쪽성 공중합체를 합성하는 방법, 이러한 중합체와 사이클로덱스트린으로 형성된 하이드로겔, 및 이러한 중합체 및 하이드로겔을 기본으로 하는 주사가능한 하이드로겔 약물 전달 시스템을 포함하는 생체물질에 관한 것이다.
시간에 따라 상당히 변하는 사람 또는 기타 포유 동물의 체내에서 치료 효과를 유도하는 방법들에 의해 다수의 약물들이 전달을 위해 배합된다. 정맥내 투여에 의해 전달되는 약물은 혈장 약물 농도를 거의 일시적으로 최고로 상승시킨 다음, 약물이 대사됨에 따라 혈장 수준으로 점차로 감퇴시킬 수 있다. 경구 또는 근육내 투여되는 약물은 약물의 전신 투여 도중 약물의 혈장 농도를 서서히 증가시킬 수 있고, 이어서 최고 수준의 혈장 약물 수준을 감소시킬 수 있다. 약물 투여를 빈번한 간격, 예를 들어 매일 반복할 수 있는데, 이는 기껏해야 연속 또는 일정한 치료학적 수준에 적합하게 할 뿐이다.
연장된 기간에 걸쳐 치료제의 지연된 방출을 제공하는 전달 시스템으로 여러가지 유형의 치료제를 전달하는 것이 유익할 것이다. 조절된 방출을 위해 사용되는 다양한 중합체 및 약물의 전달이 지난 20년 동안 개발되어 왔다. 대부분의 중합체는 임플런트나 주사가능한 마이크로스피어로 성형된다. 이러한 중합체는 생체분해성이고 생체적합성이고 생체분해성이고 생체적합성이어야 한다. 적합한 형태의 중합체를 제조하기 위해, 복잡한 제조 공정이 필요한데 이는 전형적으로는 유기 용매를 포함한다. 그러나 유기 용매의 사용은 몇몇 단백질의 변성을 유발할 수 있고 심지어 미량의 유기 용매도 독성일 수 있다.
중합체 하이드로겔이 약물 전달 및 조절된 방출을 위해 개발되어 왔다. 예를 들면, 화학적으로 가교 결합된 중합체 하이드로겔이 임플런트로서 사용되어 왔다. 몇몇의 주사가능한 약물 전달 시스템은 화학적으로 가교결합된 하이드로겔 을 주사후 체내에 형성시키고 약물 디포우를 제공한다. 그러나, 이들 중합체의 존재 및/또는 파쇄로 인해 체내에서 일어나는 화학 반응이 조직 자극 및 손상을 유발할 수 있다.
물리적 중합체 하이드로겔은 생체 물질 적용을 위해 폭 넓게 연구되어 왔다. 그 예로서 거울상이성체성 중합체 또는 폴리펩티드 단편의 복합체화에 의해 형성된 하이으로겔 및 온도- 또는 pH - 민감성을 갖는 하이드로겔이 포함된다. 이들은 조절된 약물 전달을 위해 특별한 주의를 끄는데, 이는 섬세한 생체활성 제제, 예를 들어 단백질을 트래핑하는데 관련되는 온화한 수성 조건 때문이다. 예를 들면, 열민감성 블럭 공중합체로부터 형성된 동일 반응계내에서 형성된 하이드로겔이 또한 약물의 서방성 매트릭스로 제안되어 왔다. 이들은 겔 형성에 관련되는 화학 반응이 전혀 없다는 점에서 유리하다. 이들 공중합체 하이드로겔은 단백질 및 호르몬과 같은 거대 분자 약물용으로 통상 고안된다. 이러한 온도 민감성 하이드로겔의 단점은 이러한 겔을 주사에서 사용하는 경우의 실용성의 문제이다.
더 최근에, 양쪽성 블럭 공중합체는 근본적인 연구 뿐만 아니라 적용에 대해서도 특별한 관심을 끌게 되었는데 이들의 독특한 쇄 구조와 고체 상태에서의 물리적 특성 때문이다[참조: Forster, S. et al., Adv. Mater. 10: 195-217 (1998); Alexandridis, P. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 1: 490-501 (1996)]. 이들은 초분자(supramolecular) 중합체 화학에서 매우 잘 정련된 자기 어셈블리된 구조를 위한 빌딩 블럭으로서 광범위하게 연구되어 왔다[참조: Forster (1998), Alexandridis (1996);Vanhest, J. et al., W. Science 268: 1592-1595 (1995); Jenekhe, S. et al., Science 283: 372-375 (1999); Kukula, H. et al., J.Am.Chem. Soc. 124: 1658-1663 (2002)]. 양쪽성 블럭 공중합체는 이러한 자기 어셈블리를 이용하는 생체물질로서 간주되어 왔다. 이들 연구 결과에 따라 신규한 거시적인 특성을 갖는 생체물질이 유도되었고 이들은 조절된 약물 전달 및 조직 공학용으로 사용된다[참조: Jeong, B. et al., Adv. Drug Delivery Rev. 54: 27-51 (2002); Kissel, T. et al., Adv. Drug Delivery Rev. 54: 99-134 (2002).
폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO)는 친수성 및 생체적합성 폴리에테르로서 널리 사용된다[참조: Herold, D. etal., Biochem. Pharmacol. 38: 73-76 (1989)]. 친수성 단편으로서 PEO를 포함하는 양쪽성 ABA 삼블럭 공중합체가 사전에 연구되어 왔 고 생체물질로서 기재되어 있다. 여기서 용어 ABA는 제1 중합체의 중앙 단편을 포함하며 B 블럭 중합체로서 언급되는 중합체, 및 제2 중합체의 제1 및 제2 말단 단편을 포함하며 A 블럭 중합체로서 언급되는 중합체를 의미한다. 전형적인 예로서, 시판되는 폴리(에틸렌 옥사이드)-폴리(프로필렌 옥사이드)-폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO-PPO-PEO, PluronicsTM) 삼블럭 공중합체가 이들의 상 거동 및 약물 적용을 위한 가능한 적용의 면에서 광범위하게 연구되었다[참조: Alexandridis, P. et al. , Colloids Surf. 96: 1-46 (1995); Bromberg, L. et al., Adv. Drug Del Rev. 31: 197-221 (1998)]. 최근에, 생체분해성 폴리에스테르를 갖는 PEO의 양쪽성 ABA 삼블럭 공중합체에 더 많은 관심이 집중되었다. PEO 및 폴리에스테르, 예를 들어 폴리(L-락트산)(PLLA), 폴리(글리콜산) 또는 이들의 코폴리에스테르로 이루어진 삼블럭 공중합체의 합성 및 특징화가 보고되어 있다[참조:Jeong, B. et al., Nature 388: 860-862 (1997); Jeong, B. et al., Macrorrzolecules 32: 7064-7069 (1999); 미국 특허 제5,384,333; 미국 특허 제5,702,717호; 미국 특허 제4,716,203호; 미국 특허 제5,476,909호]. 이러한 양쪽성 블럭 공중합체는 수중에서 미셀 또는 심지어는 겔을 형성하는 경향이 있는데, 이는 주사가능한 약물 전달 시스템에 잠재적으로 유용하다.
기타 관심 대상이 되는 하이드로겔 시스템은, 예를 들어 사이클로덱스트린(CDs)의 내부 공동을 침투하여 목걸이형의 초분자상 구조를 갖는 포접 복합체를 형성시키는 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO)와 같은 선형 중합체에 의해 생성된 폴리로탁 산으로 이루어진다[참조:Harada A. et al., Nature 356: 325 (1992); LiJ. et al.,Polym. J. 26: 1019 (1994)]. 그러나, 단지 고분자량의 PEO가 α-CD와 하이드로겔을 형성할 수 있고, 수용액에서의 하이드로겔의 분해는 PEO의 친수성 성질 때문에 신속하다.
관련 하이드로겔을 사용하는 주사가능한 약물 전달 시스템이 본원에서 참조 문헌으로 인용된 미국 특허원 제2002/0019369 Al호[발명자: Li et al., 발명의 명칭: 사이클로덱스트린-중합체 기본 하이드로겔]에 기재되어 있다. 이러한 출원은 CD, 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG) 중합체, PEG 유도체, 또는 PEG 공중합체, 및 약물로부터 형성된 사이클로덱스트린 중합체 기본 주사가능한 조성물을 기술한다. 시스템에서 중합체로서 폴리(프로필렌 글리콜) 또는 기타 폴리(알킬렌글리콜)의 사용이 언급되어 있다. 이 공보에 기술되어 있는 중합체 하이드로겔이 서방성 시스템을 보장하지만, 이들이 1주 보다 장기간의 서방출을 위한 최적의 방출 동력학을 제공하는 것으로 입증되지는 않았다.
폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트](PHB)는 여러가지 미생물에 의해 탄소 및 에너지 저장 물질로서 합성되는 광학 활성 생체분해성 폴리에스테르이다[참조: Doi, Y. Microbial polyesters ; VCH Publisher, New York (1990)].
Cha 등의 미국 특허 제5,702,717호는 폴리(α-하이드록시산) 또는 폴리(에틸렌 카보네이트)일 수 있는 소수성 A 중합체 블럭, 및 폴리(에틸렌 글리콜)인 친수성 B 중합체 블럭으로 이루어진 열민감성 생체분해성 공중합체를 기술한다. 이들 중합체는 약물 전달용으로 기재되어 있고, 역 열 겔화 거동을 나타내는 것으로 특 징화된다. 폴리(α-하이드록시산) 중합체 블럭의 가능한 예는 하이드록시부티르산을 포함하지만; 이는 폴리(β-하이드록시알카노에이트)이고, 및 Cha 등에 의해 교시된 중합체 부류내에 포함되지 않을 뿐만 아니라 Cha 등에 의해 연구된 특징 모두를 나타내지도 않을 것이다. 추가로, Cha 등은 사이클릭 단량체의 개환을 포함하는 합성 방법을 사용하는데, 이는 폴리(α-하이드록시산)의 가능하게는 바람직하지 않은 라세미체화를 유도할 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 사이클로덱스트린 및 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 공중합체로부터 형성된 하이드로겔, 및 하이드로겔 내에 균질하게 함유되어 있는 하나 이상의 치료제의 치료학적 유효량을 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한 A 블럭 중합체로서 폴리(에틸렌 옥사이드) 및 B 블럭 중합체로서 폴리(3-하이드록시부티레이트)를 포함하는 양쪽성 ABA 삼블럭 공중합체를 합성하는 방법을 제공한다. 당해 방법은 폴리(3-하이드록시부티레이트)를 저분자량의 텔레켈릭 폴리(3-하이드록시부티레이트)-디올로 전환시키고; 메톡시-폴리(에틸렌 옥사이드)로부터 메톡시-폴리(에틸렌 옥사이드)-모노카복실산을 생성시키고; 폴리(3-하이드록시부티레이트)-디올을 메톡시-폴리(에틸렌 옥사이드)-모노카복실산과 1,3-디사이클로헥실카보디이미드를 사용하여 커플링시켜 ABA 삼블럭 공중합체를 수득하는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 사이클로덱스트린, 수성 기재 유체에서 치료학적 유효량의 하나 이상의 치료제, 및 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 공중합체를 배합함으로써, 하이드로겔 약물 전달 시스템을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에서, 치료가 필요한 사람 또는 기타 포유 동물에게 하나 이상의 치료제를 사용하여 이들을 치료하는 방법이 제공된다. 당해 방법은 약물 전달 시스템에 하나 이상의 치료제를 투여하기 위한 것인데, 당해 약물 시스템은, 사이클로덱스트린 및 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 공중합체로부터 형성된 하이드로겔, 및 하이드로겔 내에 균질하게 함유되어 있는 하나 이상의 치료제의 치료학적 유효량을 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, A 중합체 블럭은 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO)이고 B 중합체 블럭은 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트](PHB)이다. 당해 실시양태에서 α-사이클로덱스트린(α-CD)과 하이드로겔을 형성하기 위해 사용되는 공중합체는 삼블럭 PEO-PHB-PEO 공중합체이다.
말단 단편으로서 PEO 및 중간 단편으로서 PHB를 사용하는 본 발명의 실시양태의 양쪽성 삼블럭 공중합체는 흥미로운 특성이 있는데, 이는 PHB가 매우 결정질이고 소수성이기 때문이다. 또한, PHB는 생체내 분해속도가 PLLA 및 다수의 기타 통상적으로 사용되는 바이오폴리에스테르보다 낮다[참조: Gogolewski, S. et al., J. Bionzed. Mat. Res. 27: 1135-1148 (1993)]. 따라서, PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중 합체가 이전에 개발된 중합체보다 장기간 이식 또는 약물의 조절된 전달을 더 보장할 수 있을 것이다.
α-CD와 PEO 블럭의 복합체의 자기 어셈블리 이외에, PHB 중간 단편 블럭사이의 소수성-소수성 상호작용은 또한 하이드로겔 네트워크를 추가로 강화시킨다. 하이드로겔의 특성은 PHB 및 PEO의 분자량 및 몰비를 조정하여 정밀하게 조정함으로써 단백질, 펩타이드, 유전자, 소분자 및 항체 및 이의 단편 및 사람 재조합 단백질, 항원, DNA, RNA 또는 DNA 나노입자의 전달을 위한 다수의 생의학 적용분야 및 조직 공학용으로 잠재적으로 주의를 끌 수 있다.
본 발명의 PEO-PHB-PEO 하이드로겔은 부분적으로는 중간절편의 증가된 소수성으로 인해 놀라울 정도로, 기타 공지된 하이드로겔에 비해 상당히 증가된 서방출 특성을 나타낸다. 이들 하이드로겔은 또한 향상된 안정성을 나타내고, 겔을 더 신속하게 형성하고, 사이클로덱스트린을 덜 사용하고, 과량의 사이클로덱스트린이 사용될 경우 일어날 수 있는 잠재적인 염증과 같은, 어떠한 바람직하지 않은 부작용도 최소화한다.
본 발명의 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체는 수성 매질에서 미셀을 형성하려는강한 경향이 있다. 본 발명의 공중합체로부터의 미셀 형성은 비교적 온도 무관성(insensitive)이다. 이러한 온도 무관성은 PHB 및 PLLA가 유사한 화학구조를 갖는다는 점에서, PLLA 또는 PGA와 같은 기타 폴리(α-하이드록시알칸산)으로부터 형성된 미셀의 상대적 온도 불안정성과 비교할 경우 예기치않은 것이다[참조:(Jeong (2002); Kissel (2002); Jeong (1997); Jeong (1999)]. 따라서 본 발명의 미셀은 약물 전달용으로 예를 들어 15 내지 45℃ 범위에서 적합한데, 이는 이들이 당해 범위내의 높은 온도에서 미리 파쇄되지 않고 당해 범위의 낮은 온도에서 더 큰 크기로 용이하게 응집하지 않기 때문이다.
본 발명의 전술한 측면과 이에 따르는 다수의 이점은 하기 상세한 설명을 참조로 첨부된 도면과 함께, 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 실시양태에 따르는 폴리(에틸렌 옥사이드)-폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트]-폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO-PHB-PEO)공중합체 합성을 위한 화학 반응 도식을 제공하고;
도 2는 실시예 1에서 제조된 PEO-PHB-PEO 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 크로마토그램을 제공하고;
도 3은 실시예 1에서 제조된 PEO-PHB-PEO 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 1H NMR 스펙트럼을 제공하고;
도 4는 실시예 1의 방법으로 제조된 PEO-PHB-PEO(2000-3900-2000) 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 FTIR 스펙트럼을 제공하고;
도 5는 실시예 1의 방법으로 제조된 PEO-PHB-PEO(2000-3900-2000) 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 열중량분석(TGA) 동안의 중량 손실 곤선을 제공하고;
도 6 및 7은 실시예 1의 방법으로 제조된 상이한 분자량의 PEO-PHB-PEO 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 차등 주사 열량계(DSC) 써모그램을 제공하고;
도 8 및 9는 실시예 1의 방법으로 제조된 상이한 분자량의 PEO-PHB-PEO 공중합체 및 상응하는 초기 중합체의 광각 X선 회절 (XRD) 다이어그램을 제공하고;
도 10은 α-CD-PEO(10000)하이드로겔(●)(선행 기술); α-CD-PEO (20000)하이드로겔(◆)(선행 기술); 본 발명의 실시양태에 따른 α-CD-PEO-PHB-PEO(5000-2350-5000)하이드로겔(▲); 및 본 발명의 실시양태에 따른 α-CD-PEO-PHB-PEO(5000-3850-5000)하이드로겔(■)로부터 방출된 BSA-FITC(1.0 mg의 BSA-FITC가 하중된 300mg의 하이드로겔)에 대한 실시예 2로부터의 시험관내 방출 프로파일을 예시한 것이고;
도 11은 PEO-PHB-PEO(5000-5500-5000)하이드로겔(■) ; 본 발명의 실시양태에 따른 α-CD-PEO-PHB-PEO(5000-5500-5000)하이드로겔(●); 및 본 발명의 실시양태에 따른 α-CD-PEO-PHB-PEO(5000-3800-5000)하이드로겔(▲)로부터 방출된 덱스트란-FITC(1.0mg의 덱스트란-FITC, Mn 20,000으로 하중된 300mg의 하이드로겔)을 예시한 것이고;
도 12 및 13은 α-CD(도 12) 또는 γ-CD (도 13)중의 하나로 복합체화된 여다양한 분자량의 PEO-PHB-PEO 공중합체와 비교된 비복합체화된 PEO-PHB-PEO 공중합체에 대한 XRD 다이어그램을 제공하고;
도 14 및 15는 α-CD(도 14) 또는 γ-CD (도 15)중의 하나로 복합체화된 여다양한 분자량의 PEO-PHB-PEO 공중합체와 비교된 비복합체화된 PEO-PHB-PEO 공중합체에 대한 DSC 써모그램을 제공하고;
도 16은 비복합체화된 α-CD 및 PEO-PHB-PEO(2000-5200-2000)공중합체로 복 합체화된 α-CD에 대한 13C CP/MAS NMR 스펙트럼을 제공하는데, 화살표는 단일의 형상 변형된 글리코시드 결합에 인접한 C-1 및 C-4에 대한 분할된 공명을 나타내는 것이고;
도 17은 DMSO-d 6 중에서 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 공중합체로 복합체화된 α-CD의 400 1H NMR 스펙트럼을 제공하고;
도 18 및 19는 α-CD 또는 γ-CD중의 하나로 복합체화된 당해 공중합체와 비교되고 순수 α-CD에 비교된 비복합체화된 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 공중합체에 대한 분할을 상이하게 하는 FTIR 스펙트럼을 제공하고;
도 20은 순수 α-CD, 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 공중합체 및 이러한 공중합체와 α-CD와의 복합체의 열중량분석(TGA) 곡선을 제공하고;
도 21은 23℃에서 여러가지 농도에서 실시예 5로부터 PEO-PHB-PEO 공중합체의 수용액에 피렌 프로브(6.0 x 10-7M)용 383 nm에서 탐지된 정상 형광 여기 스펙트럼을 제공하고;
도 22는 23℃에서 공중합체 용액에서 피렌의 I337/I334 비에서 실시예 5로부터의 PEO-PHB-PEO 공중합체의 농도의 영향을 예시하고;
도 23은 여러가지 농도에서 실시예 5로부터의 PEO-PHB-PEO 공중합체의 수용액에서 피렌의 I337/I334 비의 온도의 영향을 예시하고;
도 24a는 인산염 완충 염수의 동맥내 주사 1주 후의 래빗 무릎 관절의 조직 구조을 나타내는 이미지(원래 크기 x 10)를 제공하고;
도 24b는 α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-2000-5000) 하이드로겔의 정맥내 주사 1주 후의 래빗 무릎 관절의 조직 구조를 나타내는 이미지(원래 크기 x 10)를 제공한다.
바람직한 실시양태의 상세한 설명
본 발명은 사이클로덱스트린 및 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 공중합체로부터 형성된 하이드로겔, 및 하이드로겔 내에 균질하게 함유되어 있는 하나 이상의 치료제의 치료학적 유효량을 포함하는 약물 전달 시스템을 제공한다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시양태에서, A 중합체 블럭은 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO)이고 B 중합체 블럭은 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트](PHB)이고, 공중합체는 삼블럭 PEO-PHB-PEO 공중합체이다. 본 발명의 폴리(알킬렌옥사이드)-폴리(하이드록시알카노에이트)-폴리(알킬렌옥사이드)의 A 및 B 블럭 성분은 이제 기술될 것이다.
폴리(알킬렌옥사이드)
친수성 폴리(알킬렌옥사이드) 말단 단편 구조(A 블럭 중합체)는 본 발명의 삼블럭 공중합체에 사용된다. 폴리(알킬렌옥사이드)는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드) 및 폴리(테트라하이드로푸란)으로부터 선택된다. 본 발명에서 사용되는 바람직한 폴리(알킬렌옥사이드)는 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO) 또는 이의 유도체이고, 가장 바람직하게는 PEO이다. PEO는 또한 폴리(에틸렌 글리콜)로서 언급되고 본원에서 사용된 바와 같이 용어 폴리(에틸렌 옥사이드)(및 약자 PEO)는 또한 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG)을 의미하고자 한 것이다.
폴리(알킬렌옥사이드)는 상이한 형태이고 상이한 말단 그룹일 수 있다. 예를 들면, PEO의 경우, PEO 유도체는 상이한 구조를 가질 수 있는데, 예를 들면 별모양 PEO, 빗모양 PEO 등일 수 있다. 폴리(에틸렌 옥사이드)는 개질화된 분자 형태일 수 있는데, 예를 들면 PEG화 다당류, PEG화 폴리(아미노산), PEG화 단백질 등이다. 또한, PEO의 폴리아민 유도체, 예를 들면 PEG화 폴리(에틸렌 이민) 또는 PEG화 폴리리신을 사용할 수 있다.
본 발명의 공중합체에서 A 블럭 중합체로서 사용되는 PEO 또는 기타 폴리(알킬렌옥사이드)의 상대적인 분자량(Mr)은 적합하게는 500 내지 2,000, 바람직하게는 2,000 내지 10,000이다.
폴리(하이드록시알카노에이트)
강한 소수성인 폴리(하이드록시알카노에이트) 중간단편 구조(B 블럭 중합체)는 본 발명의 삼블럭 공중합체에서 사용된다. 본 발명에 사용하기에 적합한 폴리(하이드록시알카노에이트)는 a) 비교적 소수성이어서 중합체 쇄 사이의 소수성-소수성 상호작용이 거대분자 어셈블리를 촉진시키고 필요한 CD 농도를 감소시키고; b) 생체분해성; 및 c) 무독성 및 생체적합성이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 소수성 B 중합체 블럭은 폴리(하이드록시알카노에이트)이다. 적합한 폴리(하이드록시알카노에이트)는 폴리[(R)-3-하이드록시부 티레이트](PHB) (이는 또한 폴리[(R)-3-하이드록시부티르산]으로 언급됨) 또는 폴리(β-하이드록시 산); 폴리[(R)-4-하이드록시부티레이트](PGHB); 폴리[(R)-3-하이드록시발레레이트](PHV); 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트]-코-폴리[(R)-3-하이드록시발레레이트](PHB/HV); 폴리[(R)-3-하이드록시헥사노에이트](PEEx); 폴리[(R)-3-하이드록시헵타노에이트] (PHHp); 상기 (R) 거울상이성체 각각의 (S) 거울상이성체; 상기 (S)와 (R) 거울상이성체의 라세미 혼합물; 및 상기 폴리(하이드록시알카노에이트)의 혼합물을 포함한다. 바람직한 폴리(하이드록시알카노에이트)는 폴리(β-하이드록시 알카노에이트), 더 구체적으로는 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트](PHB) 및 관련 폴리[(R)-3-하이드록시알카노에이트]이다. 본 발명에 사용하기 위한 가장 바람직한 폴리(하이드록시알카노에이트)는 PHB이다.
본 발명의 공중합체에서 B 블럭 중합체로서 사용되는 PHB 또는 기타 폴리(하이드록시알카노에이트)의 상대적인 분자량(Mr) 범위는 적합하게는 500 내지 2,000, 바람직하게는 2,000 내지 10,000, 더 바람직하게는 2,500 내지 7,500이고, 가장 바람직하게는 3,000 내지 5,000이다.
공중합체(copolymer)
본 발명은 하기에서 후술되는, 독특한 합성 방법으로 제조되는 폴리(알킬렌옥사이드) 및 폴리(하이드록시알카노에이트)의 양쪽성 공중합체를 제공한다. 바람직하게는 이들 공중합체는 예로서 PEO-PHB-PEO와 같은 ABA 삼블럭 공중합체이다. 이러한 본 발명의 삼블럭 공중합체는 사이클로덱스트린과 함께 하이드로겔을 형성하고, 서방성 약물 전달 및 기타 생의약 적용분야에서 유용하다. 본 발명은 또한 예로서 PEO-PHB와 같은, 폴리(알킬렌옥사이드)와 폴리(하이드록시알카노에이트)의 AB 블럭 공중합체이다. 이러한 AB 블럭 공중합체는 또한 사이클로덱스트린과 함께 하이드로겔을 형성할 것으로 생각된다. 따라서, 삼블럭 ABA 중합체가 바람직하지만, 본원에 기술된 본 발명의 모든 실시 양태는 또한 폴리(알킬렌옥사이드) 및 폴리(하이드록시알카노에이트)의 AB 블럭 공중합체에 적용되는 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 중합체의 다른 변형이 또한 바람직하다. 예를 들면 벌키한 차단성 그룹을 생체분해성 결합, 예를 들면 L-페닐알라닌, L-트립토판, 니코티닐 그룹 등에 컨쥬게이트시킬 수 있다.
본 발명의 PEO-PHB-PEO 중합체 분자량은 적합하게는 1,000 내지 50,000, 바람직하게는 5,000 내지 35,000이다.
본 발명의 공중합체는 생체흡수성, 생체분해성, 생체적합성으로 제형화할 수 있고, 사이클로덱스트린과 함께 하이드로겔을 형성할 수 있다. 생체흡수성이라 함은 중합체가 체내에서, 분산된 중합체 분자의 분해 또는 분해 없이, 초기 적용에서 사라질 수 있음을 의미하는 것이다. 생체분해성은 가수분해 또는 효소 분해에 의해 중합체가 체내에서 파쇄 또는 분해될 수 있음을 의미한다. 생체적합성은 성분 모두가 체내애서 무독성임을 의미한다.
사이클로덱스트린
사이클로덱스트린(즉, 사이클로덱스트린)은 본 발명에서 복합체화제로서 사용되어 삼블럭 공중합체의 단편을 복합체화시킨다. 이어서 이들 사이클로덱스트린-뜨레딩된 중합체 다발이 하이드로겔을 형성한다. 알파 1, 4 결합에 의해 결합된 6, 7, 8 또는 그 이상의 D(+) 글리코피라노즈 유니트로 이루어진 일련의 천연 사이클릭 올리고사카라이드이다. 사이클로덱스트린은 예를 들어, 미생물에 의해 천연적으로 합성될 수 있다. 사이클로덱스트린은 인공적으로 이의 특성을 조작하여, 예를 들어 용해성, 복합체-형성능, 및 특이성을 개질시킬 수 있다. 본원에 사용되는 사이클로덱스트린은 모든 형태의 천연 및 인공적으로 개질된 형태를 의미한다. 적합한 사이클로덱스트린은 α-사이클로덱스트린, β-사이클로덱스트린, γ-사이클로덱스트린 및 이의 유도체를 포함하는데, 소수성 유도체, 친수성 유도체, 하전된 사이클로덱스트린 등을 포함한다. 바람직한 사이클로덱스트린은 α-사이클로덱스트린이다.
중합체 합성
PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체 합성 절차는 도 1의 반응 도식에 나타내었다. PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 본 발명에 따라서 합성하기 위해서, 중합체 전구체를 통상적인 방법으로 먼저 제조한다. 천연 공급원 PHB는 고분자량이고, 하나의 하이드록시-말단 그룹 및 하나의 카복시-말단 그룹을 갖는다. 천연 공급원 PHB는 광학 활성에서 또한 순수하다. 고분자량의 천연 공급원 PHB는 공지된 방법을 사용하여 에틸렌 글리콜과 트랜스에스테르화 반응에 의해 저분자량의 텔레켈릭하이드록실-말단 PHB(PHB-디올)로 전환된다. 예를 들어, 트랜스에스테르화 반응은 촉매로서 디부틸틴 디라우레이트를 사용하여 디글라임(디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르)에서 수행할 수 있다. 트랜스에스테르화 반응은 수시간에서 밤새 동안 진행시켜 겔 투과 크로마토그래피(GPC)로 측정한 바와 같이, 수백 내지 수천의 범위에 이르는 평균 분자량을 갖는 PHB-디올을 생성시킬 수 있다. 메톡시-PEO-모노카복실산(M- PEO-A)초기 중합체는, 공지된 방법을 사용하여, 1,4-디옥산중에서 4-(디메틸아미노)피리딘(DMAP) 및 트리에틸아민의 존재하에 메톡시-PEO를 석식산 무수물과 반응시켜 적합하게 제조한다.
이어서 이들 중합체 전구체, 즉 초기 중합체를 본 발명의 방법에 따라서 커플링시켜 목적하는 삼블럭 공중합체를 수득한다. 초기 중합체(PHB-디올 및 M-PEO-A)는 바람직하게는 먼저 건조시키는데, 이는 커플링 반응이 습도 민감성이기 때문이다. 이작용성 PHB-디올을 커플링제로서 1,3-디사이클로헥실카보이미드(DCC)를 사용하여 M-PEOA와 커플링시켜 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 생성시킨다. 또한 습도 민감성 때문에, 커플링 반응은 질소 대기하에 무수 메틸렌 클로라이드중에서 수행한다. M-PEO-A를 커플링 반응에서 과량으로 사용하여 모든 PHB-디올을 삼블럭 공중합체로 전환시키는 것을 보장한다.
이어서 표적 삼블럭 공중합체를 혼합 용매, 적합하게는 메탄올/디에틸 에테르 또는 클로로포름/디에틸 에테르로 하나 이상의 침전 및 주의 깊은 분별로부터 반응 혼합물로부터 분리하고 정제한다. 중합체의 PHB 블럭은 익히 정의된 (R) 라세미 배열로서 유지된다.
PHB의 (R) 거울상이성체를 사용한 삼블럭 공중합체 제조 이외에, 당해 합성 방법은 또한 PHB의 (S) 거울상이성체 및 (S)와 (R) 거울상이성체의 라세미 혼합물 및 기타 관련된 폴리(3-하이드록시알카노에이트) 및 이들의 공중합체 제조에 또한 유용한 것으로 기대된다.
하이드로겔 어셈블리
본 발명의 양쪽성 삼블럭 공중합체와 사이클로덱스트린의 초분자 자기 어셉블리는 물리적으로 가교결합된 주사가능한 하이드로겔을 형성한다. 초분자 자기 어셈블리는 다수의 분자 성분을 익히 정의된 미시적 유기체 및 거시적 특징을 갖는 특이 상으로 자발적 회합하는 것과 관련된다. 본 발명의 하이드로겔은 PEO(예를 들면) 단편은 서로 자기 어셈블리하는 반면, 소수성 상호작용이 PHB (예를 들면) 중간 단편사이에서 일어난다. 약물은 본 발명의 사이클로덱스트린-중합체 기본 주사가능한 하이드로겔로부터 생성된 생체내 기질 또는 담체로부터 서행하는 방식으로 전달될 수 있다.
사이클로덱스트린-중합체 기본 주사가능한 하이드로겔 조성물은 어떠한 적합한 방법으로도 제조될 수 있다. 약물을 사용하지 않는 하이드로겔의 제조용으로는 사이클로덱스트린을 수성 담체 유체(예: 탈염수 또는 염수)와 배합한다. 사이클로덱스트린을 혼합한 다음, 양쪽성 공중합체 성분(예: PEO-PHB-PEO)을 가한다. 혼합물을 일반적으로 0 내지 25℃의 온도에서 냉각시키는데, 바람직하게는 4℃와 같은 냉각 온도에서이다. 수득되는 생성물은 백색의 점성 하이드로겔이다.
하이드로겔이 약물 전달에 사용되기 위해 제조되는 경우, 수용액중의 약물은 사이클로덱스트린과 적합하게 초기에 배합한 다음, 공중합체와 배합한다. 또는, 약물 용액을 먼저 공중합체와 배합할 수 있다. 약물이 초기에 함유된 수용액은 약제학적으로 허용되는 주사가능한 수성 유체이다. 약제학적으로 허용되는 주사가능한 수성 유체는 이로써 제한되지는 않지만 주사가능한 염수일 수 있다. 적합한 완 충제는 이로써 제한되지는 않으나 알칼리 또는 알칼리 토금속 탄산염, 인산염, 중탄산염, 붕산염, 아세트산염 및 석식산염을 포함한다. 적합한 보존제는 이로써 제한되지는 않지만, 중아황산나트륨, 아스코르베이트, 벤트알코니움 클로라이드, 클로로부탄올, 티머졸, 페닐머큐릭 보레이트, 파라벤, 벤질 알코올 및 페닐에탄올을 포함한다. 보존액 및 완충액, 사용할 경우, 사용되는 치료제와 함께 혼화성을 기준으로 부분적으로 선택될 수 있다.
바람직하게는 중합체는 수용액중에 있는데, 이는 사이클로덱스트린과 함께 하이드로겔을 형성한다. 예를 들면, 적합한 수성 중합체 용액은 약 1 내지 약 80% 중합체, 바람직하게는 약 10 내지 약 40%이다. 적합한 하이드로겔은 약 1.0 내지 약 20%(w/w) 사이클로덱스트린(전체 용액의 중량을 기준으로 하여), 바람직하게는 약 5 내지 약 15% 사이클로덱스트린을 함유한다. 주지한 바와 같이, 하이드로겔은 수성 담체 유체를 사용하여 전형적으로 형성된다. 예를 들면, 전형적인 수용액은 약 1 내지 약 80% 중합체, 바람직하게는 약 10 내지 약 40%이다.
사이클로덱스트린과 중합체는 충분한 양과 상대적인 비율로, 본 발명에 따라 배합되어 특별한 적용을 위해, 바람직한 방출 동력학(약물 전달 적용을 위해) 및 물리적 특성(즉, 졸 점도 및 겔-졸 전이 특성)을 갖는 주사가능한 하이드로겔을 제공한다. 주사가능한 약물 전달 시스템용으로 사용할 경우, 사이클로덱스트린의 양을 충분히 사용하여 피하 주사를 통해 (전단 유도된 전이로 인해) 졸로서 주사가능한 겔을 생성시킬 수 있다. 적합하게는 사이클로덱스트린 대 중합체의 중량비는 0.05:1.0 내지 0.5:1.0(즉, 사이클로덱스트린은 중합체 중량의 5 내지 80 %)이다. 바람직하게는, 사이클로덱스트린은 중합체 중량의 5 내지 50 %로 포함된다.
목적하는 방출 동력학(약물 전달용) 및 물리적 특성을 달성하기 위해 필수적인 사이클로덱스트린의 최소량을 사용하여 생체내애서 염증 반응을 일으킬 수 있는 사이클로덱스트린의 수준을 피하는 것이 바람직하다. 본 발명의 하이드로겔은 사이클로덱스트린과 단독중합체성 PEO에 의해 형성된 통상적인 하이드로겔보다 겔을 형성하는데 실질적으로 더 적은 사이클로덱스트린을 필요로 하는 것으로, 예를 들면 50% 미만으로 생각된다. 극단적인 한 예로서, 특정의 PEO/PHB 배합을 갖는 몇몇 공중합체는 CD없이 겔을 형성할 수 있다. 그러나, CD를 사용하면, 겔은 상당히 개선된 방출 동력학을 제공한다. 이는 CD의 양이 겔의 방출 동력학을 조정하기 위해 선택될 수 있기 때문에 중요하다.
하이드로겔 특성 및 추가 성분
본 발명의 하이드로겔은 생체흡수성이고 생체분해성, 생체적합성이다. 이는 열민감성, 요변성으로 여겨지고, 특정 조건하에 겔과 졸로 전환된다. 겔-졸 전이 온도는 일반적으로는 실온보다 높지만, 이는 겔의 조성 뿐만 아니라 공중합체의 하학 구조 및 분자량에 따라 달라진다.
A 블럭으로서 PEO 및 B 블럭으로서 PHB를 포함하는, 본 발명의 삼블럭 ABA 중합체로부터의 하이드로겔의 형성은 비교적 온도 무관성인 것으로 밝혀졌다. 10 내지 45℃ 범위의 온도에서, 겔과 미셀의 형성은 온도보다는 주로 농도에 대해 의존성이다. 이러한 중합체를 사용하여 형성된 하이드로겔 및 미셀은, 저온에서 분해하기 어렵고 고온에서는 더 큰 크기로 응집하기 어렵기 때문에, 안정하여 약물 전달용으로 취급이 용이하다.
이의 요변 특성으로 인해서, 하이드로겔은 충분한 전단력에 적용될 경우 졸로 변형되어 하이드로겔(및 이에 함유된 특정의 약물) 전달용으로 주사가능하도록 한다. 예를 들어 27 G만큼이나 작은 바늘을 통과할 수 있을 정도로 제조할 수 있다.
하이드로겔의 pH는 일반적으로 약 6.5 내지 약 7.8이고, 이는 체내 주사용으로는 적합한 pH 수준이다. pH 수준은 임의의 산 또는 염기의 사용에 의해 조정될 수 있는데, 예를 들어 염산 또는 수산화 나트륨이다.
하이드로겔 조성물은 또한 2차 중합체를 함유할 수 있고, 이는 약물과 복합체화, 약물을 컨쥬게이트, 또는 이들 둘 다 일 수 있다. 2차 중합체는 적합하게는 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리에스테르, 다당류, 폴리(아미노산), 폴리펩티드 또는 단백질일 수 있다. 바람직하게는 2차 중합체는 (폴리에틸렌 글리콜) 단편을 갖는 이- 또는 일- 작용성 중합체 또는 다이온성 중합체일 수 있다. 약물이 하이드로겔에 컨쥬게이트 또는 복합체화될 경우, 하이드로겔 제형은 매트릭스로서가 아니라 약물의 담체로서 작용한다. 이는 약물은 물리적으로 하이드로겔에 트래핑될 뿐만 아니라, 하이드로겔을 형성하는 분자에 복합체화 또는 컨쥬게이트화될 수 있음을 의미한다. 2차 중합체를 사용하여 또한 하이드로겔 매트릭스의 특성, 예를 들어 다공성 및 점도를 변화시킬 수 있다. 2차 중합체의 양은 목적하는 결과를 달성하기 위해 충분, 예를 들어 약물과 복합체화 및/또는 컨쥬게이트화하기에 충분한 양이어야 한다.
하이드로겔의 특정은 상이한 중합체 블럭 분자량을 사용하여, 사이클로덱스트린 함량을 조정하여, 및 2차 중합체를 사용함으로써 조정할 수 있다. 예를 들면, 하이드로겔을 더 가요성 하이드로겔 또는 더 경성의 하이드로겔로 조정할 수 있다. 하이드로겔 구조는 더 후술한 바와 같이, 가변성 점도 및 더 장용성 또는 속방성 약물 방출 속도를 갖도록 조정할 수 있다. 폴리(하이드록시알카노에이트)의 소수성 정도는 또한 목적하는 서방성 속도에 따라서 선택할 수 있다.
하이드로겔은 또한 DNA 나노스피어를 함유할 수 있다. DNA 나노스피어는 유전자 전달 비이클로서 젤라틴 및 키토산과 같은 다양이온 및 DNA의 염 유도 복합체 아서베이션에 의해 합성된 나도입자이다[참조: Leong, K. et al., Journal of Controlled Release 53: 183-193 (1998). PEG 공중합체]. DNA 축합 또는 결합 단편을 갖는 PEG 공중합체는 사이클로덱스트린과 함께 하이드로겔을 형성하지만, 중합체는 DNA를 축합 또는 결합하고 하이드로겔에서 DNA 나노스피어를 형성한다.
서방성 약물을 위한 치료제 및 방법
본 발명의 하이드로겔은 약물의 서방출, 및 조절된 방출 매트릭스로서 사용하기에 적합하다. 당해 하이드로겔 매트릭스가 여기에 균질하게 함유된 하나 이상의 치료제와 커플링될 경우, 생체분해성 서방성 약물 전달 시스템이 제공된다. 본원에 사용된 용어 "서방성(sustained release)"(즉, 연장된 방출 또는 조절된 방출)은 사람 또는 기타 포유 동물에 도입되거나, 또는 개방된 상처, 화상 또는 조직 표면에 또는 체강 또는 잠재성 체내 공간내 도입되어, 예정된 시간에 걸쳐 하나 이상의 치료제 스트림을 예정된 시간에 걸쳐 목적하는 치료 효과를 달성하기에 충분 한 치료 수준에서 지속적으로 방출하는 약물 전달 시스템 또는 조성물을 의미한다.
연장된 방출의 기간은 블럭 공중합체의 분자량, 특히 소수성 폴리(하이드록시알카노에이트) 부분(예: PHB)의 분자량에 의존한다. 방출 속도는, 특정의 폴리(하이드록시알카노에이트); 선택된 폴리(하이드록시알카노에이트)의 스테레오-이성체 상태; 선택된 폴리(하이드록시알카노에이트)의 분자량; 및 하이드로겔에 사용된 사이클로덱스트린의 상대적인 양을 선택하여 목적하는 기간과 서방성 속도를 달성함으로써, 목적하는 치료 반응의 기간을 달성하기 위해 본 발명에 따라 변경시킬 수 있다. 친수성 폴리(알킬렌옥사이드)의 분자량 및 선택은 또한 서방성 방출 동력학에 소수성 폴리(하이드록시알카노에이트) 성분보다 덜 영향을 미친다. 하기에 더 후술하는 바와 같이. 2차 중합체를 또한 사용하여 방출 동력학을 변화시킬 수 있다. 본 발명의 하이드로겔은 하루 이상의 기간에 걸쳐 서방성을 제공할 수 있는데, 적합하게는 5일 초과, 더 바람직하게는 1주 초과, 더욱 바람직하게는 2주 초과 및 가능하게는 블럭 중합체 및 공중합체의 분자량 뿐만 아니라, 본 발명의 하이드로겔 내에서 사이클로덱스트린 함량 및 2차 중합체의 가능한 사용을 조정하여 1개월 이상의 연장된 방출을 제공할 수 있다.
여러가지 치료제, 즉 약물은 본 발명의 하이드로겔내에서 전달될 수 있다. 본원에서, 용어 "치료제" 및 "약물"은 생물학적 활성 분자를 포함하고자 하는 것으로서, 펩티드, 단백질(예: 시토카인, 성장 인자, 혈관형성인자, 가용성 수용체, 항체 및 이의 단편 및 사람 재조합 단백질), 소 분자, 유전자, 항원(예: 백신), DNA, RNA 및 DNA 나노입자를 포함한다. 본원에 사용된 용어 "약물" 및 "치료제"는 또한 본래 약제학적으로 또는 생물학적으로 활성인 화합물 또는 종 뿐만 아니라, 이들 활성 화합물 또는 종 하나 이상과, 이의 복합체, 변형물, 및 약제학적 활성 단편 및 항체 유도체를 포함하는 물질을 포함하고자 하는 것이다.
본 발명은 사이클로덱스트린과 하나 이상의 치료제를 갖는 본원에 기재된 양쪽성 삼블럭 공중합체로부터 형성된 약제 제조 방법을 또한 제공한다. 따라서 본 발명은 사이클로덱스트린과 삼블럭 공중합체사이의 포접 복합체를 기준으로 하여 초분자 하이드로겔을 제공하는데, 여기서 하나 이상의 치료제가 균질하게 함유될 수 있다. 이들 하이드로겔은 단백질 또는 펩티드 약물의 조절된 방출을 보장한다.
약물 전달 시스템용으로, 치료제는 약제학적으로 허용되는 주사가능한 수용액 기재에 적합하게 배합되고, 당해 치료제(들)은 주사용 또는 다른 전달 방식에 적합한 임의의 약물 또는 이러한 약물의 배합물일 수 있다. 적합한 약물은 이로써 제한되지는 않지만, 진통제, 마취제, 관절염 치료제, 질환 변형 항류마티스약제(DARDS), 항천식 약제, 항응고제, 항경련제, 항우울제, 항당뇨병제, 항신생물제, 항정신병제, 고혈압치료제, 항생제, 항히스타민제, 충혈제거제, 항염증제, 근육이완제, 구충제, 항바이러스제, 항재협착제, 항연축제, 연골보호제, 항부착제, 항종양세포침입제, 혈관이완제, 혈관수축제, 면역억제제 및 기타 생물학적 활성 분자, 예를 들어, 펩티드, 단백질(예: 시토카인, 성장 인자, 혈관형성인자, 가용성 수용체, 항체 및 이의 단편 및 사람 재조합 단백질), 소분자, 유전자, 항원(예: 백신), DNA, RNA 및 DNA 나노입자를 포함한다.
약물은 적합하게는 거대분자 형태(즉, 통상 거대분자인 약물 또는 컨쥬게이 트, PEG화 또는 기타 거대분자로 전환된 소분자인 약물) 또는 저분자량 형태일 수 있다. 거대분자 형태는 본 하이드로겔에 전달을 위해 매우 잘 적합할 수 있다. 따라서, 성장 인자, 시토카인, 항체, 효소 등을 포함하는 단백질과 같은 거대분자는 본 발명의 하이드로겔에 전달될 수 있다. 효율적이고 균일한 서방출을 위해서, 저분자량의 약물이 예로서 폴리(에틸렌 글리콜)로 적합하게 컨쥬게이트된 다음, 하이드로겔로 혼입되는 거대분자를 형성한다. 소분자인 약물은 적합하게는 본 발명의 하이드로겔에 혼입되기 위해서, 마이크로입자 및/또는 나노입자, 예를 들어 DNA 나노스피어내에 함유되거나 이에 결합될 수 있다. 본 발명의 삼블럭 공중합체의 소수성 중간부분 단편은 미셀을 형성하기 때문에, 하이드로겔은 소수성 소분자를 포함하는 소수성 약물, 예를 들면 파클리탁셀(TaxolTM)을 트랩할 수 있다.
본 발명의 하이드로겔에 적합하게 전달될 수 있는 이들 치료제의 추가의 예는 본원에 참조문헌으로 인용된 미국 특허 제6,420,432호[Demopulos et al.에게 허여, 발명의 명칭: Surgical Irrigation Solution and Method for Inhibition of Pain and Inflammation] 및 국제 PCT 특허 공보 WO01/07067[출원인: Demopulos et al., 발명의 명칭: Solutions and Methods for Inhibition of Pain, Inflammation and Cartilage Degradation]에 기술되어 있다. 미국 특허 제6,420,432호는 단독으로 또는 배합되어 전달되어 통증, 염증, 및 평활근 경직 또는 재협착을 억제하는 진통제, 항염증제, 항연축제 및 항재협착증제을 기술한다. 당해 제제의 선택은 외과적, 수술, 중재 또는 진단 시술을 포함하는, 임의의 외상, 상태 또는 기타 이유 로 인해 유발되는 바람직하지 않은 메카니즘을 억제하기 위한 소정의 적용분야를 위해 측정되는데, 예를 들면 관절경시술 도중의 항염증제/진통제의 동맥내 전달, 비뇨생식기 시술 도중의 비교생식관에 대한 항염증제/진통제/항연축제의 전달, 혈관시술 도중의 진통제/항염증제/항경련제 및/또는 항재협착증제의 전달 또는 일반적인 외과적, 안과적, 치주 또는 기타 일반적인 외과적 시술 도중에 상처에 대한 진통/항염증제의 전달이 있다. 기술된 항염증제/진통제는 세로토닌 수용체 길항제; 세로토닌 수용체의 효능제; 히스타민 수용체 길항제; 브래디키닌 수용체 길항제; 칼리크레인 억제제; 뉴로키닌1 수용체 아형의 길항제 및 뉴로키닌2 수용체 아형의 길항제를 포함하는 태키키닌 수용체 길항제; 칼시토닌 유전자 관련 펩티드(CGRP) 수용체 길항제; 인터루킨 수용제 길항제; (a) PLA2 동종형 및 PLCγ 동종형 억제제를 포함하는 포스포리파제 억제제, (b) 사이클로옥시게나제 억제제, 및 (c) 리포옥시게나제 억제제를 포함하는 아라키돈산 대사 산물을 위한 합성 경로에서 효소 활성 억제제; 에이코사노이드 EP-1 및 EP-4 수용체 아형의 길항제 및 트롬복산 수용체 아형의 길항제를 포함하는 프로스타노이드 수용체 길항제; 루코트리엔 B4 수용체 아형의 길항제 및 루코트리엔 D4 수용체 아형의 길항제를 포함하는 루코트리엔 수용체 길항제; μ-아편제 수용체 아형의 효능제, δ-아편제 수용체 아형의 효능제 및 κ-아편제 수용체 아형의 효능제를 포함하는 오피오이드 수용체의 효능제; P2X 수용체 길항제 및 P2Y 수용체 효능제를 포함하는 퓨리노수용체 효능제 및 길항 제; 및 아데노신 트리포스페이트(ATP)-감응성 칼륨채널 개방제를 포함한다. 기술된 항연축제는 세로토닌 수용체 길항제; 태키키닌 수용체 길항제; ATP-감응성 칼륨채널 개방제: 칼슘채널 길항제; 엔도텔린 수용체 길항제; 칼슘 채널 길항제; 산화질소 공여체(효소 활성화제)를 포함하다. 기술된 항재협착증제는 (a) 트롬빈 억제제 및 수용체 길항제, (b) 아데노신 디포스페이트(ADP) 수용체 길항제(퓨리노수용체 길항제로 또한 공지됨), (c) 트롬복산 억제제 및 수용체 길항제 및 (d) 혈소판 막 당단백질 수용체 길항제를 포함하는 항혈소판제; (a) 셀렉틴 억제제, (b) 인테그린 억제제; 항키모택틱제를 포함하는 세포 부착 분자; 인터루킨 수용체 길항제; 및 (a) 단백질 키나제 C(PKC) 억제제 및 단백질 티로신 포스파타제, (b) 세포내 단백질 티로신 키나제 억제제 조절제, (c) src 동종체2 (SH2) 도메인의 억제제, 및 (d) 칼슘 채널 길항제를 포함하는 세포내 시그널형성 억제제를 포함한다. 이러한 조성물은 비뇨기, 일반 시술 또는 종양 시술 동안에 전달될 경우, 항부착 또는 항종양 침입/부착/전이제를 단독으로 또는 예를 들어 CD44 수용체 길항제; 인테그린 수용체 길항제 및 셀렉틴 수용체 길항제; 프로네이나제 억제제; 단백질 티로신 키나제 억제제; 단백질 키나제 C 억제제; 및 미토겐 활성화된 단백질 키나제(MAPK)와 배합되어 포함할 수 있다. 이들 여러가지 조성물 및 절차의 각각은 본 발명의 하이드로겔에서 치료제를 전달함으로써 수행하여 연장된 방출 및 작용 기간을 제공할 수 있다.
WO01/07067는 연골 대사를 억제하거나 연골 동화를 촉진하는 연골보호제를 기술한다. 기술된 동화 촉진 연골보호제는 인터루킨(IL) 효능제; TGF-β 효능제 및 골형태발생 단백질 효능제를 포함하는 변형 성장 인자 (TGF)-β 수퍼패밀리의 구성원; 인슐린 유사 성장 인자 및 섬유모세포 성장인자를 포함한다. 기술된 대사 억제성 연골보호제는 IL-1 수용체 길항제; 종양 괴사 인자(TNF)-α 수용체 길항제; 사이클로옥시게나제-2 특이 억제제; MAP 키나제 억제제; 산화질소 신타제 억제제; 및 핵 인자 kB 억제제; 매트릭스 메탈로프로테이나제의 억제제; 인테그린 효능제 및 인테그린 길항제를 포함하는 세포 부착 분자; 항주화성제; 단백질 키나제 C 억제제 및 단백질 티로신 키나제 억제제를 포함하는 세포내 시그널형성 억제제; 세포내 단백질 티로신 포스파타제의 조절제 및 SH2 도메인의 억제제를 포함한다. 이러한 연골보호 조성물은 본 발명의 하이드로겔에서, 예를 들어 동맥내 주사에 의해 전달되어 연장된 방출 및 작용 기간을 제공한다.
본 발명의 하이드로겔 및 치료제 약물 전달 시스템은 당해 약물 시스템에 포함된 약물이 치료 효과적인 질환 상태 또는 증상이 있는 사람 또는 기타 포유동물에 적합하게는 주사 또는 기타 다른 방법으로 전달(예: 이식, 체강 또는 가능한 공간에 넣는 것, 신체의 조직 표면을 코팅 또는 이식가능한 장치의 표면을 코팅함으로써)된다. 비제한적 실시예로서, 적합한 치료제를 포함하는 약물 전달 시스템을 외상 또는 만성 통증, 관절염, 다발성 경화증 및 기타 자가 면역 질환, 외상 또는 외과술 또는 기타 수술 시술로부터의 염증 및/또는 통증, 불안증 및/또는 기타 신경 또는 정신 질환, 혈관 질환 또는 증상, 예를 들어 고혈압, 비교기 장애, 부인과 장애, 화학요법 치료에 적용되는 암, 울혈증, 호르몬 장애 또는 불균형 등이 있는 사람 또는 기타 포유 동물에게 전달하여 이들을 치료할 수 있다. 하이드로겔에 사용되는 특이 약물 또는 약물들은 사람 또는 기타 포유 동물이 이들이 갖고 있는 증상의 약물학적 치료에 필요할 수 있는 유형이다.
본 발명의 주사가능한 조성물은 임의의 적합한 방법, 바람직하게는 피하 바늘을 통한 주사에 의해 사람 또는 기타 포유 동물의 체내에 주사 또는 삽입할 수 있다. 예를 들면, 하이드로겔은 주사 또는 기타 다른 방식으로 동맥내, 정맥내, 비뇨생식기, 피하, 근육내, 피하, 두개내, 심장막내, 흉막내, 또는 기타 신체강 또는 가능한 공간내로 투여할 수 있다. 또는, 하이드로겔은 카테터 또는 시린지를 통해 예를 들어 관절경 시술 동안에 관절내로, 또는 비뇨생식관내로, 맥관내로, 구개내로 또는 흉막내, 또는 신체내 임의의 체강 또는 가능한 공간내로, 수술, 외과, 진단 또는 중재 시술 도중에 도입할 수 있다. 당해 하이드로겔을 한정된 영역 또는 조직에 투여하여 약물의 국부 농도를 높여서 지연된 방출 데포우를 형성한다. 기타 적용에서, 하이드로겔을 개방 외과술 또는 외상 창상, 화상, 또는 피부 또는 기타 조직 표면에 국소 적용할 수 있다.
추가의 생체물질 적용
본 발명의 삼블럭 공중합체는 미셀을 형성하고, 이는 액체 현탁액 또는 응집물로 잔류하여 농도에 따라 겔을 형성할 것이다. 본원에 기재된 합성 방법에 의해 생성된 생체분해성 삼블럭 공중합체에 의해 형성된 미셀을 그 자체로 사용하여 조절된 방출을 위한 약물, 특히 소수성 약물의 캡슐화용으로 사용할 수 있다. 본 발명의 삼블럭 공중합체를 사용한 마이크로입자 또는 나노입자 형성에 적합한 기술은 기타 중합체용으로 사용되는 공지된 기술로부터 채택할 수 있다. 이러한 기술의 비제한적 예는 본원에 참조문헌으로 인용된 문헌[참조: Song, C., etal., Journal of Controlled Release 43: 197-212 (1997); Kim, S. etal., Journal of Controlled Release 56: 197-208 (1998); Kim,I. Et al., International Journal ofPharmaceutics 205: 165-172 (2000); and Jeong, Y. et al., International Journal of Pharmaceutics 188: 49-58 (1999)]에 기술되어 있다. 따라서, 생체분해성 삼블럭 공중합체의 미셀(또는 이로부터 형성된 마이크로입자 또는 나노입자)은 정맥내, 흡입, 경구, 근육내 및 피하 경로 투여에 의해 비제한적인 예의 투여를 포함하여 전신 약물 전달용으로 사용할 수 있다. 생체분해성 삼블럭 공중합체 및 사이클로덱스트린으로부터 형성된 본 발명의 하이드로겔은 또한 조직 공학 적용분야에서 세포 배양 및 캡슐화의 배지로서 사용될 수 있다. 생체외 또는 생체내 하이드로겔에서 형성된 합성 조직은 사람 또는 기타 포유동물(예를 들어 인공 연골에서)내에서 삽입하거나 외부(예를 들어 인공 피부에서)에서 적용할 수 있다. 치료제는 본 발명의 삼블럭 공중합체 또는 하이드로겔을 사용하여 형성된 합성 조직내에 포함되어 조직 성장, 생존성 또는 치유을 도울 수 있다.
본 발명의 하이드로겔은 또한 외과 시술 동인에 부착 형성을 예방하기 위한 코팅물로서의 유용성을 가질 수 있다. 하나 이상의 치료제는 또한 이러한 조성물에 포함시킬 수 있다.
하나 이상의 치료제를 포함하는 본 발명의 하이드로겔을 또한 사용하여 이식가능한 장치, 예를 들어 스텐트, 카테터, 기도관, 통로, 스크류, 플레이트, 션트, 인공 관절, 인공 심장 또는 밸브, 기타 인공삽입물 등을 코팅하는데 사용할 수 있다. 이러한 장치는 생체흡수성 물질 또는 생체흡수성이 아닌 물질로 구성될 수 있다. 본원에 기재된 하이드로겔을 위한 기타 생체물질 및 생물학적 적용이 또한 본 발명의 범주내에 간주된다.
본 발명은 본 발명의 삼블럭 중합체 및 하이드로겔의 합성, 및 이들의 특성을 예시하는 하기 실시예에 의해 더 잘 이해될 것이다. 당해 실시예는 단지 예시를 위한 것이고 본 발명을 그 전체로 반영하는 것이 아니다.
실시예 1
삼블럭 공중합체의 합성 및 특징화
a. 삼블럭 공중합체의 합성
여러가지 분자량을 갖는 텔레켈릭 하이드록시화 PHB (PHB-디올) 초기 중합체를 천연 PHB 및 디에틸렌 글리콜로부터, 종래 문헌에 보고된 바와 같이 촉매로서 디글라임중의 디부틸틴 디라우레이트를 사용하여 트랜스에스테르화 절차에 의해 제조하였다[참조: Thomas, D. etal., Macromol. Chem. Phys. 197: 1609-1614 (1996)]. 트랜스에스테르화 반응으로 수시간 내지 밤새 반응을 진행시켜 GPC에 의해 측정된 바와 같이 평균 분자량이 수백 내지 수천인 PHB-디올을 생성할 수 있었다. Mn이 1820 내지 4740인 M-PEO-모노카복실산(M-PEO-A) 초기 중합체를 종래 문헌에 보고된 바와 같이, M-PEO를 석신산 무수물과, 1,4-디옥산 중의 4-(디메틸아미노)피리딘(DMAP) 및 트리에틸아민의 존재하에 반응시켜 제조하였다[참조: Bae, Y. et al., J. Controlled Release 64: 3-13 (2000)].
이어서, 본 발명의 한 예로서, 이들 이작용성 PHB-디올 초기중합체를 1,3-디사이클로헥실카보디이미드를 사용하여 M-PEO-A 초기중합체(Mn ~ 1820 및 4740)와 커플링시켜 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 제조하였다. 반응이 습도 민감성이기 때문에, 이를 질소 대기하에 무수 메틸렌 클로라이드중에서 수행하였다. 목적하는 삼블럭 중합체를, 침전 및, 혼합 용매 클로로포름/디에틸 에테르 또는 메탄올/디에틸 에테르로부터 주의깊게 분별하여 반응 혼합물로부터 분리하고 정제하였다.
b. 삼블럭 공중합체의 분자 특징화
겔 투과 크로마토그래피 (GPC) 분석을 수행하여 삼블럭 공중합체의 분자량 및 분자량 분포를 측정하였다. 모든 정제된 삼블럭 공중합체의 GPC 크로마토그래프는 단일모드인 피이크를 나타내었다. 도 2는 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체와 함께 상응하는 초기중합체에 대한 전형적인 GPC 크로마토그램을 나타낸다. PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 분자량은 이의 PEO 및 PHB 전구체보다 높은데, ABA 삼블럭 구조에 상응한다.
모든 삼블럭 공중합체를 1H NMR 분광학으로 분석하였고, 이로써 삼블럭 공중합체가 PEO 및 PHB 블럭 둘 다를 함유하는 것으로 확인되었으며, 공중합체의 중간 PHB 블럭의 길이를 제공하였다. 도 3은 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체 및 이의 전구체 초기 중합체의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸다. 당해 실시예에 사용된 두 개의 M-PEG-A 초기중합체는 거의 단일 분산되었기 때문에(분자량 평균/수평균(Mw/Mn) = 1.03), 공중합체중의 PEO 블럭은 이의 M-PEO-A 초기중합체에 동일한 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 공중합체중의 PHB 블럭의 분자량은 PHB 및 PEO 단편의 피이크 적분 사이의 비로부터 측정할 수 있다.
1H NMR 스펙트럼은 또한 PHB-디올의 정량적 반응에 대한 강한 증거를 제공한다. 도 3b에서, PHB 하이드록시 말단 단위의 양성자는 c'로서 1.26 ppm (이중선)에서, b'로서 4.25 ppm(다중선)에서 명백히 나타나고[참조: Li, J. et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 70: 1887-1893 (1997); Li, J. et al., Bull.Chem. Soc. Jpn. 71 : 1683-1689 (1998)], 에틸렌 글리콜 말단 그룹은 d로서 3.84 ppm (삼중선)에서 e용으로 4.26 ppm(삼중선)에서 나타날 수 있다[참조: Thomas, D. et al., Macromol. Chem. Phys. 197 : 1659-1614 (1996)]. 도 3c에서, PHB 하이드록시 말단 단위의 모든 피이크가 사라지고, 에틸렌 그룹 말단 그룹의 그것은 4.32 ppm에서 단일 피이크가 되며, 이는 M-PEO-A의 PHB-디올로의 완전한 컨쥬게이션을 확인해준다.
표 1은 당해 실시예에서 합성된 모든 삼블럭 공중합체의 분자량, 분자량 분포, 및 조성(블럭 길이 및 PHB 함량(중량으로))을 나타낸다. 2종의 삼블럭 공중합체를 Mn이 1820 및 4740인 M-PEO-A를 사용하여 합성하였다. 일련의 삼블럭 공중합체 각각은 수백 내지 5000 초과의 중간 PHB 블럭 길이를 갖는다. 삼블럭 공중합체의 고체 상태 특성은 하기 항목에서 나중에 기술할 PHB/PEO 블럭 길이 사이의 조성 및 비에 따라 달라진다.
Figure 112005002722990-pct00001
(a) GPC로 측정. (b) 1H NMR 및 GPC 결과의 조합으로 측정, (c) TGA 결과로부터 산출.
PEO-PHB-PEO (2000-3900-2000) 및 이의 출발 PEO 및 PHB 전구체의 FTIR 스펙트럼은 도 4에 나타내었다. PHB 및 PEO 전구체의 모든 특징적인 흡수는 삼블럭 공중합체의 스펙트럼에 나타난다. 카보닐 스트레치는 공중합체 및 PHB 전구체용으로 1723cm-1에서 일어난다. 에테르 스트레치는 공중합체 및 PHB 전구체용으로 1102cm-1에서 일어난다. 963 및 843cm-1에서의 밴드는 PEO의 결정상의 특징으로 공지되어 있다[참조: Bailey, J. et al., Poly(Ethylene Oxide), Academic Press, New York, (1976)]. 두 개의 피이크가 공중합체의 스펙트럼에서 나타나고, 이들의 강도는 PEO 블럭 함량 및 이의 결정성과 관련있다. 당해 결과는 하기 항목에서 후술한 DSC 및 XRD로부터의 결과와 잘 일치한다.
c. 열 안정성
삼블럭 공중합체의 열 안정성을 열중량 분석(TGA)을 사용하여 평가하였다. 도 5는 삼블럭 공중합체와 PEO 및 PHB 전구체의 중량 손실 곡선을 나타낸다. PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체는 단계적으로 열분해된다. PHB 블럭이 약 260℃에서 먼저 분해된 다음, PEO 블럭이 약 350℃에서 분해하기 시작한다. PHB 블럭의 분해가 약 310 - 320℃에서 완결된 후 PEO 블럭이 분해하기 시작한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 삼블럭 공중합체의 조성과 PHB 함량은 표 1에 있는 여러가지 분자량 공중합체용으로 기재된 바와 같이, 이들 두 단계 분해 거동으로부터 산출될 수 있다. 당해 결과는 1H NMR로부터 수득된 것과 잘 일치한다. TGA로부터 측정된 공중합체의 각각의 블럭용으로 10% 질량 손실이 일어난 온도를 도 2에 기재하였다. 당해 결과는 삼블럭 공중합체가 이들의 전구체보다 열 안정성이 더 우수함을 나타낸다.
Figure 112005002722990-pct00002

d. 고체 상태 거동
차등 주사 열량계 (DSC) 및 광각 X선 회절 (XRD) 연구를 수행하여 공중합체에서의 PEO 및 PHB 블럭의 마이크로상 분리 및 결정화에 대한 정보를 수득하였다. 도 6 및 7은 PEO 및 PHB 전구체 및 상이한 조성을 갖는 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체에 대한 DSC 써모그램을 나타낸다. 또한, 각각의 블럭의 열전이 및 결정성에 상응하는 수치는 표 3에 기재하였다. PEO 및 PHB 둘 다는 결정질 중합체이다. 짧은 PHB 블럭을 갖는 공중합체 PEO-PHB-PEO (2000-0500-2000) 및 PEO-PHB-PEO (5000-0800-5000)에 대해서는, PHB 용융 전이 피이크가 관찰되지 않았는데, 이는 PHB 결정상이 형성되지 않았음을 지시하는 것이다. PHB 블럭의 용융 전이 온도 (Tm)는 PHB 블럭 길이가 감소함에 따라 감소하였다. PHB 블럭의 용융 엔탈피 및 결정성은 순수 PHB-디올과 비교해서 당해 공중합체에서 상당히 증가하였는데, 이는 아마 연질 PEO 블럭의 존재로 인한 것일 것이다. 이와 대조적으로, 모든 삼블럭 공중합체에서 PEO 블럭은 용융 엔탈피 및 결정성이 순수한 PEO 전구체와 비교하여 더 낮았다. PHB 블럭의 모든 용융 온도, 용융 엔탈피 및 결정성은, 공중합체에서 PHB의 함량, 또는 PHB 블럭 길이가 증가함에 따라 감소하였다. 이들은 경질 PHB 블럭으로 인한 것일 수 있고, 이는 당해 공중합체에서 PEO 블럭의 결정화를 억제하였다.
Figure 112005002722990-pct00003

도 8 및 9는 당해 실험에서 합성된 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체 및 PEO 및 PHB 전구체의 XRD 다이어그램을 제공한다. PHB 블럭에 대한 반영 피이크는 짧은 PHB 단편을 갖는 공중합체에 대한 다이어그램에서는 나타나지 않았는데(도 8c 및 9c), 이는 PHB 결정상이 형성되지 않았음을 지시하는 것이다. 긴 PHB 단편을 갖는 공중합체에서는, PHB 블럭은 이의 전구체 PHB-디올과 유사한 분리된 결정상을 형성하였다. PEO 블럭의 반영 피이크는 공중합내의 PEO 결정상이 이의 단독중합체와 유사한 구조를 나타냄을 의미하는 것이다. PEO 반영 피이크는 PEO-PHB-PEO (2000-3800-2000) 및 PEO-PHB-PEO (2000-5500-2000)용으로는 나타나지 않았는데, 이는 이들의 PEO 블럭의 용융 온도가 약 주위 온도이기 때문인데(상기 표 2 참조), 이 온도에서 XRD가 측정되었다. XRD 결과는 DSC 측정치와 잘 일치한다.
e. PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 미셀 형성
PHB 함량이 적은 삼블럭 공중합체, 예를 들면 PEO-PHB-PEO (2000-0500-2000), PEO-PHB-PEO (5000-0800-5000) 및 PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000)은 수용성이다. 이들은 저농도에서 수용액에서 미셀을 형성하는데, 이는 염료 용해성 실험으로 확인될 수 있었다. 미셀 형성의 구동력은 PHB 블럭간의 강한 소수성 상호작용으로 인한 것으로 여겨진다. 수용액중의 블럭 공중합체의 임계 미셀 농도(cmc)는 프로브로서 피렌을 사용하는 형광 기술로 측정하였다. 표 3은 실온에서 3종의 수용성 삼블럭 공중합체의 cmc값을 기재한다. cmc값은 공중합체에서 PHB 블럭 길이에 강하게 의존하는 것으로, 즉, PHB 블럭이 긴 공중합체일수록 cmc이 훨씬 낮은데, 이는 PHB 블럭이 수용액에서 응집하는 경향이 강하기 때문이다.
실시예 2
삼블럭 공중합체 및 사이클로덱스트린 복합체화 및 방출 동력학
a. 포접 복합체의 형성
PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체 합성에 대한 도 1의 반응 도식은 또한 다음과 같았다. 요약컨대, 고분자량 PHB를 먼저 저분자량의 PHB-디올로 전환시켰다. 이어서, PHB-디올을 PEO-모노카복실산(Mr 5000)과 커플링시켜 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 수득하였다. 2종의 삼블럭 공중합체 PEO-PHB-PEO (5000-2300-5000) 및 PEO-PHB-PEO (5000-3850-5000)를 제조하고 NMR, GPC, FI-IR, 및 DSC로 특정화하였다. 공중합체 둘 다가 실온에서 수용성이다. 이들은 저농도에서 수용액에서 미셀을 형성하는데, 이는 1,3,5-디페닐헥사트리엔 및 피렌을 사용한 염료 용해성 실험으로 확인될 수 있었다. 미셀 형성의 구동력은 PHB 블럭간의 강한 소수성 상호작용인 것으로 여겨진다.
미셀 형성에도 불구하고, 중합체 둘 다의 10 wt% 수용액은 우수한 유체성을 가지면서 투명하게 잔류하였다. 9.7 wt% α-CD를 중합체 용액에 가하자마자, 겔화가 실온에서 일어났다. 기타 단독-PEOs에 비해, 당해 공중합체를 사용하면 겔화가 저농도에서 유도될 수 있다. 이론에 국한되지 않고, α-CD 및 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 PEO 블럭에 의해 형성된 포접 복합체는 미세결정으로 응집되고, 이는 물리적 가교결합제로 작용하여 초분자 중합체망 형성을 유도하고, 결국 하이드로겔이 형성하게 되는 것으로 생각된다. PHB 블럭의 미세화는 α-CD 용액 및 공중합체의 겔화에서 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 따라서, PHB 블럭간의 소수성 상호 작용은 중합체 망 형성을 촉진시킨다. 따라서, 수용액중에서 α-CD 및 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 겔화의 구동력은 α-CD 및 PEO 블럭간의 포접 복합체 및 삼블럭 공중합체의 PHB 블럭의 미세화의 조합에 있는 것으로 여겨진다.
하이드로겔 중에서 α-CD 및 PEO-PHB-PEO 공중합체의 PEO 블럭간의 포접 복합체 형성은 하이드로겔의 광각 X선 회절 연구로 확인되었다. 하이드로겔의 회절분석도는 α-CD-PEO 복합체의 패턴을 나타내는데, 다수의 첨예한 반영 및 1차 반영이 2θ=19.4˚(d = 4.57Å)에서 나타나는데, 이는 α-CD 및 PEO의 결정질 목걸이형 복합체의 채널형 구조를 나타낸다[참조: Li J., et al., Macromolecules 34: 7236 (2001); Li J. et al., Macromolecules 34: 8829 (2001)]. 당해 패턴은 α-CD 및 PEO 블럭의 포접 복합체의 존재를 암시한다. 고체 PEO-PHB-PEG의 패턴은 2개의 첨예한 반영 13.7°(d = 6.46Å) and 17.2°(d = 5.16Å)을 나타내는데 이는 PHB 결정상으로 인한 것이다. 흥미롭게도, PHB 결정상 패턴은 또한 α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-3850-5000) 하이드로겔의 다이어그램에서 나타나지만 이는 약하다. PEO-PHB-PEO (5000-3850-5000)의 10중량% 수용액에 대한 X선 회절분석도는 첨예한 반영 피이크를 전혀 나타내지 않는다. 당해 결과는 초분자 시스템이 더 잘 정렬되고 PEO 블럭과의 α-CD 복합체의 자기 어셈블리가 PHB 블럭의 응집을 향상시켰다는 것을 암시한다.
b. 방출 동력학
이들 하이드로겔의 안정성 및 전달 특징을 입증하기 위해, 모델 단백질 약물로서 형광 이소티오시아테이트 표지된 소 혈청 알부민(BSA-FITC, 분자량 67,000)의 시험관내 방출을 연구하였다(도 10). 본 발명의 α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔의 방출 특징을 공지된(선행 기술) α-CD-PEO 단독중합체 하이드로겔의 것과 비교하였다. 심지어 PEO Mr 20,000를 갖는 α-CD-PEO 단독중합체 하이드로겔을 2일 내에 인산염 완충 염수(PBS)에 용해시켰다. 이와 대조적으로, α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔은 BSA-FITC에 대해 서방출 동력학을 나타낼 수 있었다. 흥미롭게도, PHB 블럭의 분자량에서의 작은 차이, 단지 1500 Mr,로도 방출 속도에서 현저한 감소를 일으켰다. α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-2350-5000)은 4일 동안 방출을 지속한 반면, α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-3850-5000)는 5일 초과의 더 긴 기간동안 방출을 지속하였다. BSA-FITC의 어떠한 유의적인 방출도 2주 후에 나타나지 않았다. 이들 결과는 본 발명의 초분자 하이드로겔이 상이한 공중합체로 정밀하게 조정될 수 있고, 이로써 광범위한 적용을 개시할 수 있음을 의미하는 것이다. 특정의 PEG화 단백질약물은 또한 활성 성분일 수 있고, PEO 쇄는 α-CD의 복합체에 관련될 수 있고, 이는 추가로 제형의 조절된 방출 특성을 개선시킬 수 있다. 하이드로겔의 레올로지 특성의 추가의 연구는 겔이 틱소트로픽이고, 즉 이들이 전단됨에 따라 하이드로겔의 점성이 감소하여, 결국 바늘을 통해 주사가능한 조절된 방출 제형을 수득하게 됨을 나타내는 것이다.
실시예 3
대체 모델 약물용 하이드로겔 방출 동력학
a. α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔의 제조
공중합체 용액 또는 겔을, 0.090g의 PBS를 0.6 mL 큐벳중의 실시예 1의 방법에 따라 합성된 0.060g의 삼블럭 PEO-PHB-PEO 공중합체에 먼저 첨가함으로써 제조하였다. 이어서 14.5%의 α-CD 및 0.5%의 덱스트란-FITC(분자량 20,000)를 함유하는 0.30g의 PBS 용액을 큐벳중의 PBS-공중합체 혼합물에 첨가하였다. 용액들을 균 질 혼합한 다음, 실온에 밤새 방치하였다. 혼합물이 큐벳중에서 하이드로겔을 형성한 다음, 시험관내에서 이의 방출 동력학을 하기에 더 기술하는 바와 같이 연구하였다. 당해 절차는 한 번은 PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000) 공중합체를 사용하고 한 번은 PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000) 공중합체를 사용하여 수행하였다.
b. 순수 PEO-PHB-PEO 하이드로겔의 제조
공중합체 용액 또는 겔을, 0.090g의 PBS를 0.6 mL 큐벳중의 실시예 1의 방법에 따라 합성된 0.060g의 삼블럭 PEO-PHB-PEO 공중합체에 먼저 첨가함으로써 제조하였다. 이어서 0.5%의 덱스트란-FITC(분자량 20,000)를 함유하는 0.30g의 PBS 용액을 큐벳중의 PBS-공중합체 혼합물에 첨가하였다. 용액들을 균질 혼합한 다음, 실온에 밤새 방치하였다. 혼합물이 큐벳중에서 하이드로겔을 형성한 다음, 시험관내에서 이의 방출 동력학을 하기에 더 기술하는 바와 같이 연구하였다. 당해 절차는 한 번은 PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000) 공중합체를 사용하고 한 번은 PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000) 공중합체를 사용하여 수행하였다.
c. 방출 동력학
시험관내 방출 동력학 연구용으로, 덱스트란-FITC를 포함하는 각각의 하이드로겔을 함유하는 각각의 큐벳을 12 mL의 PBS가 들어있는 시험관에 거꾸로 넣고 37℃ 수욕에서 항온처리하였다. PBS를 예정된 시간 간격에서 충전하였다. 각각의 간격에서 방출된 덱스트란-FITC 농도는 형광 미세-플레이트 판독기를 사용하여 분석하였다.
상기 절차후에, PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000)가 α-CD를 포함하거나 포함하 지 않은 하이드로겔을 형성하였음이 밝혀졌다. PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000)는 α-CD만을 사용하여 하이드로겔을 형성하였고, α-CD를 사용하지 않은 PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000)의 용액은 약물의 서방출에 적합하지 않을 것으로 여겨지는 투명한 용액으로 잔류하였다. 도 11은 시험관내에서 하이드로겔로부터 덱스트란-FITC의 방출 프로파일을 나타낸다. α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000) 및 α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000) 하이드로겔은 덱스트란-FITC의 수주동안에 걸친 서방출을 입증하였지만, 순수 PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000) 하이드로겔은 1주 미만동안의 덱스트란-FITC를 방출하였다. 당해 결과는 α-CD가 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 겔화를 도울 뿐만 아니라 다수의 주까지 약물의 서방출을 위해 삼블럭 공중합체와 더 안정한 하이드로겔을 형성함을 의미한다. α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-5500-5000) 하이드로겔이 α-CD-PEO-PHB-PEO (5000-3800-5000) 하이드로겔보다 더 늦은 방출 속도를 나타내었는데, 이는 초분자 하이드로겔의 특성이 상이한 PHB 길이를 사용함으로써 본 발명에 따라서 정밀하게 조정할 수 있음을 의미한다.
실시예 4
α- 및 γ- 사이클로덱스트린을 사용한 포접 복합체 형성
상기 주지한 바와 같이, 사이클로덱스트린(CDs)은 α-1,4-CD 글루코시드 결합에 의해 결합된 6 내지 8개의 글루코스 유니트로 이루어진 사이클릭 분자로서, α-, β-, 및 γ-CD, 각각으로 칭해진다. CDs는 도우넛 형의 형태이며 소수성 공동으로 한정된다. CDs의 소수성 공동의 깊이는 동일(약 7.0Å)이고, 공동의 내부 직경은 상이하나, α- CD 용으로 약 4.5Å , β- CD 용으로 약 7.0Å , and γ-CD 용으로 약 8.5Å이다[ 참조: Bender, M. et al., Cyclodextrin Chemistry, Springer-Verlag: Berlin (1978)]. 중합체쇄 사이의 횡단 영역과 CDs의 공동 크기 사이의 관계가 IC 정보에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다[ 참조예: Harada, A. et al., Nature 370: 126 (1994)]. 아래 기술된 실험에서, PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체와 α-CD 또는 γ-CD 포접 복합체(ICs)를 제조하고 특징화하여 본 발명의 하이드로겔을 형성하는 이들의 유용성을 입증하였다. 이들 실험으로 α-CD 또는 γ-CD 둘다가 바람직하게는 PEO 블럭을 포함하지만, 중심 PHB 블럭은 CD 분자에 의해 부분적으로만 커버된다.
a. 포접 복합체의 제조
PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 상기 실시예 1의 절차를 사용하여 제조하였다. 당해 실험에서 제조된 삼블럭 공중합체의 분자 특성은 표 4에 기재하였다. PEO-PHB-PEO 삼블럭 중합체(20 mg)를 0.06mL의 H20에 실온에서 밤새 침지시켰다. 이어서, α-CD 또는 γ-CD 둘 중 하나의 포화 수용액 3.0mL를 가하였고, 각각의 혼합물을 수욕에서 10분 동안 초음파처리한 다음, 실온에서 2일 동안 방치하였다. 침전물을 원심분리로 수집한 다음, 물 및 아세톤으로 교대로 하여 세척하였다. 마지막으로, 생성물을 70℃에서 2주 동안 건조시켰다.
Figure 112005002722990-pct00004
(a) GPC로 측정. (b) 1H NMR 및 GPC 결과로 측정. (c) DSC 제2 가열 시행에서 측정.
b. 측정
X선 회절(XRD) 측정은 Siemens D5005 회절분석기 및 Ni-여과된 Cu Kα(1.540 51 Å) 방사선 (40 kV, 40 mA)을 사용하여 수행하였다. 분말 샘플을 샘플 홀더에 적재하고 0.01°단계로 5°내지 35°(2θ)에서 단계당 1초로 스캐닝하였다.
차등 주사 열량계(DSC) 측정은, 자동 냉각 장치가 장착되어 있고 인디움을 사용하여 교정되는 TA Instruments 2920 차등 주사 열량측정기를 사용하여 수행하였다. 다음의 프로토콜을 각각의 샘플용으로 사용하였다: 실온 내지 200℃로 20℃ min-1에서 가열하고, 200℃에서 2분 동안 유지시키고, 200℃에서 -30℃로 5℃ min-1에서 냉각시키고, 마지막으로 -30℃에서 200℃로 5℃ min-1에서 재가열하였다. 데이터를 제2 가열 시행 도중에 수집하였다. 전이 온도를 피이크 최대로서 취하였 다. 열중량 분석(TGA)을 TA Instrument SDT 2960을 사용하여 분석하였다. 샘플을 역학적 질소 대기하에(유속 = 70 ml min-1) 20℃ min-1에서 가열하고, 실온에서 800℃로 가열하였다.
복합체의 1H NMR 스펙트럼을 400 MHz에서 Bruker DPX-400 NMR 분광기에서 판독하였다. 당해 복합체의 화학적 전위를 DMSO용으로 δ = 2.50ppm 으로 칭하였다. 13C CP/MAS NMR 스펙트럼을 Bruker DPX-400 NMR 분광기에서 실온에서의 샘플 스피닝 속도 8.0 kHz로 수득하였다. 스펙트럼은 2.75㎲ 양성자 90°펄스, 3 밀리세컨트 접촉 시간, 및 3초 반복시간으로 수득하였다.
푸리어 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼을 Bio-Rad 165 FTIR 분광계상에서 판독하였고; 64 스캔을 2cm-1 분할로 실온에서 시그널 평균화하였다. 샘플은 KBr에서 복합체를 분산시키고 당해 혼합물을 압축시켜 디스크로 성형함으로써 제조하였다.
c. 결과 및 논의
α-CD 또는 γ-CD의 수용액을, 물에 침지되고 10분 동안 초음파처리된 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체에 첨가할 경우, 복합체가 결정질 침전물로서 형성되었다. 침전물의 출현은 공중합체와 CDs간의 결정질 포접 복합체(ICs)의 형성을 의미하는 것이었다[참조: Harada, A. et al., Macromolecules, 26: 5698 (1993)]. 비교용으로, β-CD와 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체 용액간의 혼합물에서는 2주 방치후에 조차도 침전이 일어나지 않았다. 당해 결과는 PEO-PHB-PEO 삼블럭 중합체가 α-CD와 γ-CD 와 ICs를 형성할 수 있지만, β-CD를 형성할 수 없음을 의미하는 것이다.

CD-PEO-PHB-PEO ICs 형성은 X선 회절 (XRD) 연구에 의해 강하게 뒷받침되었다. 도 12는 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000), 및 모든 3종의 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체와 α-CD의 ICs의 XRD 패턴을α-CD와 PEO (Mn 2000)에 의해 형성된 IC와 비교하여 도시한다. 도 12e에서, 다수의 첨예한 반영이 두개의 주요 피이크 2θ = 19.4°및 22.1 °와 함께 나타났는데 이는 α-CD와 PEO 의 결정질 목걸이 형 복합체의 채널형 구조를 나타내는 것이다[참조예: Takeo, K. et al., Agric. Biol.Chem., 34: 1787 (1970)]. α-CD-PEO-PHB-PEO ICs (도 12b-d)의 유사한 회절 패턴의 출현은 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs가 α-CD-PEO IC 패턴과 같이 채널형 구조를 가질 것이라는 것을 의미한다. α-CD-PEO IC와 비교할 경우, 2개의 추가의 작은 피이크가 2θ = 13.6°및 17.0 °에서 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs 패턴에서 나타나 있다. 두 피이크의 상대 강도는 PEO-PHB-PEO에서 PHB 대 PEO의 비가 증가함에 따라 증가한다. 순수 PEO-PHB-PEO에서는, 도 12a에 나타낸 바와 같이, 13.6°및 17.0 °의 피이크가 결정질 PHB의 특징이다. 따라서, 두 피이크의 존재는 PHB의 블럭의 일부가 결정상을 형성하고, 이는 IC 결정과 공존하는 것을 의미한다.
γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 XRD 패턴은 도 13에, 순수 PEO-PHB-PEO 및 γ-CD-PPO ICs의 패턴과 비교하여 도시되어 있다. 각각의 상대 강도는 상이하지만 γ-CD-PEO-PHB-PEO IC의 XRD 패턴은 서로 매우 유사하고 γ-CD-PPO ICs의 패턴과도 유사한데, 여기서 채널형 구조가 확립되어 있다. 또한, 7.6 °에서의 특징 피이크가 관찰되는데, 이는 γ-CD-중합체 ICs의 채널형 구조의 뚜렷한 특징으로서 역할을 하는 주요 특질이다[ 참조: Harada, A. et al., Macromolecules, 29: 5611 (1996)]. 따라서 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs는 채널형 구조를 갖는 것으로 생각된다. 결정질 PHB 블럭에 기인하는 2θ = 13.6°및 17.0°에서의 두 개의 피이크가 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs에서와 같이 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 XRD 패턴에서도 관찰된다. 화학량론적 양의 α-CD-PEO 및 γ-CD-PEO ICs(도 12e 및 13e)와 비교하여 α-CD-PEO-PHB-PEO 및 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 광범위한 XRD 패턴은 ICs의 낮은 결정성에 기인한 것으로서 이는 대부분이 "브레이크 업"하거나 ICs에서의 채널 길이를 단축시키는 커버되지 않은 PHB 단편에 의한 것이다.
순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)와 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 DSC 곡선은 도 14에 도시되어 있다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)의 DSC곡선에서 23.3℃ 및 153.6℃에서 두 개의 흡열 피이크가 있는데, 이는 PEO 및 PHB 블럭의 결정 용융 각각에 상응하는 것이다. ICs가 형성되면, PEO 블럭에 상응하는 흡열 피이크가 도 14b-14d에 부재한다 이는 PEO 블럭이 호스트- α-CD 격자의 채널에 개별적으로 포함된 다음, 결정상을 형성하기 위해 응집할 수 없기 때문이다. 그러나, PHB 블럭에 상응하는 흡열 피이크는 여전히 관찰가능하다(도 14b-14d). 그러나 용융 온도가 더 낮은 범위로 이동하고, 엔탈피 변화로 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs가 급격하게 감소하게 된다. 당해 결과는 각각의 PHB 블럭이 부분적으로 α-CD에 의해 커버되고, PHB 블럭의 중간 부분은 거의 α-CD에 의해 복합체화되지 않을 것이라는 것을 의미하는 것이다. 엔탈피 변화 및 용융 온도에서의 감소는 PHB 블럭의 부분적인 포접으로 인해 결정화의 불안전에 기인한 것이다. 문헌[참조: Shuai, X. et al.(Macromolecules, 35: 3778 (2002)]은 DMSO에서의 α-CD와 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트]와의 ICs의 형성을 보고하고 있다. 이들 결과는 PHB 쇄가 α-CD에 단지 부분적으로 포접되었음을 나타내었다. 본 발명의 시스템용으로는 α-CD의 PHB 블럭으로의 뜨레딩은 PHB의 소수성에 의해 상당히 해소되었지만, α-CD의 PEO 블럭으로의 뜨레딩은 중앙 PHB 블럭으로 추가로 슬라이딩할 수 있는 것으로 나타났다. α-CD-PEO-PHB-PEO ICs에서, 용융 온도 및 엔탈피 변화 둘 다가 중간 PHB 블럭의 쇄 길이를 증가시키는 경향이 있다. 이는 더 긴 PHB 블럭을 갖는 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs가 PHB 쇄의 복합체화되지 않은 부분이 더 길기 때문이다.
도 15는 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)와 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 DSC 곡선을 나타낸다. 도 14로부터의 결과와 유사한 결과가 수득될 수 있다. α-CD-PEO-PHB-PEO 및 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs 둘 다의 모든 DSC 결과는 PEO 블럭이 CDs에 의해 완전히 커버된 것을 의미하지만, 중앙 PHB 블럭은 부분적으로 커버되고, 이는 XRD 결과와도 일치한다.
도 16은 α-CD 및 α-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) ICs의 13C CP/MAS NMR 스펙트럼을 나타낸다. 비복합체화된 상태에서의 α-CD 스펙트럼은 Cl 및 C4의 다수의 분할된 공명을 나타낸다. 단일의 형상 변형된 글리코시드 결합에 인접한 Cl 및 C4의 공명이 특히 당해 스펙트럼에서 관찰된다. 당해 결과는 α-CD가 결정질 비복합체화된 상태에서 덜 대칭인 형상일 것이라는 것을 의미한다. 대조적으로, α-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)IC에 대해서는, CD의 모든 Cl-C6가 단일 비분할된 공명을 나타내는데, 이는 α-CD가 더 대칭인 형상으로 채택된 것이고 α-CD의 각각의 글루코스 유니트가 IC에서와 유사한 환경에 있음을 의미하는 것이다.
α-CD 또는 γ-CD에 의한 중앙 PHB 블럭의 부분적 커버는 CD-PEO-PHB-PEO ICs 의 1H NMR 스펙트럼에 의해서도 입증되었다. 도 17은 DMSO-d 6 에서의 α-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸다. 도 17에 나타난 바와 같이, 모든 양성자 시그널은 α-CD 및 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 둘 다에 속하는 것으로 확인된다. 결정질 IC에서의 성분비는 피이크의 적분치를 비교함으로써 측정될 수 있다. 이전에 보고된 바와 같이, PEO는 α-CD 및 γ-CD와 포접 복합체를 형성할 수 있고, CD에 대한 PEO 반복 단위 비는 각각 2 및 4이다[참조예: Harada et al. (1994)]. 그러나, 도 17로부터 수득한 α-CD에 대한 PEO 반복 단위 비는 α -CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) IC에 대해 1.4인데, 이는 더 많은 α-CD분자가 α-CD 및 P블럭의 화학량론적 양의 복합체를 형성하는 것보다, α-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)IC에 함유되어 있음을 의미하는 것이다. 다른 한편, 고체상 13C CP/MAS NMR 측정치는 IC에서의 모든 α-CD가 중합체 쇄에 뜨레드되고 채널 구조에 적용된 것임을 나타낸다. 따라서, 특정한 α-CD는 중간 PHB 블럭으로 슬라이딩되는 것으로 여겨진다. 모든 시험된 CD-PEO-PHB-PEO IC에 대한 CD에 대한 PEO 반복 단위 비는 표 5에 요약되어 있다. γ-CD를 사용한 IC의 경우, 당해 비는 2.1 및 2.6인데, 이는 특정의 γ-CD 분자가 또한 중앙 PHB 블럭으로 슬라이딩함을 의미하는 것이다. 이들 결과는 또한 PEO 블럭이 α-CD 또는 γ-CD에 완전히 커버되는 반면, 중앙 PHB 블럭은 CD-PEO-PHB-PEO ICs에 부분적으로 커버된다는 가설을 뒷받침해준다.
도 18은 순수 PEO-PHB-PEO (20-52-20) 및 α-CD와 비교한 α-CD-PEO-PHB-PEO ICs의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다. α-CD의 스펙트럼은 대칭 및 비대칭 O-H 스트레칭 모드로 인해 3360 cm-1에서 브로드한 밴드를 나타낸다. ICs가 형성되면 브로드한 하이드록시 밴드가 더 높은 주파수쪽으로 3390cm-1로 이동하는데(도 18b 및 c), 이는 채널 구조에서의 CDs의 하이드록실 그룹 사이에의 수소 결합의 형성으로 인할 것이다. 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)의 FTIR 스펙트럼은 1723cm-1에서 집중적인 카보닐 스트레칭을 특징으로 하는데(도 18a), 이는 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)에서의 PHB 부분에 의한 것이다. 카보닐 스트레칭 밴드는 1723cm-1에서 집중적인 밴드로, 1736cm-1에서는 약한 쇼울더로 분할되는데, 이는 결정질 PHB상 및 무정질 PHB 영역 각각의 카보닐 스트레칭 밴드에 상응한다[참조: Ikejima, T., et al., Macromol.Chem. Phys., 200: 413 (1999).
도 19는 이들 FTIR 스펙트럼의 카보닐 스트레칭 영역의 팽창을 나타낸다. 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)와 비교하여, 1723cm-1에서의 피이크는 첨예하게 감소하는 반면, 1736-1에서의 쇼울더는 α-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 및 γ-CD-PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)에서 첨예하게 증가한다. IC가 형성되면, PHB 단편의 일부가 IC 채널에 개별적으로 배치되어 PHB 결정을 형성하도록 응집될 수 없다. 1723cm-1에서의 피이크의 존재는 PHB 블럭의 일부분만이 CD에 의해 커버되고 나머지 PHB 단편은 여전히 결정상을 형성하기 위해 응집될 수 있음을 의미한다. 이는 상기에서 논의된 XRD 및 DSC 결과에 일치한다.
도 20은 α-CD, 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 및 이들의 IC를 450 ℃까지 열중량 분석(TGA) 스캔한 결과를 나타내는 것이다. 도 20에 도시된 바와 같이, α-CD은 279.2℃에서 분해하기 시작한다. 순수 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000)는 58.7%의 초기 중량 손실 및 가열시 39.3%의 2차 중량 손실을 나타내는데, 열 분해 개시는 각각 222.4℃ 및 243.8℃이다. 1차 중량 손실은 PHB 블럭의 분해로 인한 것이고 2차 중량 손실은 PEO 블럭의 손실에 의한 것으로 생각된다. 그러나, α- CD-PEO-PHB-PEO IC에서의 PHB 블럭, PEO 블럭 및 α-CD의 분해가 247.2℃, 309.3℃ 및 365.8℃에서 관찰된다. 이들 모두는 PEO-PHB-PEO (2000-5200-2000) 및 순수 α-CD 각각에서의 PHB and PEO 블럭의 것보다 높다. α-CD-PEO-PHB-PEO ICs에서의 더 높은 분해 온도는 α-CD 및 PEO-PHB-PEO 둘 다의 열안정성에 의한 복합체 형성으로 인한 것으로 여겨진다. 유사한 결과가 γ-CD-PEO-PHB-PEO ICs에서도 관찰되었다.
실시예 5
PEO-PHB-PEO 공중합체 미셀 특징화
실시예 1의 절차에 따라 생성된 PEO-PHB-PEO 공중합체로부터 미셀을 수성 매질에서 형성시킨 다음, 다음과 같이 특징화하였다:
a. 물질
천연 공급원 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트] (PHB)를 구입하였다[공급원: Aldrich]. PHB 샘플을 클로로포름에 용해시켜 정제한 다음, 사용전에 석유 에테르에 여과 및 침전시켰다. 정제된 PHB의 MnMw은 각각 8.7 x 104 및 2.3 x 10 5이었다. 분자량이 약 5000인 메톡시-폴리(에틸렌 옥사이드) 모노프로피온산 (M-PEO-A)을 구입하였다[공급원: Shearwater Polymers, Inc., USA]. M-PEO-A의 MnMw은 각각 4740 및 4880인 것으로 나타났다. 비스(2-메톡시에틸)에테르 (디글라임, 99%), 에틸렌 글리콜 (99%), 디부틸 디라우레이트(95%), 1,3-N,N'-디사이클로헥실카보디이미드(DCC,99%), 4-(디메틸아미노)피리딘(DMAP, 99%), 석식산 무수물(97%), 및 트리에틸아민(99%)을 Aldrich로부터 수득하였다. 디글라임을 분자기로 건조시키고, 메틸렌 클로라이드를 사용전에 CaH2로부터 증류하였다.
b. 순수 PEO-PHB-PEO 하이드로겔의 제조
저 분자량의 텔레켈릭 하이드록시화 PHB(PHB-디올) 초기중합체를, 천연 PHB와 디에틸렌 글리콜을 촉매로서 디글라임중의 디부틸틴 디라우레이트를 사용하여 트랜스에스테르화에 의해 제조하였다(수율, 80%). PHB-디올(0.38 g, 1.2 x 10-4mol, M n = 3220), M-PEO-A (1.42 g, 3.0 x 10-4 mol, M n = 4740), 및 DMAP (12 mg, 9.8 x 10-5 mol)를 60℃(오일욕)에서 진공하에 밤새 50-mL 2구 플라스크에서 건조시켰다. 무수 메틸렌 클로라이드((25-30 ml)를 플라스크에 가한 다음, 증류로 제거(오일욕, 75 ℃)하여 시스템에서의 어떠한 미량의 물도 제거하였다. 플라스크가 냉각된 경우, 무수 에틸렌 클로라이드 4 mL에 용해된 DCC (0.098 g, 4.7 x 10-4 mol) 를 가하고 실온에서 질소하 밤새 교반하였다. 침전된 디사이클로헥실우레아(DCU)를 여과로 제거하였다. 중합체를 디에틸 에테르로 2회 침전시켰다. 목적하는 삼블럭 공중합체 생성물을 메탄올 또는 클로로포름에 재용해시키고, 이를 분별로 추가로 정제하였다. 수율: 0.75 g, 56%. GPC (THF):M n = 12720, M n (PHB 블럭) =3820, M n (PEO 블럭) = 4740, M w = 13770, M w /M n = 1.08. Tm = 54℃ (PEO 블럭용으로) 및 140℃(PHB 블럭용으로). 1H NMR (400MHz, CDCl3) :5 5. 29(m, PHB 블럭의 메틴 H), 4.32 (s , -COOCH 2 CH 2 COO-), 3.68 (s, PEO 블럭의 -CH 2 0CH 2 -), 3.42(s,-OCH 3 말단 그룹), 2.48-2. 67(m, PHB 블럭의 메틸렌 H), 1.31 (d, PHB 블럭의 메틸 H). IR (KBr): 2886, 1723, 1456, 1380, 1280, 1111, 1061, 962, 842, 516 cm-1.
c. 중합체 특징화
겔 투과 크로마토그래피 (GPC) 분석을, 두 개의 Phenogel 5μ 50 및 1000Å 컬럼(크기: 300 x 4.6 mm)을 시리즈로, 및 Shimadzu RID-IOA 굴절율 탐지기가 장착된 Shimadzu SCL-1OA and LC-8A 시스템에서 수행하였다. THF를 용출제로서 유속 0.30 mL/min으로 40℃에서 사용하였다. 일분산된 폴리(에틸렌 글리콜) 표준물을 사용하여 교정 곡선을 수득하였다. 1H NMR 스펙트럼은 Bruker AV-400 NMR 분광기상에 400 MHz에서 실온으로 판독하였다. 1H NMR 측정은 획득 시간 3.2초, 펄스 반복 시간 2.0초, 펄스 폭 30°, 스펙트럼 폭 5208-Hz, 및 32 K 데이터점으로 수행하였다. 화학적 전위는 용매 피이크로서 언급하였다(CHCl3 용으로 δ = 7.3 ppm ).
d. 형광 분광기
정상 형광 스펙트럼을 Shimadzu RF-5301PC 분광형광기로 판독하였다. 여기 스펙트럼은 373 nm에서 탐지하였다. 여기 및 방출면 둘다에서의 슬릿 폭을 1.5 nm에서 유지하였다. 샘플 용액을, 블럭 공중합체의 예정된 양을 농도가 알려진 피렌 수용액에서 용해시켜 제조하고, 용액을 1일 동안 방치하여 평형화될 수 있도록 하였다.
e. 결론 및 논의
PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 미셀 형성은 염료 흡수 기술을 사용하여 연구하였다. 수용액중의 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 임계 미셀 농도(cmc) 값은 을 프로브로서 피렌을 사용하는 형광 여기 스펙트럼을 사용하여 측정하였다[참조: Wilhelm, M. , et al., Macromolecules 24: 1033-1040 (1991); Noda, T. , et al., Macromolecules 33: 3694-3704 (2000)]. 당해 방법은 피렌이 미셀상에 용해될 경우 334 nm 내지 337 nm로 수중 피렌에서의 0-0 흡수 최대치의 전위를 기본으로 한다.
도 21은 여러가지 농도에서 PEO-PHB-PEO 공중합체의 수중 피렌의 여기 스펙트럼을 나타낸다. 공중합체의 농도가 증가할수록, 334에서 337nm로의 0-0 흡수 밴드의 적외선 편이가 관찰되었다. 도 22는 공중합체 농도의 대수의 함수로서 피렌 여기 스펙트럼의 I337/I334 강도 비를 나타낸다. I337/I334 대 Log C 플롯은 S자형 곡선을 나타낸다. 강도비 I337/I334의 무시할 만한 변화가 저 농도 범위에서 관찰되었다. 공중합체 농도가 증가할수록, 강도 비는 특정 농도에서는, 미셀의 소수성 코어 영역으로 피렌이 혼입됨을 반영하여, 증가한다. 따라서 cmc 값은 도 22에서의 저 농도 범위에서의 교차점으로부터 측정하였다. 매우 낮은 cmc 값(1.4 x 10-5g/mL)은 수성 환경에서의 미셀을 형성하려는 삼블럭 공중합체의 강한 경향을 의미하는 것이다.
미셀의 형성은 예기치 않게도 상대적으로 온도에 민감하지 않은 것으로 밝혀졌다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 15 내지 45℃의 온도 범위에서, 당해 I337/I334 비는 주로, 온도보다는 공중합체 농도에 의존한다. 따라서, PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 미셀 형성은 상대적으로 온도에 민감하지 않다. 이는 통상 온도 민감성인, PLLA 또는 PGA로 이루어진 PEO 블럭을 측면에 갖고 중간 폴리(α-하이드록시알칸산)을 갖는 삼블럭 공중합체와는 상당히 상이한 것이다[ 참조: Jeong (2002) ; Kissel (2002); Jeong (1997); Jeong (1999)]. 이론에 국한되지 않으면서 본 발명자들은 PHB가 폴리(α-하이드록시알칸산)보다 결정성 및 소수성이 높아, 블럭 공중합체에서 PHB 단편의 자기 어셈블리의 경향이 훨씬 강하고 온도 변화에 의존하지 않는 것으로 생각한다.
요약컨대, 신규 생체분해성 양쪽성 PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 온도에 민감하지 않은 미셀 형성이 입증되었다. PHB가 PLLA에 관련된 화학 구조를 갖지만, PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체의 미셀 거동은 PEO-PLLA-PEO 삼블럭 공중합체와는 상당히 다르다. PEO-PHB-PEO 삼블럭 공중합체를 사용하여 형성된 미셀은 저온에서 분해하기 어렵고, 또한 고온에서도 큰 크기로 응집하기 어렵기 때문에, 더 안정하며 취급이 용이하다.
실시예 6
α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔의 생체내 조직 생체적합성
실시예 2의 절차에 따르는 α-CD 및 PEO-PHB-PEO (5000-2000-5000)로부터 형성된 하이드로겔을 3마리의 래빗의 무릎 관절에 동맥내 주사하였다. 인산염 완충 염수 (PBS)를 네거티브 대조군으로서 사용하였다. 동물을 주사 7일후 참수시켰다. 무릎 관절을 수거하고 조직 검사를 하였다. 샘플은 미지의 상태로 평가하였다.
무릎 관절에서의 하이드로겔의 생체내 생적합성 시험의 대표적인 결과는 도 24a (PBS 대조군) 및 24b(α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔)에 나타낸다. 도 24b에 나타난 바와 같이 α-CD-PEO-PHB-PEO 하이드로겔에 노출된 활막에서의 약간의 섬유증이 있긴 하지만, 이들 두 샘플 사이에 어떠한 유의적인 차이가 전혀 없었다. 전반적인 분석으로 하이드로겔 주사후 관절 활막에 명백한 염증성 침윤병소는 전혀 없는 것으로 나타났다. 당해 결과는 래빗 무릎 관절에서의 하이드로겔의 생체적합성을 나타내었다. 하이드로겔 및 PBS을 주사한 무릎 사이에 조직학적 및 형태학적으로 유의적인 차이는 전혀 없었다.
본 발명의 바람직한 실시양태가 예시되고 설명되어 있지만 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않고 여러가지 변화가 이루어질 수 있음을 알 것이다.

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  47. 폴리(알킬렌옥사이드)를 포함하는 A 중합체 블럭 및 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트], 폴리[(R)-4-하이드록시부티레이트], 이러한 (R) 거울상이성체 각각의 (S) 거울상이성체, 이러한 (S)와 (R) 거울상 이성체의 라세미 혼합물 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택되는 폴리(하이드록시알카노에이트)를 포함하는 B 중합체 블럭을 포함하는 양쪽성 ABA 공중합체로부터 형성된 미셀, 및 상기 미셀내에 균질하게 함유되어 있는 하나 이상의 치료제의 치료학적 유효량을 포함하는 약제학적 조성물.
  48. 제47항에 있어서, 약제학적으로 허용되는 수성 염기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  49. 제48항에 있어서, 상기 미셀은 수성 염기 중에 하이드로겔을 형성하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  50. 제49항에 있어서, 상기 하이드로겔은 삽입가능한 장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  51. 제50항에 있어서, 상기 삽입가능한 장치는 스텐트, 카테터, 기도관, 통로, 스크류, 플레이트, 션트, 인공 관절, 인공 심장 또는 밸브, 기타 인공삽입물로 이루어진 그룹중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  52. 제47항에 있어서, 약물의 초기 방출에 이어 1주 이상의 기간동안 하나 이상의 치료제의 서방출을 제공하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  53. 제47항에 있어서, 상기 폴리(알킬렌옥사이드)는 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드) 및 폴리(테트라하이드로푸란)으로 이루어진 그룹중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  54. 제53항에 있어서, 상기 폴리(알킬렌옥사이드)는 폴리(에틸렌 옥사이드)인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  55. 제54항에 있어서, 상기 폴리(하이드록시알카노에이트)는 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트]인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  56. 제47항에 있어서, 상기 폴리(하이드록시알카노에이트)가 폴리[(R)-3-하이드록시부티레이트]인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  57. 제47항에 있어서, 상기 폴리(알킬렌 옥사이드) A 블럭 중합체 및 상기 폴리(하이드록시알카노에이트) B 블럭 중합체의 각각의 분자량이 500 내지 20,000인 약제학적 조성물.
  58. 제47항에 있어서, 상기 폴리(알킬렌 옥사이드) A 블럭 중합체 및 상기 폴리(하이드록시알카노에이트) B 블럭 중합체의 각각의 분자량은 2,000 내지 10,000인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  59. 제47항에 있어서, 상기 폴리(하이드록시알카노에이트) B 블럭 중합체의 분자량이 3,000 내지 25,000인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  60. 제47항에 있어서, 치료제와 복합체화하고/하거나 컨쥬게이트되는 제2 중합체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  61. 제47항에 있어서, 상기 미셀이 하나 이상의 치료제를 캡슐화하는 나노입자 또는 마이크로입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  62. 제47항에 있어서, 상기 공중합체의 분자량은 1,000 내지 50,000인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  63. 제47항에 있어서, 상기 공중합체의 분자량은 5,000 내지 35,000인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  64. 제47항에 있어서, 상기 하나 이상의 치료제는 펩티드, 단백질, 소분자, 유전자, 항체 및 이의 단편 및 사람 재조합 단백질, DNA, RNA 및 DNA 나노입자로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  65. 제47항에 있어서, 상기 하나 이상의 치료제는 거대분자 형태인 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  66. 제47항에 있어서, 상기 하나 이상의 치료제는 진통제, 마취제, 관절염 치료제, 질환 변형 항류마티스약제, 항천식 약제, 항응고제, 항경련제, 항우울제, 항당뇨병제, 항신생물제, 항정신병제, 고혈압치료제, 항생제, 항히스타민제, 충혈제거제, 항염증제, 근육이완제, 구충제, 항바이러스제, 항재협착제, 항연축제, 연골보호제, 항부착제, 항종양세포침입제, 혈관이완제, 혈관수축제 및 면역억제제로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  67. 제47항에 있어서, 상기 하나 이상의 치료제가 펩티드, 시토카인, 성장 인자, 혈관형성인자, 가용성 수용체, 항체 및 이의 단편 및 사람 재조합 단백질을 포함하는 단백질, 소분자, 유전자, 백신을 포함하는 항원, DNA, RNA 및 DNA 나노입자로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
  68. 제47항에 있어서, 상기 미셀은 15 내지 45℃ 온도 범위내에서 안정한 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.
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