KR101461307B1 - 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 본 발명은 다당류의 아민기에 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-55 니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 도입되어 있는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 생분해성 및 생체적합성이 우수한 다당류를 기반으로 하고 있으며 광반응성 물질인 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 사용하여 제조된 나노 크기의 약물 전달체로서, 간편한 방법으로 제조할 수 있으며 자가조립되는 성질을 가지고 있고, 나노입자 내부에 약물을 봉입하여 원하는 부위에 광을 조사해주어 특이적으로 방출 할 수 있어 효과적인 암세포 치료 전달체로서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법{Photoresponsive nanocomplex for drug delivery and preparation method thereof}
본 발명은 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 본 발명은 다당류의 아민기에 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-55 니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 도입되어 있는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체에 관한 것이다.
현재 제어 가능한 전달을 위한 약물 전달 시스템에 대한 연구가 진행 되고 있다. 이상적인 약물 전달 시스템은 약물이 요구된 위치로 운반하고 그것을 선택적으로 방출할 수 있어야 한다. 특히 외부자극에 의한 약물전달은 원치 않는 부작용을 줄이고 치료의 효과를 크게 향상시킬 수 있는 시스템으로 외부자극에 의해 고분자의 물성이 변하기 때문에 자극부위에서 선택적으로 작용할 수 있다.
약물 투여에 대한 시공간적 제어는 종양, 류마티즘, 및 슈퍼박테리아 치료를 포함하는, 무수한 치명적인 질환의 치료에 영향을 미친다. 특히, 국소적으로 효과적인 치료제 농도를 종양에 제공하는 것은 현재 화학요법에서의 주요 사안이다. 종양 화학요법에서 저용량 약물 요법은 효과적이지 않은 반면, 고용량 약물 요법은 심각한 독성 및 부작용을 초래한다. 국소적으로 효과적인 치료 농도의 중요성은 세포독성 약물의 부작용을 최소화하고 종래 약물의 치료 활성을 향상시키기 위한 수단으로서 입증되어 왔다. 따라서, 종래 생체 적합하고 생분해 가능한 고분자를 사용하는 전통 접근법에 대하여 신규 약물 전달 비히클의 설계 및 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 한 가지 믿을 수 있는 전략은 원하는 시간 및 장소에서 약물을 방출하는 데 큰 이점을 제공하는 자극 감응형(stiumuli-sensitive) 약물 전달 비히클을 구성하는 것이다. 다양한 예로는 pH-감응성(S. Y. Park, et al., Angew . Chem . Int . Ed ., 2011, 50, 1644-1647; E. S. Lee, et al., Angew . Chem . Int . Ed., 2008, 47, 2418-2421; 및 N. M. Oh et al., Biomaterials , 2012, 33, 1884-1893) 온도-감응성(G. Myhr, Med . Hypotheses, 2007, 69, 1325-1333.) 및 효소-감응성(L. Zhu, P. Kate, V. P. Torchilin, ACS Nano, 2012, 6, 3491-3498) 약물 전달 비히클의 이용을 포함하고, 여기서 상기 비히클의 중심에 봉입된 약물은 자극의 유형 또는 정도에 따라 방출되도록 계획된다. 이 방법은 화학 요법에서 전술한 문제를 극복하고 종양 타켓팅 및 치료를 위한 다중기능성을 가지는 수단으로서 사용될 수 있다. 게다가, 광 조사시 구조적 변화 및 팽윤 거동을 나타내는 신규 광반응성 약물 전달 비히클의 개발을 위한 여러 접근법이 조사되어 왔다. 그러나, 이들 접근법은 불충분한 담체 설계 때문에 제한된 성공을 이루었다. 종양 치료의 분야에서 제어된 약물 방출을 위한 합성적 약물 전달 비히클은 거의 개발되지 못했다. 이들은 손쉬운 합성/제조 공정의 부재 때문에 여전히 연구 중에 있다.
그 중 광반응 분자를 고분자에 결합시켜 전달체로 쓰인 경우 자외선, 가시광선, 적외선 파장에 의해 광반응 분자의 구조 변화 혹은 결합의 끊어짐을 이용하여 전달체의 변화를 가져와 약물을 제어 방출할 수 있을 것으로 기대할 수 있으나, 아직까지 이러한 광반응을 이용한 약물 전달체가 충분히 개발되어 있지 않으므로, 새로운 광반응 약물 전달체의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 생체적합성이 뛰어나고 생분해성 능력이 좋은 다당류에 광반응성 분자인 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)를 간단한 방법으로 결합시켜 형성된 나노 복합체가 광 조사에 의해 나노입자의 붕괴를 가져옴으로써, 입자 내부에 봉입한 약물을 특정 장소에서 효과적으로 방출할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
1. S. Y. Park, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 1644-1647 2. E. S. Lee, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 2418-2421 3. N. M. Oh et al., Biomaterials, 2012, 33, 1884-1893
본 발명의 목적은 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 그래프팅되어 있는 다당류를 포함하는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 내에 약물이 봉입되어 있는 약물전달체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명에 따른 광반응성 약물 전달용 나노 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 그래프팅(grafting) 되어 있는 다당류를 포함하는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 그래프팅은 상기 다당류의 히드록실기와 상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)의 카르복실기가 결합하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다당류는 히알루론산(hyaluronic acid),풀루란(pullulan), 커드란(cudlan), 펙틴(pectin), 키토산(chitosan), 덱스트란(dextran), 헤파린(Heparin) 및 전분(starch)으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다당류는 히알루론산일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)은 다당류의 1개의 당 고리당 0.05 ~ 0.20개로 치환되는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 나노 복합체의 입자 크기는 50 ~ 200 nm인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 광반응성 약물 전달용 나노 복합체 및 상기 나노 복합체 내에 봉입될 수 있는 약물을 포함하는 약물 전달체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 약물은 단백질, 펩타이드 및 합성화합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 약물은 파클리탁셀, 도세탁셀, 독소루비신, 시스플레틴, 카보플래틴, 5-FU, 에토포시드, 캄토테신으로 구성된 항암제 중 선택되는 1종 이상의 약물일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 나노 복합체 및 약물의 혼합비는 나노 복합체 : 약물의 혼합비가 10:1인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은,
다당류를 용매에 용해시키는 단계;
상기 다당류가 용해된 용액에 촉매로서 N, N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 존재하에서 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 첨가하여, 상기 다당류의 히드록실기와 상기 DMAP의 카르복실기를 결합시켜 에스테르를 형성시키는 단계; 및
상기 결합되어 합성된 고분자를 투석 및 동결 건조하는 단계를 포함하는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다당류는 히알루론산(hyaluronic acid),풀루란(pullulan), 커드란(cudlan), 펙틴(pectin), 키토산(chitosan), 덱스트란(dextran), 헤파린(Heparin) 및 전분(starch)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다당류는 히알루론산일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB), N,N'-디시클로카르보이미드 (DCC) 및 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 혼합 비율은 다당류를 기준으로 몰비로서 1:3:1일 수 있다.
본 발명에 따른 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 생분해성 및 생체적합성이 우수한 다당류를 기반으로 하고 있으며 광반응성 물질인 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 사용하여 제조된 나노 크기의 약물 전달체로서, 간편한 방법으로 제조할 수 있으며 자가조립되는 성질을 가지고 있고, 나노입자 내부에 약물을 봉입하여 원하는 부위에 광을 조사해주어 특이적으로 방출 할 수 있어 효과적인 암세포 치료 전달체로서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 합성과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 1NMR 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB와 항암제(독소루비신: DOX)로 구성된 나노겔의 도식적 개념을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일비교예에 따른 HA-g-DOCA 나노겔의 합성과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 광 조사 시간에 따른 입자크기의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일비교예에 따른 HA-g-DOCA 나노겔의 광 조사 시간에 따른 입자크기의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 광 조사 시간에 따른 상대적 투과도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 광 조사 시간에 따른 1NMR 스펙트럼의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔 또는 일비교예에 따른 HA-g-DOCA 나노겔의 광 조사 시간에 따른 필드 방출 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM) 이미지의 변화를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔 또는 일비교예에 따른 HA-g-DOCA 나노겔의 광 조사 시간에 따른 임계 회합체 농도(critical aggregation concentration, CAC)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 독소루비신(DOX)이 로딩된 HA-g-HMNB 나노겔의 광 조사 시간에 DOX의 누적 방출 거동을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 KB 종양 세포에 HA-g-HMNB/DOX 나노겔(epuivalent DOX 10㎍/ml), HA-g-DOCA/DOX 나노겔(epuivalent DOX 10㎍/ml), 및 유리 DOX(10㎍/ml)를 처리하고, 광 조사 유무에 따른 세포 생존력을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 KB 종양 세포에 HA-g-HMNB/DOX 나노겔(epuivalent DOX 10㎍/ml), HA-g-DOCA/DOX 나노겔(epuivalent DOX 10㎍/ml), 및 유리 DOX(10㎍/ml)를 처리하고, 광 조사 유무에 따른 세포의 형광 이미지를 나타낸 사진이다.
본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.
"졸(sol)"은 액체 내에 콜로이드성 입자의 분산이며, 용어 "겔(gel)"은 1마이크로미터 이하(submicometer)의 치수의 포어(pore)와 전형적으로 1마이크로미터보다 큰 평균 길이를 갖는 폴리머 사슬의 상호연결된 단단한 네트워크를 의미하는 것으로, 폴리머 용액의 온도가 블록공중합체의 겔화온도 이상으로 상승될 때 자발적으로 발생하는 반고체상을 나타낸다.
"제어된 방출"이란 본 발명의 약물 전달 제형에 따라 전달되는 약물 또는 치료제의 속도 및/또는 양의 조절을 언급한다. 제어된 방출은 연속적 또는 불연속적이고/거나 선형 또는 비선형일 수 있다. 이것은 하나 이상의 유형의 중합체 조성물, 약물 로딩, 부형제 또는 분해 개선제, 또는 다른 개질제의 포함, 단독으로, 조합하여 또는 연속으로 투여시켜 요망되는 효과를 제공하는 것을 이용하여 달성될 수 있다.
"약물"은 생활성을 가지며 치료용으로 사용 또는 개조되는 유기 또는 무기 화합물이나 물질을 의미한다. 구체적으로, 단백질, 올리고누클레오티드, DNA 및 유전자 치료제가 광범위한 약물 정의에 포함된다.
"치료제"란 유기체(사람 또는 사람이 아닌 동물)에 투여될 때 국소적 및/또는 전신적 작용에 의해 요망되는 약리학적, 면역원성 및/또는 생리학적 효과를 유도하는 임의의 화합물 또는 조성물을 언급한다. 따라서 상기 용어는 전통적으로 약물, 백신, 및 단백질, 펩티드, 호르몬, 핵산, 유전자 구성물 등과 같은 분자를 포함하는 생체 약제로서 간주되는 화합물 또는 화학물질을 포함한다. "치료제"는 하기를 포함하나 이로 제한되지 않는 모든 주요 치료 분야에 사용되는 화합물 또는 조성물을 포함한다: 항생제 및 항바이러스제와 같은 항-감염제; 진통제 및 진통 조합물; 국소 및 일반적인 마취제; 식욕감퇴제; 항관절염제; 항천식제; 항경련제; 항우울제; 항히스타민제; 항염증제; 항구토제; 항편두통제; 항신생물제; 항가려움제; 항정신병제; 해열제; 항연축제; 심혈관 제조물 (칼슘 채널 차단제, β-차단제, β-효능제 및 항부정맥제 포함); 항고혈압제; 화학요법제; 이뇨제; 혈관확장제; 중추 신경계 자극제; 기침 및 감기 제조물; 충혈제거제; 진단제; 호르몬; 골형성 자극제 및 골 재흡수 억제제; 면역억제제; 근육 이완제; 정신자극제; 진정제; 신경안정제; 단백질, 펩티드 및 이의 단편 (천연 발생, 화학적으로 합성 또는 재조합에 의해 생성); 및 핵산 분자 (둘 이상의 누클레오티드의 고분자 형태, 이중- 및 단일-가닥 분자 및 슈퍼코일되거나 축합된 분자를 포함하는 리보누클레오티드 (RNA) 또는 데옥시리보누클레오티드 (DNA), 유전자 구성물, 발현 벡터, 플라스미드, 안티센스 분자 등).
"펩티드" "폴리펩티드" "올리고펩티드" 및 "단백질"은 펩티드 또는 단백질 약물을 말할 때 동일하게 사용될 수 있으며 특정 분자량, 펩티드 서열 또는 길이, 생활성 또는 치료분야에 국한되지 않는다.
"치료적 효과"란 당해 방법에 따라 치료된 피검체, 사람 또는 동물의 병에서의 임의의 개선을 의미하며, 예방 또는 방지 효과, 또는 물리적 조사, 실험실용 또는 기계적 방법에 의해 탐지될 수 있는 질병, 질환 또는 병의 징후 및 증상의 중증도에 있어서의 임의의 경감을 수득하는 것을 포함한다.
특정 질병 또는 질환과 관련하여 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 용어 "치료" 또는 "치료하는"이란 (i) 질병, 질환 및/또는 병에 걸리기 쉬우나 아직 병에 걸린 것으로 진단되지 않은 동물 또는 사람에서 질병, 질환 또는 병이 발생하는 것을 예방하고; (ii) 질병, 질환 또는 병을 억제하고, 즉 이의 진행을 억제하고; 및/또는 (iii) 질병, 질환 또는 병을 경감시키고, 즉 질병, 질환 및/또는 병의 퇴화를 야기하는 것을 언급한다.
"대상" 또는 "환자"는 인간, 소, 개, 기니아 피그, 토끼, 닭, 곤충 등을 포함하여 치료가 요구되는 임의의 단일 개체를 의미한다. 또한, 임의의 질병 임상 소견을 보이지 않는 임상 연구 시험에 참여한 임의의 대상 또는 역학 연구에 참여한 대상 또는 대조군으로 사용된 대상이 대상에 포함된다. 본 발명의 일 실시예에서는 인간을 대상으로 하였다.
"조직 또는 세포 샘플"은 대상 또는 환자의 조직으로부터 얻은 유사한 세포의 집합체를 의미한다. 조직 또는 세포 샘플의 공급원은 신선한, 동결된 및/또는 보존된 장기 또는 조직 샘플 또는 생검 또는 흡인물로부터의 고형 조직; 혈액 또는 임의의 혈액 구성분; 대상의 임신 또는 발생의 임의의 시점의 세포일 수 있다. 조직 샘플은 또한 1차 또는 배양 세포 또는 세포주일 수 있다.
임의로, 조직 또는 세포 샘플은 원발성 또는 전이성 종양으로부터 얻는다. 조직 샘플은 특성상 조직과 서로 혼합되지 않는 화합물, 예를 들어 보존제, 항응고제, 버퍼, 고정액, 영양물질, 항생제 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 조직 샘플의 "절편"은 조직 샘플의 하나의 일부 또는 조각, 예를 들어 조직 샘플로부터 절단한 조직 또는 세포의 얇은 슬라이스를 의미한다. 본 발명이 조직 샘플의 동일한 절편이 형태학적 및 분자적 수준 모두에 분석되거나 단백질 및 핵산 모두에 대해 분석되는 방법을 포함함을 이해한다면, 조직 샘플의 다수의 절편을 취하여 본 발명에 따른 분석에 적용할 수 있음이 이해된다.
"암", "종양" 또는 "악성"은 일반적으로 비조절된 세포 성장의 특징을 갖는 포유동물의 생리학적 상태를 나타내거나 설명한다. 암의 예는 암종, 림프종, 백혈병, 모세포종 및 육종을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
"유효량"은, 이롭거나 바람직한 임상적 또는 생화학적 결과에 영향을 주는 적절한 양이다. 유효량은 한번 또는 그 이상 투여될 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 저해제 화합물의 유효량은 질병 상태의 진행을 일시적으로 완화, 개선, 안정화, 되돌림, 속도를 늦춤 또는 지연시키는데 적절한 양이다. 만약, 수혜동물이 조성물의 투여에 견딜 수 있거나, 조성물의 그 동물에의 투여가 적합한 경우라면, 조성물은 "약학적으로 또는 생리학적으로 허용가능함"을 나타낸다. 투여된 양이 생리학적으로 중요한 경우에는 상기 제제는 "치료학적으로 유효량"으로 투여되었다고 말할 수 있다. 상기 제제의 존재가 수혜 환자의 생리학적으로 검출가능한 변화를 초래한 경우라면 상기 제제는 생리학적으로 의미가 있다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 그래프팅(grafting) 되어 있는 다당류를 포함하는 광반응성 약물 전달용 나노 복합체에 관한 것으로서, 이는 '나노겔(nanogel)'의 형태를 취하고 있다.
본 발명에 따른 상기 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 생분해성 및 생체적합성이 우수한 다당류와 광반응성 물질의 유기적인 결합에 의해 합성될 수 있다.
본 발명의 나노 복합체에서 소수성 블록을 담당하는 다당류는 물리적 겔을 형성하기 위하여 치환도가 높은 소수성 영역과 치환도가 낮거나 치환이 일어나지 않은 친수성 영역으로 이루어진 블록공중합체 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 소수성 영역은 물 구조를 국소적으로 안정화시키고, 가열시에는 물 구조가 파괴되어 소수성 상호작용을 증강시킴으로써 결과적으로는 겔화 현상을 초래하게 된다.
친수성과 소수성을 동시에 가지고 있는 양친성 고분자는 수용액 상에서 계면에너지의 안정화를 위해 소수성 블록간의 상호작용을 통해 교질입자(micelle) 또는 자가집합체(self-aggregate)를 형성하게 된다. 양친성 고분자에 의해 형성된 고분자 교질입자는 친수성 및 소수성의 정도에 따라 입자의 크기, 분포, 유동학적 성질, 열역학적 안정성 등이 다르게 나타나는 것으로 알려져 있다
또한, 상기 다당류는 생체 내에서 분해되는(biodegradable) 생분해성 및 생체 적합성을 가지는 천연고분자 다당류인 것을 특징으로 한다.
"생분해성"은 블록 공중합체가 신체내에서 화학적으로 분해되어서 비독성 화합물을 형성할 수 있음을 의미한다. 분해속도는 약물 방출 속도와 동일 또는 상이하다. 그리고 "생체적합성"이란 바람직하지 않은 후속효과 없이 인체와 상호작용하는 특성을 의미한다.
본 발명에서 사용한 상기 다당류로는 이에 제한되지는 않으나, 히알루론산(hyaluronic acid, HA), 풀루란(pullulan), 커드란(cudlan), 펙틴(pectin), 키토산(chitosan), 덱스트란(dextran), 헤파린(Heparin) 및 전분(starch)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 생체고분자 다당류 및 이들의 유도체들을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 히알루론산(hyaluronic acid)을 사용할 수 있다.
히알루론산(hyaluronic acid, HA)은 천연 다당류 탄수화물로 모든 생체에서 발견되는 물질로서, 수산화기(-OH)가 많기 때문에 친수성 물질이며, 동물 등의 피부에서 보습 작용의 역할을 한다. 또한, 다양한 상피세포에서 발현되어 있는 CD44단백질과 반응하여 다양한 생리적 작용을 조절한다. 특히 생체적합성 및 생분해성이 우수하여 유전자 및 약물전달체, 조직공학을 위한 스케폴드, 주입형 하이드로젤 등의 구성요소로서 의약분야에서 집중적 연구대상이 되고 있다.
한편, 본 발명에서 광반응성 물질로서 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 다당류와 상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)의 유기적인 결합은 상기 다당류의 히드록실기와 상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)의 카르복실기가 결합하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 하기 도 1에 나타낸 바와 같이, 히알루론산(hyaluronic acid, HA)에 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 그래프팅 함으로써 광반응성 나노겔 HA-g-HMNB을 제조하였다.
도 1에 나타난 바와 같이, 촉매로서 N,N'-디시클로헥실카르보이미드 (DCC) 및 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)을 사용하여 HMNB을 히알루론산 (HA)에 간단하게 그래프팅할 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, HMNB와 그래프트된 HA (HA-g-HMNB)는 수용액에서 자가조립될 수 있다: 소유성 바깥쪽 쉘 상의 HA 블록, 및 친유성 내부 중심 내의 HMNB 블록. 여기서, 친유성 HMNB 블록은 예컨대, 365 nm으로의 UV 광으로 화학적으로 분해가능하다. 상기 광반응성 나노겔은 광의 적용에 따라 나노겔 중심 내에 봉입된 약물에 대하여 맞춤형 방출 제어를 효과적으로 가능하게 할 수 있고, 이는 나노겔의 응용분야를 국소적 광원(예컨대, UV 램프)이 배치될 수 있는 질환의 다양한 분야로 확장하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 상기 광반응성 HMNB 블록은, 다당류의 하나의 당 고리에 대하여, 치환도가 0.05 ~ 0.20의 범위인 것이 바람직하고, 가장 바람직한 것은 치환도가 0.06인 경우이다. 상기 치환도의 범위에서 약물을 봉입하기 위한 최적의 나노 복합체가 형성될 수 있기 때문이다.
본 발명의 광반응성 HMNB 블록을 함유한 다당류 복합체는 광반응성 HMNB 블록의 소수성기와 다당류의 친수성기에 의한 양친성으로 인하여 수계에서 구형 자가 조립체의 나노겔을 형성할 수 있다.
일반적으로 자가조립(self-assembling)은 친수성 및 소수성을 모두 가진 양친성 분자가 수용액 상에서 회합하여 형성하는 구형집합체를 형성하는데, 친수성기는 구형 집합체의 외부에 소수성기는 내부에 모이게 된다.
또한, 상기 나노 복합체의 입자크기는 직경이 50 ㎚ 내지 200 ㎚의 범위가 될 수 있으며, 이러한 크기는 상기 나노 복합체가 표적세포로 이동하기에 적절하다.
본 발명에 따른 약물 전달용 나노 복합체는 도 3에 나타난 바와 같이, UV 등과 같은 광 조사에서 불안정화, 즉, 나노 복합체의 구조가 변화되어 나노 복합체 내부에 봉입되어 있는 약리 활성을 갖는 약물(예컨대, DOX)이 외부로 방출될 수 있는 특징이 있다.
본 발명의 일실시예에서는 본 발명의 나노 복합체(즉, 나노겔)이 광 조사에 의해 분해되어 입자 크기가 감소함을 관찰하였다 (도 5 참조).
또한, 본 발명의 일실시예에서는 본 발명의 나노 복합체(즉, 나노겔)의 불안정화를 의미하는 나노겔 용액의 상대적 투과도를 확인하였는데, 특히 365 nm의 파장에서의 투과도와 관련하여, 본 발명의 나노겔 용액의 상대적 투과도(relative transmittance)를 선택된 광 조사 시간 범위에서 측정하였다. 그 결과, 광 조사 시간이 증가함에 따라 나노겔 용액의 상대적 투과도는 증가하였는 바, 본 발명의 일실시예에 따른 HA-g-HMNB 나노겔은 광 조사에 의해 불안정화되는 특성을 가지고 있음을 확인하였다 (도 7 참조).
또한, HA-g-HMNB 나노겔에 대해, 1 H NMR (TMS를 포함하는 D2O) 스펙트럼을 통하여 광 조사 후 HMNB 내의 광반응성 에스테르 결합의 급속한 광분해가 일어남을 확인하였다 (도 8 참조).
또한, HA-g-HMNB 나노겔에 대해, FE-SEM로부터 수득한 형태학적 이미지 역시 거의 구형의 HA-g-HMNB 나노겔이 광 조사에 의해 불안정하게 되어 나노 복합체의 구조가 광분해됨을 나타낸다 (도 9 참조).
따라서 본 발명에 따른 나노 복합체를 이용한 약물 전달 방법은 광 조사를 통하여 원하는 부위에서 원하는 시간에 약물을 방출시킬 수 있으므로, 암과 같은 심각한 질환을 치료하는 새로운 개념의 치료법의 연구에 사용될 수 있다.
나아가 본 발명은 본 발명에 따른 상기 광반응성 약물 전달용 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 당업자에게 자명한 방법을 이용하여 제조될 수 있으나, 바람직하게는 (i) 다당류를 용매에 용해시키는 단계; (ii) 상기 다당류가 용해된 용액에 촉매로서 N, N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 존재하에서 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 첨가하여, 상기 다당류의 히드록실기와 상기 DMAP의 카르복실기를 결합시켜 에스테르를 형성시키는 단계; 및 (iii) 상기 결합되어 합성된 고분자를 투석 및 동결 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 광반응성 약물 전달용 나노 복합체의 제조방법에 있어서, 상기 다당류를 용해할 수 있는 용매로는 상기 다당류를 용해시킬 수 있는 용매라면 모두 사용가능하며, 바람직하게는 디메틸설폭사이드(DMSO)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 다당류가 용해된 용액에 첨가되는 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)의 양은 상기 첨가된 다당류의 몰비와 동일한 양으로 첨가할 수 있으며, 반응 용액에 촉매로서 N, N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)을 첨가하여 반응시킴으로써 본 발명에 따른 상기 고분자를 합성할 수 있다. 이때 상기 N, N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 첨가량은 첨가된 다당류를 기준으로 몰비로서 2.5:1~3.5:1을 첨가하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3:1을 첨가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서는 다당류로서 히알루론산을 사용하였고, 구체적으로 히알루론산(HA)과 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 이용하여 HA-g-HMNB를 합성하였다. 상기 HA-g-HMNB의 합성과정은 도 1에 나타낸 바와 같이, 히알루론산(HA)의 히드록실기 HMNB의 카르복실기와 반응하여 에스테르기를 형성함으로써 합성할 수 있는데, 이때 상기 반응은 상온에서 4~6일간 반응시킬 수 있다.
상기 합성된 나노 복합체는 투석 및 동결 건조를 통해 파우더 상태로 수득할 수 있으며, 수상에 녹일 경우 음전하(-)를 띈다.
따라서 본 발명의 방법으로 합성된 고분자가 용해된 수용액에 양전하(+)를 띄는 약리 활성을 갖는 약물을 첨가할 경우, 정전기적 인력, 즉, 이온결합에 의해 상기 고분자의 내부에 상기 약물을 봉입시킬 수 있다. 이때, 상기 합성된 고분자 및 약리 활성을 갖는 약물은 합성된 고분자 대 약리 활성을 갖는 약물을 10:1의 혼합비(중량%)로 혼합할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 본 발명에서 합성된 나노 복합체 내부에 약리 활성을 갖는 약물이 봉입된 광반응성 약물 전달체에 관한 것이다. 상기 약물 전달체 역시 나노입자 크기를 갖는다는 특징이 있다.
약물전달시스템은 체내로 도입된 약물의 체내 농도와 위치를 제어하여 부작용을 최소화하고 치료부위에 질병 치료용 약물을 효율적으로 전달하는 기술로서 기존 약물의 약물 동력학(pharmacokinetics)을 변화시켜 효능 및 효과를 극대화하고자 하는 약물 제형 기술을 말한다. 이러한 약물전달시스템은 최근 마이크로기술 또는 나노기술의 급속한 발전에 따라 약제 성분 또는 제형들을 나노크기의 전달체를 사용하여 세포내로 전달시키는 방법들이 속속들이 개발되고 있다.
또한, 나노입자는 입자의 크기가 수 나노미터에서 수백 나노미터 크기의 넓은 표면적을 가지는 콜로이드 상의 불균인 분산 입자로서, 나노입자가 인체에 투입될 때에는 주사, 경구, 피부 등 다양한 방법을 통해 전달되며 이때의 약물의 분포는 나노입자의 특성에 따라 조금씩 다르게 나타난다.
한편, 본 발명에 따른 약물 전달체는 본 발명에서 합성된 나노 복합체가 수용액 상에서 음전하(-)를 띄고 있으며, 양전하를 띄는 약물과 함께 이온결합에 의해 구형의 약물 전달체의 형태를 이루게 되며, 이때, 상기 본 발명의 나노 복합체 나노겔의 입자 크기는 50~200nm일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 나노 복합체의 입자 크기는 합성된 고분자와 약리 활성을 갖는 약물의 혼합비에 따라 다소차이가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 나노 복합체의 약물전달체는 앞서 기술된 바와 같이 나노크기의 형태를 가지기 때문에 표적 부위, 특히 표적 세포 내로 쉽고 빠르면서도 깊숙히 들어갈 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 약물 전달체는 광조사시 상기 복합체의 구조 변형을 통해 나노 복합체 내부에 봉입되어 있는 약리 활성을 갖는 약물을 신속하게 방출할 수 있다는 특징이 있다.
본 발명의 약물전달체는 단기 치료적 효과 또는 치료를 위한 하나 이상의 약물 또는 치료제를 포함할 수 있는데, 약물 또는 치료제는 천연고분자 및 합성고분자 중합체를 용액에 용해시키기 전, 용해시키는 동안 또는 용해시킨 후에 겔을 제조하는데 사용된 중합체에 첨가될 수 있다. 바람직하게는, 약물 또는 치료제를 용해시키기 전에 첨가시켜 약물 또는 치료제의 보다 균일한 분산 또는 용해를 촉진시킨다.
약물 또는 치료제를 겔(중합체)에 혼입시킬 수 있는 다양한 기술이 공지되어 있으며, 분무 건조, 용매 증발, 상분리, 급속 냉동 및 용매 추출을 포함하나, 이로 제한되지 않는다.
약물 또는 치료제는 상기 겔에 약 0.1 내지 약 100 중량%, 바람직하게는 약 1 내지 약 50 중량%, 및 보다 바람직하게는 약 10 내지 약 30 중량%로 포함된다. 그러나 약물 또는 치료제가 겔의 0.01 내지 95 중량%로 포함될 수도 있다. 겔에 포함된 약물 또는 치료제의 양 또는 농도는 약물 또는 치료제의 흡수비활성화 및 배출 속도 뿐만 아니라 겔 중 중합체의 전달 속도에 따라 달라질 것이다.
상기와 같은 방법으로 제조된, 본 발명에 따른 약물 전달체는 실온에서 액상이다. 피검체에 주사 직후, 체온으로 인해 겔이 된다. 나노 복합체 내에 함유된 약물 또는 치료제는 피검체의 세포외 매트릭스로 확산되고, 표적 부위에 제어된 수단으로 방출될 것이다.
본 발명에서 상기 합성된 고분자의 내부에 봉입할 수 있는 약물로는 양전하를 띄는 약리 활성을 갖는 성분이라면 모두 사용할 수 있다.
바람직하게는 단백질, 펩타이드 및 합성화합물을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 양전하를 띄는 단백질을 사용할 수 있으며, 양전하를 띄는 상기 단백질로는 이에 제한되지는 않으나, 리소자임(lysozyme), TRAIL(tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand), 판크레아토펩티다제 E(pancreatopeptidase E), 칼시토닌(calcitonin), HIV Tat 단백질(human immunodeficiency virus Tat protein), Antp 호메오 박스 단백질(Antennapedia homeobox protein), HSV VP22 단백질(herpes simplex virus VP22 protein), 트라스투주맙(trastuzumab), 아다리뮤맙(adalimumab), 세투시맙(cetuximab), 알렙투주맙(alemtuzumab). 리투시맙(rituximab), 이타너셉트(etanercept), 인플릭시맙(infliximab), 알레파셉트(alefacept), 바실릭시맙(basiliximab), 다실리주맙(daclizumab), 에리트로포이에틴(erythropoietin; epoetin-α), 다베포에틴알파(darbepoetin-α), 오프렐베킨(oprelvekin; interleukin 11), 루트로핀알파(lutropin-α), 인터페론-베타1a(interferon-β 1a), 인터페론-베타 1b(interferon-β 1b), 인터페론-감마 1b(interferon-γ 1b), 글루카곤(glucagon), 세크레틴(secretin),아르시투모맙(arcitumomab), 이브리투모맙 튜세탄(ibritumomab tiuxetan), 토시투모맙(tositumomab), 알테프라제(alteplase; tissue plasminogen activatoerl), 테넥테플라제(tenecteplase), 유로키나아제(urokinase), 살몰 칼시토닌(salmon calcitonin), 팔리퍼민(palifermin; keratinicyte growth factor) 및 베카플러민(becaplermin; platelet-derived growth factor)으로 이루어진 군중에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이는 앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에서 합성된 고분자의 경우, 수상에 용해 시키면 음전하(-)를 띄게 되므로 양전하를 띄는 약물을 사용할 경우, 보다 용이하게 이온결합을 형성할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 단백질, 폴리펩티드, 탄수화물, 무기 물질, 항생제, 항신생물제, 국소 마취제, 항혈관형성제, 혈관활성제, 항응고제, 면역조절제, 세포독성제, 항바이러스제, 항체, 신경전달물질, 정신작용약, 올리고누클레오티드, 지질, 세포, 조직, 조직 또는 세포 응집물, 및 이들의 조합물이 있다.
뿐만 아니라, 암 화학요법제, 예컨대 시토킨, 케모킨, 림포킨 및 실제로 정제된 핵산, 및 백신, 예컨대 약독화된 인플루엔자 바이러스가 있다. 혼입될 수 있는 실제로 정제된 헥산은 게놈 핵산 서열, cDNA 엔코딩 단백질, 발현 벡터, 상보적인 핵산 서열과 결합하여 번역 또는 전사를 억제하는 안티센스 분자 및 리보자임을 포함한다.
또한, 국소 마취제, 예컨대 아메토카인, 아르티카인, 벤조카인, 부피바카인, 클로로프로카인, 디부카인, 디클로닌, 에티도카인, 레보부피바카인, 리도카인, 메피바카인, 옥세타자인, 프라목신, 프릴로카인, 프로카인, 프로파라카인 및 로피바카인; 마약성 진통제, 예컨대 알펜타닐, 알파프로딘, 부프레노르핀, 부토르파놀, 코데인, 코데인 포스페이트, 시클라조신, 덱스토모라미드, 데조신, 디아모르핀, 디히드로코데인, 디피아논, 페도토진, 펜타닐, 히드로코돈, 히드로모르폰, 케토베미돈, 레보르파놀, 메프타지놀, 메타돈, 메타딜 아세테이트, 모르핀, 날부핀, 노르프로폭시펜, 노스카핀, 옥시코돈, 옥시모르폰, 파레고릭, 펜타조신, 페티딘, 페나조신, 피리트라미드, 프로폭시펜, 레미펜타닐, 수펜타닐, 틸리딘 및 트라마돌; 및 비마약성 진통제, 예컨대 살리실레이트 또는 페닐프로피온산 유도체가 있다. 적합한 살리실레이트의 예로는 아미노살리실릭 나트륨, 발살라지드, 콜린 살리실레이트, 메살라진, 올살라진, 파라-아미노 살리실산, 살리실산, 살리실살리실산, 및 설파살라진 등이 있다. 적합한 페닐프로피온산 유도체의 예로는 이부프로펜, 페노프로펜, 플루르비프로펜, 케토프로펜 및 나프록센 등이 있다.
특히, 상기 약물은 파클리탁셀, 도세탁셀, 독소루비신, 시스플레틴, 카보플래틴, 5-FU, 에토포시드, 캄토테신으로 구성된 항암제 중 선택되는 1종 이상의 약물인 것이 바람직하다.
또 다른 관점에서 본 발명은 생체분해가능하고 생체적합한 나노겔에 다수의 약물 또는 치료제를 포함하는, 제어된 약물 방출용 약제 조성물을 포함하며, 여기서 상기 조성물 약물 또는 치료제를 필요로 하는 환자에게 도입시키는 것을 포함하는 질병, 질환 또는 병을 치료하는 방법 및 본 발명의 시스템을 제조하는 방법을 포함한다.
본 발명의 약물전달체는 생체흡수성, 생체분해성, 생체적합성으로 제형화할 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 체내에서 무독성임을 의미한다.
본 발명의 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)될 수 있지만, 특히, 상기 조성물은 비경구로 전달되는 것이 바람직하다. '비경구'란 근육내, 복막내, 복부내, 피하, 정맥 및 동맥내를 의미한다. 그러므로, 본 발명의 조성물은 대표적으로 주사 제형으로 제제될 수 있다.
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, 주사 또는 기타 다른 방식으로 동맥내, 정맥내, 비뇨생식기, 피하, 근육내, 피하, 두개내, 심장막내, 흉막내, 또는 기타 신체강 또는 가능한 공간내로 투여할 수 있다. 또는, 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.
또한, 본 발명의 약물 전달 시스템에 따라, 약물 또는 치료제가 피검체의 표적 부위에 제어된 방식으로 방출될 수 있다.
일 구체예에서, 나노 복합체를 사용하여 약물 또는 치료제의 피검체로의 부위-특이적 방출을 제공한다. 또 다른 구체예에서, 광반응성 나노겔은 피검체에 투여될 수 있는 하나 이상의 약물 또는 치료제를 포함하여, 약물 또는 치료제가 나노겔의 분해에 의해 방출된다.
이 때, 조성물의 투여 값은 치료되는 질병, 질환 또는 병의 유형 및 중증도에 따라 달라질 것이다. 임의의 특정 피검체에 대하여, 특정 용량 섭생이 개개인의 요구 및 조성물을 투여하거나 투여를 지시하는 사람의 전문적인 판단에 따라 경시적으로 조정되어야 함을 추가로 이해해야 한다. 생체내 투여는 세포 배양에서의 시험관내 방출 연구 또는 생체내 동물 모델에 기초할 수 있다
약물 또는 치료제의 방출 속도는 많은 인자에 의존적인데, 특히, 겔을 구성하는 생체분해가능한 중합체의 분해 속도에 의존적이다. 또한, 약물 또는 치료제의 입경에 의존적이다. 따라서, 상기 논의된 인자들을 조정함으로써, 분해, 확산 및 제어된 방출을 매우 다양한 범위로 달리할 수 있다. 예를 들어, 방출이 시간, 일, 개월에 따라 일어나도록 고안될 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 제조된 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 생체고분자 다당류를 기본으로 하여 생체 내에서 생분해성 및 생체적합성을 확보할 수 있으며, 또한, 상기 다당류가 광반응성 물질과 유기적으로 결합되어 있어 이러한 유기적 결합으로 합성된 고분자는 약리 활성 성분과 이온결합을 통해 나노크기의 약물 전달용 나노 복합체를 형성할 수 있으므로 세포 내로 쉽고 빠르게 침투할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 제조된 약물 전달용 나노 복합체는 광반응성 물질의 사용으로 인해 광 조사에 의해 나노복합체의 구조가 붕괴(즉, 광반응성 물질인 HMNB와 다당류의 에스테르 결합이 광 조사에 의해 해리되면서 궁극적으로 나노 복합체의 구조가 변형됨)될 수 있으므로 상기 나노 복합체의 내부에 존재하는 약물이 표적 부위로 빠르게 방출될 수 있다.
그러므로 본 발명의 광반응성 약물 전달용 나노 복합체는 상기 나노 복합체를 필요로 하는 다양한 질환을 치료하는데 사용할 수 있다. 특히, 상기 다당류로서 히알루론산을 사용하는 경우, 상기 히알루론산이 세포의 표면에서 과발현된 CD44 수용체에 결합할 수 있으므로, 본 발명에 따른 나노 복합체는 다양한 종양 CD44 수용체를 이용한 다양한 종양의 효과적인 치료에 유용하게 사용될 수 있다.
다양한 측면의 조성물이 상세하게 기술되었으나, 개질, 치환 및 첨가가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으며 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
[실시예]
이하에서, 본 발명을 하기의 실시예 및 첨부된 도면을 통하여 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 의도일 뿐, 본 발명의 보호범위가 하기의 실시예에 기재된 예만으로 국한되는 것은 결코 아니다. 또한, 하기의 실시예 뿐만 아니라, 당업자에 의해서 이로부터 용이하게 추론될 수 있는 사항까지도 본 발명의 보호범위에 속함은 자명하다.
<실험재료>
4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB), N, N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP), 히알루론산 나트륨 (HA, Mw = 4 kDa), 디옥시콜산 (DOCA), 피렌, 독소루비신HCl (DOXHCl), 트리에틸아민(TEA), L-글루타민, 및 디메틸 설폭사이드 (DMSO)를 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich) (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. RPMI-1640, 소태아혈청(FBS), 페니실린, 및 스트렙토마이신을 웰진 주식회사(Welgene Inc) (서울, 한국)에서 구입하였다. 세포 계수 키트-8 (CCK-8)을 Dojindo Molecular Technologies Inc (Kumamoto, 일본)에서 얻었다.
< 실시예 1>
광반응성 HA -g- HMNB 의 제조
도 1에서 나타난 바와 같이, HA (0.1 mM)를 DMSO (20 ml) 내에서 DCC (1 mM) 및 DMAP (1 mM)를 이용하여 미리-활성화시키고, HMNB (2 mM)와 실온에서 5일 동안 반응시켰다. 반응 후, 생성된 용액을 미리-팽윤된 투석 막 튜브 (Spectra/Por　 MWCO 5K)로 옮기고 탈이온수에 대하여 투석시켜 미반응된 화학물질을 제거하였다. 상기 투석 막 튜브로부터 꺼낸 용액을 2일 동안 동결 건조 후 감압 하에 동결 건조하였다. HMNB와 HA의 결합을 1H NMR (TMS를 포함한 D2O)에서 δ 6.9 ppm [HMNB 내의 -CH] 및 δ 3.35 ppm [HA 내의 -CH]에서의 피크로부터 추정하였다(도 2 참조).
그 후 치환도(DS, HA의 1개의 당 고리당 HMNB 블록의 수로서 정의됨)를, δ 6.9 ppm [HMNB 내의 -CH] 및 δ 3.35 ppm [HA 내의 -CH]으로부터 유래된 피크의 도입 비율을 이용한 1H-NMR (TMS를 포함하는 D2O) 피크를 분석함으로써 측정하였다.
그 결과, 상기 방법으로 합성된 HA-g-HMNB의 경우 1H-NMR을 통해 분석된 HA의 1개의 당 고리당 치환된 HMNB 블록의 갯수는 0.12±0.04인 것으로 확인되었다.
< 실시예 2>
HA -g- HMNB 나노겔의 제조
HA-g-HMNB 또는 HA-g-DOCA (50 mg)를 DMSO (5 ml)에 용해시키고 이를 미리-팽윤된 투석 막 튜브 (Spectra/Por　 MWCO 15K)로 옮기고 150 mM PBS (pH 7.4)에 대하여 24 시간 동안 투석시켰다. 바깥쪽 상(outer phase)을 새로운 PBS 용액으로 세 번 대체하였다. 이 과정은 친유성 코어(core) (HMNB) 및 소유성 쉘(shell) (HA)로 이루어지는 HA-g-HMNB 나노겔의 제조를 가능하게 하였다. 상기 용액을 이후 0.8 μm 주사기 필터를 통해 여과 후 동결건조하였다. 상기 용액을 2일 동안 동결 건조한 후, 분말을 얻었다.
< 비교예 1>
HA -g- DOCA 나노겔의 제조
HMNB (2 mM) 대신 데옥시콜산(DOCA)(2 mM)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 HA-g-DOCA 나노겔을 제조하였다(도 4 참조).
DOCA와 HA의 결합을 1H NMR (TMS를 포함한 D2O)에서 δ 3.35 ppm [HA 내의 -CH] 및 δ 1.25 ppm [HA 내의 -CH 2 ]에서의 피크로부터 추정하였다.
HA-g-DOCA 복합체의 치환도는 0.14±0.04였다.
< 실시예 3>
HA - g - HMNB 나노겔(nanogel)의 특성
<3-1> 입자 크기 분포
HA-g-HMNB 나노겔의 물리화학적 특성을 알아보기 위하여, 365 nm 레이져 공급원 (VL-4.L & VLX-3.W, Vilber Lourmat Inc., 프랑스)를 사용하여 0-60 분 동안 1.5 mW/cm2의 광 강도 (I0)로 조사 시간에 따라 150 mM PBS (pH 7.4) 내의 실시예 2의 HA-g-HMNB 나노겔의 (0.1 mg/ml) 또는 대조군으로서 비교예 1의 HA-g-DOCA 나노겔 (0.1 mg/ml)의 입자 크기 변화를 He-Ne 레이져 빔이 장착된 Zetasizer 3000 장치 (Malvern Instruments)로 633 nm의 파장 및 90°의 고정된 산란각에서 측정하였다.
그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, HA-g-HMNB 나노겔의 평균 입자 크기는 약 147 nm였다. 그러나, 흥미롭게도, 본 발명에 따른 HA-g-HMNB 나노겔은 30-60 분 동안 365 nm 레이져 공급원을 이용하여 1.5 mW/cm2의 광 강도 (I0)로 UV 조사한 후 입자 크기의 급격한 감소가 관찰되었다. 그러나, 도 6에 나타난 바와 같이, 대조군인 HA-g-DOCA 나노겔의 경우에는 UV 조사 시간이 증가하여도 입자 크기는 거의 변화하지 않는 것으로 관찰되었다.
이로부터, 본 발명에 따른 HA-g-HMNB 나노겔은 광 조사에 의해 나노겔의 형태가 변화하는 광반응성 물질임을 알 수 있다.
<3-2> 나노겔 용액의 투과도( transmittance ) 변화
자외선/가시광선 분광분석법(UV/visible spectrophotometer)(Labantech Co.)을 이용하여 용액의 광 투과도를 측정하였다. 구체적으로, 365 nm (I0=1.5 mW/cm2)에서 조사된 나노겔 용액 (0.1 mg/ml, PBS pH 7.4)의 광 투과도 변화를 UV/가시광선 분광 광도계 (Labantech Co.)를 이용하여 측정하였다. 조사의 0 분에서의 투과도에 대하여 선택된 조사 시간에서 상기 나노겔 용액의 상대적 투과도(relative transmittance)를 측정하였다.
그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 365 nm에서 증가된 UV 조사 시간에 따라, HA-g-HMNB 나노겔의 불안정화를 의미하는 나노겔 용액의 상대적 투과도는 증가하였다. 이는 광 조사에 의해 나노겔 구조 내의 변화가 일어남을 의미한다.
<3-3> 나노겔 용액의 NMR 변화
HA-g-HMNB 나노겔 내의 HMNB 블록의 광분해를 평가하기 위해, PBS (pH 7.4) 내 HA-g-HMNB 나노겔을 365 nm (I0=1.5 mW/cm2)에서 60 분 동안 조사하고, PBS (150 mM, pH 7.4)에 대하여 48 시간 동안 투석하여 탈착된 HMNB를 제거하고, 이후 동결건조하였다.
그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 1 H NMR (TMS를 포함하는 D2O) 스펙트럼에서 광 조사 후 δ 8.05 ppm [HMNB 내 -CH ], δ 6.9 ppm [HMNB 내 -CH], 및 δ 5.2 ppm [HMNB 내 -OCH-]의 피크가 사라진 것으로 나타났으며, 이로부터, 본 발명에 따른 HA-g-HMNB 나노겔은 광 조사 후 HMNB 내의 광반응성 에스테르 결합의 급속한 광분해가 일어남을 알 수 있다. 이러한 HMNB 연결기는 봉입된 함암제 약물에 대하여 봉입 및 광에 의한 풀림 특성을 갖는 약물 전달 비히클의 개발에서의 이들의 적용에 유용할 것이다.
<3-4> HA - g - HMNB 나노겔의 형태학적 관찰
0-60 분 동안 365 nm (I0=1.5 mW/cm2)에서 조사된 HA-g-HMNB 나노겔 또는 HA-g-DOCA 나노겔의 형태학을 필드 방사 주사 전자 현미경 (FE-SEM, Hitachi s-4800, 도쿄, 일본)을 이용하여 확인하였다.
그 결과, 도 9에 나타난 바와 같이, HA-g-HMNB 나노겔은 형성시 거의 구형 형상을 나타내나, 60 분의 UV 조사 후에 불안정화되어 부분적으로 사라지는 것으로 나타났다.
<3-5> 임계 회합체 농도( critical aggregation concentration , CAC ) 분석
임계 회합체 농도 (CAC) 결정을 위한 형광 측정을 Shimadzu RF-5301PC 분광형광계를 이용하여 수행하였다. 간략하게, 동결건조된 나노겔 분말을 150 mM PBS (pH 7.4) 내에 분산시키고, 50 ℃에서 6 시간 동안 피렌과 혼합하여, 6.0×0-7의 최종 피렌 농도 및 1×10-3 내지 5×10-1 g/l의 나노겔 농도를 얻었다. 나노겔 용액을 365 nm (I0=1.5 mW/cm2)에서 0-90 분 동안 광 조사 후, HA-g-HMNB 또는 HA-g-DOCA 농도의 로그값에 대하여 방출 스펙트럼 프로파일 (λex 339 nm에서) 의 I 1 (첫번재 피크의 강도)를 플로팅함으로써 임계 회합체 농도를 추정하여, 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10은 UV 조사 시간의 함수로서의 HA-g-HMNB 나노겔의 CAC의 변화를 나타낸다. 도 10에 나타난 바와 같이, HA-g-HMNB 나노겔의 CAC 값은 조사 0 분에서 18 μg/ml로서 상대적으로 낮은 값이었다. 그러나, UV 조사 시간이 증가함에 따라, HA-g-HMNB 나노겔의 CAC 값은 30 분의 UV 조사에서 74 μg/ml 및 60 분의 UV 조사에서 100 μg/ml으로 상당히 증가하였다. 이는 HMNB 연결기의 광분해 때문에 나노겔의 친유성이 감소하였고, 이는 결국 CAC 값을 증가시킨 것을 알 수 있다.
전체적으로, HA-g-HMNB 나노겔의 물리화학적 특성을 알아본 데이터들은 광 조사 후 HMNB 내의 광반응성 에스테르 결합의 급속한 광분해가 일어남으로써 나노겔이 불안정화된다는 것을 시사하며, 이러한 HA-g-HMNB 나노겔의 특성은 봉입된 함암제 약물에 대하여 봉입 및 광에 의한 풀림 특성을 갖는 약물 전달 비히클의 개발에 유용할 것이다.
< 실시예 4>
HA -g- HMNB 나노겔을 이용한 약물전달체의 제조
<4-1> DOX 로딩
HA-g-HMNB (또는 HA-g-DOCA) 나노겔에 DOX를 로딩하기 전에, DOXHCl를 2 몰비의 DMSO 내 TEA와 밤새 반응시킴으로써 DOXHCl의 염산염을 분리하였다. 이후, HA-g-HMNB (또는 HA-g-DOCA) 나노겔 (20 mg) 및 DOX (4 mg)를 DMSO (2 ml)에 용해시키고 150 mM PBS (pH 7.4) 용액에 대하여 24 시간 동안 투석시켰다. DOX를 함유하는 투석 백(bag) 및 중합체를 세 번 치환하고, 봉입되지 않은 유리 DOX를 이 절차 동안 제거하였다. UV/가시광선 분광 광도계를 이용하여 481 nm에서 DMSO/PBS 혼합물 용액 (95 : 5 vol.%) 내에 용해된 DOX-로딩된 나노겔의 UV 흡광도를 측정함으로써, HA-g-HMNB (또는 HA-g-DOCA) 나노겔 내의 DOX 농도를 측정하였다. 로딩한 DOX 함량을 공급한 DOX 함량으로 나누어 계산된 DOX 로딩 효율은 80~86%였다.
<4-2> DOX 방출 시험
DOX-로딩된 HA-g-HMNB (또는 HA-g-DOCA) 나노겔 용액 (0.5 ml)을 0-60 분 동안 365 nm (I0=1.5 mW/cm2)로 조사하고 이후 투석 막 백 (Spectra/Por MWCO 5K)에 부가하였다. 상기 투석 막 백을 밀봉하고 이후 신선한 PBS (10 ml, 이온 강도= 0.15)를 함유하는 바이알 내에 담그었다. HA-g-HMNB (또는 HA-g-DOCA) 나노겔로부터 DOX의 방출 시험을 37 ℃에서 기계적 교반(100 rev ./분) 하에서 수행하였다. DOX에 대한 가라앉음을 유지시키기 위해 예정된 시간 간격에서 투석 막 백의 바깥쪽 상을 신선한 완충 용액으로 추출하고 치환하였다. DOX 농도를 UV/가시광선 분광 광도계를 이용하여 측정하였다.
그 결과, 도 11에 나타난 바와 같이, 조사 시간의 함수로서 HA-g-HMNB 나노겔로부터 모든 DOX 방출 패턴은 1차 반응을 근접하게 따르고 24-48 시간 내에 안정기에 도달하였다. 그러나, 0 분의 UV 조사와 30-60 분의 UV 조사에서의 누적 DOX 방출량은 상당히 상이하였다: 즉, 0 분의 UV 조사에서는 35 wt.% 약물이 방출되었고, 48 시간 내의 30 분의 UV 조사에서는 72 wt.% 약물이 방출되었다. 이는 0 분의 조사에서 HA-g-HMNB 나노겔의 DOX 방출은 봉입된 DOX의 수동 확산 때문이나, 30 분의 조사에서 HA-g-HMNB 나노겔의 촉진된 DOX 방출은 HMNB 연결기의 광분해 및 나노겔의 불안정화에 기인하는 것으로 사료된다.
이러한 UV 조사 시간의 함수로서의 약물 방출 프로파일 연구는 HMNB 연결기의 광분해가 광에 의해 봉입이 풀린 HA-g-HMNB 나노겔로부터 약물 방출을 촉진시킴을 가능하게 함을 뒷받침한다.
< 실시예 5>
실험관 내( in vitro ) 시험
<5-1> 실험관 내 종양 세포 생존력 시험
인간 비인두 편평세포암종(Human nasopharyngeal epidermal carcinoma) KB 세포(한국 세포주 은행)를 2 mM L-글루타민, 1 % 페니실린-스트렙토마이신, 및 10 % FBS를 포함하는 RPMI-1640 배양액 내에서 가습된 표준 배양기에서 5 % CO2 대기에서 37 ℃에서 유지하였다. 시험 전에, 단일층으로 성장한 세포들 (1×105 세포/ml)을 0.25 % (w/v) 트립신/0.03% (w/v) EDTA 용액을 이용한 트립신화를 통해 수집하였다. RPMI-1640 배양액에 현탁된 세포들을 웰 플레이트에 시드하고 시험관 내 세포 시험 전에 24시간 동안 배양하였다.
DOX-로딩된 HA-g-HMNB 나노겔 (equivalent DOX 10 mg/ml), DOX-로딩된 HA-g-DOCA 나노겔 (equivalent DOX 10 mg/ml), 유리 DOX (10 mg/ml), 또는 HA-g-HMNB 나노겔 (1-200 mg/ml)로 처리된 KB 종양 세포의 세포 생존력을 세포 계수 키트-8(CCK-8) 분석을 이용하여 측정하였다. 간략하게, 모든 나노겔 시료를 0 (UV 없음) 또는 30 분 (UV 있음)동안 365 nm (I0 = 1.5 mW/cm2)로 미리-조사하였고 이후 KB 종양 세포에 첨가하였다. 나노겔 또는 유리 DOX를 포함하는 KB 종양 세포를 추가 조사 없이 37 ℃에서 24 시간 동안 배양하였다.
그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, UV 조사 시간에 따른 HA-g-HMNB 나노겔의 약물 방출 패턴이 KB 종양 세포의 생존력과 비례함을 발견하였다. 대등한 투여량의 DOX 10 mg/ml에서, 30 분의 UV 조사한 본 발명에 따른 DOX-로딩된 HA-g-HMNB 나노겔은 37% 세포 생존력을 나타낸 반면, 30 분의 UV 조사한 대조군의 DOX-로딩된 HA-g-DOCA 나노겔은 68% 세포 생존력을 나타냈다. 이런 결과는 UV 조사에 의해 자극된 HA-g-HMNB 나노겔이 효율적인 DOX 방출을 가능하게 하여 KB 종양 세포에 대하여 더욱 큰 항종양 효과를 나타냄을 암시한다.
<5-2> 형광 현미경 분석
DOX-로딩된 HA-g-HMNB 나노겔 (대등한 DOX 10 mg/ml) 또는 DOX-로딩된 HA-g-DOCA 나노겔 (대등한 DOX 10 mg/ml)로 처리된 KB 종양 세포의 형광 이미지를 형광 현미경 (λex 488 nm 및 λem 510 nm에서, E-SCOPE 1500F)을 이용하여 얻었다. KB 종양 세포에 각각의 나노겔 시료를 부가하기 전에, 모든 시료들을 30 분 동안 365 nm (I0 = 1.5 mW/cm2)로 미리 조사하였다. KB 종양 세포를 나노겔과 함께 추가 조사 없이 37 ℃에서 4 시간 동안 배양하였다. 종양 세포내 DOX의 흡수를 형광 현미경을 이용하여 모니터링하였다. 현미경 관찰 동안 임의의 형광 광퇴색을 개선하기 위해, 항-퇴색 마운팅(anti-fade mounting) 용액 (5% N-프로필 갈레이트, 47.5% 글리세롤 및 47.5% 트리스-HCl, pH 8.4)을 세포에 한 방울 부가하였다.
도 13은 DOX-로딩된 HA-g-HMNB 나노겔 또는 DOX-로딩된 HA-g-DOCA 나노겔로 처리된 KB 종양 세포의 형광 이미지를 나타낸다. 도 13에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 DOX-로딩된 HA-g-HMNB 나노겔로 처리된 종양 세포는 DOX의 적색 형광을 나타내었으며, 이는 광 조사에 의해 광분해된 HA-g-HMNB 나노겔로부터 촉진된 DOX 방출이 KB 종양 세포 내의 DOX 흡수를 유발함을 알 수 있다. 그러나, 대조군인 HA-g-DOCA 나노겔을 이용한 경우에는 형광이 관찰되지 않았다.
이를 통해, 본 발명에 따른 광반응성 나노겔은 표적 세포에서 광 조사를 통한 광분해에 의해 약물을 방출시켜 암 부위에서 국부적 약물 농도를 현저히 증가시킬 수 있음을 알 수 있고, 이는 암 치료용 약물의 치료학적 활성을 높일 수 있음을 의미한다.
<5-3> 나노겔의 독성 시험
나노겔의 독성을 평가하기 위해 DOX 없이 HA-g-HMNB 나노겔로 처리된 KB 세포의 세포 생존력을 수행하였다. 상기 세포를 HA-g-HMNB 나노겔 (1-200 μg/ml)과 함께 24 시간 동안 배양하였고, 이후 CCK-8 분석을 통해 평가하였다. 결과는 HA-g-HMNB 나노겔의 독성은 무시할 수 있음을 나타내었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)이 그래프팅(grafting) 되어 있는 히알루론산을 포함하는, 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래프팅은 상기 히알루론산의 히드록실기와 상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)의 카르복실기가 결합하는 것을 특징으로 하는 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)은 히알루론산의 1개의 당 고리당 0.05 ~ 0.20개로 치환되는 것을 특징으로 하는 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 복합체의 입자 크기는 50 ~ 200 nm인 것을 특징으로 하는 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체.
  7. 제1항에 따른 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체 및 상기 나노 복합체 내에 봉입될 수 있는 항암제를 포함하는 항암제 전달체.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 항암제는 파클리탁셀, 도세탁셀, 독소루비신, 시스플레틴, 카보플래틴, 5-FU, 에토포시드, 캄토테신으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 항암제 전달체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 나노 복합체 및 항암제의 혼합비는 나노 복합체 : 항암제의 혼합비가 10:1인 것을 특징으로 하는 항암제 전달체.
  11. 히알루론산이 용해된 용액에 촉매로서 N,N'-디시클로카르보이미드 (DCC), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 존재하에 4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB)을 첨가하여, 상기 히알루론산의 히드록실기와 상기 DMAP의 카르복실기를 결합시켜 에스테르를 형성시키는 단계; 및
    상기 결합되어 합성된 고분자를 투석 및 동결 건조하는 단계를 포함하는,
    제1항의 광반응성 항암제 전달용 나노 복합체의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    4-(4-(1-히드록시에틸)-2-메톡시-5-니트로페녹시)부티르산 (HMNB), N,N'-디시클로카르보이미드 (DCC) 및 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP)의 혼합 비율은 히알루론산을 기준으로 몰비가 1:3:1인 것을 특징으로 하는 방법.
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