KR101398214B1 - 음이온성 고분자와 양이온성 고분자 이온복합체 기반 고감도 자기공명영상 나노조영제 및 이의 제조방법 - Google Patents

음이온성 고분자와 양이온성 고분자 이온복합체 기반 고감도 자기공명영상 나노조영제 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음이온성 및 양이온성 고분자를 함유하는 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 생체친화성 고분자 물질인 폴리감마글루탐산(γ-PGA)과 키토산의 이온성 자기조립 성질을 이용하여 산화철 기반 나노입자를 γ-PGA/키토산 고분자 복합체 내부로 봉입하여 제조한 폴리감마글루탐산(γ-PGA)/키토산/망간산화철 나노입자의 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음이온성 폴리감마글루탐산(γPGA)와 양이온성 키토산을 이용한 이온성 조립을 통해 산화철 기반 나노입자는 고분자 복합체 내부로 봉입하여 복합체 내부에 갇혀있는 산화철 기반 나노입자들이 서로간의 상호작용으로 인해 자기공명신호 증폭의 시너지효과를 유발하기 때문에, 하나의 입자로 존재할 때보다 뛰어난 조영 효과가 있는 특징이 있다.

Description

음이온성 고분자와 양이온성 고분자 이온복합체 기반 고감도 자기공명영상 나노조영제 및 이의 제조방법 {Sensitive MRI Contrast Nano Agents Based Ionic Complex Containing Anionic and Cationic Polymer and Preparing Method Thereof}
본 발명은 음이온성 및 양이온성 고분자를 함유하는 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 생체친화성 고분자 물질인 폴리감마글루탐산(γ-PGA)과 키토산의 이온성 자기조립 성질을 이용하여 산화철 기반 나노입자를 γ-PGA/키토산 고분자 복합체 내부로 봉입하여 제조한 폴리감마글루탐산(γ-PGA)/키토산/망간산화철 나노입자의 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 자장을 발생하는 커다란 자석통 속에 인체를 들어가게 한 후, 고주파를 발생시켜 신체부위에 있는 수소원자핵을 공명시켜 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 측정하여 컴퓨터를 통해 재구성하여, 영상화하는 기술이다. 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 인체에서 메아리와 같은 신호가 발산되면 이를 되받아서 디지털 정보로 변환하여 영상화하는 것을 말한다.
자기공명영상(MRI)은 X선을 이용한 검사인 단순 X선 촬영이나 CT와는 달리, 비전리 방사선인 고주파를 이용하는 검사이므로 인체에는 사실상 해가 없다는 것이 중요한 장점 중의 하나이다. 인체에 해가 없는 자기장과 비전리 방사선인 라디오 고주파를 이용해 조영제 없이도 CT에 비해 체내 연부조직의 대조도가 뛰어나며 수소원자핵을 함유한 조직의 생화학적 특성에 관한 정보를 얻을 수 있다. 인체를 단면으로 보여준다는 점에서는 CT와 유사하지만 CT에서는 인체를 가로로 자른 모양인 횡단면 영상이 위주가 되지만 MRI는 환자의 자세변화 없이 원하는 방향에 따라 인체에 대해 횡축 방향, 세로축 방향, 사선 방향 등의 영상을 자유롭게 얻을 수 있다는 장점도 있다.
하지만 인체는 70% 이상이 수분으로 이루어져 있으며 그 농도의 부분적인 차이 또한 크지 않기 때문에 자기공명신호를 영상화하는 과정에서 이미지의 민감도가 낮은 경향을 보이므로, 동일 장기 내에서 정상조직과 비정상조직을 구분하는 데 한계를 보이며 질병의 조기 진단이 쉽지 않다는 단점으로 작용한다.
MRI 조영제란 신호의 차이를 극대화시켜서 자기공명영상의 민감성을 향상시키는 보조 물질로써 이미 임상에 널리 이용되고 있으며, 크게 T1 과 T2 조영제로 나뉘는데, T1 은 표지된 부분이 주변의 조직보다 밝게 보이는 효과가 있는 반면, T2는 표지된 부분이 더 어둡게 보이는 효과가 있다. 현재 대표적으로 임상에 이용되고 있는 T1 조영제는 가돌리늄 이온 (Gd2 +)이 있으며, T2 조영제에는 산화철 나노입자가 쓰이고 있다.
최근에는 MRI 조영제를 이용하여 인체 내의 특정 부위를 표지하여 시간에 따른 발달 과정을 관찰하거나 또는 특정 세포나 외부 물질에 표지하여 인체 내부로 주입시킨 후 그 이동 경로를 탐색하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이는 그동안 밝혀내지 못한 특이 질병의 발병 원인을 밝히거나, 새로운 신약의 치료 과정 또는 대사과정을 밝힐 수 있는 단서를 제공해준다.
현재 임상에 쓰이고 있는 대표적인 산화철 나노입자 기반 조영제는 수용액상에 염화제일철 수화물(FeCl2·H2O)과 염화제이철 수화물(FeCl3·H2O)을 용해시킨 후, 염기분위기를 유도하여 철 이온을 환원시키는 방법으로 얻어진다. 이때 다당류의 한 종류인 덱스트란(Dextran)을 첨가하여 산화철 나노입자 표면에 코팅막을 형성하게 되는데 이는 입자의 안정성을 유지하기 위해서이다. 이렇게 합성된 나노입자는 생체친화성이 뛰어난 장점이 있으나, 입자 크기가 작고 표면 결정성이 떨어져 자기공명신호 증폭효과가 낮다. 또한 인체 내의 특정부위를 선택적으로 표지하기 위한 표적 리간드를 화학적으로 결합시킬 수 있는 기능기가 없다는 단점이 있다. 결과적으로 표적 지향적인 입자 형성이 어렵고 세포나 분자 단위의 표지를 감지하기에는 그 조영 효과가 만족스럽지 않다는 한계를 드러내고 있다.
최근 수용액법으로 합성된 산화철 나노입자의 대체물질로써, 유기용매 상에서 고온상태로 합성된 산화철 나노입자의 응용이 주목을 받고 있는데, 이 방법은 고온의 상태에서 철 이온의 입자형성이 서서히 일어나기 때문에 그 크기와 모양이 매우 균일하게 형성되며 표면 결정성도 매우 뛰어나다. 또한 합성 시 입자 안정화를 위해 첨가하는 계면활성제의 양이나 반응 온도를 다르게 함으로써 나노입자의 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 최근 산화철 입자에 망간이나 코발트와 같은 전이금속을 소량 첨가함으로써 신호증폭 효과를 획기적으로 향상시킨 나노입자가 보고되고 있으나, 유기용매 상에서 합성을 진행하기 때문에 소수성 성질을 띠고 있어 인체 내에 주입하기 위해서는 반드시 수용액 상으로의 상전이(Phase transfer) 과정이 필수적이다. 이를 위해서 소수성 나노입자의 표면을 양친성 인지질이나 소수성기를 화학적으로 도입한 생분해성 고분자물질로 코팅하는 방법이 이용되고 있으나, 이러한 방법들은 입자 안정성과 생체적합성 측면에서 많은 문제점이 있다.
또한, 이온결합을 하는 음이온과 양이온을 포함하는 나노 입자의 제조방법 (미국공개특허 US20090180966)은 금속이온을 자기공명영상 조영제로 사용하여, 음이온 및 양이온성 고분자와 복합체를 형성하나, 이는 나노입자 형태의 자기공명영상 조영제를 이용한 것보다는 자기영상공명 신호의 민감도가 현격하게 떨어지는 실정이다. 또한, 금속이온은 독성이 매우 강하여 현실적으로 자기공명영상 조영제로 사용되기에는 어려운 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 생체친화성 고분자 물질인 폴리감마글루탐산(γPGA)과 키토산의 이온성 자기조립 성질을 이용하여 자기공명영상 나노조영제를 제조하고자 예의 노력한 결과, 산화철 기반 나노입자를 폴리감마글루탐산(γPGA)과 키토산 고분자 복합체 내부로 봉입하는 경우, 자기공명 신호를 효과적으로 증가시켜 인체 내 특정 세포나 기관의 표지 민감성을 향상시키는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 산화철 기반 나노입자를 폴리감마글루탐산(γPGA)과 키토산 고분자 복합체 내부로 봉입하여 자기공명 신호를 효과적으로 증가시켜 인체 내 특정 세포나 기관의 표지 민감성을 향상시키는 나노입자 자기공명영상 나노조영제를 함유하는 음이온성 고분자와 양이온성 고분자를 함유하는 나노입자 복합체의 제조방법을 제공하는 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 (a) 음이온성 고분자가 함유된 유기용매 용액과 자기공명영상 나노조영제가 함유된 유기용매 용액을 혼합하여, 음이온성 고분자/자기공명영상 나노조영제 복합체를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 수득된 음이온성 고분자/자기공명영상 나노조영제 복합체에 양이온성 고분자를 첨가하여 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체를 수득하는 단계를 포함하는 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기의 방법으로 제조되고 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체를 제공한다.
본 발명에 따른 음이온성 폴리감마글루탐산(γPGA)와 양이온성 키토산을 이용한 이온성 조립을 통해 산화철 기반 나노입자는 고분자 복합체 내부로 봉입하여 복합체 내부에 갇혀있는 산화철 기반 나노입자들이 서로간의 상호작용으로 인해 자기공명신호 증폭의 시너지효과를 유발하기 때문에, 하나의 입자로 존재할 때보다 뛰어난 조영 효과가 있는 특징이 있다.
도 1은 산화철 기반 나노입자를 봉입한 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산 복합체 합성방법에 관한 것이다.
도 2는 수용액 상에 분산된 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/산화철 기반 나노입자 복합체 옆에 영구자석을 나란히 놓았을 때, 시간의 경과에 따른 입자의 자성에 관한 그림에 관한 것이다.
도 3은 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/산화철 기반 나노입자 복합체의 A) DLS를 통해 측정한 복합체의 크기; B) TEM을 통해 확인한 산화철 나노입자를 봉입한 감마-PGA/키토산 복합체의 내부 모습과 입자 크기; 및 C) SEM을 통해 확인한 복합체의 입자 크기와 균질도를 나타낸 그림이다.
도 4는 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/산화철 기반 나노입자 복합체의 MRI 신호 증폭효과를 나타낸 그림이다.
도 5는 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/산화철 기반 나노입자 복합체를 세포에 처리하여 프루시안블루 염색으로 세포 내의 입자전달 여부를 확인 및 MRI를 통한 세포 표지 능력을 나타낸 그림이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
일 관점에서, 본 발명은 (a) 음이온성 고분자가 함유된 유기용매 용액과 자기공명영상 나노조영제가 함유된 유기용매 용액을 혼합하여, 음이온성 고분자/자기공명영상 나노조영제 복합체를 수득하는 단계; 및 (b) 상기 수득된 음이온성 고분자/자기공명영상 나노조영제 복합체에 양이온성 고분자를 첨가하여 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체를 수득하는 단계를 포함하는 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 음이온성 고분자는 폴리글루탐산(Polyglutamic acid), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 알긴산(Alginate), 카라기난(Carrageenan), 히알루론산(Hyaluronic acid), 폴리스타이렌술폰산염(Poly(styrene sulfonate)), 카복시메틸셀룰로스(Carboxymethylcellulose), 셀룰로오스황산염(Cellulose sulfate), 덱스트란황산염(Dextran sulfate), 헤파린(Heparin), 헤파린황산염(Heparin sulfate), 폴리메틸렌코구아니딘(Poly(methylene-co-guanidine)) 및 콘드로이틴황산염(Condroitin sulfate)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 생체친화성 소재인 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합 성질을 이용하여 산화철 기반 나노입자를 코팅하는 방법에 관한 것으로, 사용된 폴리감마글루탐산(γPGA)은 우리나라 청국장에서 유래된 바실러스균(Bacillus subtilis)에 의해 생합성된 초고분자량의 천연 아미노산 고분자 물질로써, 뛰어난 생체적합성과 생분해 능력을 지니고 있다. 구성 아미노산인 글루탐산에 존재하는 다량의 카르복실기에 의해 음이온성 고분자로 분류되며 양이온성 미네랄과 반응성이 뛰어나 식품 첨가제 및 건강기능식품, 화장품, 의약품으로의 다양한 응용이 기대된다. 특히 소수성 약물이나 유용단백질 및 항원을 봉입하는 효과가 뛰어나 약물전달시스템(drug delivery system)에 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있는데 이때 봉입물의 안정성을 확보하기 위해 양이온성 고분자인 키토산과 이온성 자기 조립을 유도하여 젤화(gelation)시킨 나노입자를 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양이온성 고분자는 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌이민(Poly(ethylenimine)), 폴리L라이신(Poly(L-lysine)), 폴리디알릴디메틸염화암모늄(Poly(diallyldimethyl ammonium chloride)), 폴리알릴아민(Poly(allylamine)), 염산염(hydrochloride), 폴리오르니틴(Poly-ornithine), 폴리비닐아민염산염(Poly(vinylamine)hydrochloride), 폴리2-디메틸아미노에틸메탈크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)), 폴리아미도아마인(Poly(amido amine)), 덴드리머(dendrimer) 및 젤라틴(Gelatin)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 양이온성 고분자로 사용한 키토산은 새우, 게와 같은 갑각류에서 유래되는 천연 동물성 식이섬유로써 용해상태에서 양전하(+)를 띠는 양이온성 고분자 물질이다. 글루코사민 결합으로 되어 있는 키토산은 그 분자구조가 우리 인체조직과 매우 유사한 구조를 이루고 있어 인체 친화성이 매우 우수하여 면역반응(거부반응)이 일어나지 않기 때문에 다양한 식, 의약품 분야에 응용되고 있다.
본 발명에 있어서, 상기 자기공명영상 나노조영제는 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 프라세오디듐(praseodymium, PR), 사마륨(samarium, Sm), 유로퓸(europium, Eu), 테르븀(terbium, Tb), 디스프로슘(dysprosium, Dy), 홀뮴(holmium, Ho), 에르븀(erbium, Er), 둘륨(thulium, Tm), 이테르븀(ytterbium, Yb), 루테튬(lutetium, Lu) 및 이들 복합체로 구성된 나노입자 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 자기공명영상 나노조영제란 자기공명영상 조영 효과를 내는 산화철 나노입자로써, 유기용매에서 합성한 망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자를 사용하였으며, 이는 짧은 탄화수소 사슬로 이루어진 계면활성제로 안정화되어 있어 소수성 성질을 띠고 있다.
본 발명의 일 양태에서 음이온성 고분자로 PGA, 양이온성 고분자로 키토산을 사용하고, 산화철기반 나노입자를 자기공명영상 나노조영제로써 γ-PGA/키토산 복합체 내부로 봉입하여 제조한 나노복합체를 제시하고 있으나, 상기 음이온성 고분자는 폴리글루탐산(Polyglutamic acid), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid), 알긴산(Alginate), 카라기난(Carrageenan), 히알루론산(Hyaluronic acid), 폴리스타이렌술폰산염(Poly(styrene sulfonate)), 카복시메틸셀룰로스(Carboxymethylcellulose), 셀룰로오스황산염(Cellulose sulfate), 덱스트란황산염(Dextran sulfate), 헤파린(Heparin), 헤파린황산염(Heparin sulfate), 폴리메틸렌코구아니딘(Poly(methylene-co-guanidine)) 및 콘드로이틴황산염(Condroitin sulfate)으로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 상기 양이온성 고분자는 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌이민(Poly(ethylenimine), 폴리L라이신(Poly(L-lysine)), 폴리디알릴디메틸염화암모늄(Poly(diallyldimethyl ammonium chloride)), 폴리알릴아민(Poly(allylamine)), 염산염(hydrochloride), 폴리오르니틴(Poly-ornithine), 폴리비닐아민염산염(Poly(vinylamine)hydrochloride), 폴리2-디메틸아미노에틸메탈크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)), 폴리아미도아마인(Poly(amido amine)), 덴드리머(dendrimer) 및 젤라틴(Gelatin)으로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 상기 자기공명영상 나노조영제는 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 프라세오디듐(praseodymium, PR), 사마륨(samarium, Sm), 유로퓸(europium, Eu), 테르븀(terbium, Tb), 디스프로슘(dysprosium, Dy), 홀뮴(holmium, Ho), 에르븀(erbium, Er), 둘륨(thulium, Tm), 이테르븀(ytterbium, Yb), 루테튬(lutetium, Lu) 및 이들 복합체로 구성된 나노입자 군에서 선택할 수 있음은 당업자에 있어서 자명한 일이다 (Hyon Bin Na. et al ., Advanced Materials, 21:2133, 2009; Conroy Sun. et al ., Advanced Drug Delivery Reviews, 60:1252, 2008; Jian Lu. et al ., Biomaterials, 30:2919, 2009; J. Lee. et al ., Nature Medicine, 13:95, 2007).
다른 관점에서, 본 발명은 상기의 방법으로 제조되고 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온결합에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태에서, 생체친화적인 천연고분자인 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산 복합체 내부로 산화철 기반 나노입자를 봉입하여 우수한 자기공명신호 증폭 효과를 보이는 자기공명영상 나노조영제 개발하기 위하여, 산화철 기반 나노입자는 고분자량(500kDa)의 폴리감마글루탐산(γPGA)로 코팅하여 유기용매 상에서 수용액상으로 상전이를 유도하였다. 그 다음 입자의 균일함과 안정성을 확보하고 표적 지향적 리간드를 도입하기에 수월한 기능기인 아민(amine)기를 도입하기 위해 키토산으로 그 표면을 다시 한 번 코팅하였다. 이때 폴리감마글루탐산(γPGA)와 키토산은 어떠한 화학적인 개질 없이 단순한 이온성 자기조립으로 복합체를 형성하여 생체친화성을 더욱 높이려고 하였다. 또한 고분자량의 폴리감마글루탐산(γPGA)를 이용함으로써 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산 복합체 내부로 상당한 수의 산화철 기반 나노입자가 봉입되는 효과를 얻을 수 있었다. 이는 복합체 내부에 갇혀있는 산화철 기반 나노입자들이 서로간의 상호작용으로 인해 자기공명신호 증폭의 시너지효과를 유발하기 때문에 하나의 입자로 존재할 때보다 뛰어난 조영 효과를 보인다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 자기공명영상 조영 효과를 내는 산화철 나노입자로써 유기용매에서 합성한 망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자를 사용하였으며, 이는 짧은 탄화수소 사슬로 이루어진 계면활성제로 안정화되어 있어 소수성 성질을 띠고 있다. 따라서 입자는 유기용매 상에 균일하게 분산되며 8㎚ 정도의 지름을 가지는 구형이다. 망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자를 수용액 상으로 상전이 시키기 위해 500kDa 분자량의 폴리감마글루탐산(γPGA)로 코팅을 하였다. 폴리감마글루탐산(γPGA)은 글루탐산의 감마-카르복실기와 알파-아미노기가 아마이드 결합된 감마-폴리펩타이드 형태의 구조로, 알파-카르복실기가 노출되어 음이온성을 띄게 되는데 이 부분이 산화철 나노입자 표면을 공격하여 탄화수소 계면활성제를 밀어내고 표면에 결합을 형성하게 된다. 그 중 일부의 카르복실기는 결합을 형성하지 않고 외부로 노출되기 때문에 코팅된 표면이 음전하를 띠게 된다. 폴리감마글루탐산(γPGA)가 코팅된 망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자에 양이온성의 키토산을 가해주면 이온성 상호작용에 의해 구형의 고분자 복합체가 형성된다. 키토산은 본디 N-아세틸-D-글루코사민 단위체로 이루어진 키틴이라는 물질을 탈아세틸화 시켜 얻어지는 물질로써 본 발명에서 사용한 키토산은 분자량이 50kDa정도로 탈아세틸화가 80%정도인 것을 사용하였다. 글루타알데하이드(Glutaraldehyde)는 키토산의 아민기를 가교시켜 사슬과 사슬간의 결합력을 증가시키는 역할을 한다. 또한 폴리에틸렌글라이콜(Poly(ethylene glycol))을 입자 표면에 소량 결합시킴으로써 입자의 페길레이션 (Pegylation)에 의한 입자 안정성 및 용해도 향상, RES(Reticuloendothelial system) 세포에 의한 uptake를 방지하여 혈중 반감기를 높이는 효과를 준다.
MRI relaxivity란 나노입자가 포함하고 있는 자기성 원소, 즉 철(Fe)이나 망간(Mn)의 단위 농도를 기준으로 하여 T1이나 T2 완화 시간이 감소되는 정도를 나타내는 값이다. 이는 조영제의 자기공명신호 증폭 능력을 수치화한 것으로 T2 조영제의 경우 r2로 표기한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
시약 및 입자 제조
실시예 1-1: 시약의 제조
Iron(Ⅲ) acetylacetonate와 manganese(Ⅱ) actylacetonate를 원료로 하여 유기용매인 1-옥타데신(1-octadecene) 상에서 고온 반응하여 망간이 도핑된 산화철 나노입자(MnFe2O4)를 합성하였으며, 이때 나노입자의 안정제로 계면활성제인 올레산(oleic acid)를 첨가하였다. 그리고, 분자량이 500kDa의 폴리감마글루탐산(γPGA)((주)바이오리더스, 한국), 분자량 50kDa의 키토산((주)MIRAE BIOTECH, 한국), PEG-NHS((주)선바이오, 한국)을 준비하였다.
실시예 1-2: 산화철 나노입자의 상전이 과정
폴리감마글루탐산(PGA)(분자량: 500kDa)을 DMSO 용매에 10㎎/㎖ 농도로 녹이고, 망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자는 클로로포름(chloroform)상에서 10㎎/㎖으로 분산시켰다. 상기 두 용액을 밀폐된 용기 안에서 질소가스 bubbling을 10분 이상 진행하여 질소분위기를 만든 후, 각각의 용액 10㎖을 섞은 후 온도 60℃에서 2시간 동안 교반하여 폴리감마글루탐산/망간이 도핑된 산화철(MnFe2O4) 나노입자를 제조하였다. 제조된 복합체에 용액에 남아있는 계면활성제와 반응 불순물을 제거하기 위하여, 헥산, 에탄올 및 클로로포름을 혼합한 유기용매를 (hexane:ethanol:chloroform = 2:1:1) 가한 후, 5000rpm에서 10분 동안 원심분리한 후, 상층액은 버리고 아래에 남은 침전물을 진공상태 데시케이터에서 하루 정도 방치하여 남아있는 유기용매를 완전하게 제거하였다. 유기용매가 완전하게 제거된 복합체에 50mM의 NaHCO3 용액을 20㎖ 정도 가한 다음 남은 침전물이 완전히 녹을 때까지 흔들어주고(vortexing), 음파처리(sonication)를 한 후, 0.2㎛ 셀룰로오스 필터(adventec)를 이용하여 필터링 하였다.
실시예 1-3: 폴리감마글루탐산 (γ PGA )/산화철 나노입자와 키토산의 이온성 결합 복합체 형성
키토산은 수용액에 10㎎/㎖ 농도로 녹이고, 물 10㎖를 교반하면서 키토산 용액 3㎖를 첨가하고, 파이펫을 이용하여 실시예 1-2에서 준비한 폴리감마글루탐산(γPGA)/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 용액 1㎖를 첨가하여, 600rpm으로 2시간 교반하고, 10㎕의 글루타르알데히드(glutaraldehyde)를 첨가하여 1시간 동안 더 교반하였다. 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체 수용액 상에 존재하는 아민기의 정량은 닌하이드린(nynhydrin)법으로 실시하였다. 이때 표준용액으로 L-lysine 용액을 이용하였다.
실시예 1-4: 폴리감마글루탐산 (γ PGA )/키토산/산화철 나노입자 복합체의 페길레이션( pegylation )
상기 실시예 1-3에서 준비한 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체에 포함된 아민기의 몰 농도 대비 2배 몰 농도의 PEG-NHS를 3차 증류수에 녹였으며, 두 용액의 부피를 1:1로 섞은 후 12시간 정도 교반하였다. 반응하지 않은 고분자 물질과 NHS를 제거하기 위하여, 5000rpm으로 10분 정도 원심분리하고, 상층액을 버리고 침전물을 3차 증류수에 재분산 시킨 뒤, 한번 더 원심분리하여 정제하였다. 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체의 크기는 DLS와 TEM, SEM으로 관찰하였다.
그 결과, DLS로 측정한 입자의 크기는 90~200㎚의 분포도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다 (도 3(a)). 이는 인체 내에 주입시켰을 때 EPR(enhanced permeation and retention) 효과에 적합한 크기로 비정상 조직으로의 표적지향적인 특성을 지닌다.
TEM을 통해 입자의 크기와 내부를 관찰해 본 결과, 상당수의 망간-산화철 나노입자를 구형의 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산 고분자 복합체 내부로 봉입하고 있음을 확인하였다 (도 3(b)). 이는 앞에서 설명했듯이 망간-산화철 나노입자들이 고분자 복합체 내부에서 서로 상호작용을 일으키면서 MRI 신호를 효과적으로 증폭시키는 시너지효과를 기대할 수 있다.
또한, SEM을 통해 입자의 표면 형상과 크기를 관찰한 결과, DLS에서 측정된 크기와 비슷한 90~200㎚정도의 구형의 입자를 관찰할 수 있었다 (도 3(c)).
폴리감마글루탐산 (γ PGA )/키토산/망간산화철( MnFe 2 O 4 ) 나노입자 복합체의 활성 측정
실시예 2-1: 폴리감마글루탐산 (γ PGA )/키토산/망간산화철( MnFe 2 O 4 ) 나노입자의 MRI relaxivity 측정
상기의 실시예 1-3에서 준비한 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체 용액의 MRI relaxivity는 4.7T 소동물용 MRI를 이용하여 측정하였고, 용액 상에 존재하는 철과 망간 원소의 정량은 ICP-AES로 측정하였다.
그 결과, 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체의 r2는 507(Fe+Mn) mM-1s-1 정도이며, 이미 상용화된 수용액상에서 합성된 덱스트란 기반 산화철 입자의 r2 값보다 4배 이상 증가한 수치임을 확인할 수 있었다 (도 4).
실시예 2-2: 폴리감마글루탐산 (γ PGA )/키토산/망간산화철( MnFe 2 O 4 ) 나노입자 복합체 세포 내 전달
실시예 2-1에서 제조한 나노입자 복합체를 암세포인 HeLa 세포내로 전달하는 실험을 실시하였다. 입자는 25㎍/㎖ 농도로 처리한 후, 프루시안 블루(prussian blue)로 염색하여 전달 여부를 확인하였다.
폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체의 표면은 키토산의 아민기에 의해 양전하를 띄는데 이는 일반적으로 음전하를 띄고 있는 세포막에 잘 달라붙어 세포 내 전달이 용이하다는 특징이 있어, 입자는 25㎍/㎖ 농도로 처리한 후, 프루시안 블루(prussian blue)로 염색하여 전달 여부를 확인하였다 (도 5).
실시예 2-3: 폴리감마글루탐산 (γ PGA )/키토산/망간산화철( MnFe 2 O 4 ) 나노입자 복합체로 표지된 세포의 MRI 이미징
실시예 2-2에서 입자를 처리한 세포를 모아서 4.7T 소동물 MRI 장비로 MRI 이미징을 얻을 수 있었다. 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체에 의해 표지된 세포는 MRI 이미지상으로도 확인할 수 있는데, 표지가 되지 않은 세포는 주변의 물과 함께 밝게 보이지만, 표지가 된 세포는 어둡게 나타남을 확인 할 수 있다. 이를 통해 폴리감마글루탐산(γPGA)/키토산/망간산화철(MnFe2O4) 나노입자 복합체가 특정 세포 내로 잘 전달되는 특성을 보이며, MRI 이미지 결과 소량의 입자만으로도 자기공명신호에 의한 이미지 darkening 효과가 일어남을 확인할 수 있었다 (도 5).
이상으로, 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 다음의 단계를 포함하는 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온성 자기조립에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체의 제조방법:
    (a) 음이온성 고분자가 함유된 유기용매 용액과 자기공명영상 나노조영제가 함유된 유기용매 용액을 혼합하여 음이온성 고분자의 음이온성기가 나노조영제의 표면을 공격하고 유기용매 상에서 수용액 상으로 상전이를 유도함으로써, 음이온성 고분자가 코팅된 자기공명영상 나노조영제 복합체를 수득하는 단계; 및
    (b) 상기 수득한 음이온성 고분자가 코팅된 자기공명영상 나노조영제 복합체에 양이온성 고분자를 첨가하여 음이온성 고분자와 양이온성 고분자의 이온성 자기조립에 의해 형성된 고분자 복합체에 자기공명영상 나노조영제가 봉입되어 있는 나노입자 복합체를 수득하는 단계,
    여기서, 상기 음이온성 고분자는 폴리글루탐산(Polyglutamic acid)이며,
    상기 양이온성 고분자는 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌이민(Poly(ethylenimine)), 폴리L라이신(Poly(L-lysine)), 폴리디알릴디메틸염화암모늄(Poly(diallyldimethyl ammonium chloride)), 폴리알릴아민(Poly(allylamine)), 염산염(hydrochloride), 폴리오르니틴(Poly-ornithine), 폴리비닐아민염산염(Poly(vinylamine)hydrochloride), 폴리2-디메틸아미노에틸메탈크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)), 폴리아미도아마인(Poly(amido amine)), 덴드리머(dendrimer) 및 젤라틴(Gelatin)으로 구성된 군에서 선택되고,
    상기 자기공명영상 나노조영제는 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 프라세오디듐(praseodymium, PR), 사마륨(samarium, Sm), 유로퓸(europium, Eu), 테르븀(terbium, Tb), 디스프로슘(dysprosium, Dy), 홀뮴(holmium, Ho), 에르븀(erbium, Er), 둘륨(thulium, Tm), 이테르븀(ytterbium, Yb), 루테튬(lutetium, Lu) 및 이들 복합체로 구성된 나노입자 군에서 선택되며,
    상기 유기용매는 DMSO, 클로로포름(chloroform), 헥산 및 에탄올로 구성된 군에서 선택된 것임.
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