KR102175448B1 - 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 산화철에 MX가 도핑되어 있는 나노입자로서 M은 중원자 원소를 나타내고 X는 할로겐 원소를 나타내는 산화철 나노입자, 상기 나노입자를 포함하는 암 치료용 조성물에 관한 것이다.

Description

중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자{Heavy atom-Halogen Compound Doped Iron oxide Magnetic Nanoparticles}

본 발명은 효율적인 자기유도발열능 및 높은 고유 손실력(ILP, intrinsic loss power)을 갖는 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자 및 그의 응용에 관한 것이다. 본 발명에 따른 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자는 생체 내에서 온열치료(hyperthermia), 특히 암 온열치료, 자기공명영상을 포함한 바이오 이미징, 약물 전달 시스템, 바이오 센서 등에 응용이 가능하다. 본 발명에 따른 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자는 암의 진단 및 치료를 동시에 이룰 수 있는 테라그노시스(theragnosis)가 가능하다.

자성 나노입자는 자기장을 가하게 되면 열을 발생시키는데, 이러한 특징을 이용해서 자성 나노물질은 다양한 열 발생 장치 또는 기술에 이용될 수 있다. 특히 의료 분야에서는 자기공명영상장치(MRI)의 조영제에 주로 사용되고, 나노메디슨 분야에서는 약물 전달을 위한 자기 캐리어(magnetic carrier), 자기 온열치료에 사용될 수 있다.

암의 치료로는 수술요법, 화학요법, 방사선 요법의 3대 치료법이 널리 사용되며 병용된다. 수술요법은 조기 암에는 가장 좋은 치료방법이나 암이 다른 조직으로 전이된 경우에는 좋은 치료 효과를 기대하기가 어렵다. 화학요법, 방사선 요법은 암 치료 효과가 낮을 뿐 아니라, 암 세포가 아닌 정상 세포에까지 영향을 미쳐 위장장애, 면역 기능 저하, 식욕부진, 전신쇠약, 탈모 등 다양한 부작용들을 야기시키는 것으로 알려져 있다. 특히, 화학요법은 몸 전체에 작용하게 되기 때문에 골수 독성과 같은 부작용 발생이 필연적이다. 이러한 기존 암 치료 방법의 한계점들을 보완하기 위하여 현재 여러 종류의 암 치료 방법들이 개발되고 있으며, 그 중 대표적인 것이 온열치료이다(Wust et al. Lancet Oncology, 2002, 3:487-497).

암 세포의 고유한 특성 중 하나는 열 적응 능력이 정상 세포에 비해 현저히 떨어진다는 것이다. 온열치료법은 이처럼 정상 세포와 암 세포의 열 감수성 차이를 이용하여 암 조직 및 주변의 온도를 약 40 내지 43 ℃로 올려 암 세포를 선택적으로 사멸시키는 항암요법이다. 암 세포 주변에 자성 나노입자를 주입하여 외부에서 자기장을 걸어주면 자성 나노입자에서 열이 발생하여 짧은 시간에 암 세포를 사멸시킬 수 있다. 자기장은 피부 조직에 의해 영향을 받지 않아 침투 깊이의 제한이 없기 때문에 자성 나노입자가 신체 내 암 조직에 축적되어 있을 때에 선택적으로 열을 가할 수 있다. 따라서 자성 나노입자를 이용한 온열치료 연구는 많은 관심을 받아왔다.

온열치료용 자성 나노입자로는 산화철 나노입자가 주로 사용된다. 산화철 나노입자는 사용되는 운동량만큼의 에너지가 열로써 전환되어 방출되는 간접 밴드갭(indirect band gap)을 갖는 물질이기 때문이다. 그 중 Fe₃O₄ 자성 나노입자는 생체적합성, 열 유도능력, 화학적 안정성 및 특유의 자기적 특성을 가지고 있어 온열치료를 위한 자기 발열체로서 연구가 활발히 진행되고 있으며, 미국 FDA에서 의료용으로 승인된 바 있다. 그러나 Fe₃O₄ 나노입자는 그 결정상이 주변 환경의 조건에 따라 α-Fe₂O₃, γ-Fe₃O₄ 등으로 쉽게 변하고, 이에 따라 발열 특성과 그 자기적 특성이 변하여 열 생성 능력이 감소한다는 단점이 있다. 다른 물질로는 Co, Ni, Mg 계열의 MFe₂O₄ (M = Co, Ni, Mg) 나노입자에 대한 연구가 진행되고 있으나, 이 역시 낮은 발열 온도로 인해 생체 내로의 적용이 어렵다는 단점이 있다.

이와 같이 온열치료법은 암 세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있어 부작용을 낮춘다는 장점이 있으나, 기존의 자성 나노입자를 기반으로 하는 온열치료 기술에서는 외부 교류 자기장에 의한 나노입자 자체의 발열량이 낮고 그 지속성이 제한적이란 문제점이 있어 온열치료의 한계점이 지적되어 왔다. 기존에는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 아래의 두 가지 방법을 사용하였다: (a) 나노입자의 발열 현상을 증가시키기 위해서 외부 교류 자기장의 세기 또는 주파수를 높이는 방법, 또는 (b) 생체 내에 주입시키는 나노입자의 농도를 높이는 방법.

그러나 (a) 외부 교류 자기장의 세기 또는 주파수를 높이는 방법은 피부 주위에 붉은 반점, 지방이 많은 부위에는 약간의 화상, 상처, 염증, 괴사 등이 나타나도록 할 수 있고, 암 조직뿐 아니라 정상 조직 세포를 손상시키거나 면역력을 낮추는 결과를 초래하기도 한다. 또한, 이러한 방법은 인체 유해성으로 인한 부작용을 피할 수 없기 때문에 임산부, 심한 염증 환자, 심장박동기를 식생한 환자, 흉수 및 복수가 심한 환자들에게는 사용이 금지되고 있다. 그 대안으로서 (b) 생체 내에 주입시키는 나노입자의 농도를 높이는 방법은 체내에 나노입자가 축적될 확률을 증가시키며, 나노입자 표면의 화학 조성으로 인한 독성 문제가 발생하기도 한다.

따라서 본 발명은 상기에서 언급한 종래 기술의 단점 없이 온열치료법의 효능을 높이는 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 자성 나노입자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 나노입자는 낮은 교류 자기장의 세기 및/또는 저주파 자기장 하에서도 소량으로 안전하고 효과적으로 암 세포의 사멸을 유도할 수 있다. 또 다른 실시양태로, 본 발명의 산화철 나노입자는 그 자기적 특성으로 인해 조영제로도 사용될 수 있기 때문에 암의 진단 및 치료를 동시에 수행할 수도 있다.

비특허문헌: Wust et al. Lancet Oncology, 2002, 3:487-497.

본 발명자들은 비교적 낮은 교류 자기장의 세기 및/또는 저주파인 자기장 하에서 자성 나노입자의 열 발생 효율을 높이기 위해 연구 노력하였다. 그 결과, 기존의 반도체 소자 영역에서 적용되던 기술인 삼중항 전이(Interconversion), 진동 에너지 이완(vibration energy relaxation) 메커니즘을 자기 온열치료용 자성 나노입자에 적용할 수 있음을 놀랍게도 발견하였다. 즉, 본 발명자들은 산화철 나노입자에 중원자-할로겐 화합물을 도핑함으로써 낮은 교류 자기장의 세기, 낮은 주파수, 낮은 용량으로 우수한 암세포사멸 효과를 거둘 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 중원자-할로겐 화합물로 도핑된 산화철 나노입자를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 나노입자를 포함하는 온열 암치료 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중원자-할로겐 화합물로 도핑된 산화철 나노입자를 포함하는 바이오 이미징 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중원자-할로겐 화합물로 도핑된 산화철 나노입자를 포함하는 암 진단 및 치료를 동시에 수행하는 조성물을 제공하는 데 있다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래 기재로부터 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명은 산화철 나노입자에 MX가 도핑되어 있는 자성 나노입자를 제공한다. 여기서 상기 M은 중원자 원소를 나타내고, 상기 X는 할로겐 원소를 나타낸다.

본 발명자들은 자성 나노물질의 발열 효율을 높이기 위해 부단히 연구 노력한 결과, 간접 밴드갭을 갖는 산화철 자성 나노입자에 중원자-할로겐 화합물을 도핑하면 고효율의 열 발생 효과를 거둘 수 있음을 발견하였다. 이는 아래 두 가지 메커니즘으로 인한 것으로 생각된다.

첫 번째 메커니즘은 삼중항 전이로 설명된다. cation과 anion이 외부 자기장을 흡수하면 각각 up spin과 down spin의 서로 다른 스핀 상태를 갖게 되는데, up spin과 down spin이 쌍으로 이루어진 paired spin이라 하여 단일항(singlet) 상태에 해당한다. 단일항 상태에 충분한 에너지의 자기장이 지속적으로 인가되는 경우, 단일항에서 삼중항(triplet)으로 전이가 발생하는 삼중항 전이가 유도된다. 이러한 삼중항 전이는 금속 산화물에서 일반적으로 발현되지 않는 현상으로 중원자-할로겐 화합물의 도핑 효과에 의한 것이다. 삼중항 전이를 통해 여기(excitation)된 스핀이 흡수한 에너지를 방출할 때에는 비방사성 결합(Non-radiative recombination)을 통한 내부 양자 효율의 향상으로 인해 효과적인 열 발생의 결과를 가져온다. 스핀 통계에 따르면 여기 점유 확률의 25 %가 단일항, 75 %가 삼중항이기 때문에 삼중항을 사용할 때 내부 양자 효율을 증폭시킬 수 있다.

[단일항, 삼중항의 바닥과 여기 상태(스핀 선택 규칙에 의한 메커니즘)]

두 번째 메커니즘은 진동 에너지 이완으로 설명된다. 하기 그림에 도시된 바와 같이 산화철에 중원자-할로겐 화합물이 도핑 되었을 때, 기존의 산화철이 가지고 있는 에너지 갭 내부에서 새로운 에너지 준위들이 생성된다. 일반적으로는 Valence Band Maximum(VBM)에 있는 전자가 외부 에너지를 흡수하게 되면 Conduction Band Minimum(CBM)으로 여기 되었다가 다시 VBM으로 떨어지게 되는데, 중원자-할로겐 화합물 도핑을 통해 새로운 에너지 준위들이 생성되었을 때는 여기된 전자들이 새롭게 생성된 에너지 준위들을 거쳐가면서 VBM에 도달하게 된다. 이렇게 전자들이 새로운 에너지 준위를 거쳐가게 되는 경우 계단 형식으로 에너지를 차례차례 방출하게 되는데, 산화철의 경우 간접 밴드갭을 갖기 때문에 이 에너지는 빛 또는 다른 형태의 에너지가 아닌 열 에너지로 방출하게 된다.

[도핑을 통한 밴드 갭(bandgap) 내부에서의 새로운 에너지 준위(sub-level) 발생의 예]

상기 삼중항 전이 및 진동 에너지 이완 메커니즘은 산화철 내부 양자 효율을 증폭시켜, 외부 교류 자기장을 이용한 온열치료법에 사용되는 자성 나노입자의 효율적인 열 발생의 결과를 가져온다. 이에 따라 본 발명은 산화철 나노입자의 생체적합성, 화학적 안정성, 자기적 특성의 이점에도 불구하고 낮은 발열량으로 인해 사용이 제한되었던 종래 기술의 단점을 극복할 수 있게 되었다. 본 명세서에서 용어 "산화철"은 Fe₃O₄(magnetite), γ-Fe₂O₃(maghemite) 및 α-Fe₂O₃(hematite)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서 용어 "중원자"는 예컨대, Mn, Co, Cu, Se, Sr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Sn, Ba, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb와 같은, B(보론)보다 더 무거운(heavier) 원자들을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들면, 본 발명의 산화철은 Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃ 및 α-Fe₂O₃로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고, 바람직하게는 Fe₃O₄일 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 M은 Cu, Sn, Pb, Mn, Ir, Pt, Rh, Re, Ag, Au, Pd 및 Os로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고, 바람직하게는 Cu, Sn, Pb, Mn일 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 X는 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고, 바람직하게는 I일 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 MX는 CuI, CuF, CuBr, CuCl, SnI, SnF, SnBr, SnCl, PbI, PbF, PbBr, PbCl, MnI, MnF, MnBr 및 MnCl로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되고, 바람직하게는 CuI, CuF, CuBr, CuCl일 수 있다.

본 발명의 자성 나노입자는 MX를 철-올레산 복합체 대비 약 1 내지 13 mol%, 바람직하게는 약 1 내지 6 mol%, 보다 바람직하게는 약 3 내지 6 mol%, 보다 더 바람직하게는 약 6 mol%로 포함하여 제조된다.

본 발명의 자성 나노입자는 약 5 내지 30 nm의 크기를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 온열치료용 조성물은 자성 나노입자의 입자 크기가 약 15 nm 이하일 경우에는 정맥내 주입이 바람직하고, 약 15 nm 이상일 경우에는 병변내(intralesional), 종양내(intratumor) 주입이 바람직하다. 그러나 피부암의 온열치료와 같이 체외에 조성물을 투여하는 경우에는 모든 나노 물질의 크기가 가능하다.

본 발명의 자성 나노입자는 (a) 전구체인 금속착물, 안정제, 분산제를 유기용매에 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계, (b) 상기 혼합 용액을 합성에 사용되는 유기용매의 끓는점 이하에서 열분해시켜 결정핵을 생성하는 단계(nucleation) 및 (c) 상기 결정핵의 성장 단계(growth step)를 통해 결정구조를 이루는 단계를 거쳐서 제조할 수 있다. 안정한 형태의 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 나노입자 합성을 위해서는 용매 비율, 반응 온도, 승온 속도 등이 영향을 미친다.

상기 나노물질 전구체는 금속 니트레이트 계열의 화합물, 금속 설페이트 계열의 화합물, 금속 아세틸아세토네이트 계열의 화합물, 금속 플루오르아세토아세테이트 계열의 화합물, 금속 할라이드 계열의 화합물, 금속 퍼클로로레이트 계열의 화합물, 금속 알킬옥사이드 계열의 화합물, 금속 설파메이트 계열의 화합물, 금속 스테아레이트 계열의 화합물 또는 유기 금속 계열의 화합물이 이용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 명세서에서 "친수성 리간드"는 나노입자 표면에 코팅되어 나노입자의 수용화 및 안정화를 꾀하며, 생물/화학 활성 물질, 특히 본 발명의 암 세포 표적화 물질 또는 침투력 증진 물질과의 결합을 가능하게 하는 리간드이다. "친수성 리간드"는 덱스트란 유도체, 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 녹말(starch), 실리카(silica), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 인산-폴리에틸렌글리콜(PEG-Phosphate, PO-PEGs) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 "암 세포 표적화 물질"는 엽산, 트랜스페린(transferrin) 및 RGD 펩타이드를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 "침투력 증진 물질"은 히알루로니데이즈, 콜라게네이즈를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 산화철 나노입자를 포함하는 온열치료용 조성물을 제공한다.

본 명세서에서 용어 "온열치료"는 신체 조직을 정상체온보다 높은 온도에 노출시킴으로써 암세포를 비롯한 병변 세포를 사멸시키거나 또는 이들 세포가 방사선 치료나 항암제 등에 대해 더 높은 민감성을 가지도록 하는 것을 의미한다. 암 온열치료로는, 방사선치료/약물요법과 병용하여 암 치료 효과를 높여 주는 전신온열치료(whole body hyperthermia)가 있고, 목표로 하는(targeted) 고형암에 자성 나노입자를 주입하고 외부 교류 자기장을 가하여 암 세포를 사멸시키는 국부온열치료(loco-regional hyperthermia)가 있다.

본 발명의 온열치료용 조성물은 통상적으로 약제학적 조성물로 제공된다. 따라서, 본 발명의 온열치료용 조성물은 약제학적으로 허용되는 담체를 포함한다. 적합한 약제학적으로 허용되는 담체 및 제제는 레밍턴 저서(Remington's Pharmaceutical Sciences 19th ed., 1995)에 상세히 기재되어 있다.

본 발명의 온열치료용 조성물은 비경구 방식으로 투여되는 것이 바람직하다. 비경구 투여를 하는 경우, 정맥내 주입, 피하 주입, 근육 주입, 복강 주입, 병변내 주입, 종양내 주입 등으로 투여될 수 있다.

바람직한 일 실시태양으로, 본 발명에 따른 조성물은 비경구 투여를 위한 수용성 용액으로 제조될 수 있다. 바람직하게는 한스 용액(Hank’s solution), 링거 용액(Ringer’s solution) 또는 물리적으로 완충된 염수와 같은 완충 용액을 사용할 수 있다. 수용성 주입 현탁액은 소듐 카르복시메틸셀룰로즈, 솔비톨 또는 덱스트란과 같이 현탁액의 점도를 증가시킬 수 있는 기질을 첨가할 수 있다.

바람직한 일 실시태양으로, 본 발명의 조성물은 수성 또는 유성 현탁액의 멸균 주사용 제제의 형태일 수 있다. 이러한 현탁액은 적합한 분산제 또는 습윤제(예를 들어, 트윈 80) 및 현탁화제를 사용하여 본 분야에 공지된 기술에 따라 제형화될 수 있다. 사용될 수 있는 비히클 및 용매로는 만니톨, 물, 링거 용액 및 등장성 염화나트륨 용액이 있다.

본 발명의 온열치료용 조성물은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있는 방법에 따라, 약제학적으로 허용되는 담체 및/또는 부형제를 이용하여 제제화함으로써 단위 용량 형태로 제조되거나, 또는 다용량 용기 내에 내입시켜 제조될 수 있다.

본 발명의 온열치료용 조성물은 적합한 투여 경로로 환자에게 투여된 다음, 교류 자기장을 조사하면 발생하는 열에 의해 암 세포를 사멸시키고/사멸시키거나 암 세포가 방사선 치료나 항암제 등에 대한 더 높은 민감성을 가지도록 할 수 있다.

교류 자기장은 1 kHz 내지 1 MHz의 주파수, 바람직하게는 30 kHz 내지 120 kHz의 주파수를 갖는 자기장이 이용될 수 있다. 단일항에서 삼중항으로 스핀 상태를 전환시키기 위해서는 1 MHz 이상의 교류 자기장을 인가해주어야 하나, 본 발명의 경우 수십 내지 수백 kHz의 교류 자기장 하에서도 삼중항 전이가 가능하다. 교류 자기장은 20 Oe(1.6 kA/m) 내지 200 Oe(16.0 kA/m)의 자기장 세기, 바람직하게는 80 Oe(6.4 kA/m) 내지 160 Oe(12.7 kA/m), 보다 바람직하게는 140 Oe(11.1 kA/m)의 자기장 세기로 이용될 수 있다. 기존 고에너지 방식과는 달리 비교적 인체에 무해한 낮은 자기장의 세기 및/또는 저주파의 교류 자기장에서도 본 발명이 사용될 수 있다는 점에서 유용하다.

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명의 온열치료용 조성물로 치료되는 질환은 암이다. 위암, 폐암, 흑색종, 자궁암, 유방암, 난소암, 간암, 기관지암, 비인두암, 후두암, 췌장암, 방광암, 결장암, 직장암, 대장암, 자궁경부암, 뇌암, 전립선암, 골암, 피부암, 혈액암, 신장암, 전립선암, 갑상선암, 부갑상선암 및 요관암 등과 같은 다양한 암 질환에서 암 세포의 사멸을 효과적으로 유도할 수 있다.

본 발명의 온열치료용 조성물은 치료학적 유효량의 열방출용 나노입자를 포함한다. 용어 "치료학적 유효량"은 치료 목적의 질환을 치료할 수 있는 충분한 양을 의미하며, 일반적으로 0.0001~100 mg/kg이다.

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명의 자성 나노입자를 교류 자기장에 노출시키자 온도가 올라가는 것을 확인하여(도 3), 본 발명의 자성 나노입자가 온열치료 효과를 가질 수 있음을 확인하였다. 아울러 본 발명의 자성 나노입자의 ILP를 측정하여 발열 효과를 확인하였다(도 4). 본 발명의 자성 나노입자를 포함하는 조성물을 쥐에 피하투여하여 온열치료를 적용한 결과, 종양 크기가 대조군에 비해 현저히 작아 암 세포의 성장을 효과적으로 억제하는 치료 효과가 있음을 확인하였다(도 6). 쥐에 본 발명의 자성 나노입자를 정맥투여한 후 혈액생화학적, 전해질 수치를 검사한 결과 독성 문제가 발생하지 않음을 확인하였다(표 3).

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 중원자-할로겐 화합물이 도핑된 나노입자를 포함하는 바이오 이미징을 위한 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 자성 나노입자는 자성을 갖고 있어서 자기적 성질을 이용한 진단법에 유용하게 사용될 수 있는데, 구체적으로 자기적 성질을 이용한 진단법은 자기공명영상(MRI)을 포함하고, 본 발명의 자성 나노입자는 이러한 진단법에 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시양태에 따르면, 본 발명은 (a) 암 의심 환자에게 상기 자성 나노입자를 포함하는 조성물을 투여하는 단계 및 (b) 상기 환자를 자기공명장치를 이용하여 자성 나노입자의 존재 유무를 검출하는 단계를 포함하는, 암 진단 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 자성 나노입자를 투여하면, MRI T1- 및 T2-weighed 이미지에서 병변과 정상조직과의 대조도가 명백하게 증강되어 가시화되는 조영 효과를 확인할 수 있다. 본 발명의 자성 나노입자를 투여하면 별도의 추가적인 조영제 투여 없이도 암 진단을 할 수 있기 때문에, 본 발명의 자성 나노입자로 암의 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있다.

본 발명의 자성 나노입자에 암 세포 표적화 물질 또는 침투력 증진 물질이 결합되어 있는 경우, 외부 교류 자기장 하에서 열 진단 및 치료를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

본 개시의 일 측면에 있어서, 용어 "약"은 구체적 수치에 포함되는 제조 공정상의 오차나 본 개시의 기술적 사상의 범주에 들어가는 약간의 수치 조정을 포함하는 의도로 사용되었다. 예를 들어, 용어 "약"은 그것이 지칭하는 값의 ±10％, 일 측면에서 ±5％, 또 다른 측면에서 ±2％의 범위를 의미한다.　 이 개시내용의 분야에 있어서, 값이 구체적으로 보다 좁은 범위를 요구하는 것으로 언급되지 않는다면 이 수준의 근사치가 적절하다.

본 발명은 인체에 무해한 낮은 에너지의 외부 교류 자기장 및 낮은 용량 범위에서 효율적인 자기유도발열능 및 높은 고유 손실력(ILP)을 나타내는 자성 나노입자를 제공한다. 따라서, 본 발명의 자성 나노입자를 포함하는 조성물은 암을 포함한 질환의 온열치료법에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 자기적 성질을 이용한 진단법에도 유용하게 사용될 수 있어 진단 및 치료를 동시에 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 일 실시양태에 따라 합성된 CuI/Fe₃O₄ 나노입자를 투과전자 현미경을 이용하여 관찰한 결과를 도시한 것이다(a: 투과전자현미경(TEM) 이미지, b: 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지, c: 고속 푸리에 변환(FTT) 이미지).
도 2는 본 발명에서 일 실시양태에 따라 합성된 다양한 크기의 CuI/Fe₃O₄ 나노입자를 투과전자 현미경을 이용하여 관찰한 결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에서 일 실시양태에 따라 합성된 CuI 도핑 양이 다른 CuI/Fe₃O₄ 나노입자에 외부 교류 자기장을 가한 후, 시간에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 일 실시양태에 따라 합성된 CuI 도핑 양이 다른 CuI/Fe₃O₄ 나노입자에 외부 교류 자기장을 가한 후, ILP 값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 나노입자와 기존에 공지된 대표적인 물질과의 ILP 값을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시양태에 따른 나노입자를 생체 내 온열치료 시험을 수행한 후, 시간에 따른 암 크기를 나타낸 그래프이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 기술을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예

실시예 1: CuI가 도핑된 산화철 자성 나노입자의 합성

본 명세서에서 기술된 자성 나노입자의 예로서 CuI 도핑 양이 약 6%인 조성을 갖는 나노입자는 다음과 같은 방법으로 합성하였다.

(a) 철-올레산 복합체(iron oleate) 합성

FeCl₃·6H₂O(30 mmol)과 올레산나트륨(sodium oleate)(28 mmol)을 헥산 200 ml, 에탄올 100 ml, 탈이온수 100 ml와 혼합하고 110 ℃에서 6시간 동안 강하게 교반시키면서 반응시켰다. 반응액을 상온에서 냉각시킨 후 분별깔대기를 이용하여 투명한 아래층을 제거하고, 갈색의 상층 유기층에 물 100 ml를 혼합하여 흔들어준 후 다시 아래 물 층을 제거하였다. 이를 3번 반복하였다. 남은 갈색의 유기층을 비이커에 옮겨 헥산이 증발되도록 110 ℃에서 4시간 가열하였다.

(b) CuI가 도핑된 산화철 자성 나노입자 합성

철-올레산 복합체 4.5 g(5 mmol)과 올레산 1.7 g(6 mmol), CuI 0.05 g(0.3 mmol)을 1-에이코센 7 ml 및 다이벤질 에테르 13 ml와 혼합하였다. 혼합액을 둥근 바닥플라스크에 넣고 30분 정도 90 ℃, 진공 상태에서 기체와 수분을 제거하였다. 질소를 주입하고 200 ℃까지 온도를 올렸다. 이후 온도를 3.3 ℃/min 속도로 310 ℃까지 올려준 후 60분간 반응시켰다. 반응액을 냉각시킨 후 50 ml 코니컬 튜브(conical tube)에 옮기고, 에탄올 및 헥산을 1:1 비율로 30 ml 주입한 후 원심 분리하여 나노입자를 침전시켰다. 침전된 나노입자를 헥산 10 ml 및 에탄올 5 ml로 수세한 후 수득한 침전물을 톨루엔 또는 헥산에 분산시켰다. 여기서 다이벤질 에테르는 150 ℃ 이상의 온도에서 벤질 알데하이드와 톨루엔으로 분해되며, 상기 알데하이드에서 생성된 라디칼에 의해 Iron oxo(-Fe-O-Fe-)와 중원자-할로겐 화합물(CuI) 간의 수소 결합 형성을 도와 결정 형성에 참여하게 된다.

실시예 1에서 제조되는 나노입자의 크기는 약 6~7 nm였다. (a) 단계에서 올레산의 혼합량을 1.84 g(6.5 mmol), 1.98 g(7mmol), 2.12 g(7.5 mmol), 2.26 g(8 mmol)로 조정함으로써 크기가 각각 약 8~9 nm, 약 9~10 nm, 약 13~14 nm, 약 14~15 nm인 나노입자를 수득하였다. 크기가 약 20 내지 30 nm인 나노입자를 제조하기 위해서는, 올레산 혼합량을 2.82 g(10 mmol)로 조정하고, 더 나아가 (b) 단계에서 1-에이코센 및 다이벤질 에테르의 양을 모두 10 ml로 조정하여 온도를 330 ℃까지 3.3 ℃/min 속도로 올려준 후 60분간 반응시킴으로써 제조하였다.

실시예 1에서 사용된 CuI의 양은 0.05 g(0.3 mmol)으로, CuI 도핑 양은 철-올레산 복합체(5 mmol) 대비 약 6 %였다. CuI의 투입량을 0.0057 g(0.03 mmol), 0.019 g(0.1 mmol), 0.124 g(0.65 mmol)로 조정하여 CuI 도핑 양이 각각 약 1 %, 3 %, 13 %인 나노입자를 수득하였다.

실시예 2: 친수성 리간드(폴리아크릴산)로 코팅된 자성 나노입자의 제조

폴리아크릴산 2 g과 테트라에틸렌글리콜 40 ml를 110 ℃에서 가열하다가 헥산5 ml에 분산된 산화철 자성 나노입자 150 mg를 주사기로 주입하였다. 이를 교반하며 280 ℃에서 8시간 동안 반응시켰다. 반응액을 냉각 후 0.01 N HCl 20 ml을 넣고 자석에 끌린 나노입자를 수집하였다. 이를 두 번 반복한 후, 에탄올을 이용하여 침전물을 수득하고 마지막으로 물에 분산시켰다.

실시예 3: 외부 교류 자기장 하에서 중원자-할로겐 화합물의 도핑 양에 따른 온도 변화 분석

교류 자기장을 유도하여 가열시키는 시스템은 4개의 주 하부 시스템으로 이루어져 있다; (a) 주파수 변조 및 진폭 사인 파형 발생기 (a variable frequency and amplitude sine wave function generator(20 MHz Vp-p, TG2000, Aim TTi, USA)), (b) 전력 증폭기 (1200Watt DC Power Supply, QPX1200SP, Aim TTi, USA), (c) 유도 코일 (회전수: 17, 직경: 50 ㎜, 높이: 180 ㎜) 및 자기장 발생장치 (Magnetherm RC, nanoTherics, UK), (d) 온도 변화 열전대 (OSENSA, Canada).

CuI 도핑된 산화철 자성 나노입자를 상기에서 설명한 바와 같이 제조하였다. 상기 자성 나노입자를 탈이온수에 2 mg/ml 농도로 희석한 후 교류 자기장을 인가하여, 온도 변화를 열전대(thermocouple, OSENSA, Canada)를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 도핑되지 않은 산화철 자성 나노입자(IONP; Iron Oxide Nanoparticle)의 대조군에 비해, CuI가 도핑된 산화철 자성 나노입자가 교류 자기장을 유도하자 온도가 현저히 올라가는 것을 확인하였다(도 3). CuI의 도핑 양은 철-올레산 복합체 대비 6 mol%, 3 mol%, 1 mol%, 13 mol%인 순으로 자기유도발열능이 우수했다.

실시예 4: 비손실력(SLP, specific loss power) 측정

나노입자의 발열량은 물리적, 화학적 특성 및 외부 교류 자기장의 세기, 주파수에 따라 발열량이 다르게 나타나기 때문에, 대부분의 연구 결과에서는 나노입자의 발열 능력을 SLP, ILP로 나타내고 있다. SLP는 질량 단위 당 손실된 전자기력으로 kg 당 W(와트)로 나타낸다. 나노입자간의 온열치료 효과 비교는, 실험마다 f(주파수), H(자계 세기)의 조건이 각각 다를 수 있기 때문에 식 [ILP= SLP/(f·H²)]을 이용하여 SLP 값을 ILP 값으로 환산함으로써 비교 가능하다.

SLP 측정은 픽업 코일과 오실로스코프로 제어된 직렬 공진회로의 교류자기장 발생 장치(Magnetherm RC, Nanotherics)를 사용하였다. f= 108.7 kHz, H= 11.4 kA/m의 단열 조건에서 측정되었으며, 광섬유 IR probe를 사용하여 온도를 측정하였다.

폴리아크릴산으로 코팅된 자성 나노입자는 상기에서 설명한 바와 같이 제조되었다. 상기 자성 나노입자를 20 mg/ml의 농도로 조절하여 SLP를 측정하였다. 그 결과, 도핑되지 않은 산화철 자성 나노입자의 대조군에 비해, CuI가 도핑된 산화철 나노입자가 교류 자기장 하에서 높은 ILP가 발생하는 것을 확인하였다(도 4). CuI의 도핑 양은 철-올레산 복합체 대비 6 mol%, 3 mol%, 1 mol%, 13 mol%인 순으로 자기유도발열능이 우수했다.

도 4는 기존에 공지된 대표적인 물질과의 ILP 값을 비교한 그래프이고, 구체적인 ILP 값은 표 1에 나타내었다. 표 1에 따르면, 종래 공지된 나노입자들에 비해 본 발명의 일 실시양태에 따른 나노입자의 ILP 값은 약 50% 내지 6600% 정도 증가된 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

샘플명	ILP 값
문헌 1	1.75
문헌 2	4.52
문헌 3	4.48
문헌 4	5.6
문헌 5	1.84
문헌 6	3.23
문헌 7	7.04
문헌 8	2.33
문헌 9	1.47
페리덱스® (Feridex®)	0.16
레조비스트® (Resovist®)	0.21
본 발명에 따른 나노입자	10.6

[비교대상샘플 출처]

실시예 5: 생체 내(in vivo) 암 치료 효과 확인 실험

도 6은 본 발명에 따른 나노입자를 이용한 온열치료에 의한 세포사멸이 생체 내에서도 효과적으로 일어남을 보여준다. Panc-1세포를 Balb/c nude 마우스에 이식한 후 암 조직의 크기가 100 mm³이 될 때 본 발명의 자성 나노입자가 포함된 조성물(6% CuI가 도핑된 산화철 나노입자 3 mg을 탈이온수에 분산시켜 수득한 수용액 150 ㎕) 피하투여한 뒤 교류 자기장 발생 장치(100 kHz, 80 G)를 30 분 인가하여 온열치료를 하고 28일간 암의 부피를 확인하였다. 그 결과, 암의 부피는 유발 대조군(G1)과 비교하여 93 % 작아, 암의 성장이 효과적으로 억제됨을 확인하였다.

군	성별	동물수 (마리)	투여물질	교류 자기장 발생 장치 적용여부	투여경로	투여액량 (μL/head)
G1	F	5	-	N	-	-
G2	F	5	지티아이바이오사이언스 실험물질	N	직접주입	시험물질: 150
G3	F	5	-	Y	-	-
G4	F	5	지티아이바이오사이언스 실험물질	Y	직접주입	시험물질: 150

실시예 6: 생체 내(in vivo) 투여 시 독성 실험

표 3은 본 발명에 따른 조성물을 Balb/c nude 마우스에 150 ㎕투여하기 전과 투여한 후 1일째, 7일째, 14일째, 28일째에 혈액생화학적, 전해질 수치를 검사한 것이다. 유의할 만한 수치 감소 및/또는 증가는 없었으며, 정맥주사 후 간독성 지표(ALP, ALT, AST)가 다소 증가하고 신장독성 지표로서 Glucose가 감소하고 Creatinine, K이 증가하였으나 7~14일째에는 정상으로 돌아왔다.

Claims (18)

1. 철-올레산 복합체로부터 유래된 산화철을 포함하는 입자에 CuI가 도핑되고,
   상기 CuI는 상기 철-올레산 복합체 100 mol%를 기준으로 1 내지 6 mol%로 포함되는 것인, 산화철 자성 나노입자.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화철은 Fe₃O₄(magnetite), γ-Fe₂O₃(maghemite) 및 α-Fe₂O₃(hematite)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것인 산화철 자성 나노입자.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 산화철 자성 나노입자는 5 nm 내지 30 nm의 평균 입자경을 갖는 것인, 산화철 자성 나노입자.
9. 제1항에 있어서, 상기 CuI가 도핑된 입자에 친수성 리간드가 코팅된 것인, 산화철 자성 나노입자.
10. 제1항에 있어서, 1 kHz 내지 1 MHz의 저주파 및 20 Oe(1.6 kA/m) 내지 200 Oe(16.0 kA/m)의 세기를 갖는 자기장에서 사용되는 것인, 산화철 자성 나노입자.
11. 제9항에 있어서, 상기 친수성 리간드는 덱스트란 유도체, 폴리아크릴산, 녹말, 실리카, 폴리에틸렌글리콜 및 인산-폴리에틸렌글리콜(PEG-Phosphate, PO-PEGs)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것인, 산화철 자성 나노입자.
    
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

Images