KR102171343B1

KR102171343B1 - 단백질 의약품의 경구 전달을 위한 pH-감응형 나노복합체 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102171343B1
Application number: KR1020190110224A
Authority: KR
Inventors: 한효경; 이상훈
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2020-10-29
Also published as: KR20200052819A

Abstract

본 발명은 단백질 의약품의 경구 전달을 위한 pH-감응형 나노복합체의 조성 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명자들은 단백질의약품의 효과적인 경구 투여 제형 개발을 위해 아미노클레이와 글리콜키토산, pH-감응형 고분자를 이용한 다중코팅의 나노복합체를 제조하여 모델 단백질의 위장관 내에서의 안정성을 높이고 흡수를 현저하게 증가시킨다는 것을 확인하였다. 아미노클레이와 단백질의 나노복합체 형성을 통해 단백질의 구조적 안정성을 높이고, 여기에 점막부착성의 글리콜키토산과 pH-감응형 고분자를 이용한 다중 표면 코팅을 통해 단백질의 위장관 내에서의 안정성을 높이고 소장에서의 체류시간과 흡수를 현저하게 증가시켰다. 본 발명은 다양한 단백질의약품(인슐린 또는 항체)의 경구용 제형 개발에 적용 가능하여 그 활용범위가 넓을 것으로 기대된다.

Description

단백질 의약품의 경구 전달을 위한 pH-감응형 나노복합체 및 이의 제조 방법{pH-responsive organic-inorganic hybrid nanocomposite for oral delivery of protein drugs and method for preparing the same}

본 발명은 단백질 의약품의 경구 전달을 위한 pH-감응형 나노복합체 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.

최근 생물공학의 발전으로, 우수한 치료 효과를 가진 많은 단백질 의약품의 개발이 활발해지고 있는데, 특히 암, 류마티스 관절염 및 당뇨병을 포함하는 몇몇 난치성 질환 또는 만성 질환에 대한 관심이 높아지고 있다. 저분자 유기 약물과 마찬가지로, 장기간 치료에 있어 단백질 의약품도 경구 전달이 가장 선호되는 투여 방식이고, 환자 순응도도 높은 방식이다. 하지만, 단백질 의약품의 경구 전달은 여러 가지 한계를 가지고 있는데, 위장관 환경 내에서 광범위하게 분해되고, 장관막 통과에 있어 침투율이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서, 지질-기반 나노담체, 폴리머 나노입자, 나노캡슐 및 나노복합체와 같은 여러 약물 전달 시스템이 연구되고 있다. 특히, 클레이-기반 나노복합체는 효과적인 약물 전달 시스템으로 기대되고 있는데, 이는 화학적 및/또는 효소적 분해로부터 약물을 보호할 수 있고, 약물 방출을 조절할 수도 있다. 다양한 클레이 소재 중에서, 3-아미노프로필 관능기가 치환된 마그네슘 필로실리케이트[3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate; 아미노클레이 (aminoclay)]는 층상구조로 이루어져 있어, 층간 사이에 약물을 봉입하거나 넓은 입자 표면에 약물을 흡착시킬 수 있어 특히 주목받고 있다. 아미노클레이는 수용성이고, 물에 분산시 양전하를 띄는데, 이는 약물 담체로서 많은 장점을 나타낸다. 아미노클레이는 저분자 유기합성 의약품, 단백질, 바이러스 및 폴리머와 같은 거대분자와의 정전기적 인력에 의한 자발적인 자가 조립을 통해 다양한 나노복합체 제조가 가능하다. 또한, 이는 동결건조 과정에서의 열적 영향에 대한 단백질의 구조 안정성을 개선하기 위한 동결보호제로서 제공될 수 있다. 더구나, 아미노클레이는 무독성이고, 소변 및 대변을 통해 신체로부터 빠르게 제거되는데, 이는 장기간 조직 축적의 위험성이 낮다는 것을 뒷받침한다. 그러나, 아직까지 단백질 의약품의 경구 투여를 위한 아미노클레이-기반 약물 전달 시스템의 유효성은 명확하게 규명되지 않았다.

천연 다가양이온성 (polycationic) 다당류인 키토산은 중성 및 염기성 pHs에서 표면 전하 손실로 인해 pH > 6.5에서 불용성인데 비해, 글리콜-키토산은 넓은 pH 범위에서 수용성이다. 글리콜-키토산은 2-하이드록시에틸에테르 (2-hydroxyethylether) 그룹이 결합된 키토산 유도체이고, 생분해능과 생체적합성의 장점을 가진다. 또한, 위장관 pH에서 양전하를 띄는 글리콜-키토산은 음전하를 띄는 점막 표면과의 정전기적 상호작용을 통해 위장관에서의 체류시간을 향상시킬 수 있다. 한편, 폴리 (메타크릴산-코-메틸 아크릴레이트) 공중합체 (poly (methacrylic acid-co-methyl acrylate) copolymers)는 위장관에서 pH-의존성 약물 방출을 위해 널리 사용된다. 특히, Eudragit® L100-55는 pH 5.5 이상에서 용해되는 장용성 코팅 폴리머이다. 이에, Eudragit® L100-55에 의한 표면 코팅은 위장 환경에서 약물 분해를 방지할 수 있다.

한국공개특허 제10-2018-0065811호(2018.06.18 공개)

본 발명의 목적은 약물이 결합된 아미노클레이 (aminoclay) 복합체에 글리콜 키토산 (glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머가 연속적으로 코팅된 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 및 상기 나노복합체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 나노복합체를 유효성분으로 포함하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 약물이 결합된 아미노클레이 (aminoclay) 복합체에 글리콜 키토산 (glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머가 연속적으로 코팅된 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 나노복합체를 유효성분으로 포함하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 약물 및 아미노클레이를 결합시켜 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 복합체에 글리콜 키토산 (glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머를 연속적으로 코팅시키는 단계를 포함하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법을 제공한다.

본 발명은 단백질 의약품의 경구 전달을 위한 pH-감응형 나노복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 고른 크기 분포 및 높은 탑재 효율을 갖는, 아미노클레이가 포함된 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA)의 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 (EGAC-BSA)를 제조하였다. 고정화된 단백질의 고유 구조를 유지하기 위한 지지 매트릭스로서 아미노클레이가 효과적으로 작용하여, BSA의 구조적 안정성은 나노복합체 내에서 잘 유지되었다. 또한, EGAC-BSA는 산성 조건에서 단백질 방출을 최소화하여 위내 조건에서 안정적이었고, Caco-2 세포에서 BSA의 세포내 유입을 현저하게 향상시켰다. 또한, 실험동물 (숫쥐)에서 BGAC-BSA의 경구 투여는 BSA의 장관막 흡수를 현저하게 개선시켰다. 종합하면, 본 발명에서 개발된 아미노클레이를 포함하는 pH 감응형 다중 코팅 나노복합체는 효과적인 단백질 경구 전달 시스템으로 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 나노복합체 제형에 대한 구조 분석 결과를 나타낸다. (A) EGAC-BSA의 TEM 이미지, (B) BSA, 아미노클레이 및 AC-BSA의 FTIR 스펙트럼, (C) AC-BSA의 EDX 스펙트럼. EDX 스펙트럼 내 Cu 피크는 샘플 그리드(grid)로부터 유래한 것이다. (D) 원래 BSA 및 나노복합체로부터 방출된 BSA의 CD 스펙트럼.
도 2는 pH 1.2 (A) 및 pH 6.8 (B)에서 측정된 나노복합체 유래 BSA의 방출 프로파일을 나타낸다 (평균 ± SD, n = 3).
도 3은 여러 제형 유래 FITC-BSA의 세포 흡수에 대한 결과를 나타낸다. (A) FACS 히스토그램은 음성 대조군 세포 (흰색 커브) 대비 여러 제형으로 처리한 세포 (색칠된 커브)의 형광 세기를 나타낸다. (B) 여러 제형 유래 세포 흡수에 대한 정량 분석 결과를 나타낸다 (평균 ± SD, n = 3). *: p<0.01, 대조군 대비 (유리 BSA).
도 4는 Caco-2 세포에서 FITC-BSA가 탑재된 나노복합체의 세포 내 유입을 확인하기 위한 CLSM 이미지 분석 결과를 나타낸다. 첫 번째 패널은 DAPI-염색된 핵을 나타내고, 두 번째 패널은 FITC 관련 녹색 형광을 나타낸다(스케일 바는 20 ㎛).
도 5는 유리 FITC-BSA (A) 및 EGAC-FITC-BSA (B)를 쥐에 경구 투여한 후, 잘라낸 소장의 현미경 이미지를 나타낸다. 2 mg/kg FITC-BSA와 동량으로 투여하였고, 소장 절편은 투여 3시간 후에 얻었다. 흰색 화살표는 FITC-BSA의 형광을 나타낸다.

이에, 본 발명자들은 단백질 의약품의 효과적인 경구 전달 플랫폼을 새롭게 확립하기 위해서, 경구 투여된 단백질들의 위장 내 안정성 및 장내 침투를 향상시킬 수 있는, 글리콜-키토산 및 Eudragit® L100-55의 다중 코팅에 의한 아미노클레이-기반 경구용 단백질 약물 전달 시스템을 개발하고자 하였다. 우선, 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA)을 모델 단백질로 하여, 아미노클레이와의 유-무기 하이브리드 복합체를 제조하였고, 글리콜-키토산 및 Eudragit® L100-55의 정전기적 흡착을 통해 상기 복합체의 표면을 연속적으로 코팅하였다. 제조된 다중 코팅 나노복합체의 구조적 특성은 다양한 분석 방법을 통해 확인하였고, 이의 시험관 내/생체 내 (in vitro/in vivo) 특성도 조사하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 약물이 결합된 아미노클레이 (aminoclay) 복합체에 글리콜 키토산(glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머가 연속적으로 코팅된 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체를 제공한다.

바람직하게는, 상기 아미노클레이는 3-아미노프로필 관능기가 치환된 마그네슘 필로실리케이트 (3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는, 상기 pH 의존형 장용성 폴리머는 폴리(메타크릴산-코-메틸 아크릴레이트)공중합체 (poly (methacrylic acid-co-methyl acrylate) copolymers)일 수 있고, 보다 바람직하게는, Eudragit® L100-55일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는, 상기 약물은 단백질 약물, 펩타이드 약물 또는 항체 약물일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 단백질 약물은 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA) 또는 인슐린일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 나노복합체를 유효성분으로 포함하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물을 제공한다.

바람직하게는, 상기 조성물은 산성 조건의 위장에서 약물의 방출을 억제하고, 장내로 약물을 방출시킬 수 있다.

본 발명에 따른 "약물 전달체 조성물"은 약학적으로 유효한 양의 상기 나노복합체를 단독으로 포함하거나 하나 이상의 약학적으로 허용되는 담체, 부형제 또는 희석제를 포함할 수 있다. 상기에서 약학적으로 유효한 양이란 상기 약물이 동물 또는 사람에게 투여되어 목적하는 생리학적 또는 약리학적 활성을 나타내기에 충분한 양을 말한다. 그러나 상기 약학적으로 유효한 양은 투여 대상의 연령, 체중, 건강상태, 성별, 투여 경로 및 치료기간 등에 따라 적절히 변화될 수 있다.

또한, 상기에서 "약학적으로 허용되는"이란 생리학적으로 허용되고 인간에게 투여될 때, 통상적으로 위장 장애, 현기증과 같은 알레르기 반응 또는 이와 유사한 반응을 일으키지 않는 것을 말한다. 상기 담체, 부형제 및 희석제의 예로는, 락토즈, 덱스트로즈, 수크로즈, 솔비톨, 만니톨, 자일리톨, 에리스리톨, 말티톨, 전분, 아카시아 고무, 알지네이트, 젤라틴, 칼슘 포스페이트, 칼슘 실리케이트, 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 폴리비닐피롤리돈, 물, 메틸하이드록시벤조에이트, 프로필하이드록시벤조에이트, 탈크, 마그네슘 스테아레이트 및 광물유를 들 수 있다. 또한, 충진제, 항응집제, 윤활제, 습윤제, 향료, 유화제 및 방부제 등을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서, "아미노클레이 (aminoclay)"는 3-아미노프로필기가 도입된 마그네슘 층상 규산염으로 이루어진 양이온성 나노시트로서, 물에 잘 분산되며, 양전하의 아미노클레이는 음이온 분자와 정전기적 상호작용을 할 수 있다.

본 발명에서 "단백질 의약품 또는 단백질 약물" 또는 "항체 약물"은 의약으로 사용하기에 적합한 임의의 단백질 또는 항체일 수 있다. 예를 들어, 단백질 약물은 선형 단백질 약물 또는 환형 단백질 약물일 수 있다. 그것은 또한 개질되거나 유도체화된 단백질 약물, 예컨대 PEG화 단백질 약물 또는 지방산 아실화 단백질 약물 또는 지방 이산 아실화 단백질 약물일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA)을 모델 단백질 약물로 사용하였다.

한편, 상기 항체 약물은 트라스투주맙(trastzumab), 압식시맙(abciximab), 리툭시맙(rituximab), 바실릭시맙(basiliximab), 인플릭시맙(infiliximab), 아달리무맙(adalimumab), 세툭시맙(Cetuximab), 알렘투주맙(alemtuzumab), 베바시주맙(bevacizumab), 에팔리주맙(efalizumab), 로보투주맙(lorvotuzumab), 브렌툭시맙(brentuximab) 또는 글렘바투무맙(glembatumumab) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐이므로 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실험예>

하기의 실험예들은 본 발명에 따른 각각의 실시예에 공통적으로 적용되는 실험예를 제공하기 위한 것이다.

1. 재료

BSA, 플루오레세인 이소티오시아네이트 (fluorescein isothiocyanate; FITC)-표지 BSA, 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane; APTES, 99%) 및 글리콜-키토산은 Sigma-Aldrich Co (St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였다. Eudragit® L100-55는 Evonik Korea Ltd. (Seoul, Korea)로부터 제공받았다. 세포 배양 연구에 사용된 우태아혈청 (Fetal bovine serum; FBS), Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) 및 모든 다른 시약은 GE Healthcare Life Sciences (South Logan, UT, USA)로부터 구입하였다. BCA 단백질 분석 키트는 Thermo Fisher Scientific Inc. (Waltham, MA, USA)로부터 구입하였다. 마그네슘 클로라이드 헥사하이드레이트 (Magnesium chloride hexahydrate, 98%) 및 다른 무기염류는 Junsei Chemical Co., Ltd (Tokyo, Japan)로부터 구입하였다. 모든 다른 화합물은 분석 등급을 사용하였고, 모든 용매는 HPLC 등급을 사용하였다.

인간 대장의 선암 상피세포인 Caco-2 세포는 한국세포주은행에서 구입하였다. 10% FBS, 1% 비필수 아미노산 및 1% 항생제 (antibiotics)가 포함된 DMEM에서 세포를 배양하였다. 세포는 5% CO₂ 및 90% 상대 습도 대기 조건으로, 37℃에서 배양하였다.

2. 아미노클레이의 합성

3-아미노프로필-관능기가 치환된 마그네슘 필로실리케이트[3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate; 아미노클레이 (aminoclay)]는 이전에 보고한 방법에 따라 합성하였다 (Int. J. Nanomedicine 2013, 8, 4147-4155). 간단히 설명하면, 염화마그네슘 (magnesium chloride; 1.68 g)을 에탄올 (40 g)에 녹인 후, 3-아미노프로필트리에톡시실란 (3-aminopropyltriethoxysilane; 2.6 mL)을 250 rpm에서 충분히 혼합하며 적가하였고, 빠르게 형성되는 흰색 침전물을 밤새도록 교반하였다. 최종 산물은 원심분리에 의해 분리하였고, 에탄올로 3번 씻어냈으며, 40℃ 오븐에서 건조시켰다. 아미노클레이의 박리는 물에 벌크 파우더를 분산시켜 수행하였고, 이후 10분 동안 초음파처리하였다.

3. 아미노클레이 -기반 나노복합체의 제조

아미노클레이-BSA 복합체 (aminoclay-BSA complex; AC-BSA)는 양이온성 아미노클레이와 음이온성 BSA의 자발적인 자가조립을 통해 상온에서 제조하였다. 간단히 설명하면, BSA 용액 (10 mg/mL)을 물에 분산시킨 박리된 아미노클레이 부유물 (10 mg/mL)에 약물/클레이를 1:2의 비율로 적가하였다. 신속하게 침전물이 형성되기 시작하였으며 BSA 용액의 적가가 끝난 후, 반응 용액은 밤새 교반되었다. 생성된 침전물을 원심분리를 통해 분리하였으며, 상온에서 공기 건조시켰다. 얻어진 AC-BSA (1 mg)는 물 (1 mL)에 부유시켰고, 0.1% 글리콜-키토산 용액 (1 mL)에 적가하여, 글리콜-키토산 코팅된 AC-BSA 복합체 (glycol-chitosan coated AC-BSA complex; GAC-BSA)를 형성시켰다. 최종적으로, GAC-BSA의 표면 코팅을 위해 GAC-BSA (1 mg/mL)의 수상 부유물을 0.1 % Eudragit® L100-55 (1 mL)에 첨가하였고, 원심분리를 통해 최종 산물인 Eudragit® L100-55-코팅된 복합체 (Eudragit® L100-55-coated complex; EGAC-BSA)를 분리하였고, 2% 트레할로오스 (trehalose)와 함께 동결건조시켰다. 바이오-이미지 분석을 위해, FITC-BSA를 이용하여 형광-표지 복합체도 제조하였다.

4. 아미노클레이 -기반 나노복합체의 특성

나노복합체의 입자 크기 및 제타 전위는 Zetasizer (Malvern Instruments, Malvern, UK)를 이용하여 동적 광산란법 (dynamic light scattering; DLS)을 통해 측정하였다. 크기 분포를 나타내는 다분산지수 (polydispersity index; PDI)도 측정하였다. 각 제형의 탑재 효율 (entrapment eciency; EE)은 다음 식으로 계산되었다:

나노복합체의 형태학적 특성 및 구성 요소는 한국기초과학지원연구원 (서울센터)에서 에너지 분산 X-선 분광광도계 (Energy dispersive X-ray spectrometer; EDX)가 장착된 투과 전자 현미경 (transmission electron microscope; TEM)을 사용하여 확인하였다.

또한, 나노복합체의 구조 특성은 푸리에 변환 적외선 분광법 (Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 이용하여 분석하였다. 모든 샘플에 대한 FT-IR 스펙트럼은 4 cm^-1의 해상도에서 64번 스캔하여, 4,000-500 cm^-1의 파수 (wavenumber) 범위에서 얻어냈다.

나노복합체 내 BSA의 구조 안정성을 확인하기 위해, 나노복합체로부터 방출된 BSA에 대한 원편광 이색성(Circular dichroism; CD) 분석을 수행하였다. Far UV CD spectra는 Chirascan™-Plus Spectrometer (Applied Photophysics, Surrey, UK)를 이용하여 수집하였다. 인산 완충된 식염수 (phosphate buffered saline; PBS)에서의 BSA 농도는 0.08 mg/mL로 조절하였다. 파장 스펙트럼은 1 nm의 대역폭 (bandwidth) 및 0.5 mm의 광 경로 길이 (light path length)로, 190 nm 내지 250 nm로 25℃에서 수집되었다.

5. 약물방출 시험

각 제형에 대한 약물 방출 프로파일은 pH 1.2 및 pH 6.8에서 확인하였다. 각 제형 (100 μg/mL BSA와 동량)은 37℃의 용출액에서 100 rpm으로 교반되었다. 정해진 시간별로 샘플을 수집하였고, 13,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하였다. 약물 방출량을 측정하기 위해서, BCA 단백질 분석 키트를 사용하여 상등액을 분석하였다.

6. 세포 흡수 시험

Caco-2 세포를 well 당 1×10⁵ 세포 밀도로 6-well 플레이트에 접종하였다. 접종 2일 후, 배지를 제거하였고, 세포를 PBS로 2번 씻어냈다. 형광 표지된 BSA가 탑재된 각 제형(FITC-BSA 용액, AC-FITC-BSA, GAC-FITC-BSA 및 EGAC-FITC-BSA)은 0.1 mg/mL FITC-BSA와 동량의 농도로 세포에 첨가되었고, 무혈청 DMEM으로 37℃에서 6시간 동안 배양하였다. 배양 후, 약물 용액은 제거되었고, 세포는 PBS로 세 번 씻어냈다. 유세포 분석을 위해, 세포는 0.05% 트립신-0.02% EDTA로 떼어냈고, PBS로 씻어냈으며, 0.5 mL PBS에 재현탁시켰다. FITC-BSA에 대한 세포 흡수를 정량화하기 위해서, BD FACS Aria III (BD Biosciences, San Jose, CA, USA)를 이용하여 평균 형광 세기를 측정하였다. 세포는 488 nm 여기광 파장 및 522 nm 방사광 파장으로 분석하였다.

7. 공초점 레이저 주사 현미경 분석을 통한 세포 내 분포 측정

나노복합체의 세포 내 분포는 공초점 레이저 주사 현미경 (confocal laser scanning microscopy; CLSM)을 통해 분석하였다. 간단히 설명하면, 세포를 well 당 5×10⁴ 세포 밀도로 6-well 플레이트 내 슬라이드에 접종하였고, 24시간 동안 배양하였다. 배양 배지를 제거한 후, 세포는 PBS로 세 번 씻어냈다. 무혈청 배지에 녹인 각 나노복합체 (0.1 mg/mL FITC-BSA와 동량)를 세포에 첨가하였고, 6시간 동안 배양하였다. 세포를 PBS로 세 번 씻어냈고, 4% 파라포름알데히드로 고정시켰다. 고정된 세포는 차단 완충액 (1% horse serum, 0.1% Triton X-100 in PBS)으로 4℃에서 30분 동안 배양하였고, 핵은 DAPI로 염색하였다. 나노복합체의 세포 내 분포는 Nikon C1 CLSM with EZ-C1 software (Nikon, Tokyo, Japan)로 가시화하였다.

8. 쥐에서의 BSA 장내 흡수 분석

미국 독성학회에서 정한 "독성시험에 있어서 실험동물 사용에 대한 관리 지침"에 따라, 동물 실험을 수행하였고, 실험 프로토콜은 동국대학교 윤리 위원회의 승인을 받았다 (IACUC-2017-016-1). 수컷 Sprague-Dawley rats (230-250 g)는 Orient Bio Inc. (Seongnam, Korea)로부터 구입하였다. 쥐는 실험 전에 18시간 동안 절식시켰으나, 물은 자유롭게 먹을 수 있도록 하였다. EGAC-FITC-BSA 또는 FITC-BSA의 수용매 분산액을 2 mg/kg FITC-BSA와 동량으로 쥐에게 경구 투여하였다. 투여 3시간 후 쥐를 희생시켰고, 장 절편은 개복술 후 즉시 잘라냈다. 장 절편은 PBS로 씻어냈고, 4% 파라포름알데히드로 24시간 동안 고정시켰으며, 파라핀으로 포매하였다. 그 후, 5-μm 두께의 횡단면을 잘라냈고, 헤마톡실린 및 에오신으로 염색한 후, 형광현미경을 이용하여 480 nm 여기광 파장 및 530 nm 방사광 파장에서 세포내 분포를 관찰하였다.

< 실시예 1> 아미노클레이 -기반 나노복합체 전달 시스템의 특성 분석

아미노클레이가 포함된 BSA 나노복합체 (AC-BSA)는 86-99%의 높은 탑재 효율로 제조되었다. AC-BSA의 제타-전위는 -13.2±0.53 mV 였으며, 유리 BSA (-20.7±0.781 mV) 보다 낮은 음전하 값을 나타냈다. BSA가 4.8의 등전점을 갖는 것을 고려하면, BSA는 pH 4.8 이상에서는 음전하를 띄게 되는데, 이는 BSA 및 양전하를 띄는 아미노클레이 사이에 정전기적 인력으로 인해 복합체를 형성하게 된다. 본 발명자들의 이전 X-ray 회절 분석 결과에 따르면, BSA의 큰 분자 크기 (14×4×4 nm)로 인해, 아미노클레이의 내부 층 공간 내로 단백질들이 삽입되는 것보다 아미노클레이의 표면에서 BSA 및 아미노클레이 사이의 정전기적 인력이 일어나는 것으로 나타났다. 즉, 유리 BSA에 비해 AC-BSA의 음전하가 상당히 감소되었다할지라도, 복합체 내에서 BSA 표면은 아미노클레이 입자의 흡착에 의해 완전히 가려지지 않을 수 있으며, AC-BSA는 여전히 음전하를 나타낸다. 결과적으로, 효과적인 단백질 전달을 위한 다중 코팅 나노복합체 시스템을 개발하기 위하여, AC-BSA는 글리콜-키토산 및 Eudragit® L100-55로 연속적으로 코팅될 수 있었다. 각 코팅 공정은 표면 전하 역전과 함께 높은 탑재 효율을 나타냈다. 또한, 입자의 형태는 TEM을 통해 관측하였다. 도 1A에 나타낸 바와 같이, EGAC-BSA 나노입자는 일정하게 둥근 형태를 갖는다.

아미노클레이 및 BSA 간의 복합체 (AC-BSA)의 형성은 다중 구조 분석을 통해 확인하였다(도 1B 내지 도 1D). AC-BSA의 FT-IR 스펙트럼은 BSA의 α-나선 영역 유래 1,652-1,654 cm^-1에서 강한 흡수 밴드를 나타냈고, 필로실리케이트 구조 유래 1,130 cm^-1에서 Si-C, 1,008 cm^-1에서 Si-O-Si와 559-497 cm^-1에서 Mg-O-Si의 밴드를 나타냈다(도 1B). 또한, AC-BSA의 원소 조성을 확인하기 위해서, EDX 분석을 수행하였다. 결과 스펙트럼에서는 단백질 (S) 및 아미노클레이 (Si, Mg)로부터 유래한 성분들이 명확하게 나타났는데, 이는 나노복합체 입자 내 단백질 및 아미노클레이 성분들이 공존하고 있다는 것을 뒷받침한다(도 1C).

단백질 구조의 변경은 단백질의 생물학적 활성, 면역원성 및 독성에 영향을 줄 수 있다는 점에서, 단백질 불안정화를 방지하는 것은 단백질 의약품의 제형 개발에 중요하다. 이에, 원래 BSA 대비 각 나노복합체로부터 방출되는 BSA의 2차 구조를 CD 분광분석을 통해 확인하였다. 도 1D에서 나타낸 바와 같이, 원래 BSA는 208 nm 및 222 nm에서 강한 음성 밴드를 갖는 스펙트럼 패턴을 나타냈는데, 이는 단백질의 전형적인 α-나선 구조를 나타낸다. 또한, 모든 나노복합체에서도 원래 BSA와 유사한 스펙트럼 패턴을 나타냈는데, 이는 개발된 제형에서도 BSA의 2차 구조가 잘 유지되고 있다는 것을 뒷받침한다. 상기 결과는 고정화된 단백질의 원래 구조를 유지하기 위한 지지 매트릭스로서 아미노클레이가 효과적으로 작용할 수 있다는 것을 나타낸다.

종합하면, 구조 특성 분석 결과, BSA 및 아미노클레이 사이의 복합체 형성이 확인되었고, 복합체 내에서 BSA의 2차 구조가 잘 유지되는 것을 확인하였다.

< 실시예 2> 시험관 내( in vitro ) 약물방출 시험

각 제형으로부터의 BSA 방출 특성은 pH 1.2 및 pH 6.8에서 평가되었다(도 2). pH 1.2에서, AC-BSA는 2시간 내에 약 80%의 약물을 빠르게 방출한 반면, GAC-BSA 및 EGAC-BSA는 각각 30% 및 15%로 천천히 약물을 방출하는 것으로 나타났는데, 이는 표면-코팅된 나노복합체가 위장 내 조건에서 더 안정적일 수 있다는 것을 나타낸다(도 2A). 특히, EGAC-BSA는 pH 1.2에서 상당히 느리게 약물을 방출하는 것으로 나타났는데, Eudragit® L100-55가 산성 조건에서 불용성이기 때문으로 판단된다. pH 6.8에서, GAC-BSA 및 EGAC-BSA는 둘 다 유사하게 24시간 내 약 55%의 약물을 방출하는 것으로 나타났는데, 이는 Eudragit® L100-55 코팅층이 pH 6.8에서는 용해될 수 있기 때문으로 판단된다(도 2B). EGAC-BSA의 pH-의존성 약물 방출 특성은 위장의 가혹한 환경으로부터 BSA를 보호하고, 소장으로 대부분의 BSA를 전달할 수 있다는 점에서 유익하다.

< 실시예 3> 세포 흡수 시험

각 제형에 대한 세포 흡수 특성은 Caco-2 세포에서 시험하였다. 유리 BSA 용액에 비하여, 모든 복합체는 더 높은 세포 흡수를 나타냈다(도 3). AC-BSA, GAC-BSA 및 EGAC-BSA는 유리 BSA 용액에 비해 BSA의 세포 흡수가 각각 3.8 배, 2.3 배 및 2.1 배 증가하였다. Eudragit® L100-55는 pH 6.8에서 용해되므로, GAC-BSA 및 EGAC-BSA의 세포 흡수는 유사하게 나타났다.

또한, CLSM을 통한 바이오-이미지 분석 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 나노복합체에 의한 단백질약물의 세포내 유입이 효과적으로 이루어짐을 확인하였다.

< 실시예 4> 쥐에서의 장내 흡수

이상에 언급한 바와 같이, 시험관 내(in vitro) 분석 결과, EGAC-BSA는 BSA의 세포내 유입을 향상시키는데 효과적이라는 것을 확인하였다. 따라서, FITC-BSA가 탑재된 나노복합체를 사용하여 EGAC-BSA의 생체내 (in vivo) 흡수를 쥐에서 확인하였다.

EGAC-FITC-BSA 또는 FITC-BSA 용액을 경구 투여한 후, BSA의 장내 침투 범위를 형광현미경으로 확인하였다. 도 5A 및 도 5B에 나타낸 바와 같이, 현미경 관찰 결과, 융모 구조는 정상적이었고, 괴사의 증거도 확인되지 않았다. 또한, FITC-BSA 용액을 쥐에게 투여했을 때와는 달리, EGAC-FITC-BSA의 경구 투여는 약물의 소장 흡수를 현저하게 향상시켰다(도 5A 및 도 5B). 상기 결과는 Caco-2 세포에서의 세포 흡수 분석 결과와 일치했다(도 3). 나노복합체 제형에 의한 BSA의 소장 흡수 증가는 여러 가지 요인에 의해 설명될 수 있다. 우선, pH-의존성 고분자 코팅층은 산성 조건의 위 내에서 약물 방출을 최소화 하여 BSA의 분해 및 불활성화를 감소시킬 수 있다. 소장에 이르러, EGAC-FITC-BSA의 장용 코팅층이 벗겨지면 GAC-FITC-BSA가 방출되는데, 이는 점막 부착성 및 흡수 향상성을 가진 GC 코팅층이 장내 체류 시간을 연장시킬 수 있고, 장관막을 통과하는 나노입자의 침투를 향상시킬 수 있다. 또한, 아미노클레이가 포함된 복합체 제형은 위장관에서 BSA의 구조 안정성을 향상시킬 수 있다.

종합하면, FITC-BSA 용액에 비해, EGAC-FITC-BSA는 FITC-BSA의 소장 점막 투과를 효과적으로 촉진시킨다는 것을 확인하였다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 즉, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다.

Claims

약물이 결합된 아미노클레이 (aminoclay) 복합체에 글리콜 키토산 (glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머가 연속적으로 코팅된 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제1항에 있어서, 상기 아미노클레이는 3-아미노프로필 관능기가 치환된 마그네슘 필로실리케이트 (3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate)인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제1항에 있어서, 상기 pH 의존형 장용성 폴리머는 폴리(메타크릴산-코-메틸 아크릴레이트)공중합체 (poly (methacrylic acid-co-methyl acrylate) copolymers)인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제3항에 있어서, 상기 pH 의존형 장용성 폴리머는 Eudragit® L100-55인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제1항에 있어서, 상기 약물은 단백질 약물, 펩타이드 약물 또는 항체 약물인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제5항에 있어서, 상기 단백질 약물은 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA) 또는 인슐린인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 나노복합체를 유효성분으로 포함하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물.
제7항에 있어서, 상기 조성물은 산성 조건의 위장에서 약물의 방출을 억제하고, 장내로 약물을 방출시키는 것을 특징으로 하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물.
제7항에 있어서, 상기 약물은 단백질 약물, 펩타이드 약물 또는 항체 약물인 것을 특징으로 하는 경구 투여용 약물 전달체 조성물.
약물 및 아미노클레이를 결합시켜 복합체를 제조하는 단계; 및
상기 복합체에 글리콜 키토산 (glycol-chitosan) 및 pH 의존형 장용성 폴리머를 연속적으로 코팅시키는 단계를 포함하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 아미노클레이는 3-아미노프로필 관능기가 치환된 마그네슘 필로실리케이트 (3-aminopropyl functionalized magnesium phyllosilicate)인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 pH 의존형 장용성 폴리머는 폴리(메타크릴산-코-메틸 아크릴레이트)공중합체 (poly (methacrylic acid-co-methyl acrylate) copolymers)인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 pH 의존형 장용성 폴리머는 Eudragit® L100-55인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 약물은 단백질 약물, 펩타이드 약물 또는 항체 약물인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 단백질 약물은 우혈청 알부민 (bovine serum albumin; BSA) 또는 인슐린인 것을 특징으로 하는 pH-감응형 다중 코팅 나노복합체 제조방법.