KR102206770B1 - 광열 나노입자, 항암제 및 히알루론산 및 peg의 컨쥬게이트를 포함하는 광열 나노복합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트를 포함하되, 상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 광열 나노입자의 표면에 결합된 광열 나노복합체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광열 나노복합체는 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트가 광열 나노입자의 표면에 결합되어 있어, 암세포 표면에 발현된 히알루론산 수용체인 CD44와 결합하여 암세포를 표적화할 수 있고, 산성 조건에서 항암제를 방출시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 광열 나노복합체는 근적외선 조사 시 광열 나노입자에 의한 광열치료 효과와 항암제에 의한 화학 치료 효과를 동시에 가지므로 우수한 암 치료 효과를 나타낸다.

Description

광열 나노입자, 항암제 및 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 포함하는 광열 나노복합체{A photothermal nanocomplex comprising photothermal nanoparticle, anticancer drug and conjugate of hyaluronic acid and PEG}
본 발명은 광열 나노입자, 항암제 및 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 포함하는 광열 나노복합체에 관한 것이다.
현재 주요한 암 치료법은 크게 세 가지 방법으로 크게 분류할 수 있는데, 수술로 암을 잘라내어 제거하는 방법, 항암제를 이용한 화학 치료 요법, 그리고 방사선 치료 요법이 있으며, 이들 세 가지 방법을 단독 또는 함께 사용하여 암 치료에 이용되고 있다. 그러나 수술은 대부분의 경우 전신마취를 동반한다는 어려움이 있고, 암이 퍼진 경우 수술이 암 치료에 크게 도움이 되지 못한다는 문제가 있다. 또한, 항암제를 이용한 화학 치료 요법의 가장 큰 문제점으로는 항암제의 생체 내 안정성과 세포막 투과 효율이 낮아서 많은 양의 약물 투여가 불가피하다는 점과 일단 안정성과 세포막 투과율이 높아지더라도 암세포와 정상세포를 구별하지 않은 무차별적인 세포 사멸 기작 때문에 정상 조직에까지 잠재적 독성을 나타내는 점이 있다. 방사선 치료 요법 또한 정상세포에 손상을 준다는 문제가 있다.
한편, 광열치료(photothermal therapy)는 최근 현대의학의 암 치료 분야에서 가장 급속하게 연구되고 있고 각광받고 있는 기술로, 금, 은, 멜라닌 또는 그래핀과 같은 광 감응성 물질을 투여한 후 질환 부위에 근적외선 레이저를 조사해 열을 발생시킴으로써 국소적인 가열을 통해 비정상적인 세포, 특히 암세포를 선택적으로 사멸시키는 치료법이다. 정상세포와 비교해서 빠르게 자라나는 암세포는 혈액의 공급이 좋지 못해 열에 대한 저항성이 나쁘므로, 열은 암세포를 선별적으로 사멸시킬 수 있다. 또한 외과수술법에 비해 비침습적이고 간단하며, 여러 차례 반복 치료가 가능한 이점도 있다. 일례로, 대한민국 등록특허공보 제10-1349360에서는 금 이온이 결합 된 파이레닐 덱스트란 고분자 나노입자를 제조하였는데 이는 근적외선 영역에서 높은 흡광도를 나타내었고 근적외선 레이저를 조사 시 온도 상승효과를 보고 함으로써 종양의 광열 치료 가능성을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 광열치료법을 위한 광 감응성 물질은 암 부위로의 정확한 전달에 한계가 있어 아직까지는 이를 활용한 적극적인 임상실험이 어려운 실정으로 정상세포에 가해질 수 있는 위해를 최소화할 수 있는 암세포로의 고효율 표적화 기술 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트를 포함하는 광열 나노복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트를 포함하는 광열 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 광열 나노복합체를 포함하는 암 치료용 약학적 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트를 포함하되, 상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 광열 나노입자의 표면에 결합된 광열 나노복합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 1) 광열 나노입자 표면에 링커를 결합하는 단계; 2) 상기 단계 1)의 링커가 결합된 광열 나노입자와 항암제를 반응시켜 항암제가 연결된 광열 나노입자를 제조하는 단계; 및 3) 상기 단계 2)의 항암제가 연결된 광열 나노입자와 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 반응시키는 단계;를 포함하는 광열 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 광열 나노복합체를 포함하는 암 치료용 약학적 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 광열 나노복합체는 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트가 광열 나노입자의 표면에 결합되어 있어, 암세포 표면에 발현된 히알루론산 수용체인 CD44와 결합하여 암세포를 표적화할 수 있고, 산성 조건에서 항암제를 방출시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 광열 나노복합체는 근적외선 조사 시 광열 나노입자에 의한 광열치료 효과와 항암제에 의한 화학 치료 효과를 동시에 가지므로 우수한 암 치료 효과를 나타낸다.
도 1은 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트(HA-PEG)의 형성을 나타낸 것이다.
도 2는 금 나노입자(AuNP)의 표면을 3,3'-디티오디프로피온산(3,3'-dithiodipropionic acid) 링커에 의해 카르복실화하여 시스플라틴(cisPt)을 로딩시키고, 히알루론산과 PEG의 컨쥬게이트(HA-PEG)를 AuNP 표면에 결합시킨 금 나노복합체(HA-cisPt-AuNP)의 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 HA 및 HA-PEG의 NMR 결과이다 (HA: 히알루론산; HA-PEG: 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트).
도 4는 AuNP 및 HA-cisPt-AuNP의 흡광도를 측정한 결과이다 (AuNP: 금 나노입자; HA-cisPt-AuNPP: 본 발명의 금 나노복합체).
도 5는 AuNP 및 HA-cisPt-AuNP을 투과전자현미경으로 촬영한 사진이다 (A: AuNP(금 나노입자); B: HA-cisPt-AuNP(본 발명의 금 나노복합체)).
도 6은 pH 조건(pH 5.5 또는 pH 7.4)에 따른 HA-cisPt-AuNP의 cisPt 방출을 나타낸 것이다.
도 7은 MCF-7 세포에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 세포 독성 효과를 측정한 결과이다.
도 8은 U-87 세포에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 세포 독성 효과를 측정한 결과이다.
도 9는 NIH/3T3 세포에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 세포 독성 효과를 측정한 결과이다.
도 10은 종양을 가진 마우스에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 시간에 따른 종양 부피를 측정한 결과이다.
도 11은 종양을 가진 마우스에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 마우스의 종양 부위를 촬영한 사진이다.
도 12는 종양을 가진 마우스에 cisPt 처리, HA-cisPt-AuNP 처리 또는 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때의 시간에 따른 마우스의 무게를 측정한 결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트(conjugate)를 포함하되, 상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 광열 나노입자의 표면에 결합된 광열 나노복합체를 제공한다.
상기 광열 나노입자는 금속 나노입자, 유기 고분자 나노입자, 그래핀 나노시트, 멜라닌 나노입자, 지질 나노입자 또는 무기 나노입자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 광열 나노입자는 금 나노입자일 수 있다. 상기 금 나노입자의 직경은 10 내지 100 nm일 수 있고, 구체적으로 20 내지 80 nm일 수 있고, 더 구체적으로는 30 내지 70 nm일 수 있다.
또한, 상기 광열 나노입자는 근적외선 영역의 빛을 흡수하여 발열하는 것일 수 있다.
상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 히알루론산의 카르복실 그룹(carboxyl group)과 NH2-PEG-SH의 아미노 그룹(amino group)의 아미드(amide) 결합으로 형성된 것일 수 있다.
상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 광열 나노입자의 표면에 공유결합, 이온결합, 배위결합 또는 기타 상호작용을 통해 결합된 것일 수 있다. 구체적으로, PEG 말단의 티올 그룹(thiol group)이 광열 나노입자의 표면에 결합된 것일 수 있고, 더 구체적으로 PEG 말단의 티올 그룹이 금 나노입자의 표면에 Au-S 결합을 통해 결합된 것일 수 있다. 상기 결합을 통해 광열 나노입자는 히알루론산으로 코팅된 형태를 나타낼 수 있다.
상기 히알루론산은 암세포 표면에 발현된 단백질과 결합하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 히알루론산은 암세포 표면에 발현된 CD44와 결합하는 것일 수 있다.
상기 항암제는 링커를 통해 광열 나노입자에 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 링커는 광열 나노입자에 결합하여 광열 나노입자 표면에 기능기를 제공하는 것일 수 있다. 상기 항암제는 링커의 기능기에 결합하여 광열 나노입자에 연결될 수 있다. 상기 기능기는 히드록실 그룹(hydroxyl group), 아민 그룹(amine group) 또는 카르복실 그룹(carboxyl group)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 링커는 3,3'-디티오디프로피온산(3,3'-dithiodipropionic acid), 2,2'-디티오디글리콜산(2,2'-dithiodiglycolic acid) 또는 2,2'-디티오디벤조산(2,2`-dithiodibenzoic acid) 등일 수 있으며, 이 경우 항암제는 링커의 카르복실 그룹에 결합하여 광열 나노입자에 연결될 수 있다.
상기 광열 나노복합체는 암세포 표면에 결합 후 암세포 내 리소좀으로 흡수되는 것일 수 있다.
또한, 상기 항암제는 산성 조건에서 방출될 수 있다. 구체적으로, 상기 항암제는 pH 2 내지 7.5, 구체적으로 pH 3 내지 7, 더 구체적으로 pH 4 내지 6의 조건에서 방출될 수 있다. 따라서 상기 항암제는 산성 엔도좀 또는 리소좀과 같은 산성 조건인 세포내 구획(intracellular compartment)에서 방출될 수 있다.
상기 항암제는 백금을 포함한 항암제일 수 있고, 구체적으로 시스플라틴(cisplatin), 카보플라틴(carboplatin) 또는 디시클로플라틴(dicycloplatin) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 1) 광열 나노입자 표면에 링커를 결합하는 단계; 2) 상기 단계 1)의 링커가 결합된 광열 나노입자와 항암제를 반응시켜 항암제가 연결된 광열 나노입자를 제조하는 단계; 및 3) 상기 단계 2)의 항암제가 연결된 광열 나노입자와 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 반응시키는 단계;를 포함하는 광열 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1)에서 링커는 광열 나노입자 표면에 기능기를 제공하는 것일 수 있다. 상기 기능기는 히드록실 그룹(hydroxyl group), 아민 그룹(amine group) 또는 카르복실 그룹(carboxyl group)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 링커는 3,3'-디티오디프로피온산(3,3'-dithiodipropionic acid), 2,2'-디티오디글리콜산(2,2'-dithiodiglycolic acid) 또는 2,2'-디티오디벤조산(2,2`-dithiodibenzoic acid) 등일 수 있다.
상기 단계 2)에서 항암제는 링커를 통해 광열 나노입자에 연결된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 항암제는 링커의 기능기에 결합하여 광열 나노입자에 연결될 수 있다.
또한, 상기 단계 3)에서 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 히알루론산과 NH2-PEG-SH를 커플링제(coupling agent) 하에서 반응시켜 제조된 것일 수 있다. 구체적으로, 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 히알루론산과 PEG를 커플링제 하에서 반응시켜 히알루론산의 카르복실 그룹과 NH2-PEG-SH의 아미노 그룹(amino group)이 반응하여 아미드(amide) 결합으로 연결된 것일 수 있다. 상기 커플링제는 카르보닐디이미다졸(carbonyldiimidazole, CDI), 디시클로헥실카르보디이미드(Dicyclohexylcarbodiimide, DCC) 또는 에칠디메칠아미노프로필카르모디이미드(Ethyl-dimethyl-aminopropylcarbodiimide, EDAC) 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 본 발명의 광열 나노복합체를 포함하는 암 치료용 약학적 조성물을 제공한다.
본 발명의 광열 나노복합체는 광열 나노입자; 항암제; 및 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 포함하되, 상기 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 광열 나노입자 표면에 결합된 것을 말한다.
본 발명의 광열 나노복합체는 상기 서술한 바와 같다. 구체적으로, 상기 광열 나노입자는 근적외선 영역의 빛을 흡수하여 발열하는 것일 수 있다. 상기 광열 나노입자는 금속 나노입자, 유기 고분자 나노입자, 그래핀 나노시트, 멜라닌 나노입자, 지질 나노입자 또는 무기 나노입자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 PEG는 광열 나노입자의 표면에 결합된 것일 수 있다.
상기 히알루론산은 암세포 표면에 발현된 단백질과 결합하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 히알루론산은 암세포 표면에 발현된 CD44와 결합하는 것일 수 있다.
상기 항암제는 링커를 통해 광열 나노입자에 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 링커는 광열 나노입자에 결합하여 광열 나노입자 표면에 기능기를 제공하는 것일 수 있다. 상기 기능기는 히드록실 그룹, 아민 그룹 또는 카르복실 그룹일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 링커는 3,3'-디티오디프로피온산(3,3'-dithiodipropionic acid), 2,2'-디티오디글리콜산(2,2'-dithiodiglycolic acid) 또는 2,2'-디티오디벤조산(2,2`-dithiodibenzoic acid) 등일 수 있으며, 이 경우 항암제는 링커의 카르복실 그룹에 결합하여 광열 나노입자에 연결될 수 있다.
상기 항암제는 백금을 포함한 항암제일 수 있고, 구체적으로 시스플라틴(cisplatin), 카보플라틴(carboplatin) 또는 디시클로플라틴(dicycloplatin) 등일 수 있다. 또한, 상기 항암제는 산성 조건에서 방출될 수 있다. 구체적으로, 상기 항암제는 산성 엔도좀 또는 리소좀과 같은 산성 조건인 세포내 구획(intracellular compartment)에서 방출될 수 있다.
상기 암은 뇌종양, 양성성상세포종, 악성성상세포종, 뇌하수체 선종, 뇌수막종, 뇌림프종, 핍지교종, 두개내인종, 상의세포종, 뇌간종양, 두경부 종양, 후두암, 구인두암, 비강암, 비인두암, 침샘암, 하인두암, 갑상선암, 구강암, 흉부종양, 소세포성 폐암, 비소세포성 폐암, 흉선암, 종격동 종양, 식도암, 유방암, 남성유방암, 복부종양, 위암, 간암, 담낭암, 담도암, 췌장암, 소장암, 대장암, 항문암, 방광암, 신장암, 남성생식기종양, 음경암, 전립선암, 여성생식기종양, 자궁경부암, 자궁내막암, 난소암, 자궁육종, 질암, 여성외부생식기암, 여성요도암, 피부암, 백혈병, 악성림프종, 다발성골수종 또는 재생불량성 빈혈 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 약학적 조성물은 전체 중량에 대하여 유효성분을 10 내지 95 중량%로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 조성물은 상기 유효성분 이외에 추가로 동일 또는 유사한 기능을 나타내는 유효성분을 1종 이상 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 조성물은 산제, 과립제, 정제, 캡슐제, 현탁액, 에멀젼, 시럽, 에어로졸 등의 경구형 제형, 외용제, 좌제 및 멸균 주사용액의 형태로 제형화하여 사용될 수 있다. 본 발명의 조성물에 포함될 수 있는 담체, 부형제 및 희석제로는 락토즈, 덱스트로즈, 수크로스, 솔비톨, 만니톨, 자일리톨, 에리스리톨, 말티톨, 전분, 아카시아 고무, 알지네이트, 젤라틴, 칼슘 포스페이트, 칼슘 실리케이트, 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 미정질 셀룰로스, 폴리비닐 피롤리돈, 물, 메틸히드록시벤조에이트, 프로필히드록시벤조에이트, 탈크, 마그네슘 스테아레이트 및 광물유를 들 수 있다. 제제화할 경우에는 보통 사용하는 충진제, 증량제, 결합제, 습윤제, 붕해제, 계면활성제 등의 희석제 또는 부형제를 사용하여 조제된다.
경구투여를 위한 고형제제에는 정제, 환제, 산제, 과립제, 캡슐제 등이 포함되며, 이러한 고형제제는 상기 조성물에 적어도 하나 이상의 부형제, 예를 들면, 전분, 칼슘카보네이트(calcium carbonate), 수크로오스(sucrose) 또는 락토오스(lactose), 젤라틴 등을 섞어 조제된다. 또한 단순한 부형제 이외에 마그네슘 스테아레이트, 탈크 같은 윤활제들도 사용된다 경구를 위한 액상 제제로는 현탁제, 내용액제, 유제, 시럽제 등이 해당되는데 흔히 사용되는 단순희석제인 물, 리퀴드 파라핀 이외에 여러 가지 부형제, 예를 들면 습윤제, 감미제, 방향제, 보존제 등이 포함될 수 있다.
비경구 투여를 위한 제제에는 멸균된 수용액, 액제, 비수성용제, 현탁제, 유제, 동결건조 제제, 좌제, 주사제제가 포함된다. 비수성용제, 현탁제로는 프로필렌글리콜(propylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜, 올리브 오일과 같은 식물성 기름, 에틸올레이트와 같은 주사 가능한 에스테르 등이 사용될 수 있다. 좌제의 기제로는 위텝솔(witepsol), 마크로골, 트윈(tween) 61, 카카오지, 라우린지, 글리세로제라틴 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은 목적하는 방법에 따라 경구 또는 비경구로 투여될 수 있다. 비경구 투여는 복강내, 직장내, 피하, 정맥, 근육내 또는 흉부내 주사 방식을 포함할 수 있다.
상기 조성물은 약제학적으로 유효한 양으로 투여될 수 있다. 이는 질환의 종류, 중증도, 약물의 활성, 약물에 대한 환자의 민감도, 투여 시간, 투여 경로, 치료기간, 동시에 사용되는 약물 등에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 바람직한 효과를 위해서, 본 발명에 따른 조성물에 포함되는 유효성분의 양은 0.0001 내지 1,000 ㎎/㎏, 구체적으로 0.001 내지 500 ㎎/㎏일 수 있다. 상기 투여는 하루에 1회 수회일 수 있다.
본 발명의 조성물은 단독 또는 다른 치료제와 병용하여 투여될 수 있다. 병용 투여시, 투여는 순차적 또는 동시일 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 금 나노입자(이하 AuNP)의 표면을 카르복실화하여 시스플라틴(이하 cisPt)을 로딩시키고, 히알루론산(이하 HA) 및 PEG의 컨쥬게이트(이하 HA-PEG)를 AuNP 표면에 결합시켜 HA-PEG가 AuNP 표면에 결합되고 cisPt가 로딩된 금 나노복합체(이하 HA-cisPt-AuNP)를 제조하였다(도 1 및 도 2 참조).
또한, 본 발명자들은 양성자 핵자기공명 분광법을 통해 HA과 PEG가 컨쥬게이션을 형성하였음을 확인하였으며(도 3 참조), HA-cisPt-AuNP의 크기, 제타 전위 및 흡광도를 측정하고, 투과전자현미경으로 형태를 관찰하여 AuNP 표면에 HA-PEG가 결합되었음을 확인하였다(표 1, 도 4 및 도 5 참조).
또한, 본 발명자들은 HA-cisPt-AuNP이 산성 조건에서 배양되었을 때 더 많은 cisPt를 방출시킴을 확인하였다(도 6 참조).
또한, 본 발명자들은 HA-cisPt-AuNP이 CD44 수용체를 발현하는 세포로 선택적으로 흡수되며, 유리 cisPt 또는 HA-cisPt-AuNP만 처리하였을 때보다 HA-cisPt-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때 세포 독성 효과가 증가함을 확인하였다(도 7 및 도 8 참조).
또한, 본 발명자들은 대조군인 NIH/3T3 세포에서 HA-cisPt-AuNp의 세포 독성은 유리 cisPt의 세포 독성보다 더 낮은 것으로 나타나, HA-cisPt-AuNp이 CD44를 발현하는 암세포만을 선택적으로 결합함을 확인하였다(도 9 참조).
또한, 본 발명자들은 종양을 가진 마우스에 유리 DTX 또는 DTX@HA-cl-AuNP만 처리하였을 때보다 DTX@HA-cl-AuNP 처리 후 레이저 조사하였을 때 종양의 성장이 현저하게 억제됨을 확인하였다(도 10 내지 도 12 참조).
따라서, 본 발명에 따른 광열 나노복합체는 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트가 광열 나노입자의 표면에 결합되어 있어, 암세포 표면에 발현된 히알루론산 수용체인 CD44와 결합하여 암세포를 표적화할 수 있고, 산성 조건에서 항암제를 방출시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 광열 나노복합체는 근적외선 조사 시 광열 나노입자에 의한 광열치료 효과와 항암제에 의한 화학 치료 효과를 동시에 가지므로 우수한 암 치료 효과를 나타내므로, 암 치료용도로 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1> 금 나노복합체의 제조
금 나노입자(AuNP)의 표면을 카르복실화하여 시스플라틴(cisPt)을 로딩시키고, 히알루론산(HA)과 PEG의 컨쥬게이트(HA-PEG)를 AuNP 표면에 결합시킨 금 나노복합체(HA-cisPt-AuNP)를 제조하였다.
<1-1> HA-PEG의 제조
도 1에 나타낸 바와 같이 HA와 PEG를 컨쥬게이션(conjugation) 시키고자 하였다. 먼저, HA 50 mg(0.005 mmol)를 탈 이온수(DW) 50 ㎖에 용해시키고, 이를 N, N- 디메틸포름아미드(DMF) 200 ㎕에 카보닐디이미다졸(CDI) 2.67 mg (0.01 mmol)을 용해시킨 용액과 혼합하여 실온에서 2시간 동안 교반하였다. 교반한 반응물에 100 ㎕의 DW에 PEG 25 mg(0.05 mmol)을 용해시킨 용액을 10 ㎕의 트리에틸아민(triethylamine)의 존재하에서 첨가하고 아르곤 조건에서 200 rpm으로 밤새 교반하였다. 혼합물을 투석막을 사용하여 DIW에서 24시간 동안 정제하고, 추가 실험을 위해 정제된 수용액을 48시간 동안 동결건조시켰다.
<1-2> HA-cisPt-AuNP의 제조
도 2에 나타낸 바와 같이 AuNP의 표면을 카르복실화하여 cisPt을 로딩시키고, 실시예 1-1에서 제조한 HA-PEG를 AuNP 표면에 결합시킨 HA-cisPt-AuNP를 제조하였다.
구체적으로, AuNP 2 ㎖(1 nM)과 에탄올 0.5 ㎖에 용해시킨 디티오디프로피온산(dithiodiproponic acid, 이하 DPA) 5 mg을 용해시킨 용액을 1:7000의 몰비로 혼합하여 실온에서 24시간 동안 교반하였으며, 교반하는 동안 에탄올을 증발시키기 위해 비이커를 개방한 채로 두었다. 이어서, 결합되지 않은 DPA를 원심분리(1200 rpm, 10℃, 10분)하여 제거하였다. 수득한 펠렛은 NaHCO3 0.5 ㎖(0.1 M)에 재현탁시키고 한 번 이상 세척하였다. 세척한 펠렛에 PBS 0.5 ㎖(pH 8.5)을 첨가하고 DW 2.5 ㎖에 cisPt 6.9 mg을 용해시킨 용액을 첨가하여 40분 동안 교반하였다. 결합되지 않은 cisPt를 원심분리(1200 rpm, 10℃, 30분)하여 제거하고, 상등액을 버렸다. 수득한 cisPt가 로딩된 AuNP를 DW에 분산시킨 후, DW 0.5 ㎖에 실시예 1-1에서 제조한 HA-PEG 1.2 mg를 용해시킨 용액과 혼합하고 70 rpm으로 2시간 동안 교반하였다. 교반이 완료되면 상등액을 버리고 수득한 펠렛을 DW로 세척하고 DW에 침지시켰다.
<실험예 1> HA와 PEG의 컨쥬게이션 확인
실시예 1-1에서 제조한 HA-PEG의 HA와 PEG의 컨쥬게이션 형성을 확인하기 위해, 양성자 핵자기공명 분광법(1H NMR, Brucker, 600 MHz; Billerica, MA)을 이용하였다.
그 결과, HA-PEG는 3.65 ppm에서 유의적인 신호를 나타내었으며 이는 PEG의 에틸렌(ethylene) 사슬의 공명(resonance)에 해당된다. 3-4 ppm; 및 4.5 및 1.9 ppm에서 관찰된 추가 신호는 각각 HA의 고리 내 CH2의 공명 및 HA의 아세틸 그룹에 해당한다. 따라서, 실시예 1을 통해 HA-PEG가 제조되었음을 확인하였다(도 3).
<실험예 2> HA-cisPt-AuNP의 생리화학적 특성 평가
실시예 1-2에서 제조한 HA-cisPt-AuNP의 생리화학적 특성을 평가하였다.
<2-1> 금 나노입자 표면에서의 HA-cl의 결합 확인
실시예 1-2에 따라 제조한 HA-cisPt-AuNP의 표면에 HA-PEG가 결합되었는지 확인하기 위해, HA-cisPt-AuNP의 유체학적 직경(hydrodynamic diameter), 제타 전위(zeta potential) 및 흡광도를 측정하고, 투과전자현미경을 이용하여 형태학적 특성을 관찰하였다.
HA-cisPt-AuNP의 유체학적 직경 및 제타전위는 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS) 및 전기영동 광산란법(ELSZ-1000; Otsuka Electronic Co., Osaka, Japan)을 이용하여 측정하였고, 흡광도는 가시자외부흡광도측정법(Agilent 8453 UV-Vis Spectroscopy: Agilent Technologies, Waldbronn, Germany)을 이용하여 450-600 nm에서 측정하였으며, 금 나노복합체의 형태는 투과전자현미경 JEM1010(JEOL, Tokyo, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
시료 크기 (nm) 제타 전위 (mV) PDI
AuNP 39.31±9.33 27.33±10.51 0.18±0.06
AuNP-cisPt 125.52±17.62 12.32±2.77 0.18±0.06
HA-cisPt-AuNP 144.71±3.78 -37.88±0.22 0.24±0.01
그 결과, AuNP, AuNP-cisPt 및 HA-cisPt-AuNP의 유체학적 직경은 각각 39.31, 125.52 및 144.71 nm이고, 제타 전위는 각각 27.33, 12.32 및 -37.88 mV로(표 1), HA-cisPt-AuNP는 AuNP와 AuNP-cisPt에 비해 입자의 크기가 증가하고 입자의 표면 전하가 음의 값을 나타내었다. 이러한 결과는 HA-PEG가 금 나노입자에 결합되었음을 나타내며, 표면 전하의 음의 값은 순환 시 입자의 안정성이 향상됨을 나타낸다. 또한, 흡광도 결과에서도 AuNP에 비해 HA-cisPt-AuNP의 흡수피크가 535 nm에서 529 nm로 적색으로 약간 이동한 것으로 나타났으며(도 4), 투과전자현미경으로 촬영한 결과, HA-cisPt-AuNP는 HA-코팅으로 인해 층이 형성됨을 확인하였다(도 5). 따라서 상기 결과들은 금 나노입자 표면에 HA-PEG가 성공적으로 결합되었음을 보여준다.
<2-2> 시스플라틴(cisPt)의 로딩 효율 측정
실시예 1-2에서 제조한 HA-cisPt-AuNP의 cisPt 로딩 효율을 cisPt와 반응하여 다채로운 분자를 형성하는 o-페닐렌디아민(o-phenylenediamine, OPDA)의 존재 하에서 분광 광도법(spectrophotometric method)을 사용하여 cisPt 농도를 측정했다.
구체적으로, 1 ㎖ 부피 플라스크에 cisPt를 함유하는 샘플 100 ㎕와 DMF에 용해시킨 OPDA 시약 100 ㎕를 첨가한 후, KH2P04-NaOH 완충액 200 ㎕를 첨가하여 pH를 6.5로 조정하였다. 끓는 수조에 반응물이 담겨진 플라스크이 옅은 파란색을 나타내는 동안(4분 동안) 두고, DMF를 첨가하여 용액의 부피가 약 1 ㎖가 되게 하였다. 플라스크를 수조에서 꺼내 실온에서 냉각시키고, 용액의 흡광도를 703 nm에서 측정하였다.
수욕에서 제거하고, 실온으로 냉각시키고, 용액 블랭크 (시약 블랭크는이 파장에서 측정 가능한 흡수를 갖지 않음)에 대해 703 nm에서 용액의 흡광도를 측정 하였다. cisPt의 농도는 검정선을 이용하여 계산되었으며, 로딩 효율은 하기 식에 의해 계산되었다:
로딩 효율(loading efficiency, %)=(나노복합체 제형 내 cisPt의 중량/첨가된 cisPt의 중량)×100.
그 결과, HA-cisPt-AuNP 내 cisPt의 로딩 효율은 30 중량%인 것으로 나타났다.
< 실험예 3> 시험관 내( in vitro ) HA- cisPt - AuNp의 약물 방출 평가
시험관 내에서 pH 조건에 따른 HA-cisPt-AuNP의 약물 방출을 평가하고자 하였다.
구체적으로, HA-cisPt-AuNp 용액(200 ㎕, cisPt 1 mg/㎖)을 준비하고, 이를 12 kDa의 분자량 컷오프(cut-off)를 지닌 Mini Pur-A-Lyzer 튜브(Sigma-Aldrich)에 로딩하였다. 튜브를 pH 5.5 또는 7.4인 PBS 3 ㎖에 담그고 37℃, 50 rpm의 회전 테이블에서 배양하였다. 배양한 지 0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 12 및 24시간째에 새로운 배지로 교체하였고, 배지로 방출된 cisPt의 양은 상기 서술한 바와 같이, OPDA와 반응시킨 후 703 nm에서 UV-vis 분광광도계로 측정하였다.
그 결과, 배양한 지 24시간이 되었을 때에 pH 7.4 조건에서 28%의 cisPt이 방출된 반면, pH 5.5 조건에서는 50%의 cisPt이 방출되었다. 상기 결과는 체내 순환시보다 산성 엔도좀 및 리소좀과 같은 세포내 구획(intracellular compartment)에서 더 많은 cisPt이 방출됨을 나타낸다(도 6).
< 실험예 4> 시험관 내 HA- cisPt - AuNp의 세포 독성 효과 평가
HA-cisPt-AuNp의 세포 독성 효과를 확인하기 위해 MTT 어세이를 수행하였다.
구체적으로, 96-웰 세포 배양 플레이트에 10% FBS 및 1% 페니실린으로 보충된 DMEM 배지를 분주한 후, 배지에 인간 유방암 세포주 MCF-7 세포, 인간 교아세포종(human primary glioblastoma) U-87 세포 또는 대조군인 쥐 섬유아세포 NIH/3T3 세포를 각각 1.0×104세포/웰의 밀도로 접종하고 밤새 배양하였다. 각 세포에 유리 cisPt 또는 HA-cisPt-AuNp를 0.1, 1, 10 또는 20 ㎍/㎖ 농도로 처리하고 6시간 동안 배양한 후, HA-cisPt-AuNp를 처리한 일부 세포에는 670±1㎚ LED 레이저 소스를 사용하여 1.5 Jcm-2의 광을 20분 동안 조사하였다. 세포를 24시간 동안 더 배양한 후, 5 mg/㎖의 MTT 용액 10 ㎕을 첨가하고 플레이트를 4시간 동안 더 배양하였다. 플레이트에 디메틸술폭사이드 100 ㎖을 넣고 10초 동안 진탕시킨 후, Epoch 마이크로 플레이트 분광 광도계를 사용하여 570 nm에서 흡광도를 측정하였다.
그 결과, MCF-7 및 U-87 세포주에서 HA-cisPt-AuNp의 세포 독성 효과는 유리 cisPt의 세포 독성 효과보다 우수한 것으로 나타났으며 이러한 결과는 HA가 CD44를 발현하는 세포로 선택적 흡수를 가능하게 함을 나타낸다. 또한, MCF-7 또는 U-87 세포주에 HA-cisPt-AuNp를 처리하고 레이저를 조사한 실험군은 레이저를 조사하지 않은 유리 cisPt 또는 HA-cisPt-AuNp 실험군보다 높은 세포 독성 효과를 나타냈다. MCF-7 세포주는 U-87 세포주보다 세포 독성 효과가 더 큰 것으로 나타났는데, 이는 MCF-7 세포에서 CD44의 발현이 더 많기 때문이다. 또한, 대조군인 NIH/3T3 세포는 HA-cisPt-AuNp의 세포 독성이 유리 cisPt의 세포 독성보다 더 낮은 것으로 나타나, 이는 HA-cisPt-AuNp이 CD44를 발현하는 암세포만을 선택적으로 결합함을 보여준다(도 7 내지 도 9).
< 실험예 5> 생체 내( in vivo ) HA- cisPt - AuNp의 항암 효과 평가
동물 모델에서 HA-cisPt-AuNp의 항암 효과를 확인하기 위해, 종양이 있는 누드 마우스에 유리 cisPt 또는 HA-cisPt-AuNp를 각각 처리하고 종양의 크기를 측정하였다.
구체적으로, 동물 실험은 가천의대 동물 실험 및 사용위원회(Institutional Animal Care and Use Committee)가 승인한 프로토콜을 기반으로 수행되었다. 먼저, BALB/c 누드 마우스(4주령)의 뒤쪽 영역에 MCF-7 세포를 1×106 세포/100 ㎕(PBS) 의 양으로 피하 주사하였다. 마우스 내 종양의 부피가 약 50-100 mm3에 이르면 마우스를 무작위로 세 그룹(n = 4)으로 분류하고 다음 네 가지 요법 중 하나를 꼬리 정맥을 통해 6일 동안 2일 마다 투여했다: (i) 식염수; (ii) 물에 용해된 유리 cisPt (10 mg/kg); (iii) HA-cisPt-AuNp (10 mg/kg); (iv) HA-cisPt-AuNp (10 mg/kg) + 레이저 조사. 레이저 조사는 금 나노복합체를 처리한 지 24시간 후, 종양 조직에 670 nm의 파장으로 20분 동안 수행되었다. 종양의 직경을 버니어 캘리퍼스로 2차원적으로 측정하고 종양의 부피(V)를 V=1/2×L×W2 (여기서 L은 가장 긴 직경이고, W는 길이(L)에 수직인 최단 직경) 식에 따라 계산하였다. 또한, 대조군 및 cisPt 제제의 안전성을 평가하기 위해, 매일 각 우스의 체중을 측정하였다. 실험 종료 시, 경추 탈골로 동물을 사멸시키고 종양 조직을 채취하고 촬영하였다.
그 결과, 대조군(PBS)를 처리한 그룹에서는 종양의 부피가 계속 증가한 반면, 유리 cisPt 또는 HA-cisPt-AuNp를 처리한 그룹에서는 종양의 성장이 억제되었다. HA-cisPt-AuNp는 유리 cisPt보다 항암 치료 효과가 우수하였고, 특히 HA-cisPt-AuNp 투여와 레이저를 조사를 함께한 그룹의 경우, 현저하게 종양의 성장이 억제되어, cisPt 항암제와 AuNP의 광열 치료 효과가 항암치료에 시너지 효과를 나타냄을 확인하였다(도 10 및 도 11). 마우스의 체중은 그룹 간 유의한 차이가 없었고 모든 그룹에서 체중이 점차 증가한 것으로 나타났다(도 12).

Claims (13)

1) 금 나노입자 표면에 디티오디프로피온산(dithiodipropionic acid)을 결합하는 단계;
2) 상기 단계 1)의 디티오디프로피온산이 결합된 금 나노입자와 시스플라틴을 반응시켜 디티오디프로피온산의 두개의 카르복실기를 통해 시스플라틴이 연결된 금 나노입자를 제조하는 단계; 및
3) 상기 단계 2)의 시스플라틴이 연결된 금 나노입자와 아미드 링커로 컨쥬게이트된 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트를 반응시켜 PEG 말단의 티올 그룹이 금 나노입자의 표면에 결합되어 -S- 링커를 통해 금 나노입자와 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트가 연결된 금 나노복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 금 나노복합체의 제조방법이며,

상기 단계 3)의 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트는 히알루론산과 PEG를 커플링제(coupling agent) 하에서 반응시켜 제조되고,

상기 제조되는 금 나노복합체는,
금 나노입자; 시스플라틴(cisplatin); 및 히알루론산 및 PEG(polyethylene glycol)의 컨쥬게이트를 포함하되,
상기 금 나노입자는 디티오디프로피온산(dithiodipropionic acid)이 결합되고, 상기 디티오디프로피온산의 두개의 카르복실기를 통해 시스플라틴이 결합되어 있고,
히알루론산 및 PEG는 아미드 링커로 컨쥬게이트되어 있고, PEG 말단의 티올 그룹이 금 나노입자의 표면에 결합되어 -S- 링커를 통해 금 나노입자와 히알루론산 및 PEG의 컨쥬게이트가 연결되어 있으며,
상기 금 나노입자에 디티오디프로피온산을 통해 결합된 시스플라틴은, 히알루론산으로 형성되는 코팅층 내부에 봉입된 형태를 띄는 것을 특징으로 하는,
금 나노복합체의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 히알루론산은 암세포 표면에 발현된 CD44와 결합하는,
금 나노복합체의 제조방법.
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