KR101979411B1 - pH 감응성 소수성 단량체를 포함하는 중합체 및 이를 포함하는 미셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연성 및 생체적합성이 우수한 pH 감응성 소수성 단량체를 포함함으로써 생물학/생의학 분야에서 운반체 등으로 사용될 수 있는 중합체, 및 이를 포함하는 미셀에 관한 것이다.

Description

pH 감응성 소수성 단량체를 포함하는 중합체 및 이를 포함하는 미셀{POLYMER CONTAINING pH-RESPONSIVE HYDROPHOBIC MONOMER AND MICELLE COMPRISING SAME}

본 발명은 유연성 및 생체적합성이 우수한 pH 감응성 소수성 단량체를 포함함으로써 생물학/생의학 분야에서 운반체 등으로 사용될 수 있는 중합체, 및 이를 포함하는 미셀에 관한 것이다.

양친성 분자는 자기조립 특성으로 인해, 계면활성제, 주형 및 촉매에서부터 약물 전달에 이르기까지 광범위한 분야에 적용될 수 있다. 특히, 양친성 블록 공중합체와 같은 양친매성 중합체로부터 유도된 나노 구조물은 블록 공중합체를 구성하는 단량체 각각의 높은 물리적 및 화학적 조정가능성으로 인해, 안정성 및 작용성의 조정이 가능하다는 면에서 주목받고 있다. 수용액 중에서 자기조립된 중합체 미셀은 이상적인 약물 전달 담체로서 연구되고 있으며, 이들 중 일부는 플루로닉스(pluronics), 파클리칼(paclical) 및 제넥솔-피엠(genexol-PM)과 같이 임상적 환경까지 발전되었다.

중합체 미셀의 자기조립성은 친수성 블록의 안정화 역할 외에도, 소수성 블록의 선택에 의해 좌우된다. 또한, 상기 소수성 블록의 특성은 생성된 미셀의 안정성, 분해성, 및 담지 효율을 결정하는 중요 요소이다. 예컨대, 중합체 미셀은 혈류에 전신 주사시 종종 높은 희석도에서 동적 용해되고 pH와 염 농도의 변화에 노출된다. 따라서, 소수성 블록의 결정성, 입체규칙성, 분자량, 및 치환을 이용하여 미셀의 안정성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 약물 전달 담체인 중합체 미셀의 정교한 전달력도 중요한 특성이다. pH, 광, 산화환원 반응 및 온도와 같은 외부 자극에 대해 감응성인 미셀의 개발과 함께, 소수성 블록에 새로운 구조를 도입함으로써 내부 담지물의 방출 프로파일에 대한 제어가 연구되고 있다. 이와 같이 상기 소수성 블록은 중합체 미셀의 중요 파라미터를 조절하는 역할을 한다. 이로 인해, 새로운 소수성 단량체를 개발하여 약물 전달 시스템에서 미셀의 특성을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있다.

대한민국 공개특허 제2017-0060998호

따라서, 본 발명의 목적은 유연성 및 생체 적합성이 우수한 단량체를 포함하여, 안정성, 담지 수용능, 약물 방출능 및 분해성이 우수한 중합체 및 이를 포함하는 미셀을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는, 중합체를 제공한다:

또한, 본 발명은 상기 중합체가 블록 공중합체이고, 상기 블록 공중합체를 포함하는 미셀을 제공한다.

나아가, 본 발명은 하기 화학식 4로 표시되는 제1 단량체와 하이드록시기를 갖는 제2 단량체를 중합하는 단계를 포함하는, 상기 중합체의 제조방법을 제공한다:

본 발명에 따른 중합체는 유연성 및 생체 적합성이 우수한 단량체를 포함하여, 안정성, 담지 수용능, 약물 방출능 및 분해성이 우수하다. 따라서, 본 발명의 중합체 및 이를 포함하는 미셀은 생물학/생의학 분야에서 운반체 등으로 사용하기 적합하다.

도 1은 PGE(피라닐 글리시딜 에테르, pyranyl glycidyl ether) 단량체의 ¹³C NMR 스펙트럼 (100 MHz, CDCl₃)이다.
도 2는 CDCl₃에서 측정한 PGE의 ¹H-¹H 상관관계 분석법(COSY) NMR 스펙트럼이다.
도 3은 CDCl₃에서 측정한 PGE의 HSQC NMR 스펙트럼이다.
도 4는 (a) PGE 단량체, (b) PPGE(PGE의 동종중합체)(표 1의 3번 항목), (c) 탈보호 후 PPGE 동종중합체, 및 (d) PEG-b-PPGE(PEG와 PGE의 블록 공중합체)(표 1의 5번 항목)의 ¹H NMR 스펙트럼이다. D₂O에 기록된 (c)를 제외한 모든 스펙트럼은 CDCI₃에서 수집되었다.
도 5는 RI 시그날과 PS을 이용하여 (a) 동종중합체 PPGE_n, (b) 블록 공중합체 PEG₁₁₄-b-PPGE_n, 및 (c) PEG₁₁₄-b-PEEGE_n를 기준으로 GPC 용리 추적한 결과이다.
도 6은 3000 Da 내지 4500 Da의 PPGE₃₈ 동종중합체(표 1의 3번 항목)의 확장된 MALDI-ToF 질량 스펙트럼이다. 신호 간격은 동종중합체 중의 PGE 단량체(158.09 g/mol)의 질량에 해당한다.
도 7은 CDCl₃에서 측정한 EEGE(에톡시에틸 글리시딜 에테르, ethoxyethyl glycidyl ether)의 400 MHz ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 8은 CDCl₃에서 측정한 PEG-b-PEEGE(PEG와 EEGE의 블록 공중합체)의 400 MHz ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 9는 (a) 동종중합체 PPGE _n (n = 14, 20, 38, 및 118), (b) 블록 공중합체 PEG₁₁₄-b-PPGE _n (n =18, 37, 및 72), 및 (c) 블록 공중합체 PEG₁₁₄-b-PEEGE _n (n = 9, 22, 및 60)의 시차 주사 열량측정법(DSC) 서모그램(thermogram)이다. PEG 블록의 녹는점은 50 내지 54 ℃였다.
도 10은 피렌의 형광 여기 스펙트럼(λ_em = 372 nm)을 사용하여 중합체 농도의 함수로서 I ₃/I ₁의 측정을 통한 양친성 블록 공중합체 미셀의 CMC 측정 결과이다. 구체적으로, (a) P1(n = 18), P2(n = 37) 및 P3(n = 72), 및 (b) E1(n = 9), E2(n = 22) 및 E3(n = 60)이고, n은 PEG₁₁₄-b-PPGE _n 및 PEG₁₁₄-b-PEEGE _n 에 있는 각각의 반복 단위의 수를 나타낸다(표 1의 주석 참조). 점선은 변곡점을 나타내기 위해 추가하였다.
도 11은 0 내지 500 mg/L 농도의 (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) E1, (e) E2, 및 (f) E3 미셀의 수용액에서 피렌의 여기 스펙트럼이다(배출 파장: 372 nm).
도 12는 (a) E2 및 (b) E3 미셀의 초저온-TEM 이미지이다.
도 13은 (a) P1, (b) P2 및 (c) P3 미셀의 대표적인 초저온-TEM 이미지이고, (d) 미셀 내의 각 블록의 크기를 갖는 P2 미셀의 개략도이다.
도 14는 동적 광 산란법(DLS)으로 측정된 (a) P1 미셀 및 (b) P2 미셀의 입경 분포도이다.
도 15는 동적 광 산란법(DLS)으로 측정된 (a) P1 미셀 및 (b) P2 미셀의 입경 분포도이다.
도 16은 평균 입경 77.2, 58.7 및 79.0 nm의 (a) P1, (b) P2, 및 (c) E2 미셀의 원자간력 현미경(AFM) 이미지와 높이이다.
도 17은 모든 미셀에서 나일 레드(Nile Red)의 캡슐화 효율 측정 결과로, 나일 레드를 포함하는 미셀의 다양한 캡슐화 효율을 보여준다.
도 18은 생물학적 조건 하에 다양한 미셀의 FRET에 기반한 캡슐화 안정성 분석 결과로 PBS(좌측) 및 100% 혈청(우측) 중의 (a) P1, (b) P2, (c) P3, 및 (d) E3 미셀의 흡광도이다. 이때, DiO(FRET 공여체)는 510 nm에서, DiI(FRET 수용체) 570 nm에서 방출 피크를 확인할 수 있다.
도 19는 10 및 50 % 세럼에서 (a) P1, (b) P2, (c) P3 및 (d) E3의 FRET 기반 캡슐화 안정성 분석결과이다. 이때, DiO (FRET 공여체)의 여기 피크는 505 nm에서, DiI (FRET 수용체)의 여기 피크는 570 nm에서 관찰된다.
도 20은 다양한 미셀에 대한 시험관 내 FRET 연구결과로, 10% 우태아혈청(FBS) 및 (a) P1, (b) P2, (c) P3, 및 (d) E3 미셀로 처리한 HeLa 세포의 FRET 결과이다. 이때, DiO에 대한 여기 및 방출 파장은 각각 488 nm 및 535 nm였고, DiI은 각각 543 nm 및 620 nm로 설정되었다.
도 21은 10 % 우태아혈청(FBS) 및 (a) P1, (b) P2, (c) P3 및 (d) E3로 처리한 HeLa 암세포를 12 시간 배양 후 시험관 내(In vitro) FRET 손실 연구 결과이다. 이때, DiO에 대한 여기 및 방출 파장은 각각 488 nm 및 535 nm였다. Dil에 대한 여기 및 방출 파장은 각각 543 nm 및 620 nm였다.
도 22는 (a) PEG-b-PPGE 미셀을 산으로 처리하여 피렌을 방출시켜 PEG-b-선형 PG 중합체를 형성하는 개략도이다. 또한, (b) P1, (c) P2, (d) P3, (e) E2, (f) E2, 및 (g) E3에 대한 산성 조건 하에서의 시간에 대한 I₃/I₁ 플롯이다. 모든 중합체는 5.0 mg/mL의 농도를 갖는 (f)에서의 샘플을 제외하고 1.0 mg/mL의 농도를 갖는다. 각 그래프의 회색 선은 수중 자유 피렌의 I₃/I₁ 값을 나타낸다.
도 23은 여기 스펙트럼에서 산 처리 후 (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) E2, (e) E2 및 (f) E3 미셀에 의해 캡슐화된 피렌의 변화 측정 결과이다. 모든 샘플은 1.0 mg/mL의 중합체 농도를 포함하고, (e)는 5.0 mg/mL의 중합체 농도를 포함했다.
도 24는 HeLa 세포를 이용한 MTT 분석에 의해 측정된 블록 공중합체 미셀의 시험관 내 생존능 분석결과이다.
도 25는 (a) 5 mg/mL의 중합체 농도에서 P1, P2, P3, E2 및 E3 미셀의 파클리탁셀(PTX) 캡슐화 효율이고, (b) PTX 담지된 미셀의 시험관 내(In vitro) 세포 생존능 측정결과이다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는, 중합체를 제공한다:

[화학식 1]

.

동종중합체( homopolymer )

상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위로 이루어진 동종중합체(homopolymer)일 수 있다. 구체적으로, 상기 동종중합체는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.

상기 화학식 2에서, n은 5 내지 200의 정수이다. 구체적으로, 상기 화학식 2에서 n은 12 내지 150, 12 내지 130, 또는 13 내지 120의 정수일 수 있다.

상기 동종중합체는 수평균분자량이 1,500 내지 20,000 g/mol일 수 있다. 구체적으로, 상기 동종중합체는 수평균분자량이 2,000 내지 20,000 g/mol, 2,000 내지 19,000 g/mol, 또는 2,200 내지 19,000 g/mol일 수 있다.

상기 동종중합체는 수평균분자량에 대한 중량평균분자량(Mw/Mn)이 1 내지 3일 수 있다. 구체적으로, 상기 동종중합체는 수평균분자량에 대한 중량평균분자량(Mw/Mn)이 1 내지 2, 또는 1 내지 1.5일 수 있다.

상기 동종중합체는 유리전이온도가 -60 내지 0 ℃일 수 있다. 구체적으로, 상기 동종중합체는 유리전이온도가 -50 내지 0 ℃, -45 내지 -2 ℃, 또는 -40 내지 -10 ℃일 수 있다.

블록 공중합체(block copolymer)

상기 중합체는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 알킬렌 글리콜 반복단위를 포함하는 블록 공중합체일 수 있다. 상기 알킬렌은 에틸렌일 수 있다.

상기 블록 공중합체는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다:

상기 화학식 3에서, n은 5 내지 200의 정수이고, m은 50 내지 500의 정수이다. 구체적으로, 상기 화학식 3에서, n은 10 내지 150, 또는 10 내지 100의 정수이고, m은 50 내지 400, 또는 80 내지 300의 정수일 수 있다.

상기 화학식 3에서 m이 100일 때, n은 5 내지 200의 정수일 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 3에서 m이 100일 때, n은 10 내지 200, 13 내지 150, 또는 14 내지 140의 정수일 수 있다.

상기 블록 공중합체는 임계 미셀(micelle) 농도가 0.1 내지 100 mg/ℓ일 수 있다. 구체적으로, 상기 블록 공중합체는 임계 미셀(micelle) 농도가 0.1 내지 70 mg/ℓ, 0.2 내지 50 mg/ℓ, 또는 0.3 내지 40 mg/ℓ일 수 있다.

상기 블록 공중합체는 수평균분자량이 5,000 내지 30,000 g/mol일 수 있다. 구체적으로, 상기 블록 공중합체는 수평균분자량이 5,000 내지 28,000 g/mol, 6,000 내지 25,000 g/mol, 또는 7,000 내지 20,000 g/mol일 수 있다.

상기 블록 공중합체는 수평균분자량에 대한 중량평균분자량(Mw/Mn)이 1 내지 3일 수 있다. 구체적으로, 상기 블록 공중합체는 수평균분자량에 대한 중량평균분자량(Mw/Mn)이 1.0 내지 2.8, 1.0 내지 2.5, 또는 1.0 내지 2.0일 수 있다.

상기 블록 공중합체는 유리전이온도가 -60 내지 0 ℃일 수 있다. 구체적으로, 상기 블록 공중합체는 유리전이온도가 -50 내지 0 ℃, -45 내지 -5 ℃, 또는 -40 내지 -10 ℃일 수 있다.

미셀(micelle)

또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 블록 공중합체를 포함하는 미셀을 제공한다.

상기 미셀은 평균 직경이 5 내지 1,000 nm일 수 있다. 구체적으로, 상기 미셀은 평균 직경이 10 내지 800 nm, 또는 20 내지 500 nm일 수 있다.

상기 미셀은 코어-쉘 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 미셀은 소수성 코어와 친수성 쉘을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 미셀은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위의 소수성 코어 및 알킬렌 글리콜 반복단위의 친수성 쉘을 포함할 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 알킬렌 글리콜 반복단위는 상기 블록 공중합체에서 정의한 바와 같다.

상술한 바와 같이, 소수성 코어 및 친수성 쉘을 포함하는 미셀은 자기조립능, 안정성, 약물 담지능, 약물 방출 효율 및 생체적합성이 우수하여 다양한 생물학적/생의학적 분야에 약물 전달체로서 활용될 수 있다.

또한, 상기 미셀은 직경 5 내지 500 nm의 코어 및 직경 5 내지 500 nm의 쉘을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 미셀은 직경 5 내지 300 nm의 코어 및 직경 8 내지 300 nm의 쉘을 포함할 수 있다.

상기 미셀은 공중합체에 의해 캡슐화된 약물을 더 포함할 수 있다. 상기 약물은 소수성 또는 친수성일 수 있다. 구체적으로, 상기 약물은 소수성일 수 있다.

나아가, 본 발명은 상기 미셀을 포함하는 약물 전달체 조성물을 제공한다.

중합체의 제조방법

더불어, 본 발명은 하기 화학식 4로 표시되는 제1 단량체와 하이드록시기를 갖는 제2 단량체를 중합하는 단계를 포함하는, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 제조방법을 제공한다:

[화학식 4]

.

상기 화학식 4로 표시되는 단량체(pyranyl glycidyl ether(PGE), 2-(2-옥시라닐메톡시)테트라하이드로-2H-피란(2-(2-oxiranylmethoxy)tetrahydro-2H-pyran), CAS 64244-53-7)는 pH 감응성이고 소수성이며 유연성을 갖는다. 따라서, 상기 단량체로부터 중합된 중합체는 생체 안정성, 약물 담지능, 약물 방출능 및 분해도가 우수하다.

상기 중합은 상기 화학식 4로 표시되는 제1 단량체 말단의 에폭시기가 제2 단량체 말단의 하이드록시기와 반응하여 개환 중합반응이 일어나고, 에폭시기의 개환으로 인해 새로 생성된 하이드록시기가 다른 중합개시 자리로서 기능하여 또 다른 제1 단량체 말단의 에폭시기와의 개환 중합반응이 일어날 수 있다.

상기 제2 단량체는 말단에 하이드록시기를 포함하는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 제2 단량체는 하기 화학식 5로 표시되는 화합물, 또는 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물일 수 있다:

상기 제2 단량체가 상기 화학식 5로 표시되는 화합물인 경우, 제조되는 중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다:

[화학식 2]

상기 화학식 2에서, n은 10 내지 200의 정수이다.

또한, 상기 제2 단량체가 상기 화학식 6으로 표시되는 화합물인 경우, 제조되는 중합체는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물일 수 있다:

[화학식 3]

상기 화학식 3에서,

n은 5 내지 200의 정수이고,

m은 50 내지 500의 정수이다.

또한, 상기 중합은 20 내지 40 ℃, 또는 20 내지 25 ℃ 및 강염기 촉매 하에서 수행될 수 있다.

상기 강염기 촉매는 금속을 포함하지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 강염기 촉매는 t-Bu-P₄, t-Bu-P₁, t-Bu-P₂ 및 트리이소부틸 포스페이트(triisobutyl phosphate, TiBP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 강염기 촉매는 t-Bu-P₄일 수 있다.

상기 중합은 용매 하에서 수행될 수 있다. 상기 용매는 단량체를 이용한 중합에 사용되는 것이라면 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 상기 용매는 톨루엔, 테트라히드로퓨란 및 디글라임으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

이하의 실시예 및 시험예에서 사용된 약어들은 아래와 같은 의미를 갖는다:

- PGE: 피라닐 글리시딜 에테르(pyranyl glycidyl ether)

- PPGE: PGE의 동종중합체

- EEGE: 에톡시에틸 글리시딜 에테르(ethoxyethyl glycidyl ether)

- PG: 폴리글리세롤(polyglycerol)

- PEG: 폴리(에틸렌 글리콜)(poly(ethylene glycol))

- PEG-b-PPGE: PEG와 PGE의 블록 공중합체

- PEG-b-PEEGE: PEG와 EEGE의 블록 공중합체

이하의 실시예 및 시험예에서 사용된 재료의 입수처는 아래와 같다:

- 중수소화된 NMR 용매(CDCl₃ 및 D₂O)는 Cambridge Isotope Laboratory사에서 구매하였으며, 이외에 모든 시약 및 용매는 Sigma-Aldrich 또는 Acros로부터 구입하였다.

참고예 . 특성 분석

¹ H-NMR 및 ¹³ C-NMR 측정 방법

400-MR DD2 분광기를 사용하여 ¹H-NMR (400 MHz) 및 ¹³C-NMR (100 MHz)을 측정하였다. 모든 스펙트럼을 중수소화된 용매인 CDCl₃ 및 D₂O 중에서 내부 표준으로서 테트라메틸실란(tetramethylsilane, TMS)을 사용하여 ppm 단위로 기록하였다.

수평균분자량 (Mn) 및 중량평균분자량(Mw)

수평균분자량(M_n), 중량평균분자량(M_w), 및 분자량 분포(M_w/M_n)는 겔 투과 크로마토그래피(GPC, Agilent 1200 시리즈)를 사용하여 측정하였다. 또한, 굴절률(RI) 검출기를 사용하여 1.0 mL/분의 유속으로 실온에서 용리액(테트라하이드로 퓨란, tetrahydrofuran, THF) 중 GPC를 측정하였으며, 폴리스티렌을 기준으로 교정을 수행하였다.

매질 보조 레이저 탈착 여기 비행시간 질량분석(matrix-assisted laser desorption and ionization time-of-flight mass spectrometry, MALDI - ToF 질량분석)

매질로서 α-시아노-4-히드록시신남산을 사용하였으며, Ultraflex Ⅲ MALDI 질량 분광기를 사용하여 매질 보조 레이저 탈착 여기 비행시간 질량분석을 수행하였다.

제조예 1. PGE 단량체의 합성

다이클로로메탄(350 mL), 글리시돌(glycidol, 10.1 g, 68.0 mmol) 및 3,4-다이하이드로-2H-피란(16.8 g, 200 mmol)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 실온에서 30분 동안 교반하였다. 상기 용액에, p-톨루엔설폰산(p-TsOH, 0.26 g, 1.38 mmol)을 천천히 첨가하고 밤새 격렬히 교반하였다. 이후 100 mL의 포화 NaHCO₃ 용액을 첨가한 후 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 이후 수층을 다이클로로메탄(DCM)으로 추출하고, 유기층인 다이클로로메탄을 물로 추출하였다. 추출한 유기층은 Na₂SO₄ 상에서 건조하고 감압 농축하였다. 잔여물을 용리액(에틸 아세테이트/헥산 = 1:8 (v/v))으로 플래시 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 무색 액체인 6.45 g(60 %)의 PGE 단량체를 수득하였다.

이후 ¹H-NMR (400 MHz) 및 ¹³C-NMR (100 MHz) 스펙트럼, 상관관계 분석법(correlation spectroscopy, COSY)-NMR, 이핵 단일-양자 상관법(heteronuclear single-quantum correlation, HSQC)-NMR 및 ESI-MS을 이용하여 PGE 단량체의 화학 구조를 분석하였다. ¹H-NMR 및 ¹³C-NMR은 상기와 같은 방법으로 측정하였으며, 측정 결과를 도 1 내지 4에 나타냈다.

NMR 결과

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): σ ppm 4.73 - 4.59 (m, 1H, d), 3.95 (dd, J = 11.7, 3.1 Hz, 0.5H, c), 3.87 (ddd, J = 15.3, 7.8, 3.8 Hz, 1H, e), 3.76 - 3.66 (m, 1H, c), 3.51 (dt, J = 5.1, 4.4 Hz, 1H, e), 3.40 (dd, J = 11.7, 6.4 Hz, 0.5H, c), 3.19 (tt, J = 7.7, 3.9 Hz, 1H, b), 2.83 - 2.78 (m, 1H, a), 2.68 (dd, J = 5.2, 2.7 Hz, 1H, a), 2.60 (dd, J = 5.0, 2.7 Hz, 0.5H, a), 1.84 (dd, J = 17.4, 8.6 Hz, 1H, f₃), 1.78 - 1.67 (m, 1H, f₁), 1.67 - 1.48 (m, 4H, f₁-f₃).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): σ ppm 98.8, 67.9, 62.1, 50.7, 44.5, 30.50, 25.4, 19.3.

MS (m/z + Na⁺, ESI⁺) C₈H₁₄O₃에 대한 계산, 181.1; 피크 확인, 180.6.

실시예 1. PPGE 동종중합체의 합성

t-Bu-P₄(0.8 M, 0.20 mmol, 강염기)가 용해된 0.25 mL의 n-헥산 용액을 벤질 알콜(개시제; 20.7 ㎕, 0.20 mmol)이 용해된 6.94 mL의 톨루엔 용액에 아르곤 분위기에서 첨가하였다. 이어서, PGE(1.27 g, 8.00 mmol)를 시린지 펌프를 사용하여 적하 방식으로 상기 용액에 첨가하여 6시간에 걸친 중합 반응을 수행하였다. 실온에서 24시간 동안 교반한 후, 과량의 벤조산을 첨가하여 상기 중합 반응을 중지시켰다. 헥산에 침전시킨 후, 혼합물을 테트라하이드로퓨란(THF)을 사용하여 알루미나 패드를 통과시켰다. 이후 중합체 용액을 건조시켜 폴리(피라닐 글리시딜 에테르)인 PPGE(851 mg, 수율: 69.8 %)를 수득하였다.

PPGE의 M_n은 하기 수학식 1 및 2를 이용하여, 도 4의 NMR 데이터로부터 계산하였다. 도 4의 b에서 보는 바와 같이, PPGE의 ¹H NMR 스펙트럼은 방향족 양성자(7.30 내지 7.38 ppm), 메틸렌 양성자(4.50 내지 4.54 ppm), 폴리에테르 골격(3.24 내지 4.05 ppm) 및 피라닐 양성자(4.55 내지 4.62 ppm, 및 1.44 내지 1.91 ppm)에 상응하는 특징적인 피크를 뚜렷하게 나타냈다. 또한, ¹H NMR에서 피라닐 양성자(4.55 내지 4.62 ppm)에 대한 개시제(벤질 알콜)의 메틸렌기에 대한 피크 적분의 비를 측정하여 수평균분자량(M_n,NMR)을 계산하였다.

[수학식 1]

반복단위 수(PGE) = 18.9(NMR 적분값) X 2(벤질 알콜의 메틸렌의 양성자 수) = 38

[수학식 2]

M_n = 158.20 g/mol(PGE 단량체의 분자량) X 38(PGE의 반복단위 수) + 108.14 g/mol(벤질 알콜의 분자량) = 6119.74 g/mol.

계산된 NMR 적분의 오차를 고려하여, 이후 PPGE의 M_n은 6,100 g/mol을 사용하였다.

개시제의 존재 및 PPGE 동종중합체로의 PGE 혼입을 확인하기 위해, MALDI-ToF 질량분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타냈다.

도 6에서 보는 바와 같이, 분자량 3450.7 g/mol은 반대이온으로 Na⁺을 갖고 21개의 반복 단위를 갖는 PPGE로 판단된다(벤질 알콜(108.06 g/mol) + PGE(158.09 g/mol) X 21 + Na⁺(22.99 g/mol)). 이로 인해, 신호 간격은 PGE 단량체(158.09 g/mol)의 분자량과 일치하며, 중합반응을 확인할 수 있었다.

제조예 2. PPGE 탈보호 처리에 의한 선형 PG 제조

PPGE(0.50 g, M_n = 6,100 g/mol)가 용해된 HCl/MeOH(1.25 M, 0.13 mL) 용액을 실온에서 2시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 포타슘 카보네이트로 중화하고 여과하고 과량의 차가운 다이에틸 중에 침전시켰다. 이후 생성된 중합체를 진공 하에서 24 시간 동안 건조시켜 선형 폴리글리세롤(선형 PG; 210 mg, 수율: 82.3%)을 수득하였다. 생성된 중합체의 M_n은 NMR 데이터를 사용하여 3,100 g/mol로 계산하였다.

도 4의 c에서 보는 바와 같이, 피라닐 잔기의 제거(탈보호 처리)는 1.44 내지 1.91 ppm에서 피라닐기에 상응하는 피크가 사라진 ¹H NMR 스펙트럼을 통해 확인되었다.

실시예 2. PEG-b- PPGE(양친성 블록 공중합체, P 시리즈)의 합성

거대개시제로 폴리(에틸렌 글리세롤) 메틸 에테르(mPEG)를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 블록 공중합체를 합성하였다.

구체적으로, 아르곤 존재 하에서 mPEG(0.50 mg, 0.10 mmol)를 플라스크에 넣고, 톨루엔(3.47 mL)을 상기 플라스크에 첨가하고 60 ℃로 가열하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 0.13 mL의 t-Bu-P₄가 용해된 n-헥산(0.8 M, 0.10 mmol)을 상기 용액에 첨가하였다. 이어서, 제조예 1의 PGE를 상기 용액에 주사기 펌프를 사용하여 6시간 동안 적하 방식으로 첨가하였다. 실온에서 24시간 동안 교반한 후, 벤조산을 첨가하여 중합 반응을 중지시켰다. 이후 혼합물을 헥산에 침전시키고 THF와 함께 알루미나 패드를 통과시켰다. 이후 중합체 용액을 건조 증발시켜 폴리(에틸렌 글리콜)-b-폴리(피라닐 글리시딜 에테르)인 PEG-b-PPGE(647 mg, 수율: 74.4 %)를 수득하였다.

PEG-b-PPGE의 M_n은 하기 수학식 3 및 4를 이용하여, NMR 데이터(도 4 참조)로부터 계산하였다.

[수학식 3]

반복 단위 수(PGE) = 5.89(NMR 적분값) X 3(mPEG의 메틸의 양성자 수) = 18

[수학식 4]

M_n = 158.20(PGE 단량체의 분자량) X 18 + 5,900(mPEG 거대개시제의 분자량) = 8747.6 g/mol.

NMR 적분의 오차 범위를 고려하여, 이후 PEG-b-PPGE의 M_n 값은 8,700 g/mol을 사용하였다.

도 4의 c에서 보는 바와 같이, 양친성 블록 공중합체인 PEG-b-PPGE의 ¹H NMR 스펙트럼은 mPEG의 메틸 양성자(3.88 ppm), 폴리에테르 골격(3.41 내지 3.97 ppm), 및 피라닐 양성자(4.55 내지 4.62 ppm 및 1.44 내지 1.91 ppm)를 포함하여, 각 블록의 피크 특징을 명확하게 나타냈다(도 2의 d).

또한, 상이한 분자량(8,700 내지 18,000 g/mol)의 블록 공중합체를 mPEG의 메틸 양성자와 피라닐 양성자 사이의 피크 적분비에 기초하여 제조하였다.

제조예 3. PEG-b- PEEGE(양친성 블록 공중합체, E 시리즈)의 합성

실시예 2와 동일한 방법으로 PEG-b-PEEGE를 합성하였다.

구체적으로, 아르곤 존재 하에서 mPEG(0.50 mg, 0.10 mmol)를 플라스크에 넣고, 톨루엔(3.47 mL)을 상기 플라스크에 첨가하고 60 ℃로 가열하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 0.13 mL의 t-Bu-P₄가 용해된 n-헥산(0.8 M, 0.10 mmol)을 상기 용액에 첨가하였다. 이어서, EEGE(도 7의 NMR 참조)를 주사기 펌프를 사용하여 6시간 동안 적하 방식으로 상기 용액에 첨가하여 중합 반응을 수행하였다. 실온에서 24시간 동안 교반한 후, 벤조산을 첨가하여 상기 중합 반응을 중지시켰다. 혼합물을 헥산 중에 침전시키고 THF와 함께 알루미나 패드에 통과시켰다. 중합체 용액을 건조 증발시켜 폴리(에틸렌 글리콜)-b-폴리(에톡시에틸 글리시딜 에테르)인 PEG-b-PEEGE(672 mg, 수율: 73.8%)를 수득하였다.

PEG-b-PEEGE의 M_n은 하기 수학식 5 및 6을 이용하여, NMR 데이터(도 8 참조)로부터 계산하였다.

[수학식 5]

반복 단위 수(EEGE) = 7.26(NMR 적분값) X 3(mPEG의 메틸의 양성자 수) = 22

[수학식 6]

M_n = 146.19 g/mol(EEGE 단량체의 분자량) X 22 + 5,900 g/mol(mPEG 거대개시제의 분자량) = 9116.2 g/mol.

NMR 적분의 오차 범위를 고려하여, 이후 PEG-b-PEEGE의 M_n 값은 9,100 g/mol을 사용하였다.

a: ¹H NMR 분광분석법을 통해 측정함. b: GPC 측정을 사용하여 측정함(THF, RI 신호, PS 표준. c: T_g를 10 ℃/분의 속도에서 시차 주사 열량측정법에 의해 측정함. d: 탐침으로서 피렌을 사용하여 형광 분광분석법으로부터 임계 미셀 농도(CMC)를 계산하였음. e: 측정되지 않음.

표 1에서 보는 바와 같이, PPGE 동종중합체는 단일방식 분산 및 좁은 다분산도 지수(Mw/Mn = 1.03 내지 1.19)를 나타냈다.

또한, 양친성 블록 공중합체인 PEG-b-PPGE는 1.05 내지 1.23의 좁은 다분산도 지수를 갖는 단일방식 분산을 나타냈다. 나아가, PEG-b-PPGE의 GPC는 mPEG 거대개시제보다 높은 분자량 영역으로 이동된 것이 명확하게 관찰되어 공중합 반응이 일어났음을 확인할 수 있었다(도 5의 b 참조).

실시예 3. 미셀의 제조

실시예 2의 양친성 블록 공중합체인 PEG-b-PPGE 5.0 mg을 200 ㎕의 DMF에 용해시킨 후, 5 mL의 물을 주사기 펌프를 통해 1시간에 걸쳐 적하 방식으로 첨가하여 미셀을 형성하였다. 밤새 교반한 후, 중합체 용액을 탈이온화된 물로 2일 동안 투석하여 잔여 DMF를 제거하였다. 이어서, 생성된 용액을 0.45 ㎛ 주사기 필터에 통과시켜 여과하였다.

제조예 4. 미셀의 제조

제조예 3의 중합체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 미셀을 제조하였다.

실험예 1. 특성 분석

상기 실시예 1 내지 3, 제조예 4의 중합체 또는 미셀을 대상으로 하기와 같은 방법으로 특성을 분석하였다.

(1-1) 시차 주사 열랑계 (differential scanning calorimetry, DSC )

-80 내지 65 ℃의 온도 범위에서 10 ℃/분의 가열 속도로 시차 주사 열량계(Q200 모델, TA Instruments)를 사용하여 질소 분위기에서 시차 주사 열량을 측정하였으며, 결과를 도 9에 나타냈다.

도 9에서 보는 바와 같이, PEG 블록의 T_g는 이의 높은 결정질 특성 때문에 검출되지 않았고, T_m은 약 50 내지 54°C에서 관찰되었다. 또한, PEG-b-PPGE(P 시리즈)의 유리 전이 온도(T_g)(-17 내지 -26 ℃)는 비환형 구조인 PEEGE 블록을 갖는 PEG-b-PEEGE(E 시리즈)의 유리 전이 온도(약 -59 ℃)보다 높았다. 이는 입체적으로 큰 환형 잔기의 보다 낮은 공간배좌 자유도(conformational freedom)에 의한 것으로 판단된다. 또한, 상기 유리 전이 온도 차는 측쇄 간의 의자-의자 적재(chair-to-chair stacking)가 폴리에테르 골격과 측쇄 둘 모두의 비틀림 운동에 대한 에너지 장벽을 높인 결과로 판단된다.

(1-2) 임계 미셀 농도( CMC )(자기조립특성)

임계 미셀 농도(critical micelle concentration, CMC)는 미셀의 자기-조립 및 안정성을 보여주는 중요한 지표로서, 소수성 약물인 피렌의 여기 스펙트럼을 이용하여 측정하였다.

구체적으로, 10 ㎕의 피렌(농도: 5.2 mg/L, 용매: DMF) 용액을 PEG-b-PPGE를 용해시킨 아세톤 용액에 첨가하고 혼합물을 실온에서 30분 동안 교반하였다. 이어서 총 5 mL의 탈이온수를 주사기 펌프를 사용하여 0.5 mL/분의 속도로 상기 용액에 첨가하였다. 상기 용액을 밤새 두어 평형화하였다. 각각의 피렌-함유 중합체 미셀 용액의 형광을 형광분석기(RF-6000, Shimadzu)를 사용하여 1 cm X 1 cm의 석영 셀에 통과시켜 372 nm의 방출 파장에서 측정하였다. 다음의 파라미터를 선택하였다: 방출 파장 = 372 nm, 여기 파장 범위 = 360 내지 372 nm, 스캔 속도 = 600 nm/분, 및 데이터 간격 = 0.5 nm. 339.5 및 332.5 nm 파장에서의 형광 강도 비를 중합체 농도에 대해 플롯팅하고, 임계 미셀 농도를 변곡점으로부터 결정하였다.

상기 피렌은 미셀의 소수성 코어 내에 캡슐화되어 여기 밴드 강도(I₃₃₉/I₃₃₂, I₃/I₁로도 표현됨)를 극적으로 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 여기 스펙트럼은 형광측정기(RF-6000, Shimadzu)를 사용하여 기록하였다. I₃/I₁ 비를 각 중합체의 농도의 함수로서 플롯팅한 결과를 도 10 및 11에 나타냈다.

도 10 및 11에서 보는 바와 같이, PEG-b-PPGE 블록 공중합체의 피렌 여기 스펙트럼에서 명확한 교차점이 관찰되었으며, 이는 각각 18.1(P1), 9.79(P2), 및 0.89 mg/L(P3)의 CMC 값을 갖는 미셀이 형성되었음을 시사한다. 또한, 소수성 블록인 PGE의 반복단위 수가 증가함에 따라 PEG-b-PPGE의 CMC 값이 감소했다. 한편, E1은 PEEGE 블록의 소수성 정도가 감소하였기 때문에 어떠한 미셀 형성 징후도 나타나지 않은 반면, 보다 긴 PEEGE 블록을 갖는 다른 중합체는 96.0(E2) 및 10.3 mg/mL(E3)의 CMC를 나타냈다.

또한, PEG-b-PPGE의 CMC 값이 PEG-b-PEEGE의 CMC 값보다 약 10배 낮았으며, 이는 소수성의 환형 피라닐기를 더 많이 함유하는 PEG-b-PPGE로부터 제조된 미셀이 이의 비환형 유사체인 PEG-b-PEEGE에 비해 더 안정하고, 전신 주사 후 희석 시 이의 온전성을 유지할 수 있음을 나타낸다. 또한, PEG-b-PPGE의 CMC 값은 광범위한 상업적인 Pluronic 공중합체(4.0 mg/L 내지 1 X 10⁴ mg/L)보다 현저하게 낮았다.

(1-3) 초저온-투과 전자 현미경(cryogenic-transmission electronic microscopy, cryo - TEM )

제조된 미셀의 형태를 분석하기 위해 초저온-투과 전자 현미경을 이용하여 미셀을 관찰하였으며, 그 결과를 도 12 및 13에 나타냈다. 초저온-TEM은 상대적으로 인공 산물이 없는 용액 상태에서 미셀 구조를 직접 관찰할 수 있다.

구체적으로, 플런지-디핑 방법(plunge-dipping method)에 의해 PEG-b-PPGE 블록 공중합체 또는 PEG-b-PEEGE 블록 공중합체의 수용액(3 ㎕)의 박막을 레이스 탄소 지지된 격자에 옮겨서 수행하였다. 샘플 용액으로부터 물이 증발되는 것을 방지하기 위해 맞춤형 환경 챔버 내에서 주위 온도에서 97 내지 99%의 습도로 상기 얇은 수성 필름을 제조하였다. 과량의 용액을 여과지로 3초 동안 털어내고, 얇은 수성 필름을 이의 응고점에서 액체 에탄(액체 질소로 냉각됨)에 넣음으로써 신속하게 유리화시켰다. 상기 격자를 초저온-이동 장치를 사용하여 Gatan 626 초저온-홀더에 옮겼다. JEM-3011 HR 현미경(JEOL, 도쿄, 일본)을 사용하여 약 -175 ℃의 온도에서 300 kV의 가속 전압으로 직접적인 영상 진단을 수행하였다. SC 1000 CCD 카메라 (Gatan, Inc., 펜실베니아)를 사용하여 현미경 사진을 수득하고 데이터를 Gatan Digital Micrograph 프로그램을 사용하여 분석하였다.

도 12 및 13에서 보는 바와 같이, P1 및 P2의 미셀은 각각 약 20.4 ± 2.9 nm 및 13.4 ± 1.6 nm의 코어 크기를 갖는 구형의 형태를 나타냈다. 또한, PEG-b-PPGE 미셀의 코어 크기는 소수성 PPGE 블록의 길이가 증가함에 따라 감소했다. 이를 통해, PPGE의 소수성 정도가 증가하는 경우 미셀의 소수성 코어 내의 측쇄의 패킹이 강화된다고 판단하였다. 특히, P2 미셀의 초저온-TEM 이미지는 균일한 구형 형태를 나타냈다. 또한, 측정된 P2 미셀의 직경은 14.0 nm 소수성 코어 및 6.4 nm 친수성 코로나를 갖는 26.7 nm였다.

(1-4) 미셀의 직경 분석

90 ° 및 30 °의 각도에서 동적 광 산란법(DLS, BI-APD, Brookhaven Instrument)을 사용하여 자기조립된 미셀의 크기 분포를 분석하였으며, 그 결과를 도 14에 나타냈다.

도 14에서 보는 바와 같이, 동적 광 산란법(DLS)으로 측정된 P2 미셀의 수력학적 직경(D_h)은 26.2 ± 4.6 nm였으며, 상기 항목 (3)의 초저온-TEM을 통해 측정된 미셀의 직경과 일치했다.

또한, 미셀의 크기 및 구조는 X-선 소각 산란(small angle X-ray scattering, SAXS)을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 15에 나타냈다. 구체적으로, SAXS 측정은 0.734 Å의 파장 λ에 해당하는 16.9 keV 방사선을 사용하여 Pohang Acceleration Laboratory (PAL)의 빔라인 4C SAXS 상에서 수행하였다. 샘플에서 탐지기 간의 거리는 0.007 Å^-1 < q < 0.12 Å^-1의 q 범위를 커버하기 위한 4.3 m로 셋팅하였으며, 이때, q는 q = 4πλ^-1 sin(θ/2)로 정의되는 산란 벡터이다. 미셀 용액을 담지하고 모세관 튜브에 넣고 밀봉한 후, X-선에 1 내지 2분 동안 노출시켰다. 2차원 이미지를 방위각으로 평균화하여 q에 대해 1차원 강도 플롯을 수득하였다. 용매, 즉, 물을 용액 산란으로부터 제거하였다.

초저온-TEM 이미지 및 DLS 데이터에 기초하여, P1 및 P2 미셀로부터 수득된 SAXS 프로파일을 하기 수학식 7의 일정한 쉘 두께를 갖는 구형 코어를 포함하는 모델에 의해 시뮬레이션하였다. 다분산 코어 반경을 고려하기 위해 코어 반경의 슐츠 분포(Schulz distribution)를 사용하였다.

[수학식 7]

수학식 7에서,

이고,

V_c, V_s, R_c, 및 R_s는 각각 코어 및 쉘의 부피, 및 코어 및 쉘의 반경이며,

p_c, p_s 및 p_sol은 각각 코어, 쉘, 및 용매의 전자 밀도이다.

도 15에서 보는 바와 같이, P1 및 P2 미셀은 각각 16.6 nm 및 11.0 nm의 코어 직경 및 31.4 nm 및 26.4 nm의 전체 미셀 직경을 가졌다.

나아가, 미셀의 구조는 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 16에 나타냈다.

도 16에서 보는 바와 같이, AFM에 의해 측정된 P1, P2, 및 E2 미셀의 직경은 각각 77.2 ± 9.4 nm, 58.7 ± 9.1 nm 및 79.0 ± 14.8 nm였다.

한편, 상기 초저온-TEM으로 측정된 미셀의 직경과 AFM의 미셀 직경의 차이는 AFM 측정시 미셀이 기판 위에 붙어 직경이 커지기 때문에 발생하는 차이이다.

(1-5) 캡슐화 효율

미셀의 캡슐화 효율은 나일 레드(Nile Red)의 방출 스펙트럼으로 측정하였다. 이때, 방출 스펙트럼은 형광측정기(RF-6000, Shimadzu)를 사용하여 기록하였으며, 측정 결과는 도 17에 나타냈다.

구체적으로, 나일 레드를 포함하는 아세톤 용액(농도 50 ㎍/mL) 0.50 mL를 PEG-b-PPGE 용액(용매: 아세톤)에 첨가하고, 혼합물을 실온에서 30분 동안 교반하였다. 이어서, 총 5 mL의 탈이온수를 주사기 펌프를 사용하여 0.5 mL/분의 속도로 혼합액에 첨가하고, 상기 혼합액을 밤새 두어 평형화하고, 뚜껑을 열어 아세톤이 증발되게 하였다. 이후 0.45 ㎛ 주사기 필터를 사용하여 여과한 후, 상기 용액을 동결건조하고 아세톤 중에 재용해하였다. 미셀에 담지된 나일 레드의 양을 형광측정기 측정(RF-6000, Shimadzu)에 의해 1 cm X 1 cm 석영 셀에 통과시킨 후 하기 수학식 8로 캡슐화 효율을 계산하였다. 이때, 여기 파장 = 480 nm, 방출 파장 범위 = 500 내지 800 nm, 스캔 속도 = 2000 nm/분, 및 데이터 간격 = 0.5 nm을 사용하였다.

[수학식 8]

도 17에서 보는 바와 같이, P1, P2, P3 및 E3 미셀은 나일 레드에 대해 각각 8.2, 14.9, 및 16.6%의 캡슐화 효율을 나타냈다. 특히, E3 미셀은 P2 미셀에 비해 낮은 캡슐화 효율을 나타냈으며, 이를 통해 블록 공중합체의 담지 능력은 소수성 PPGE 블록과 연관성이 높음을 알 수 있다.

실험예 2. 안정성 및 방출능

실시예 2 및 3, 및 제조예 2 및 4의 중합체 또는 미셀을 대상으로 하기와 같은 방법으로 특성을 분석하였다.

(2-1) 캡슐화 안정성 평가

약물 전달 담체의 적합성을 결정하는 다양한 인자들 중에서, 생물학적 조건하의 캡슐화 안정성은 중요한 인자이다. 가혹한 생물학적 조건하에 미셀의 안정성을 조사하기 위해, 이전 연구에서 보고된 바와 같은 푀르스터 공명 에너지 전이(FRET)에 기반한 방법을 사용하였다. 공여체인 3,3'-다이옥타데실옥사카보시아닌 퍼클로레이트(DiO) 및 수용체인 1,1'-다이옥타데실-3,3,3',3'-테트라메틸인도카보시아닌 퍼클로레이트(DiI)를 포함하는 FRET 쌍을 사용하여 제조된 미셀의 담지 안정성을 평가하였다. 미셀이 안정한 경우, FRET 쌍은 미셀 내의 근접한 분자에 의한 효과적인 에너지 전이에 기인하여 564 nm 에서 강한 방출(DiI 수용체의 방출)을 나타낼 것이다. 반면, 미셀이 불안정한 경향이 있는 경우, FRET 분자가 방출되어 FRET 효과를 제거하여 501 nm에서 FRET 공여체인 DiO의 방출만이 관찰될 것이다. 평가 결과는 도 18 및 19에 나타냈다.

구체적으로, 나일 레드 대신 DiO 및 DiI를 사용한 것을 제외하고는, 항목 (1-5)과 동일한 방법으로 미셀 내 염료를 담지하였다. DiI 및 DiO가 담지된 미셀 구조의 안정성을 인산염 완충된 염수(PBS) 및 상이한 혈청 농도(10% FBS, 50 % FBS 및 100 % FBS)의 우태아 혈청(FBS)에서 실온에서 24시간의 주기 동안 시험관 내에서 특성을 분석하였다. 여기 파장을 450 nm로 설정하고 분광형광계를 사용하여 460 nm 내지 700 nm에서 방출을 탐지하였다.

도 18에서 보는 바와 같이, P1, P2, 및 P3 미셀은 570 nm에서 FRET 수용체인 DiI의 방출에 의해 스펙트럼이 차지되는 바와 같이, 인산염-완충된 염수(PBS)에서 거의 손상되지 않은 FRET 방출을 나타냈다. 언급한 바와 같이, 스펙트럼 프로파일은 미셀 코어에서 인접한 DiO와 DiI 사이의 분자간 에너지 전이로부터 기인하며, 이는 24시간 동안 PBS에서 미셀의 안정성이 우수함을 확인한 결과이다. 반면, E3 미셀은 시간에 따라 FRET 패턴에서 상당한 변화를 나타냈으며, 이는 PBS에서 구조적 불안정성을 보인 결과이다.

또한, 도 18 및 19에서 보는 바와 같이, 순수한 혈청에서 안정성 분석을 수행한 결과, P1 및 P3 미셀의 형광 강도가 현저하게 변했으며, 이는 혈청에 존재하는 알부민 및 글로불린과 같은 단백질 사이에 내부 담지물의 신속한 분배를 나타낸다. 특히, P3 미셀은 24시간 동안 담지물 방출에 저항하였으며, 이는 코어 내부의 소수성 분자를 혈청 구성성분과의 접촉으로부터 차단하여 생물학적 조건 하에 방출 동력학의 다양한 조절가능성을 보인 결과로, 유사한 현상이 10% 및 50% 혈청에서 관찰되었다.

(2-2) 세포 내 미셀의 안정성

인간 상피 암세포(Korea Cell Line Bank로부터 구입, HeLa 세포)를 10% 우태아 혈청(FBS) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신(Invitrogen Life Technologies, 대한민국)으로 보충된 Dulbecco의 변형된 Eagle 배지(DMEM)에서 배양하였다. 상기 세포를 격일로 배지를 교환하며 37 ℃에서 5% CO₂를 함유한 습기가 있는 분위기에서 유지하였다. 상기 세포를 8개의 웰의 Lab-Tek 유리 챔버 슬라이드(Thermo Fisher Scientific, 대한민국) 상에서 배양하였다.

이후 상기 세포를 0.5 ㎍/mL 농도로 항목 (2-1)의 DiI 및 DiO가 담지된 미셀에 처리하고 0.5, 6 또는 12 시간 동안 배양하였다. 473 nm로 설정된 여기 필터를 사용하는 Olympus 공초점 레이저 스캐닝 현미경 모델 FV1000을 사용하여 이미지를 캡쳐하였다. 결과는 도 20 및 21에 나타냈다.

도 20 및 21에서 보는 바와 같이, 세포막으로부터 붉은 신호가 P1, P2, 및 P3 미셀에서 발생한 FRET로 인해 DiI에서 강한 붉은 형광을 나타내는 반면, E3 미셀은 내재화 전에 세포막에서 FRET 신호가 손실되었다. 이는 PPGE 블록을 갖는 미셀(P 시리즈)이 HeLa 세포에서의 시험관 내 조건에서도 우수한 안정성을 나타냄을 보인 결과이다.

또한, 6 시간 동안 배양한 경우, P 시리즈의 미셀 사이에 일부 눈에 띄는 차이점을 관찰할 수 있었다. 구체적으로, P1은 내부 담지물을 신속하게 방출한 반면, P2 및 P3은 세포질 내에서도 느린 방출을 나타냈다. 이는 소수성 블록 및 길이의 선택에 따라 조절가능한 캡슐화 안정성을 갖는 활성 치료제의 성공적인 세포질 전달 가능성을 나타낸다.

(2-3) 산성에서의 분해

상기 항목 (1-2)와 동일한 방법으로 제조된 피렌-함유 중합체 미셀 용액에 0.10 mL의 1 M HCl을 천천히 첨가하고 여기 스펙트럼 변화를 기록하였다. 그 결과를 도 22 및 23에 나타냈으며, 도 22는 339 및 332 nm에서의 형광 강도의 비(I₃/I₁)를 시간 함수로서 플롯팅하였다.

도 22 및 23에서 보는 바와 같이, pH를 낮춘 후, 형광 여기 밴드의 강도가 시간에 따라 이동하고 감소하였다.

도 22의 b 내지 d에서 보는 바와 같이, P1 및 P2 미셀의 시간에 대한 I₃/I₁ 플롯은 지속 방출을 나타냈으며, 이를 통해 P 시리즈는 장시간 동안 효과적인 약물 전달이 가능함을 알 수 있었다. 특히, 가장 긴 소수성 블록을 가진 P3 미셀이 이상적인 산성 환경 하에서 7일이 지난 후에도 내부적인 담지물을 방출하지 않았다(도 22d).

한편, 도 22의 e 및 f에서 보는 바와 같이, E2 미셀은 중합체 농도를 5 mg/mL로 증가시키더라도 산 처리 5분 후에만 분출형(burst) 방출이 나타났다. 또한, 보다 긴 소수성 블록을 갖는 E3 미셀은 E2 미셀에 비해 캡슐화된 피렌의 신속한 방출을 나타냈지만, 방출 동력학은 P 시리즈 미셀보다 훨씬 빨랐다(도 22의 g 참조). 이는 미셀 코어 내에서 소수성 PPGE 블록의 밀집된 패킹으로 인해 산이 소수성 도메인을 용이하게 침투할 수 없으므로 불안정한 아세탈 결합의 가수 분해에 대한 산의 접근을 감소시킨 것으로 추측된다.

(2-4) 세포 독성 평가

미셀의 세포 생존능을 평가하여 이의 약물 전달 담체로서의 사용 가능성을 판단하였다.

구체적으로, HeLa 세포를 96웰 플레이트에서 DMEM, 10% FBS, 및 1% 페니실린-스트렙토마이신을 함유하는 성장 배지를 사용하여 웰 당 3 X 10⁴ 세포의 밀도로 성장시켰다. 이후 95 % 공기 및 5% CO₂의 가습 분위기에서 24시간 동안 배양하여 세포를 안정화시킨 후, HeLa 세포를 각각의 미셀 및 파클리탁셀이 담지된 미셀로 처리하였다. 24시간 후에, 10 ㎕의 MTT를 각각의 웰에 첨가하고(0.5 mg/mL의 최종 농도), 3시간 동안 배양하였다. 이후, 배양 배지를 제거하고 100 ㎕의 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 각각의 웰에 첨가하여 잔여 MTT 시약을 용해하였다. 이후, 플레이트를 실온에서 15분 동안 교반하여 DMSO 중의 MTT를 용해하였다. 흡광도는 620 nm를 기준으로 540 nm의 파장에서 측정하였다. 측정 결과를 도 23 및 24에 나타냈다.

또한, 상기 파클리탁셀(비수용성 항암제)의 캡슐화 효율은 고압액체크로마토그래피(HPLC)로 측정하였으며, 측정 결과는 도 25에 나타냈다.

구체적으로, 파클리탁셀(농도 1 mg/mL)를 포함하는 아세토니트릴 0.3 mL를 PEG-b-PPGE 용액(용매: 아세토니트릴)에 첨가하고, 혼합물을 실온에서 30분 동안 교반하였다. 이어서, 총 5 mL의 탈이온수를 주사기 펌프를 사용하여 0.5 mL/분의 속도로 혼합액에 첨가하고, 상기 혼합액을 밤새 두어 평형화하고, 물과의 투석을 통하여 아세토니트릴을 제거하였다. 이후 0.45 ㎛ 주사기 필터를 사용하여 여과하였다. 미셀에 담지된 파클리탁셀의 양을 고압액체크로마토그래피 측정(Prominence, Shimadzu)에 의해 캡슐화 효율을 계산하였다. 이때, 여기 파장은 228 nm, 용매 조건은 물:아세토니트릴 = 20:80을 사용하였다.

도 24에서 보는 바와 같이, 다양한 농도의 미셀 용액으로 처리한 후의 세포 생존능은 500 ㎍/mL의 고농도에서도 P1, P2 및 E2 미셀에서 거의 100%였다. 그러나, P3 및 E3 미셀(보다 긴 소수성 쇄를 가진 미셀)의 세포 생존능은 250 ㎍/mL 농도에서 약간 감소하였다. 이는 긴 소수성 쇄가 생체적합성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 것으로 설명될 수 있다.

도 25에서 보는 바와 같이, 파클리탁셀을 담지한 미셀을 24시간 동안 배양한 후에, 모든 미셀에서 세포 생존능이 감소하였으며, P 시리즈의 미셀이 E 시리즈의 미셀에 비해 특히 우수한 효율을 나타냈다. 이를 통해 E 시리즈의 미셀에 비해 P 시리즈의 미셀이 보다 높은 담지 효율을 가지며, 이는 약물 전달체로서 P 시리즈의 미셀이 E 시리즈의 미셀보다 유용함을 알 수 있었다.

Claims (16)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는, 중합체:
   [화학식 1]
   

   

   .
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 중합체가 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위로 이루어진 동종중합체(homopolymer)인, 중합체.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 동종중합체가 하기 화학식 2로 표시되는, 중합체:
   [화학식 2]
   

   

   
   상기 화학식 2에서, n은 5 내지 200의 정수이다.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 동종중합체의 수평균분자량이 1,500 내지 20,000 g/mol인, 중합체.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 중합체가 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 알킬렌 글리콜 반복단위를 포함하는 블록 공중합체인, 중합체.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 블록 공중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는, 중합체:
   [화학식 3]
   

   

   
   상기 화학식 3에서,
   n은 5 내지 200의 정수이고,
   m은 50 내지 500의 정수이다.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 화학식 3에서 m이 100일 때, n이 5 내지 200의 정수인, 중합체.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 블록 공중합체의 임계 미셀(micelle) 농도가 0.1 내지 100 mg/ℓ인, 중합체.
   
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 중합체를 포함하는 미셀.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 미셀의 평균 직경이 5 내지 1,000 nm인, 미셀.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 미셀이 중합체에 의해 캡슐화된 약물을 더 포함하는, 미셀.
    
12. 제9항의 미셀을 포함하는 약물 전달체 조성물.
    
13. 하기 화학식 4로 표시되는 제1 단량체와 하이드록시기를 갖는 제2 단량체를 중합하는 단계를 포함하는, 제1항의 중합체의 제조방법:
    [화학식 4]
    

    

    .
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 중합이 20 내지 40 ℃ 및 강염기 촉매 하에서 수행되는, 중합체의 제조방법.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 단량체가 하기 화학식 5로 표시되는 화합물이고,
    상기 중합체가 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인, 중합체의 제조방법:
    [화학식 5]
    

    

    
    [화학식 2]
    

    

    
    상기 화학식 2에서, n은 10 내지 200의 정수이다.
    
16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 단량체가 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물이고,
    상기 중합체가 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인, 중합체의 제조방법:
    [화학식 6]
    

    

    
    [화학식 3]
    

    

    
    상기 식에서,
    n은 5 내지 200의 정수이고,
    m은 50 내지 500의 정수이다.

Images