KR101494773B1 - L-dna 나노케이지 구조를 가지는 약물 전달체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 DNA의 거울상 형태인 L-DNA를 백본으로 하여 제작한 L-DNA 나노 케이지 구조를 갖는 약물 전달체에 관한 것이다. 본 발명의 약물 전달체는 매우 우수한 세포 내 섭취 효율 및 혈청 안정성을 구비하여 다양한 약물을 세포 내로 전달하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Description

L-DNA 나노케이지 구조를 가지는 약물 전달체{Drug Carrier Having L-DNA Nanocage Structure}

본 발명은 L-DNA 나노케이지 구조를 가지는 약물 전달체 및 이를 포함하는 암 치료용 약제학적 조성물에 관한 것이다.　　

DNA 나노 전달체는 약물 전달 기술에서 새롭게 떠오르는 분야이다. 대부분의 고분자 기반 전달체와는 달리, 이들은 무독성의 소분자로 완전하게 생분해될 수 있고, 그 크기 및 모양을 맞춤 수준으로 용이하게 조절할 수 있다.

생적합성 DNA가 자가 조립되어 사면체, 이중 피라미드, 8면체, 12면체 및 풀로렌(fullerene)-유사 구조를 포함하는 다양한 3차원(3D) 구조의 DNA 나노 케이지를 형성한다는 것이 알려져 있다. 이들 중에서 특히 DNA 사면체는 4개의 DNA 가닥으로부터 간단하게 조립되어 고수율로 제조될 수 있기 때문에, 가장 실용적인 DNA 나노케이지 중 하나로 여겨지고 있다.

DNA 나노케이지가 포유류 세포 중으로 섭취된다는 최근의 보고는 나노케이지가 생의학 적용에 있어 중요한 역할을 할 수 있게 하는 기회를 열었다. 이들은 종종 트랜스펙션 제제 없이도 포유동물의 세포 속으로 유입된다. 이러한 특성은 이들을 생의학 응용분야에 적용할 때 가치가 있다.

최근에 DNA 나노 전달체는 항암제, 앱타머, 안티센스, 면역원성 분자 및 siRNA와 같은 생물학적 활성 분자의 세포 내 전달에 활용되어 왔다. DNA 나노 전달체는 전달물질로서 핵산을 전달하는데 특히 유용한데, 이는 담체와 전달물질이 동일한 핵산이기 때문에, 컨주게이션 화학을 이용하지 않고도 결합된 형태로 디자인되고 제조될 수 있기 때문이다. 그러나, 전달물질이 탑재된 담체를 성공적으로 조립하기 위해서는 담체 및 전달물질의 서열이 주의 깊게 선별되고 디자인되어야 하는데, 이는 DNA 나노 전달체뿐만 아니라 올리고뉴클레오타이드에 기반한 전달물질 또한 활성 모티프의 구성을 위하여 A-T 및 G-C 염기쌍 패턴을 채택하고 있으며, 이것이 DNA 나노 전달체의 자가 조립을 방해할 잠재력을 갖기 때문이다. 이러한 간섭으로부터 기인하는 원하지 않는 조립의 가능성은, 1종 이상의 핵산계 전달물질이 담체에 부착되는 경우에 증가될 것이다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

논문(Goodman, R. P. et al., Rapid Chiral Assembly of Rigid DNA Building Blocks for Molecular Nanofabrication. Science 2005, 310, 1661-1665)

본 발명자들은 보다 우수한 세포 내 전달 효율 및 혈청 안정성을 가지는 신규한 생적합성 약물 전달체의 개발을 위하여 연구 노력하였다. 그 결과 천연 DNA의 거울상 형태인 L-DNA를 백본으로 하여 제작한 L-DNA 나노 케이지 구조체가, 매우 우수한 세포 내 섭취 효율 및 혈청 안정성을 구비하여 다양한 약물을 세포 내로 전달하는데 유용하게 사용될 수 있다는 것을 밝혀냄으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 L-DNA가 3차원의 케이지 모양을 형성하고 있는 L-DNA 케이지 구조를 갖는 약물 전달체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 약물 전달체 및 항암제를 포함하는 암 치료용 약제학적 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 하나의 관점은 세포 내로 약학적 활성 성분을 전달하기 위한 약물 전달체로서, 상기 전달체는 L-DNA가 3차원의 케이지 모양을 형성하고 있는 L-DNA 케이지 구조체인 것인 약물 전달체를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 세포 내로 전달하고자 하는 물질이 핵산인 경우 발생할 수 있는 전달체 서열과 전달물질 서열 간의 원하지 않는 혼성화 내지 간섭의 염려를 해결하고, 나노 전달체의 서열에 관계없이 전달 물질을 자유롭게 선택할 수 있게 하기 위해서는, 담체가 자연의 염기쌍 시스템에 직교하는 염기쌍 시스템을 갖는 것이 필요하다는 것에 착안하여, 천연 DNA의 거울상 형태인 L-DNA를 백본으로 하여 L-DNA 나노 케이지 구조체를 제작하고, 이에 대하여 실험을 수행한 결과, 놀랍게도 L-DNA 나노 케이지 구조체가 D-DNA를 사용한 경우보다 더욱 높은 세포 내 전달 효율 및 혈청 안정성을 가지어, 세포 내로 약학적 활성 물질을 전달하는데, 매우 적합하다는 것을 밝혀내었다.

본 발명의 약물 전달체에 사용되는 L-DNA란 천연 DNA의 거울상 형태로서, 혼성화에 있어 D-DNA와 동일한 열역학적 특성을 갖는 것이다.

담체의 백본을 직교시스템으로 교체한 이후에도 일관된 DNA 나노구조가 형성되게 하기 위해서는, 천연의 시스템과 동일한 열역학적 특성을 갖는 직교 염기쌍 시스템을 사용하여야 한다. 비록 변형된 몇몇의 핵산이 직교 염기쌍 특성을 갖는 것으로 알려져 있지만, 천연의 DNA와 유사한 열역학적 안정성을 나타내는 경우는 보고된 바 없었다. 하지만, 본 발명의 약물 전달체에 사용되는 L-DNA는 D-DNA와 동일한 열역학적 특성을 나타내므로, 천연 DNA와 동일하게 자가 조립되어, 좌회전 나선형의 성질을 갖는 나노 케이지 조립체를 형성할 수 있다(도 1a).

일 구현예에서, 본 발명의 약물 전달체는 D-DNA 케이지 구조체와 비교하여, 더 증가된 세포 내 섭취 효율을 나타내는 장점을 갖는다.

다른 구현예에서, 본 발명의 약물 전달체는 D-DNA 케이지 구조체와 비교하여, 더 증가된 혈청 안정성 내지 뉴클레오타이드 저항성을 나타내는 장점을 갖는다.

또 다른 구현예에서, 본 발명의 약물 전달체는 나노 전달 조립체의 백본으로서 D-DNA 대신에 L-DNA를 사용하기 때문에, 전달 물질이 특히 핵산인 경우, 담체 서열과 전달물질 서열 간의 원하지 않는 혼성화로부터 야기되는 간섭의 염려 없이 그 어떠한 천연의 핵산 기반 전달물질이라도 자유롭게 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명의 약물 전달체에서 L-DNA 케이지 구조체란 통상 선형인 L-DNA가 자가 조립하여, 내부에 닫혀진 공간을 갖는 3차원 케이지 형상의 구조를 갖는 것으로서, 예컨대 3차원 다면체와 같은 구조를 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, L-DNA 케이지 구조체는 사면체, 육면체, 팔면체, 십이면체, 이십면체, 육팔면체, 십이이십면체와 같은 다양한 다면체 구조, 이중 피라미드 또는 풀로렌(fullerene) 구조 등을 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

바람직한 구현예에서, 삼차원 L-DNA 케이지 구조체는 사면체일 수 있다.

다양한 삼차원 L-DNA 케이지 구조체 중에서, 특히 L-DNA 사면체는 4개의 L-DNA 가닥으로부터 간단하게 조립되어 고수율로 제조될 수 있기 때문에 가장 실용적이다.

그러나, L-DNA 사면체 이외의 다른 다양한 삼차원 DNA 나노케이지 구조체들도 모두 L-DNA 백본을 가짐으로 인하여 증가된 세포 섭취 및 안정성을 가지는 것으로서, 약학적 활성 성분을 세포 내로 전달하기 위한 약물 전달체로서 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 약학적 활성 성분은 본 발명의 L-DNA 케이지 구조체 내부에 포집되어 세포 내로 전달되거나 또는 L-DNA 백본에 결합되어 세포 내로 전달되는 것일 수 있다.

약학적 활성 성분은 예컨대 선형의 L-DNA 가닥들과 활성 성분을 함께 혼합한 상태에서, 선형의 L-DNA 가닥들이 3차원 케이지 구조로 조립되도록 하는 것에 의하여, 케이지 구조체 내부에 포집되게 하거나, 또는 L-DNA 백본에 결합되도록 할 수 있다.

본 발명의 약물 전달체를 사용하여 세포 내로 전달할 수 있는 약학적 활성 성분의 종류는 특정의 것으로 제한되지 아니하며, 예컨대 항암제, 조영제, 호르몬제, 항호르몬제, 비타민제, 칼슘제, 무기질 제제, 당류제, 유기산 제제, 단백질 아미노산 제제, 해독제, 효소 제제, 대사성 제제, 당뇨 병용제, 조직 부활 용약, 글로로필 제제, 색소제제, 종양 용약, 종양 치료제, 방사성 의약품, 조직 세포 진단제, 조직 세포 치료제, 항생 물질 제제, 항바이러스제, 복합항생물질제제, 화학요법제, 백신, 독소, 톡소이드, 항독소, 렙토스피라혈청, 혈액 제제, 생물학적 제제, 진통제, 면역원성 분자, 항히스타민제, 알레르기 용약, 비특이성 면역원 제제, 마취제, 각성제, 정신 신경 용제, 핵산, 앱타머, 안티센스 핵산, 올리고뉴클레오타이드, 펩타이드, siRNA 및 마이크로 RNA 등을 포함한다.

바람직한 일 구현예에서, 본 발명의 약물 전달체는 약학적 활성 성분으로서 핵산을 세포 내로 전달하기 위하여 사용될 수 있으며, 이 경우 전달물질인 핵산의 서열이 담체 서열과 혼성화될 염려가 없으므로, 그 어떠한 천연의 핵산 기반 전달물질이라도 자유롭게 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.

본 발명의 다른 관점은 L-DNA가 3차원의 케이지 모양을 형성하고 있는 L-DNA 케이지 구조체 약물 전달체 및 항암제를 포함하는 암 치료용 약제학적 조성물에 관한 것이다.

일 구현예에서 상기 항암제는 DNA 앱타머 또는 RNA 앱타머인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 항암제 조성물은 상술한 삼차원 L-DNA 나노케이지 구조체와 함께 약제학적으로 허용되는 담체를 포함하는데, 상기 약제학적으로 허용되는 담체는 제제시에 통상적으로 이용되는 것으로서, 락토스, 덱스트로스, 수크로스, 솔비톨, 만니톨, 전분, 아카시아 고무, 인산 칼슘, 알기네이트, 젤라틴, 규산 칼슘, 미세결정성 셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 셀룰로스, 물, 시럽, 메틸 셀룰로스, 메틸히드록시벤조에이트, 프로필히드록시벤조에이트, 활석, 스테아르산 마그네슘 및 미네랄 오일 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적합한 약제학적으로 허용되는 담체 및 제제는 Remington's Pharmaceutical Sciences (19th ed., 1995)에 상세히 기재되어 있다.

천연 DNA의 거울상 형태인 L-DNA를 백본으로 하여 제작한 L-DNA 나노 케이지 구조를 갖는 본 발명의 약물 전달체는 매우 우수한 세포 내 섭취 효율 및 혈청 안정성을 구비하여 다양한 약물을 세포 내로 전달하는데 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 약물 전달체는 전달 물질이 특히 핵산인 경우, 담체 서열과 전달물질 서열 간의 원하지 않는 혼성화로부터 야기되는 간섭의 염려 없이 그 어떠한 천연의 핵산 기반 전달물질이라도 자유롭게 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1. (a) D-DNA 사면체(D-Td) 및 L-DNA 사면체(L-Td)의 모식도.
(b) D-Td(좌측) 및 L-Td(우측) 조립을 확인하기 위한 천연 PAGE.
(c) D-Td(좌측) 및 L-Td(우측)의 DLS 데이터.
(d) D-Td(청색) 및 L-Td(적색)의 CD 스펙트럼 (2.5 μM).
도 2. (a) D-Td(좌측) 및 L-Td(우측)로 처리한 암세포(HeLa, 상단) 및 정상 세포(NIH-3T3, 하단)의 형광 현미경 영상.
(b) D-Td(청색) 및 L-Td(적색)의 HeLa(상단) 및 NIH-3T3 세포(하단) 내부로의 세포 섭취에 대한 유세포 분석. 흑색 선은 미처리 세포를 나타낸다.
(c) 다른 종류의 엔도사이토시스 억제제(클로르프로마진(CPZ), 아밀로라이드(AM) 및 제니스테인(GN))의 존재 하에서 배양된 세포로부터 얻은 HeLa 세포 용출물 중의 D-Td(청색) 및 L-Td(적색)의 평균 세포 형광 강도: 형광 강도는 세포 단백질 총량에 대하여 표준화하였다.
도 3. D-Td 및 L-Td의 혈청 안정성. DNA 사면체를 10% 마우스 혈청 중에서 배양하였다. 대조군 시료(Ctrl)는 혈청 없이 준비하였다.
도 4. (a) 3개의 AS1411 앱타머가 부착된 Td의 모식도.
(b) 앱타머 표지된 Tds의 조립을 분석하기 위한 천연 PAGE.
(c) 암세포 및 정상 세포 속으로의 앱타머 표지된 Tds의 세포 섭취.
(d) 세포 속으로의 Td(녹색), Ap1-Td(오렌지색), Ap2-Td(청색), Ap3-Td(마젠타색) 및 자유 AS1411 앱타머(적색)의 세포 섭취에 대한 유세포 분석. 흑색 선은 미처리 세포를 나타낸다.
도 5. DLS에 의하여 측정한 Ap3-D-Td(A) 및 Ap3-L-Td(B)의 크기.
도 6. 암세포(a) 및 정상 세포(b) 중에서 D-DNA-계 구조물(청색), L-DNA-계 구조물(적색) 및 자유 AS1411 앱타머(흑색)의 세포 독성. 원형: Td, 사각형: Ap1-Td, 삼각형: Ap2-Td, 다이아몬드: Ap3-Td, 별: 자유 AS1411.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

<실험재료 및 방법>

1. 올리고뉴클레오타이드의 합성 및 정제

올리고 합성자(Mermaid 4 DNA/RNA synthesizer, Mermaid, USA)를 사용하여 표준 기법에 따라 모든 (D/L)-DNA 올리고뉴클레오타이드를 합성하였다. 그리고 그 다음 PAGE 및 에탄올 침전법을 사용하여 이들을 정제하였다.

2. 앱타머 AS1411 로 표지되거나 또는 표지되지 않은 D- DNA 사면체(D- Td ) 및 L-DNA 사면체(L- Td )의 제조

FAM-S1, S2, S3, S4 및 FAM-S1, S2-A, S3-A, S4-A을 혼합하는 것에 의하여 앱타머로 표지되거나 또는 표지되지 않은 사면체(Td)를 조립하였다. TM 완충액(10 mM 트리스-HCl, 5 mM MgCl₂, pH=8) 중에 4개 DNA 서열(각 서열 250 nM)을 혼합하였다. RT-PCR 머신(Applied Biosystems, USA)을 사용하여, 95℃까지 열을 가해 혼합물을 변성시키고 4℃까지 냉각하여 어닐링하였다.

3. 겔 전기영동

4℃에서 40분 동안 100 V를 사용하여 TBE 완충액 중에서 비변성 폴리아크릴아미드 겔(6%)을 걸었다. 전기 영동 후에 형광 스캐너(Typhoon9400, GE healthcare, USA)를 사용하여 이미지를 시각화하였다.

4. 동적 광 산란( DLS )

AS1411가 있거나 또는 없는 D 및 L-Td의 크기를 제타사이저(Malvern, UK)로 측정하였다. 시료의 농도는 250 nM (40 ㎕)이었다.

5. HeLa 및 NIH3T3 세포 속으로 DNA 나노구조체의 트랜스펙션

열로 불활성화한 10% 우태아 혈청, 1% 페니실린 및 스트렙토마이신을 포함하는 DMEM 배지(Gibco, USA)가 있는 유리 바닥 35 mm 접시에 HeLa 세포(암세포주) 및 NIH3T3 세포(대조군으로서 정상 세포주)를 놓았다. 각각의 접시에 25000개 세포를 접종한 후에, 5% CO₂를 포함하는 37℃의 습윤한 대기 중에서 접시를 배양하였다. 각각의 세포 시료로부터 성장 배지를 제거하고, PBS(Gibco, USA)를 사용하여 2회 세척하였다. 각각의 트랜스펙션 혼합물은 AS1411가 있거나 없는 D 및 L-Td(250 nM)를 사용하여 혈청 및 항생제가 없는 신선한 배지(250 ㎕) 중에서 준비하였다. DNA 시료의 최종 농도는 10 nM였다.

6. 세포 중 Td 의 현미경 영상.

Hoechst 34580(3 ㎕/mL, invitrogen, USA)을 사용하여 핵을 염색하고, 세포를 PBS(200 ㎕)로 2회 세척하였다. 그 다음 세포 배양 배지(200 ㎕)를 첨가하였다. 형광 현미경(DeltaVision, Applied Precision, USA)을 사용하여 살아있는 세포를 영상화하였다. 플루오레신 및 Hoechst 34580에 대하여 사용한 여기/발광 필터는 각각 480-500/509-547 nm 및 340-380/432-482 nm이었다.

7. 유세포 분석.

24-웰 배양 접시에 HeLa 세포 및 NIH-3T3 세포를 10⁵ 세포/mL의 밀도로 접종하고 24 시간 동안 배양한 후에 PBS로 2회 세척하였다. 트랜스펙션 실험에서 채택한 것과 동일한 방법을 사용하여 이들을 형광 표지된 DNA 분자와 함께 배양하고, 수확한 후 PBS로 3회 세척하였다. 그 다음 각각의 시료에 트립신 보충물(TrypLE^TM, Gibco, USA) 200 ㎕를 첨가하고 시료를 37℃에서 5분간 배양하였다. 그 다음 각각의 시료에 배지 1 mL를 첨가하고, 얻어진 세포 현탁액을 원뿔 튜브(Falcon^TM 튜브, BD Biosciences, USA)로 이전한 후 1200 rpm에서 2분간 원심 분리하였다. 상등액을 제거하고 세포 펠렛을 PBS 1 mL에 재현탁시켰다. 유세포 분석기(FC500, Beckman coulter, USA)를 사용하여 세포의 형광 강도를 평가하였다. 적어도 1000개 세포의 시료를 3회 분석하였다.

8. 뉴클레아제 저항성.

시험의 안정성을 위하여, 10% 마우스 혈청(10 ㎕, Sigma Aldrich, USA)을 DNA 용액(90 ㎕, 900 nM)에 첨가하고, 혼합물을 37℃에서 배양하였다. 각각의 시점에 98% 탈이온화된 포름아미드, 10 mM EDTA, 0.5 mg/ml 브로모페놀 블루 및 자일렌 시아놀(xylenecyanole)로 구성된 정지 용액을 가하여 용액을 진압하고, 변성 12% PAGE(7M UREA) 상에서 분석을 수행하였다. 형광 스캐너(Typhoon9400, GE Healthcare, USA) 상의 FAM-S1의 시각화에 의하여 손상되지 않은 DNA 구조의 양을 평가하였다.

9. 엔도사이토시스 분석.

HeLa 세포(2×105 세포/웰)를 DMEM 배지(2 mL)와 함께 6-웰 플레이트 상에 접종하고, 5% CO₂를 포함하는 37℃의 습윤한 대기 중에서 밤새 배양하였다. 억제제 처리를 위하여, 아밀로라이드(2 mM, 대음세포작용(macropinocytosis)의 억제제), 클로로프로마진(10 μg/mL, CPZ, 클라트린-매개된 엔도사이토시스의 억제제) 또는 제니스타인(200 μM, 카베올라-매개된 엔도사이토시스 억제제)을 함유하는 신선한 배지(2 mL)로 배지를 교체하였다. 30분 후에, Td(10 nM)를 세포 배지에 첨가하고, 37℃에서 2시간 동안 배양하였다. PBS로 세척한 후, 세포를 트립신 처리및 원심 분리하고, RIPA 완충액 중에서 용해시켰다. 엔도사이토시스를 통하여 세포 중으로 전달된 Td의 정량화를 위하여, Td 상에 표지된 Cy5의 형광 강도를 형광 마이크로플레이트 리더(AppliskanTM, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하여 측정하였다. 세포 용해물 중의 Td의 양은 단백질 분석 키트(BIO-RAD, Hercules, CA, USA)에 의하여 측정한 세포의 총 세포 단백질 함량에 대하여 표준화하였다.

10. 앱타머 AS1411 로 표지되거나 표지되지 않은 D 및 L- Td 의 세포 생존도

MTT 분석법으로 앱타머 AS1411로 표지되거나 표지되지 않은 D 및 L-Td의 세포 독성을 평가하였다. 간략하게 설명하면, 8×10³ HeLa 세포(암세포주) 및 NIH-3T3 세포(대조군으로서 정상 세포주)를 배지(100 μL)와 함께 96-웰 플레이트 중에 접종하고, 컨플루언시가 ~80%에 도달할 때까지 밤새 배양하였다. 그 다음, 37℃의 CO₂ 챔버 내에서, DNA 분자를 포함하는 신선한 배지 중에서 세포를 6시간 동안 배양하였다. 아니면, AS1411 태그에 의한 다원적 효과를 위하여, AS1411 모노머를 함유하는 신선한 배지 중에 있는 세포를 동일한 조건하에서 배양하였다. 그 다음 DPBS로 2회 세척하고, 10% FBS 및 1% 항생제를 포함하는 세포 배양 배지로 교체하고, 5% CO₂를 포함하는 37℃의 습윤한 대기 중에서 48 시간 동안 배양하였다.

그 다음, 티아졸릴 블루 테트라졸리움 브로마이드(MTT, TACS, Germany) 용액(10 μL)을 각각의 웰에 첨가한 후, 37℃에서 4 시간 동안 배양하였다. 그 다음 디메틸 술폭사이드(DMSO, Sigma-Aldrich, USA) 200 μL를 사용하여 세포를 용해시켰다. 실온에서 밤새 배양한 후에 마이크로 플레이트 리더(SpectraMax PlusTM, Molecular Devices, USA)를 사용하여 580 nm에서 흡광도를 측정하였다.

<실험결과>

1. L- DNA 및 D- DNA 사면체 구조의 제조

Tds 구조를 위하여 필요한 DNA 올리고뉴클레오타이드는 DNA 합성 표준 프로토콜을 사용하여 합성하였다. DNA 표준의 염기 서열은 터버필드(Tuberfield) Td로부터 채택하였다. 아래 표 1은 실시예에서 사용된 DNA 서열을 나타내는데, L-DNA 서열은 밑줄로, 링커 부분은 이탤릭체로 표시하였다.

[표 1]

앱타머 부착이 없는 Td 조립은 문헌(Goodman, R. P.; Berry, R. M.; Turberfield, A. J. Chem . Commun. 2004, 40, 1372-1373)에 기재된 바에 따라 수행하였다. 6% 비변성 폴리아크릴아미드 겔 전기영동(PAGE)을 수행하여 자가 조립된 D 및 L-Td를 확인하였다(도 1b).

조립체 중에 참가한 DNA의 가닥 수가 증가함에 따라, D- 및 L-Td 모두가 일련의 동일한 지연 패턴을 나타내었는데, 이는 D-Td 조립체에 요구되는 환경과 동일한 환경에서 L-Td가 형성될 수 있음을 제시하는 것이다.

동적 광 산란(DLS)에 의하여 측정한 결과, D- 및 L-Td의 유체역학적 크기는 각각 7.63 (±0.37) nm 및 7.80 (±0.31) nm이었다(도 1c).

Tds의 CD 스펙트럼을 측정한 결과, D-Td는 약 254 nm에서 음성적 피크와 약 270 nm에서 양성적 피크를 나타내면서 전형적인 우회전 DNA 나선형을 나타낸 반면에, L-Td로부터는 대칭적인 거울상 스펙트럼이 관찰되었는데, 이는 기대한 바와 같이 L-Td가 좌회전 나선형의 성질을 가지면서 형성되었음을 나타내는 것이다(도 1d).

2. D- 및 L- Td 의 세포 내 섭취 및 뉴클레아제 저항성 평가

D-Td는 엔도사이토시스에 의하여 포유동물 세포 내로 들어갈 수 있음이 보고된 바 있다. Td의 이러한 세포 섭취 특성에 대하여 백본이 미치는 영향을 연구하기 위하여, Td의 세포 섭취 효율을 시험하고, 이를 D-Td의 것과 비교하였다. 형광으로 표지한 D-Td 및 L-Td를 트랜스펙션 시약이 없는 상태에서 암세포(HeLa) 또는 정상세포(NIH-3T3)와 함께 배양한 후, 형광 현미경 영상을 관찰하였다. 그 결과 D-Td로 처리한 세포에서보다 L-Td로 처리한 세포에서 더 높은 형광 강도가 관찰되었는데, 이는 L-Td가 D-Td 보다 더 효율적으로 전달될 수 있음을 제시하는 것이다(도 2a).

유세포 분석에 근거한 정량적 분석 결과는 L-Td의 세포 내 전달이 D-Td의 내부유입과 비교하여 암세포주에서는 약 2.5배 더 높고, 정상 세포 주 중에서는 3배 더 높았다(도 2b). 이러한 결과는 현미경 영상과 일치하는 것이었다.

종전에 본 발명자들은 비-클라트린-매개된 엔도사이토시스(non-clathrin-mediated endocytosis)의 기전이 D-Td의 섭취와 관련됨을 보고한 바 있다.¹ L-Td의 전달 기전을 입증하기 위하여, 3가지 엔도사이토시스 억제제를 사용하여 실험한 결과, 비-클라트린-매개된 것 뿐만 아니라 클라트린-매개된 엔도사이토시스를 포함하는 기전을 통하여서도 D-Td와 비교하여 증진된 L-Td의 섭취가 일어난다는 것이 밝혀졌다(도 2c).

또한, 10% 마우스 혈청 중에서, 뉴클레아제 저항성에 대한 거울상 백본의 효과를 시험하였다. 혈청 용액 중에 10 시간 노출된 후에 거의 보존되지 아니한 D-Td와는 대조적으로 L-Td의 경우는 동일한 조건 하에서 뉴클레아제에 의한 분해없이 보존되었는데, 이는 혈청 중에서 수 시간 동안 효소에 대한 저항성을 가짐을 보여주는 것이다(도 3).

Td 조립체와 함께 얻어진 증가된 뉴클레아제 저항성은, L-Td 중의 비천연 당 백본에 의해 추가적으로 더 개선되는 것으로 보였다. 이와 같은 L-DNA 백본이 갖는 장기간의 혈청 안정성은 그것이 인 비보 적용을 위하여 정맥 전달에서 담체로서 사용되는 경우 잠재적인 이점을 가질 것이다.

3. 앱타머가 탑재된 D 및 L- Td 의 제조

증가된 세포내 섭취 및 높은 혈청 안정성과 같은, D-Td와 비교하여 전달 담체로서 L-Td의 유용한 특성들을 관찰한 후에, 본 발명자들은 한쪽 말단에 항-증식성 앱타머 AS1411의 서열을 포함하는 DNA 가닥을 채택하여, 앱타머가 부착된 Tds를 조립하는 것을 시도하였다(도 4a 및 표 1).

D- 및 L-Td 구조를 위하여 사용된 것과 동일한 방법에 근거하여, 1 내지 3개의 앱타머를 포함하는 DNA 사면체 조합물을 구입하였다. 겔 전기영동 분석에 따를 때, D-Td 백본의 경우 앱타머가 부착된 자가 조립 구조(Ap1-D-Td, Ap2-D-Td 및 Ap3-D-Td)를 나타내는 그 어떠한 뚜렷한 밴드도 나타내지 않았는데, 이는 앱타머-표지된 DNA 가닥과 함께 D-Td 구조가 올바르게 형성되지 않았음을 제시하는 것이다(도 4b, 왼쪽).

그러나 L-DNA 가닥과 형성된 앱타머 구조체(Ap1-L-Td, Ap2-L-Td 및 Ap3-L-Td)는 L-Td 자체와 비교하여 지연된 운동성을 나타내면서 뚜렷한 밴드를 나타내었는데, 이는 심지어 앱타머가 달려있는 상태에서도 자가 조립된 Td 구조가 유지되었음을 암시하는 것이다(도 4b, 오른쪽).

이러한 결과는 Ap-D-Tds의 조립이 실패한 원인이 사면체 구조를 위하여 요구되는 서열과 앱타머 모이어티 간에 원하지 않는 염기쌍이 형성된 것에 있음을 나타내는 것이다. 이들은 또한 앱타머와 D-Td 뼈대 사이의 부분적인 염기 보충성에 근거한 상호간 작용이 L-Td의 경우에는 백본 교차 때문에 존재하지 않는다는 것을 암시한다. D-Td 및 L-Td 간에 크기가 유사한 것과는 대조적으로, DLS 측정에서 Ap3-D-Td(10.9±0.44 nm)와 Ap3-L-Td(8.93±0.21 nm)의 크기는 서로간에 현저하게 상이하였다(도 5). Ap3-D-Td에서의 크기 증가는 아마도 밀집한 자가 조립 구조를 구성하는 데 실패한 것에서 기인한 것으로 보이는데, 이는 겔 분석 데이터와 일치하는 것이다.

4. 앱타머가 탑재된 D 및 L- Td 의 세포 섭취 평가

Td 상의 앱타머 조직화가 DNA 나노 구조의 세포 섭취에 대하여 어떠한 영향을 미치는지 여부를 조사하기 위하여, 앱타머-부착된 Td로 암세포 및 정상 세포 모두를 처리한 후에 양자로부터의 현미경 영상을 관찰하였다. 잘 조직된 다가 앱타머를 포함하는 Ap3-L-Td는 Ap3-D-Td 보다 더 높은 섭취 신호를 제공하였다(도 4c). L- 및 D-계 구조체 간의 섭취 효율의 차이는 암세포주에서 더 현저하였다. 이는 L-Td 상의 앱타머와 악성 세포 표면에서 발현되는 표적 단백질인 뉴클레오린간의 다중 결합에서 기인한 것일 수 있다. 또한, 단일의 앱타머-표지된 Tds(Ap1-L-Td, 도 4d)보다 자유 앱타머가 세포 속으로 더 적게 전달되기 때문에, Td 구조체는 세포 섭취에 명백하게 기여하였다. 유세포 분석 결과는 L-Td 상의 앱타머 수에 비례하여 전달 효능이 개선되었음을 나타내었다. 이와 대조적으로, D-Td 상의 앱타머의 수는 효능에 영향을 미치지 아니하였다.

5. 앱타머가 탑재된 D 및 L- Td 의 암세포주 항 증식 효과 평가

마지막으로, 세포 생존 분석에 의하여 L-Td 상에 있는 다가 앱타머에 의한 항-증식 효과를 시험하였다. 앱타머가 탑재된 모든 Tds가 특정 레벨에서 암세포주에 대하여 용량-의존적인 독성을 나타내었음에도 불구하고, Td 상의 앱타머의 수와 DNA 나노 전달체의 백본 타입에 의존하여 그 효능이 변화하였다. Ap-L-Tds의 효능은 Ap-D-Tds의 효능보다 일반적으로 더 높았고 부착된 앱타머 수와 함께 증가하였다. L-Td 상의 3가 앱타머 500 nM로 처리한 후에, Ap3-L-Td는 약 50%의 HeLa 세포 생존을 나타내면서 높은 효능을 나타내었다(도 6a). 그러나, 약 30 μM의 EC₅₀ 값을 갖는 자유 AS1411 앱타머의 동일한 농도에서는, 95% 이상의 세포가 생존하였는데, 이는 다가 효능에 근거한 앱타머의 높은 섭취로부터 Ap3-L-Td의 더 높은 효능이 얻어졌음을 나타내는 것이다. 잘 조직화된 다가 앱타머의 정렬은 앱타머의 전달 및 그에 따른 세포 중 효능에 있어 중요할 수 있는데, 이는 Ap-D-Tds 중에 불규칙적으로 정렬된 앱타머는 Ap-L-Tds 중에 있는 것만큼 효능이 있지 않았기 때문이다. 혈청 중의 AS1411 앱타머의 알려진 안정성을 제외하고도, L-Td의 증가된 혈청 안정성 또한 Ap-L-Tds의 높은 효능에 기여하였을 가능성이 있다. Ap1-D-Td 및 Ap2-D-Td와 비교하여 적절하게 개선된 Ap3-D-Td의 효능은 그 구조체 중의 높은 앱타머 비율에서 비롯된 것일 수 있다. 정상 세포와 배양한 경우, 모든 Tds는 현저하게 감소된 세포 독성을 나타내었다(도 6b). 흥미롭게도, 비슷한 레벨로 정상세포 속으로 전달된 경우에 Ap3-D-Td는 Ap3-L-Td 보다 정상 세포에 대하여 약간 높은 세포 독성을 나타내었다. 이는 아마도 잘못 조립된 구조에 의하여 발생하는 세포에 대한 예기치 않은 표적 벗어남 효과 때문일 것이다. 자유 앱타머와 비교하여, 단일 앱타머가 부착된 Tds는 암세포에 대하여 더 높은 세포 독성을 나타내었는데, 이는 아마도 섭취 효능이 Td에 의하여 상승되었기 때문일 것이다. 그러나, Td 자체는 D-백본 또는 L-백본을 가진 것 모두 세포 생존에 영향을 미치지 아니하였는데, 이는 DNA 나노 구조체 자체는 무독성이라는 것을 입증하는 것이다. 따라서, 앱타머가 탑재된 Tds의 세포 독성은 오직 앱타머 모이어티로부터 발생한 것이다.

결론적으로, 본 발명자들은 L-당 백본에 기초한 신규한 DNA 사면체를 제조하였다. 천연의 D-당에 근거한 것과 비교할 때, L-Td는 트랜스펙션 제제를 사용하지 않고도 더 용이하게 전달될 수 있으며, 혈청 중에서 매우 높은 뉴클레아제 저항성을 나타낸다. 본 발명자들이 D-DNA 및 L-DNA간의 염기쌍 직교성을 이용하여 앱타머가 탑재된 L-Tds를 성공적으로 조립할 수 있었던 반면에, D-Td의 경우는 앱타머와 D-Td 염기 사이의 교차 결합으로 인하여 잘 정의된 앱타머 탑재 D-Tds를 형성시키는데 실패하였다. 자유 앱타머와 비교하여, L-Td 상에 정렬된 3가 앱타머는 오직 암세포에 대해서만 60배 더 높은 세포 독성 효과를 갖는 것으로 관찰되었는데, 이는 아마도 세포 표면에 앱타머의 표적 단백질을 전시하고 있는 암세포로의 섭취가 특이적으로 증가되었기 때문일 것이다. 또한, 다가 앱타머의 적절한 배열은 암세포에 대한 원하는 세포 독성을 극대화하고 정상 세포에 대한 원치 않는 세포 독성을 최소화하면서 그들의 표적화된 효능에 기여하였다. 비록 DNA 사면체가 종전 연구에서 우수한 생적합성 및 낮은 세포 독성을 가진 유용한 약물 전달체로서 입증된 바 있지만, 본 발명자들은 이번 연구에 의하여 핵산계 전달물질이 DNA 나노구조체의 자가 조립을 교란하는 잠재력을 가짐을 입증하였다. 따라서, 조립에 요구되는 열역학적 특성에 그 어떠한 영향을 미치지 아니하면서 약학적 핵산 전달에 있어 L-DNA-계 나노 전달체를 채택하는 본 발명의 전략은, 원하지 않는 염기쌍 형성의 혼란에서 기인하는 문제점을 극복하는 전도 유망한 해결책이 될 것이다.

Claims (11)

1. 세포 내로 약학적 활성 성분을 전달하기 위한 L-DNA가 3차원의 케이지 모양을 형성하고 있는 L-DNA 케이지 구조체로 이루어진 약물 전달체로, 상기 약학적 활성 성분은 항암제, 앱타머, 안티센스 핵산, 펩타이드, siRNA 및 마이크로 RNA로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 L-DNA 케이지 구조체 내부에 포집되거나 또는 L-DNA 백본에 결합되어 세포 내로 전달되는 것인 약물 전달체.
   
2. 제1항에 있어서 상기 L-DNA 케이지 구조체는 다면체 구조를 갖는 것인 전달체.
   
3. 제1항에 있어서 상기 L-DNA 케이지 구조체는 사면체, 육면체, 팔면체, 십이면체, 이십면체, 육팔면체, 십이이십면체, 이중 피라미드 또는 풀로렌(fullerene) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전달체.
   
4. 제1항에 있어서 상기 L-DNA 케이지 구조체는 사면체 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전달체.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서 상기 L-DNA 케이지 구조체는 D-DNA 케이지 구조체와 비교하여, 최소 2.5배 이상 증가된 세포 내 섭취 효율을 나타내는 것인 전달체.
   
9. 제1항에 있어서 상기 L-DNA 케이지 구조체는 D-DNA 케이지 구조체가 뉴클레아제에 의해 분해되는 시간보다, 최소 7배 이상의 시간 동안 분해되지 않는 뉴클레아제 저항성을 나타내는 것인 전달체.
   
10. 제1항에 따른 약물 전달체; 및 항암제를 포함하는 암 치료용 약제학적 조성물.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 항암제는 DNA 앱타머 또는 RNA 앱타머인 것인 조성물.

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