KR102490837B1 - 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법 - Google Patents

뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102490837B1
KR102490837B1 KR1020200033940A KR20200033940A KR102490837B1 KR 102490837 B1 KR102490837 B1 KR 102490837B1 KR 1020200033940 A KR1020200033940 A KR 1020200033940A KR 20200033940 A KR20200033940 A KR 20200033940A KR 102490837 B1 KR102490837 B1 KR 102490837B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
brain
nanogenerator
ultrasound
delete delete
nitric oxide
Prior art date
Application number
KR1020200033940A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210117562A (ko
Inventor
김원종
김태정
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020200033940A priority Critical patent/KR102490837B1/ko
Priority to EP21161851.7A priority patent/EP3895701A1/en
Priority to US17/198,419 priority patent/US11660342B2/en
Priority to CN202110288435.0A priority patent/CN113425740A/zh
Priority to JP2021045149A priority patent/JP2021147398A/ja
Publication of KR20210117562A publication Critical patent/KR20210117562A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102490837B1 publication Critical patent/KR102490837B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K31/00—Medicinal preparations containing organic active ingredients
    • A61K31/13—Amines
    • A61K31/15—Oximes (>C=N—O—); Hydrazines (>N—N<); Hydrazones (>N—N=) ; Imines (C—N=C)
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/0002—Galenical forms characterised by the drug release technique; Application systems commanded by energy
    • A61K9/0009—Galenical forms characterised by the drug release technique; Application systems commanded by energy involving or responsive to electricity, magnetism or acoustic waves; Galenical aspects of sonophoresis, iontophoresis, electroporation or electroosmosis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K41/00—Medicinal preparations obtained by treating materials with wave energy or particle radiation ; Therapies using these preparations
    • A61K41/0028—Disruption, e.g. by heat or ultrasounds, sonophysical or sonochemical activation, e.g. thermosensitive or heat-sensitive liposomes, disruption of calculi with a medicinal preparation and ultrasounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K31/00—Medicinal preparations containing organic active ingredients
    • A61K31/04—Nitro compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K31/00—Medicinal preparations containing organic active ingredients
    • A61K31/33—Heterocyclic compounds
    • A61K31/395—Heterocyclic compounds having nitrogen as a ring hetero atom, e.g. guanethidine or rifamycins
    • A61K31/41—Heterocyclic compounds having nitrogen as a ring hetero atom, e.g. guanethidine or rifamycins having five-membered rings with two or more ring hetero atoms, at least one of which being nitrogen, e.g. tetrazole
    • A61K31/4164—1,3-Diazoles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K33/00—Medicinal preparations containing inorganic active ingredients
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K33/00—Medicinal preparations containing inorganic active ingredients
    • A61K33/24—Heavy metals; Compounds thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K38/00—Medicinal preparations containing peptides
    • A61K38/04—Peptides having up to 20 amino acids in a fully defined sequence; Derivatives thereof
    • A61K38/06—Tripeptides
    • A61K38/063—Glutathione
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K41/00—Medicinal preparations obtained by treating materials with wave energy or particle radiation ; Therapies using these preparations
    • A61K41/0047—Sonopheresis, i.e. ultrasonically-enhanced transdermal delivery, electroporation of a pharmacologically active agent
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K45/00—Medicinal preparations containing active ingredients not provided for in groups A61K31/00 - A61K41/00
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K45/00—Medicinal preparations containing active ingredients not provided for in groups A61K31/00 - A61K41/00
    • A61K45/06—Mixtures of active ingredients without chemical characterisation, e.g. antiphlogistics and cardiaca
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K47/00—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient
    • A61K47/50—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient the non-active ingredient being chemically bound to the active ingredient, e.g. polymer-drug conjugates
    • A61K47/51—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient the non-active ingredient being chemically bound to the active ingredient, e.g. polymer-drug conjugates the non-active ingredient being a modifying agent
    • A61K47/56—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient the non-active ingredient being chemically bound to the active ingredient, e.g. polymer-drug conjugates the non-active ingredient being a modifying agent the modifying agent being an organic macromolecular compound, e.g. an oligomeric, polymeric or dendrimeric molecule
    • A61K47/59—Medicinal preparations characterised by the non-active ingredients used, e.g. carriers or inert additives; Targeting or modifying agents chemically bound to the active ingredient the non-active ingredient being chemically bound to the active ingredient, e.g. polymer-drug conjugates the non-active ingredient being a modifying agent the modifying agent being an organic macromolecular compound, e.g. an oligomeric, polymeric or dendrimeric molecule obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polyureas or polyurethanes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/51—Nanocapsules; Nanoparticles
    • A61K9/5107—Excipients; Inactive ingredients
    • A61K9/513—Organic macromolecular compounds; Dendrimers
    • A61K9/5138—Organic macromolecular compounds; Dendrimers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polyvinyl pyrrolidone, poly(meth)acrylates
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/14—Drugs for disorders of the nervous system for treating abnormal movements, e.g. chorea, dyskinesia
    • A61P25/16—Anti-Parkinson drugs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/18—Antipsychotics, i.e. neuroleptics; Drugs for mania or schizophrenia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/28—Drugs for disorders of the nervous system for treating neurodegenerative disorders of the central nervous system, e.g. nootropic agents, cognition enhancers, drugs for treating Alzheimer's disease or other forms of dementia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P35/00—Antineoplastic agents
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P9/00—Drugs for disorders of the cardiovascular system
    • A61P9/10—Drugs for disorders of the cardiovascular system for treating ischaemic or atherosclerotic diseases, e.g. antianginal drugs, coronary vasodilators, drugs for myocardial infarction, retinopathy, cerebrovascula insufficiency, renal arteriosclerosis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M37/00—Other apparatus for introducing media into the body; Percutany, i.e. introducing medicines into the body by diffusion through the skin
    • A61M37/0092—Other apparatus for introducing media into the body; Percutany, i.e. introducing medicines into the body by diffusion through the skin using ultrasonic, sonic or infrasonic vibrations, e.g. phonophoresis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Gastroenterology & Hepatology (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)

Abstract

본 발명은 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 (S1) 일산화질소(NO) 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터(nano generator)를 뇌-혈관 장벽에 인접한 부위까지 전달시키는 단계; (S2) 상기 나노 제너레이터가 전달된 부분에 제1 자극원이 전달되어, 상기 나노 제너레이터로부터 일산화질소가 탈리되는 단계; 및 (S3) 탈리된 상기 일산화질소가 MMP-9(matrix metallopeptidase-9)을 활성화시키고, 상기 활성화된 MMP-9에 의해 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이의 밀접 접합(tight junction)을 약화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법에 관한 것이다.

Description

뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법{METHOD FOR INCREASING PERMEABILITY OF BLOOD-BRAIN BARRIER}
본 발명은 뇌-혈관 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB) 투과성을 증가시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터와 그에 가해지는 자극원을 이용하여 뇌-혈관 장벽을 열어, 원하는 물질이 뇌 심부로 축적될 수 있도록 하게 하는 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
뇌-혈관 장벽(Blood-Brain Barrier)이란 생체 내에 존재하는 방어 시스템으로, 혈관을 따라 흘러온 세균이나 바이러스와 같은 외부 물질이 뇌 심부로 투과하지 않도록 막는 역할을 한다. 이러한 방어 시스템은 뇌를 보호하는데 매우 중요하지만, 동시에 인위적으로 투여한 기능성을 가지는 약물이 뇌로 들어가지 못하게 막는 문제가 있다. 수술을 통해 약물을 직접 뇌로 투여하거나, 뇌척수액에 주사하는 방법이 존재하지만, 높은 위험성과 비용 그리고 환자의 낮은 편의성에 의해 제한적이라는 한계가 있다.
여러 뇌 질환 치료를 위해 많은 약물들이 개발되었지만, 기존의 약물 시스템을 이용한 치료는 뇌-혈관 장벽에 의해 큰 한계를 가진다. 따라서, 비침습적으로 약물을 전달할 수 있으면서 약물의 형태나 효능은 건드리지 않는 새로운 조성물 또는 약물 전달 시스템이 필요하다.
한편, 신경 퇴행성 질환은 기억 상실(memory loss), 치매(dementia) 및 떨림(tremors)과 같은 인지적 및/또는 신체적 장애를 유발하며, 전세계 수백만의 사람들에게 널리 퍼지고 있다. 심뇌 자극(Deep brain stimulation, DBS)은 만성적으로 이식된 전극으로 신경계를 전기적으로 자극함으로써 파킨슨 병(Parkinson's disease), 근긴장 이상(dystonia) 또는 간질(epilepsy)에 대한 여러 신경학적 증상의 완화에 효과적인 임상 치료법 중 하나이다.
그러나 이러한 방법은 뇌의 깊은 부분을 절개하여, 전극을 이식해야 하는 것으로, 그 과정에서 신경 사멸(neuronal death), 글리아 네트워크 파괴(glial network disruption) 및 뇌졸중(stroke) 등과 같은 수많은 부작용을 유발할 수 있는 문제점이 있다.
광 생성(optogenetic), 자기 열(magnetothermal) 및 자기 전기(magnetoelectric) 자극기를 포함한 여러 대안이 제시되었지만, 비특이적 유전자 삽입 또는 비특이적 조직에 대한 열 손상은 해결해야 할 중요한 문제이다.
따라서, 온디맨드(on-demand), 비 침습적(non-invasive) 및 무선 신경 자극(wireless neural stimulator) 전략은 오랫동안 신경 퇴행성 질환의 임상 치료를 위해 요구되어왔다.
본 발명의 목적은 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터와 그에 가해지는 자극원을 이용하여 뇌-혈관 장벽을 열어, 원하는 물질이 뇌 심부로 축적될 수 있도록 하게 하는 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다.
그리고, 뇌 심부로 전달된 나노 제너레이터에 자극원이 전달되어, 나노 제너레이터의 압전효과를 통해 주위에 존재하는 신경 세포의 Ca2+ 유입 채널을 개방함으로써, 퇴행성 뇌질환 증상을 완화시킬 수 있는 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법은, (S1) 일산화질소(NO) 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터(nano generator)를 뇌-혈관 장벽에 인접한 부위까지 전달시키는 단계; (S2) 상기 나노 제너레이터가 전달된 부분에 제1 자극원이 전달되어, 상기 나노 제너레이터로부터 일산화질소가 탈리되는 단계; 및 (S3) 탈리된 상기 일산화질소가 MMP-9(matrix metallopeptidase-9)을 활성화시키고, 상기 활성화된 MMP-9에 의해 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이의 밀접 접합(tight junction)을 약화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 자극원은 초음파, 빛, 열 및 글루타티온(glutathione, GSH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
여기서, 상기 초음파는 중심 주파수(center frequency)가 1.0 내지 1.5 MHz이고, 듀티 사이클(duty cycle)이 10 내지 20%인 것일 수 있다.
그리고, 상기 나노 제너레이터는, 바륨 티타네이트(BaTiO3) 입자 및 상기 바륨 티타네이트 입자의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 일산화질소 공여체는, 초음파 감응성 일산화질소 공여체인 것일 수 있다.
이때, 상기 초음파 감응성 일산화질소 공여체는, N,N'-di-sec-butyl-N,N'-dinitroso-1,4-phenylenediamine(BNN6, C14H22N4O2), 1,3-bis-(2,4,6-trimethylphenyl)imidazolylidene nitric oxide(IMesNO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
그리고, 상기 (S1) 단계에서, 활성 작용제를 상기 나노 제너레이터와 함께 상기 뇌-혈관 장벽에 인접한 부위까지 전달시키는 것일 수 있다.
이때, 상기 활성 작용제는 소분자, 단백질, 다당류, 핵산, 지질 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인 것일 수 있다.
그리고, 상기 활성 작용제는 약제학적 활성 작용제, 진단적 활성 작용제 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
여기서, 상기 약제학적 활성 작용제는 신경퇴행성 질환, 신경 정신성 질환, 뇌 종양, 외상성 뇌 손상(traumatic brain injury) 및 뇌졸중(stroke)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 질병을 치료하기 위한 약제, 신경영양인자(neurotrophic factor) 또는 성장인자인 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법은, (S4) 상기 (S3) 단계 이후에 수행되고, 상기 나노 제너레이터가 상기 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이를 관통하여 뇌 심부로 전달되는 단계; 및 (S5) 뇌 심부로 전달된 상기 나노 제너레이터에 제2 자극원이 전달되어, 상기 나노 제너레이터의 압전효과를 통해 주위에 존재하는 신경 세포의 Ca2+ 유입 채널이 개방되는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제2 자극원은 초음파, 소리, 물리적 압력(mechanical pressure) 및 공명(resonance)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
그리고, 상기 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법은, 퇴행성 뇌질환의 증상 완화에 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법에 따르면, 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터와 그에 가해지는 자극원을 이용함으로써 뇌-혈관 장벽을 열어, 원하는 물질이 뇌 심부로 축적될 수 있게 할 수 있다.
그 결과, 상기 축적된 물질들을 통해 신경퇴행성 질환, 신경 정신성 질환, 뇌 종양, 외상성 뇌 손상(traumatic brain injury) 또는 뇌졸증(stroke) 등의 질병을 치료하기 위한 약제, 신경영양인자(neurotrophic factor) 또는 성장인자로 사용될 수 있다.
나아가, 뇌 심부로 전달된 나노 제너레이터에 자극원이 전달되어, 나노 제너레이터의 압전효과를 통해 주위에 존재하는 신경 세포의 Ca2+ 유입 채널을 개방함으로써, 퇴행성 뇌질환 증상을 완화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 제너레이터가 초음파 조사를 통해 뇌-혈관 장벽에서 작용하는 모습과 나노 제너레이터를 준비하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BTNP(a)와, BTNP 및 그의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 BTNP-pDA(b)의 TEM 사진(scale bar, 300 nm)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPA(a)와 BNN6(b)의 1H NMR 스펙트럼(1H NMR spectra (500MHz, CDCl3), δ=7.50 (s, 4H), 4.84-4.70 (m, 2H), 1.82-1.63 (m, 2H), 1.47 (d, J = 6.9Hz, 6H), 1.06 (t, J = 7.4Hz, 6H))을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성된 BNN6의 LC-MS(ESI+) 분석 데이터를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNN6의 초음파 감응성 NO 방출 거동을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 제너레이터의 안정성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 제너레이터의 물리적 특성들을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 제너레이터의 초음파 감응에 따른 전류 측정 방법 및 그 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 체외 초음파 신경 자극 실험 및 그 결과를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파에 감응하는 나노 제너레이터의 축적 과정을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 자극기를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 초음파 신경 자극 실험 및 그 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예 및 도면에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 제너레이터가 초음파 조사를 통해 뇌-혈관 장벽에서 작용하는 모습과 나노 제너레이터를 준비하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법은, (S1) 일산화질소(NO) 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터(nano generator)를 뇌-혈관 장벽에 인접한 부위까지 전달시키는 단계; (S2) 상기 나노 제너레이터가 전달된 부분에 제1 자극원이 전달되어, 상기 나노 제너레이터로부터 일산화질소가 탈리되는 단계; 및 (S3) 탈리된 상기 일산화질소가 MMP-9(matrix metallopeptidase-9)을 활성화시키고, 상기 활성화된 MMP-9에 의해 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이의 밀접 접합(tight junction)을 약화시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 혈관 팽창 기체인 일산화질소(NO)를 포함하고 있는 일산화질소 공여체를 담지하는 나노 제너레이터 및 그에 가해지는 자극원을 이용하여, 탈리된 일산화질소로 MMP-9(matrix metallopeptidase-9)을 활성화시키고, 활성화된 MMP-9에 의해 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이의 밀접 접합(tight junction)을 약화시킴으로써 뇌-혈관 장벽을 열어, 원하는 물질을 뇌 심부로 축적되도록 할 수 있다. 그 결과, 신경퇴행성 질환, 신경 정신성 질환, 뇌 종양, 외상성 뇌 손상(traumatic brain injury) 또는 뇌졸증(stroke) 등의 질병을 치료하기 위한 약제, 신경영양인자(neurotrophic factor) 또는 성장인자로 사용될 수 있다.
이때, 상기 제1 자극원은 초음파뿐만 아니라, 빛, 열 및 글루타티온(glutathione, GSH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있고, 바람직하게는 초음파, 더욱 바람직하게는 고강도 집속 초음파(high-intensity focused ultrasound, HIFU)일 수 있다.
상기 초음파는 중심 주파수(center frequency)가 1.0 내지 1.5 MHz이고, 듀티 사이클(duty cycle)은 10 내지 20%일 수 있다. 중심 주파수와 듀티 사이클의 범위가 상기 수치범위 미만이면, 일산화질소 방출량이 충분하지 않아, 뇌-혈관 장벽(BBB)의 개방이 제한될 수 있고, 상기 수치범위를 초과하면, 티슈 버닝(tissue burning)에 의한 고열 손상(hyperthermal damage) 및 영구적인 뇌-혈관 장벽 붕괴(permanent BBB disruption)를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
더욱 구체적으로는 중심 주파수(center frequency)는 1.5 MHz이고, 파워(power)는 462.4 W/cm2이며, 듀티 사이클(duty cycle)은 10%이고, 노출 시간(exposure time)은 60 초이며, 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency)는 10 Hz일 수 있다.
상기 나노 제너레이터는, 바륨 티타네이트(BaTiO3) 입자 및 상기 바륨 티타네이트 입자의 표면에 코팅된 폴리도파민층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 나노 제너레이터의 표면에는 일산화질소 공여체가 담지되어 있는데, 추후 나노 제너레이터로 전달되는 초음파에 의해, 일산화질소 공여체로부터 일산화질소의 탈리가 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 일산화질소 공여체는, 제1 자극원에 감응하는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니고, 바람직하게는 초음파 감응성 일산화질소 공여체인 것이라면 모두 가능하며, 상기 일산화질소 공여체는 뇌-혈관 내벽의 투과성을 증진시키기 위한 투과 증진제로서 사용되는 것일 수 있다. 그리고, 상기 일산화질소 공여체는 뇌-혈관 내벽의 투과성을 증진시키기에 유효한 양으로 포함된 것일 수 있다.
상기 초음파 감응성 일산화질소 공여체로서 더욱 구체적으로는, N,N'-di-sec-butyl-N,N'-dinitroso-1,4-phenylenediamine(BNN6, C14H22N4O2), 1,3-bis-(2,4,6-trimethylphenyl)imidazolylidene nitric oxide(IMesNO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있으나, 이에만 제한되는 것은 아니다.
하기의 화학반응식은 초음파 감응성 일산화질소 공여체의 일 예인 BNN6의 합성방법을 보여준다.
Figure 112020029221125-pat00001
한편, 상기 (S1) 단계에서, 활성 작용제를 상기 나노 제너레이터와 함께 상기 뇌-혈관 장벽에 인접한 부위까지 전달시키는 것일 수 있다.
상기 일산화질소 공여체가 상기 활성 작용제와 조합되어 사용되는 경우, 상기 활성 작용제의 투여 계획 예를 들면, 투여 기간에 따라 투여되는 것일 수 있다.
상기 뇌-혈관은 혈관내피 세포와 혈관내피 세포 사이의 밀접 접합이 강하여 물질을 통과시킬 수 없거나 적게 통과시키는 것일 수 있다. 상기 혈관은 뇌-혈관 장벽(blood-brain barrier: BBB)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 활성 작용제는 상기 뇌-혈관의 내막을 통하여 투과하지 못하는 것으로 알려져 있거나 투과하지 못하는 물질일 수 있다. 또한, 상기 활성 작용제는 상기 뇌-혈관의 내막을 통하여 적은 양으로만 투과하여 다른 투과 보조제의 존재 없이는 효과적인 양으로 전달될 수 없는 물질일 수 있다.
상기 활성 작용제는 소분자, 단백질, 다당류, 핵산, 지질 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 상기 소분자는 중합체가 아닌 분자일 수 있다. 상기 분자는 유기 화합물 분자일 수 있다. 상기 단백질은 당이 있거나 없는 것일 수 있다. 글리코단백질은 예를 들면 EPO일 수 있다. 상기 단백질은 분자량 500 Da 내지 1000 kDa, 500 Da 내지 500 kDa, 500 Da 내지 100 kDa, 500 Da 내지 500 kDa, 1 kDa 내지 500 kDa, 5 kDa 내지 500 kDa, 10 kDa 내지 500 kDa, 또는 20 kDa 내지 500 kDa의 것일 수 있다. 상기 다당류는 덱스트란, 또는 전분일 수 있다. 상기 핵산은 단일가닥 또는 이중가닥 폴리뉴클레오티드일 수 있다. 상기 핵산은 siRNA, shRNA, miRNA, 또는 안티센스 올리고뉴클레오티드일 수 있다.
상기 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터 및 상기 활성 작용제는 동시, 또는 별개로 투여되는 것일 수 있다. 상기 나노 제너레이터 및 상기 활성 작용제는 단일 조성물로서 투여될 수 있다. 상기 투여는 상기 나노 제너레이터를 먼저 투여한 후, 상기 활성 작용제를 투여하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 활성 작용제는 상기 나노 제너레이터 투여 후 30 분 이내, 20 분 이내, 15 분 이내, 10 분 이내, 또는 5 분 이내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 활성 작용제는 상기 나노 제너레이터 투여 후 예를 들면, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 20 분 이내, 1 내지 5 분, 5 분 내지 15 분 이내, 5 분 내지 10 분, 또는 3 분 내지 15 분 내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 투여는 상기 활성 작용제를 먼저 투여한 후, 상기 나노 제너레이터를 투여하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 나노 제너레이터는 상기 활성 작용제 투여 후 30 분 이내, 20 분 이내, 15 분 이내, 10 분 이내, 또는 5 분 이내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 나노 제너레이터는 상기 활성 작용제 투여 후 예를 들면, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 20 분 이내, 1 내지 5 분, 5 분 내지 15 분 이내, 5 분 내지 10 분, 또는 3 분 내지 15분 내에 투여되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 활성 작용제는 약제학적 활성 작용제, 진단적 활성 작용제 또는 이들의 조합일 수 있다.
이때, 상기 약제학적 활성 작용제는 신경퇴행성 질환, 신경 정신성 질환, 뇌 종양, 외상성 뇌 손상(traumatic brain injury), 및 뇌졸증(stroke)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 질병을 치료하기 위한 약제, 신경영양인자(neurotrophic factor), 또는 성장인자인 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키기 위한 방법은, (S4) 상기 (S3) 단계 이후에 수행되고, 상기 나노 제너레이터가 상기 뇌-혈관 내피 세포와 뇌-혈관 내피 세포 사이를 관통하여 뇌 심부로 전달되는 단계; 및 (S5) 뇌 심부로 전달된 상기 나노 제너레이터에 제2 자극원이 전달되어, 상기 나노 제너레이터의 압전효과를 통해 주위에 존재하는 신경 세포의 Ca2+ 유입 채널이 개방되는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제2 자극원은 초음파, 소리, 물리적 압력(mechanical pressure) 및 공진 주파수(resonant frequency) 등과 같은 공명(resonance)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있고, 바람직하게는 초음파, 더욱 바람직하게는 고강도 집속 초음파(high-intensity focused ultrasound, HIFU)일 수 있다.
여기서, 압전성의 상기 나노 제너레이터에 담지되어 있는 일산화질소 공여체는 비침습성 무선 신경 자극기로 설명될 수 있다.
압전성 재료는 외부 자극 하에서 직류 출력을 생성하기 위해 기계적으로 변형 및 분극될 수 있다. 이때 상기 외부 자극으로 바람직하게는 깊은 관통성과 부위-특정성을 갖는 고강도 집속 초음파(high-intensity focused ultrasound, HIFU)일 수 있다.
전술한 바와 같이, 자극원(초음파 등)으로 인해 탈리된 일산화질소는 일시적으로 뇌-혈관 장벽의 파괴를 유발하고, 전신적으로 투여된 나노 제너레이터는 뇌 심부에까지 도달하고, 생체 내에서 도파민성 신경을 전기적으로 자극하여, 자극원(초음파 등)에 대한 공포 기억(fear-memory)을 유발한다. 궁극적으로 본 발명의 나노 제너레이터 및 이에 가해지는 자극원(초음파 등)을 이용하면, 비 침습적인 심뇌 자극(DBS)을 달성할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터 및 활성 작용제를 개체에 투여하는 단계를 포함하는 상기 활성 작용제를 개체에 전달하기 위한 방법이 제공된다.
상기 방법에서, 나노 제너레이터 및 활성 작용제는 전술한 바와 같다.
상기 투여는 당업계에 알려진 방법에 의하여 투여될 수 있다. 투여는 예를 들면, 정맥내, 근육내, 경구, 경피(transdermal), 점막, 코안(intranasal), 기관내(intratracheal) 또는 피하 투여와 같은 경로로, 임의의 수단에 의하여 개체로 직접적으로 투여될 수 있다. 상기 투여는 전신적으로 또는 국부적으로 투여될 수 있다. 상기 투여는 BBB 부위, 예를 들면, 뇌, 척수, 또는 망막에 국소적으로 적용하는 것일 수 있다.
상기 개체는 포유동물, 예를 들면, 사람, 소, 말, 돼지, 개, 양, 염소, 또는 고양이일 수 있다. 상기 개체는 뇌, 척수, 또는 망막 질병을 가진 개체일 수 있다.
상기 투여는 나노 제너레이터 및 활성 작용제를 개체당 각각 일당 0.01 mg 내지 1,000 mg, 예를 들면, 0.1 mg 내지 500 mg, 0.1 mg 내지 100 mg, 0.1 mg 내지 50 mg, 0.1 mg 내지 25 mg, 1 mg 내지 1,000 mg, 1 mg 내지 500 mg, 1 mg 내지 100 mg, 1 mg 내지 50 mg, 1 mg 내지 25 mg, 5mg 내지 1,000 mg, 5 mg 내지 500 mg, 5 mg 내지 100 mg, 5 mg 내지 50 mg, 5 mg 내지 25 mg, 10mg 내지 1,000 mg, 10 mg 내지 500 mg, 10 mg 내지 100 mg, 10 mg 내지 50 mg, 또는 10 mg 내지 25 mg을 투여하는 것일 수 있다.
상기 나노 제너레이터 및 상기 활성 작용제는 동시, 또는 별개로 투여되는 것일 수 있다. 상기 나노 제너레이터 및 상기 활성 작용제는 단일 조성물, 또는 별개의 조성물로서 투여될 수 있다. 상기 투여는 상기 나노 제너레이터를 먼저 투여한 후, 상기 활성 작용제를 투여하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 활성 작용제는 상기 나노 제너레이터 투여 후 30 분 이내, 20 분 이내, 15 분 이내, 10 분 이내, 또는 5 분 이내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 활성 작용제는 상기 나노 제너레이터 투여 후 예를 들면, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 20 분 이내, 1 내지 5 분, 5 분 내지 15 분 이내, 5 분 내지 10 분, 또는 3 분 내지 15분 내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 투여는 상기 활성 작용제를 먼저 투여한 후, 상기 나노 제너레이터를 투여하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 나노 제너레이터는 상기 활성 작용제 투여 후 30 분 이내, 20 분 이내, 15 분 이내, 10 분 이내, 또는 5 분 이내에 투여되는 것일 수 있다. 상기 나노 제너레이터는 상기 활성 작용제 투여 후 예를 들면, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 20 분 이내, 1 내지 5 분, 5 분 내지 15 분 이내, 5 분 내지 10 분, 또는 3 분 내지 15분 내에 투여되는 것일 수 있다.
상기 방법은 물질 또는 증상의 존재를 진단하기 위한 것 또는 증상을 치료하기 위한 것일 수 있다. 상기 물질 또는 증상은 뇌, 망막, 또는 척수에 존재하는 것일 수 있다.
상기 활성 작용제는 약제학적 활성 작용제, 또는 진단적 활성 작용제일 수 있다. 상기 방법은 약제학적으로, 또는 진단학적으로 허용가능한 담체를 함께 투여하는 것일 수 있다.
상기 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터는 상기 뇌-혈관 장벽의 투과성을 증가시키기에 유효한 양으로 투여되는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 활성 작용제를 개체에 전달하기 위한 방법에 사용하기 위한 일산화질소 공여체를 담지하고 있는 나노 제너레이터의 용도가 제공된다. 상기 용도는 뇌-혈관을 통하여 개체에게 전달하기 위한 것일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 제1 및 제2 자극원을 초음파인 것에 대해서만 설명하고 있으나, 전술한 바와 같이, 제1 자극원은 초음파 이외에도 빛, 열 및 글루타티온(glutathione, GSH) 등이 가능하고, 제2 자극원은 초음파 이외에도 소리, 물리적 압력(mechanical pressure) 및 공명(resonance) 등이 가능하며, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 초음파 감응성 나노 제너레이터의 제조
온 디맨드, 비 침습적 및 무선 신경 자극기의 전제조건으로는 초음파, 바람직하게는 HIFU(high-intensity focused ultrasound)에 반응하여 일산화질소와 직류 출력을 모두 생성하여야 한다. 상기 조건을 모두 만족시키는 나노 제너레이터인 BTNP-pDA-BNN6는 단계적으로 압전성의 BTNP(BaTiO3 nanoparticle)의 표면에 폴리도파민을 코팅시키는 산화 중합 단계와, 폴리도파민 코팅층 상에 초음파 감응성의 BNN6를 로딩하는 단계를 거쳐 제조하였다(도 1의 b 참조).
더욱 상세하게는, 200 nm 크기의 압전성 BTNP를 출발 물질로 선택하였다. 상기 BTNP는 생물학적 시스템 내부에서 출력 전류를 생성하는데 큰 잠재력을 보여주지만, 소수성으로 인해 임상적 용도로는 제한적이며, 수성 조건에서는 즉각적으로 응집하게 된다(도 2의 a 참조). 따라서, 생체 내 독성 및 소수성을 약화시키기 위해 산화 중합을 통해 생체 적합성 및 전도성 중합체인 폴리도파민(pDA)으로 BTNP를 코팅하였다. 폴리도파민이 코팅된 BTNP-pDA의 코어-쉘 구조는 TEM 이미지에 의해 확인되었다(도 2의 b 참조).
그 후, 초음파 감응성 일산화질소 공여체인 BNN6을 N,N'-Di-sec-butylamino-p-phenylenediamine(BPA)로부터 합성하여 준비하였고, 1H NMR 및 LC-MS(ESI+) 분석을 통해 BNN6의 합성을 확인하였다. 1H NMR 스펙트럼에서 δ=2.99 및 3.29ppm에서 사라지는 2차 아민 피크는, 2개의 NO가 BPA의 p-페닐렌디아민에서 2개의 수소 원자를 대체하여 BNN6을 형성했음을 보여준다(도 3 참조).
그리고, LC-MS(ESI+) 데이터는 합성된 BNN6의 분자량이 그의 화학 구조와 완전히 일치하는 279 g/mol임을 추가로 제시하였다(도 4 참조). 그리고 BNN6의 초음파 감응성 일산화질소 방출 거동은 실시간 NO 분석에 의해 조사되었으며, 표적에 대한 완벽한 NO 방출 가능성을 나타내었다(도 5 참조).
나노 제너레이터의 제조를 완성하기 위해, 도 1의 b에 도시된 바와 같이 π-π 인력을 통해 수불용성의 BNN6를 폴리도파민의 표면상에 로딩하기 위해 10 중량%의 ACN 용액에서 BTNP-pDA 및 BNN6를 함께 인큐베이션하였다. 나노 제너레이터는 도 1의 b에 도시된 바와 같이 코어-쉘 구조를 나타내었다. 나노 제너레이터의 크기 및 분포는 혈액의 순환 동안 응집을 유도하는 일반적인 성분인 혈청의 존재 하에서도 다양한 생리학적 조건에서 변하지 않고 유지되었다(도 6 참조).
이어서, 나노 제너레이터의 초음파 감응성 NO 방출을 생리학적 조건(DPBS, pH 7.4, 37 ℃)에서 모니터링 하였다. 초음파가 없는 경우, 전체적으로 소량(1.53 nmol/mg)의 NO만이 방출되었다. 대조적으로, 초음파가 조사될 때, 전체적으로 더 많은 양의 NO(74.5 nmol/mg)가 방출되었고, 초당 최대 순간 농도로서 2.97 pmol/mg으로 방출되었다(도 7의 h 참조).
본 발명에 따라 제조된 나노 제너레이터는 압전 특성을 유지하고, 초음파에 반응하여 직류 출력을 생성할 가능성이 있다는 점이 입증되었다. XRD 분석으로부터, 결정학적 구조는 2θ ≒ 45°에서 2개의 서로 다른 뚜렷한 피크를 보여 주었고, 이는 표면 개질 후 정방성의 존재를 나타낸다(도 7의 I 참조).
2. 나노 제너레이터의 전기화학적 거동 측정
전술한 바와 같이 제조된 나노 제너레이터의 전기화학적 거동을 조사하여 Ramya, et al에 의해 개발된 방법을 확장시켰다. 생리학적 조건하에서 설치된 패치-클램프(patch-clamp)는 초음파에 감응하는 현탁된 나노 제너레이터에 의해 생성된 전위를 기록하는 데 사용되었다(도 8의 a 참조). 모든 측정은 전압-클램프 모드에서 수행되었으며, 전압은 가상 셀룰러 조건으로서 -70 mV로 유지되었다. 다양한 초음파의 강도를 적용하여 해당 피펫 전류를 측정하였다(도 8의 b 참조). 나노 제너레이터가 있는 피펫의 전류는 각각 0.4, 0.8, 1.6 및 3.2 W/cm2인 초음파 강도에 반응하여, ~ 3.30, ~ 4.57, ~ 11.8 및 ~ 22.4pA로 비례적으로 증가하였다(도 8의 c 참조). 용액에서 나노 제너레이터를 제거하였을 때에는 전류가 기록되지 않았다. 이러한 초음파 유도 전위는 미세한 전기 신경 자극을 달성할 수 있는 가능성을 입증하였다.
3. 나노 제너레이터를 이용한 신경자극
전술한 바와 같이 제조된 나노 제너레이터와 함께 체외 초음파 자극을 수행하였다. 최적의 초음파 상태를 찾기 위해 세포 독성시험을 수행한 결과, 0.8 W/cm2 보다 높은 초음파 강도는 분화된 SH-SY5Y 신경 세포의 생존력에 영향을 미쳤다. 따라서, 50% 듀티 사이클(duty cycle)로 초음파 강도를 0.4 W/cm2로 유지하면서, 세포 생성 시험을 수행하였다. 체외 신경 자극을 조사하기 위해, 나노 제너레이터의 유무에 관계없이 세포 내 칼슘 역학을 모니터링하였다. 흥미롭게도, Fluo-4 AM 형광 이미지로부터 초음파가 적용된 나노 제너레이터(NG)는 SH-SY5Y-유래 신경을 자극할 수 있음을 알 수 있다(도 9의 a, b 참조). 이러한 높은 진폭의 칼슘 체류는 나노 제너레이터에 의해 생성된 전위가 전압 게이트 채널을 열어 칼슘 유입을 유발한다는 것을 시사한다.
세포 내 칼슘 농도는 신경 전달 물질 방출에 중요한 역할을 하며, 방출 준비 소포의 모집을 촉진시킨다. 신경 말단에서 칼슘은 활동 전위 동안 신경 전달 물질 방출을 유발한다. 칼슘 유입에 의해 유발된 초음파 감응성 신경 전달 물질이 방출되는지 조사하였고, 짧은 초음파 조사 이후, ELISA를 사용하여 배지에서 신경 전달 물질인 도파민의 농도를 측정하였다. 도파민의 농도는 나노 제너레이터와 초음파 모두가 처리되었을 때 상당히 증가하였으며, 이는 도파민성 SH-SY5Y-유래 신경으로부터 신경 전달 물질 방출이 가속화되었음을 나타낸다(도 9의 c 참조).
4. NO가 보조된 나노 제너레이터의 BBB 투과
뇌 조직에 대한 BBB 투과에서의 NO의 영향을 평가하기 위해, 80 mg/kg 용량으로 나노 제너레이터를 정맥 내로 처리한 후 8 주령 암컷 Balb/c 마우스를 초음파에 노출시켰다(도 10의 a 참조). 생체 내 실험 전에, 사전 최적화된 조건에서 샘플 투여 후 초음파를 뇌 부위에 조사하였다.
효과적인 초음파 처리를 위해, 초음파 이미징 시스템-동기화된 초음파 기구를 이용하여, 실시간으로 초음파 가이던스로 처리 부위를 모니터링하였다(도 11 참조).
주사 및 초음파 처리한 다음 2 시간 이후, 마우스를 희생시킨 다음 뇌 내부에 축적된 나노 제너레이터의 양을 정량화하였다. ICP-OES 분석을 사용하여 왕수(aqua regia)로 증해시킨 다음, 뇌 조직 내부의 바륨 이온 농도를 측정하였다.
식염수 처리된 음성 대조군(Ctrl (-))으로부터 검출된 원치 않는 바륨 이온 농도가 각 값에서 차감되었다. 바륨 이온 농도가 그룹 D에서만 극적으로 증가한 것을 발견하였고, 이는 NO가 BBB를 투과하여 나노 제너레이터(NG)가 축적되었음을 나타낸 것이다(도 10의 c 참조). 흥미롭게도, 이 값은 양성 대조군 그룹(Ctrl (+), 400 mg/kg 용량의 이뇨 만니톨)보다 8.2 배 정도 높았다. 뇌 내부의 나노 제너레이터의 축적을 시각화하기 위해, 그룹 D의 중뇌 조직 조각으로부터 전자 현미경을 취하여 BBB 투과된 나노 제너레이터를 내부에 잘 위치시킬 수 있었다(도 10의 d 참조).
한편, 투여된 나노 제너레이터에 대한 장기 생체 내 제거 및 독성을 추가로 조사하였다. ICP-OES 분석을 수행하여 나노 제너레이터의 생체 분포 및 생체 내 잔여량을 측정하였다. 각 조직의 바륨 이온 농도는 주사 후 60일 후에 뇌 조직 및 기타 각 조직에서도 현저하게 감소하였다(도 10의 e 참조). 뇌의 세정 메커니즘은 여전히 불분명하지만 뇌척수액(CSF)의 흡수 및 배출은 다른 고분자 폐기물 제거와 같이 나노 제너레이터 제거에 관여할 수 있다는 것을 확인할 수 있고, 샘플 처리 후 체중 감소의 특이 사항이 관찰되지 않았다(도 10의 f 참조).
5. 비 침습적 초음파 심뇌 자극
초음파 조사로 인해 나노 제너레이터로부터 발생된 전기 전위가, 깨어있는 마우스의 행동을 변경할 수 있도록 체내 신경을 자극할 수 있는지 여부를 확인하였다.
1-메틸-4-페닐-1,2,3,6-테트라하이드로피리딘(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)-유도 급성 파킨슨병 모델 마우스를 준비하고, 전체 실험 타임라인에 따라 그들의 행동을 모니터링하였다(도 12의 a 참조). 도파민은 학습된 공포의 발현에 중요하기 때문에, 공포 기억의 획득 및 발현을 조사하였다. 그룹 III와 V에 80 mg/kg 용량으로 나노 제너레이터를 정맥 내 주사하고 축적을 위해 초음파를 뇌 조직에 즉시 조사하였다. 그룹 IV 및 V에서의 초음파 간격과 관련하여, 1 일에 4 시간 간격으로 6회 뇌 조직에 초음파를 조사하였다.
그룹 II(MPTP 처리된 마우스)는 그룹 I에 비해 공포를 유발하는 동안 현저하게 감소된 프리징(freezing)수준을 나타냈다. 공포 기억을 획득하는 동안 유의미한 차이가 관찰되지 않았지만, MPTP 처리된 그룹 중, 그룹 IV 및 V는 공포를 유발하는 동안 상당히 높은 프리징(freezing)수준을 나타냈다(도 12 참조). 그룹 IV에서 유의미하지 않은 증가된 프리징(freezing)수준은 초음파 자체가 생체 내에서 신경계를 기계적으로 자극할 수 있음을 나타낸다. 게다가, 뇌 조직에 축적된 나노 제너레이터는 공포 기억을 유발하기 위해 그룹 V의 신경계를 상승적으로 자극하였다.
또한, 뇌 조각의 면역 조직 화학(IHC)에 의한 치료시 티로신 가수분해 효소(TH) 수준의 변화를 조사하였다(도 12 참조). TH는 L-티로신을 도파민의 전구체인 L-DOPA로 전환시키는 효소이다. 따라서 TH의 감소된 수준은 도파민성 뉴런의 변성을 반영한다. TH+ 뉴런은 MPTP 처리된 그룹에 대한 흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta, SNc) 영역에서 현저히 낮아졌다. 대조적으로, 그룹 D에서 더 많은 수의 TH+ 뉴런이 관찰되었다. 이는 나노 제너레이터를 갖는 초음파 DBS가 흑질줄무늬체 경로(nigrostriatal pathway)에서 도파민성 뉴런의 변성을 억제함을 시사한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예 및 실험예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 바륨 티타네이트(BaTiO3)를 포함하는 나노파티클;
    상기 나노파티클 표면에 코팅된 폴리도파민; 및
    상기 폴리도파민에 로딩된 초음파 감응성 일산화질소 공여체를 포함하는 나노 제네레이터를 유효성분으로 포함하고,
    상기 초음파 감응성 일산화질소 공여체는 N,N'-di-secbutyl-N,N'-dinitroso-1,4-phenylenediamine (BNN6), 1,3-bis-(2,4,6-trimethylphenyl)imidazolylidene nitric oxide (IMesNO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고,
    하기 조성물은 정맥 투여 후 초음파를 1차로 조사함으로써 나노 제네레이터의 뇌심부 축적을 유도하고, 2차로 초음파를 조사하여 뇌심부에서 전류를 발생시키기 위한 것인,
    퇴행성 뇌질환, 근 긴장 이상, 간질, 신경 정신성 질환, 뇌 종양, 외상성 뇌 손상, 또는 뇌졸중의 치료 또는 완화를 위한 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 제네레이터는 체내 투여 후 체외 초음파 자극에 의해 일산화질소를 방출하거나 전기자극을 생성하는 것인, 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 체외 초음파 자극은 HIFU(high-intensity focused ultrasound)인, 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 주사로 투여하기 위한 것인, 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노파티클은 200nm 크기인, 조성물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
KR1020200033940A 2020-03-19 2020-03-19 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법 KR102490837B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200033940A KR102490837B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법
EP21161851.7A EP3895701A1 (en) 2020-03-19 2021-03-10 Method for increasing permeability of blood-brain barrier
US17/198,419 US11660342B2 (en) 2020-03-19 2021-03-11 Method for increasing permeability of blood-brain barrier
CN202110288435.0A CN113425740A (zh) 2020-03-19 2021-03-17 用于提升血脑屏障渗透性的方法
JP2021045149A JP2021147398A (ja) 2020-03-19 2021-03-18 血液脳関門の透過性を増加させる方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200033940A KR102490837B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210117562A KR20210117562A (ko) 2021-09-29
KR102490837B1 true KR102490837B1 (ko) 2023-01-19

Family

ID=74870758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200033940A KR102490837B1 (ko) 2020-03-19 2020-03-19 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11660342B2 (ko)
EP (1) EP3895701A1 (ko)
JP (1) JP2021147398A (ko)
KR (1) KR102490837B1 (ko)
CN (1) CN113425740A (ko)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2001233052A1 (en) 2000-01-26 2001-08-07 Cedars-Sinai Medical Center Method for using potassium channel activation for delivering a medicant to an abnormal brain region and/or a malignant tumor
US20050074506A1 (en) * 2003-10-02 2005-04-07 Brainsgate Ltd. Targeted release of nitric oxide in the CNS circulation for modulating the BBB and treating disorders
US9320800B2 (en) 2012-08-15 2016-04-26 Wisconsin Alumni Research Foundation Methods and compositions for enhancing intranasal delivery of therapeutic agents
KR102413027B1 (ko) * 2017-07-25 2022-06-24 기초과학연구원 고강도집중초음파 감응성 나노구조체 및 이를 이용한 일산화질소 전달 시스템
CA3094377A1 (en) * 2018-03-29 2019-10-03 Microvascuar Therapeutics Llc Compositions and methods of detecting and treating alzheimer's disease
JP6985974B2 (ja) 2018-04-27 2021-12-22 富士フイルム株式会社 感光性転写材料、レジストパターンの製造方法、回路配線の製造方法
KR20200015251A (ko) 2018-08-03 2020-02-12 한국과학기술연구원 비수리 추출물을 포함하는 신경세포 보호용 조성물

Also Published As

Publication number Publication date
US11660342B2 (en) 2023-05-30
KR20210117562A (ko) 2021-09-29
US20210290762A1 (en) 2021-09-23
CN113425740A (zh) 2021-09-24
EP3895701A1 (en) 2021-10-20
JP2021147398A (ja) 2021-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7395112B2 (en) Method and apparatus for treating tumors using low strength electric fields
Hirschberg et al. Disruption of the blood–brain barrier following ALA‐mediated photodynamic therapy
US8600494B2 (en) Method and device for treating abnormal tissue growth with electrical therapy
Tyler et al. Nanomedicine for treating spinal cord injury
Berardelli et al. Descending volley after electrical and magnetic transcranial stimulation in man
US8024048B2 (en) Method and device for treating cancer with electrical therapy in conjunction with chemotherapeutic agents and radiation therapy
US8916205B2 (en) Polymeric nanoparticles for photosensitizers
Baptista et al. High‐and low‐frequency transcutaneous electrical nerve stimulation delay sciatic nerve regeneration after crush lesion in the mouse
Ray et al. Deep brain stimulation for severe, chronic pain
TW200902114A (en) Methods and systems for treating cell proliferation disorders
TW200946165A (en) Non-invasive systems and methods for in-situ photobiomodulation
Meyer et al. Lipidic nanocapsule drug delivery: neuronal protection for cochlear implant optimization
US11185691B2 (en) Tumor therapy
Agnew et al. MK-801 protects against neuronal injury induced by electrical stimulation
US11654292B2 (en) Targeted osmotic lysis of malignant cancer cells using pulsed magnetic field gradients
Fan et al. Selective Activation of Cells by Piezoelectric Molybdenum Disulfide Nanosheets with Focused Ultrasound
KR102490837B1 (ko) 뇌-혈관 장벽 투과성을 증가시키는 방법
CN115317605A (zh) 一种自主供氧复合光敏剂及其应用
Wang et al. Analgesia from electrical stimulation of the hypothalamic arcuate nucleus in pentobarbital-anesthetized rats
Cetin et al. Nanotechnology applications in neuroscience: Advances, opportunities and challenges
US10773098B2 (en) Therapy for glioblastoma multiforme
Liu et al. Emerging trends in drug-device combination for advanced disease diagnosis and therapy
Hou Acoustic nanoparticles mediated precise brain stimulation by noninvasive ultrasound
WO2023240256A2 (en) Ultrasound optogenetic compositions and methods
Bomba et al. EXTH-52. GLIOBLASTOMA-TARGETING AUTOLOGOUS INDUCED NEURAL STEM CELL THERAPY: EVALUATING SAFETY, TOXICITY, PERSISTENCE, AND TRANSPLANT METHODS IN A POST-SURGICAL CANINE MODEL

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant