KR20160047044A - 광역학 검지를 위한 결합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일항산소의 생성능이 뛰어난 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체, 그리고 상기 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 엽산이 결합된 결합체에 관한 것이다.

Description

광역학 검지를 위한 결합체{CONJUGATES FOR PHOTODYNAMIC DIAGNOSIS}
본 발명은 광역학 검지를 위한 면역화학착색 물질 및 이의 결합체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체, 그리고 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 세포 표적 물질로서 엽산이 결합된 결합체에 관한 것이다.
광역학 요법(Photo Dynamic Therapy: PDT)은 광민감성 물질(photo-sensitizer)을 이용하여 수술 없이 암 등의 난치병을 검지(檢知, 진단)하는 기술이다. PDT는 빛에 예민한 반응을 보이는 물질인 광민감성 물질(Photosensitizer)을 체내에 투여하고 외부에서 빛을 조사하면, 체내의 풍부한 산소와 외부 빛에 의한 화학반응으로 단일항산소(singlet oxygen) 또는 자유 라디칼(free radical)이 생성되고, 이와 같은 단일항산소 또는 자유 라디칼이 각종 병변 부위나 암세포의 세포사멸을 유도하여 파괴하는 원리를 이용한다. 이러한 광역학 요법(PDT)은 20세기 초부터 활발한 연구가 진행되어 현재는 암의 진단을 위해 두루 사용되고 있으며 그 응용 범위는 점차 확대되고 있다.
현재 PDT 요법에 사용되고 있는 광민감성 물질로는 대한민국 등록특허 제100390771호에 개시된 바와 같은 포르피린(porphyrin) 유도체 및 대한민국 공개특허 제1996-7004980호에 개시된 바와 같은 프탈로시아닌(phthalocyanine)이 있으며 이외에도 박테리오크로린(bacteriochlorin), 크로린(chlorin), 5-아미노레불신 산(5-aminolevulinic acid)유도체 등이 알려져 있다. 또한, 광민감성 물질 가운데, 사이클릭 테트라피롤 유도체는 암세포에 선택적으로 축적될 뿐만 아니라 화합물의 특징상 형광이나 인광을 나타내므로 종양의 조기진단 시약으로도 활용되기도 한다.
한편, 각종 질환이 점차 세분화 되어감에 따라 다양한 질환들에 대한 새로운 진단기준이 소개되고 있으며, 진단 기술들은 MRI 또는 CT 등의 체내진단에 머무르지 않고, 체외진단(IVD: In vitro Diagnostics)으로까지 시장규모가 확장되고 있는 추세이다. 이러한 기술 동향 속에서 종양의 진단에 도움을 주는 종양표지자, 예후를 판정할 수 있는 예후인자들 역시 다량 알려지고 있어서 기존의 헤마톡실린-에오신 염색표본이나 전자현미경만으로는 이러한 종합적인 정보를 얻는데 한계가 있다.
이에 반해, 광학적 요법의 원리를 이용하는 진단 방법의 일종인 광학 면역조직화학적 염색법은 광학 면역화학착색 소재이자 원인 유전자의 생성 단백질에 대한 항체인 물질을 이용하는 진단 방법으로서, 종래 진단법들의 한계를 보완해 줄뿐만 아니라 유전자와 관련된 근질환의 특이진단에까지 유용하게 이용되고 있다. 또한, 미분화 세포의 기원을 확인해주거나, 효소, 호르몬, 종양표지자 및 예후인자의 존재 유무, 암종과 육종의 구별 및 양성종양과 악성종양의 감별, 그리고 전이암의 원발소를 추정하는데 효율적으로 이용되고 있다.
다만, 기존의 면역화학염색법의 경우 민감성과 특이성은 높으나 분자량이 큰 항체(antibody)를 이용하기 때문에 표적 단백질이 세포막 표면에 있는 경우 고분자 항체 사용시 문제가 없지만 세포내의 표적 단백질을 표지하기 위해서는 고분자 항체의 조직 및 세포 투과율이 낮다는 한계점이 존재하였다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 기존 면역화학염색시 Triton TM X-100, Tween-20 등과 같은 계면활성제를 사용하여 고분자 항체의 조직 및 세포막 투과율을 높이고 있으나 이는 병변 조직의 단백질 변성을 초래할 수 있어 확실한 질병 검출에 한계가 있고, 여러 단계의 복잡한 염색법을 사용하기 때문에 검출 시간이 오래 걸린다.
이에 본 발명을 통해 조직 및 세포투과율을 향상시켜 계면활성제 사용이 필요 없으며, 단일항산소의 생성율이 뛰어난 원스텝 광학 면역화학 착색소재인 수용성 포르피린 유도체 및 상기 포르피린 유도체와 엽산의 결합체를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 바람직한 일구현예는 하기 화학식 1로 표현되는 광역학 검지를 위한 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체이다.
(화학식 1)
Figure pat00001
상기 화학식 1에서 n은 20 내지 125이다.
또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 구현예는 상기 일 구현예의 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌 글리콜의 결합체로부터 엽산이 결합되어 합성되며, 하기 화학식 2로 표현되는 광역학 검지를 위한 결합체이다.
(화학식 2)
Figure pat00002
본 발명의 결합체는 단일항 산소의 생성능이 현저히 뛰어나 조직 및 세포 투과율을 높일 수 있으므로, 기존의 면역화학 염색법시의 여러 단계의 처리과정을 거쳐야 하는 번거로움을 피하고 계면활성제 사용시의 문제점을 원천적으로 봉쇄할 수 있다.
도 1은 본 발명의 포르피린 유도체와 폴리에틸렌글리콜의 결합체인 PP2-PEG의 화학적 결합을 1H NMR을 이용하여 분석한 것을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 포르피린 유도체와 폴리에틸렌글리콜 결합체에 엽산이 결합된 결합체의 단일항산소 생성능을 DMA 형광 강도(Fluorescence intensity) 감소율을 통해 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 광역학 검지를 위한 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌 글리콜의 결합체를 제공할 수 있다.
(화학식 1)
Figure pat00003
상기 화학식 1에서 n은 20 내지 125이다.
본 발명에서 '광역학(光力學, photodynamic)'은 색소와 산소가 생체 내에 동시에 존재할 때 가시광(그 색소의 흡수광)의 조사로 생기는 생체내 분자의 산화작용을 의미하는 것으로, 광역학 작용을 갖는 물질이라 함은 일정 파장에서 색을 띄는 화합물을 포함하고, 이로 인해 광 조사시 생체 내에서 단일항산소를 생성시킴으로써 핵산이나 단백질에 손상을 일으키는 물질을 의미할 수 있다. 이러한 원리로서 광역학 작용을 갖는 물질을 표적 세포에 투입한 후, 적정 파장을 조사하면 겨누고 있는 표적만을 비교적 선택적으로 불활성화할 수 있기 때문에 각종 질환의 검지(檢知, 진단)에 매우 용이하게 사용할 수 있게 된다.
본 발명에서 상기 화학식 1의 결합체는 하기 화학식 1-1의 포르피린 유도체와 화학식 1-2의 폴리에틸렌글리콜의 결합으로 합성할 수 있으며, 그 합성 메커니즘은 하기 반응식 1과 같을 수 있다.
(화학식 1-1)
Figure pat00004

(화학식 1-2)
Figure pat00005
n은 20 내지 125 사이의 정수.
(반응식 1)
Figure pat00006

이때, 상기 폴리에틸렌글리콜의 반복 단위 n의 범위가 20 내지 125 사이의 정수임에 따라, 화학식 1로 표현되는 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌 글리콜의 결합체는 중량평균 분자량이 1,568 내지 6,568 일 수 있다. 폴리에틸렌글리콜의 반복단위 n의 범위가 20 미만일 경우 포르피린에 부여되는 친수성이 부족하여 포르피린의 일항산소 생성 및 발광이 제한될 수 있으며, 125를 초과할 경우, 포르피린에 부여되는 친수성 및 분자량이 과다하여 바람직하지 못하다.
한편, 본 발명에서 상기 화학식 1로 표현되는 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체가 가 그 자체로 존재할 경우에는 생체내에서 특정 세포를 표적화하여 광역학 작용을 나타내기 곤란하므로, 보다 효과적으로 특정 세포를 표적화하기 위하여 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 세포 표적 물질로서 하기 화학식 2-1의 엽산을 결합시켜 하기 화학식 2로 표현되는 결합체를 형성하는 것이 바람직하다.
(화학식 2-1)
Figure pat00007

(화학식 2)
Figure pat00008

대부분의 광역학 작용을 갖는 물질은 각종 질환, 특히 암세포에 대한 진단 또는 치료용으로 사용되는 경우가 많은데, 암세포 표면에는 엽산을 인지하는 수용체가 많이 분포되어 있으므로 표적 물질로서 엽산을 사용할 경우 정상적인 세포를 제외한 질환성 세포에만 상기 결합체가 선택적으로 침투할 수 있다.
상기 화학식 2의 결합체의 반응 메커니즘은 하기 반응식 2와 같을 수 있으며, 이때, 상기 화학식 2-1로 표현되는 엽산을 화학식 1로 표현되는 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 결합하기 위하여 엽산의 -COOH기를 활성화시키는 촉매를 첨가하여 반응시킬 수 있다. 여기서 본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있는 촉매로는 반드시 이에 제한되는 것은 아니나, 4-하이드록시메칠벤조익에시드(4-hydroxymethlbenzoic acid: DMAP) 또는 1,3-디사이클로 헥실카보디미드(1,3-dicyclohexyl carbodiimide: DCC)를 사용할 수 있다.
(반응식 2)
Figure pat00009

나아가 본 발명은 상기 결합체를 유효성분으로 포함하는 광역학 진단 또는 치료용 조성물을 제공할 수 있으며, 가장 바람직하게는 진단용 조성물로 제공될 수 있다. 이때, 상기 광역학 진단 또는 치료용 조성물은 약학적으로 유효한 양의 본 발명의 결합체를 단독으로 포함하거나 하나 이상의 약학적으로 허용되는 담체, 부형제 또는 희석제를 포함하는 것을 의미할 수 있으며, 유효한 양이란 질환 또는 질병을 예방, 개선 및 치료하기에 충분한 양을 의미할 수 있다.
본 발명의 포르피린 유도체와 엽산의 결합체 또는 상기 결합체를 포함하는 조성물을 이용하여 질병을 진단할 경우, 사용할 수 있는 광원으로는 초음파 조사 방출기, 광방출 다이오드, 레이저 다이오드, 염료 레이저, 할로겐화 금속 램프, 플레쉬 램프, 기계적으로 필터링된 형광 광원, 기계적으로 필터링된 백열 및 필라멘트 광원으로 이루어진 생체 외 광조사를 위한 광원; 및 광역학 치료용 레이저 파이버 등 생체 내 광조사를 위한 광원으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 광원을 사용하는 것이 바람직할 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
1-1. 포르피린 유도체와 폴리에틸렌글리콜 ( PEG ) 결합체 합성
포르피린 유도체와 폴리에틸렌글리콜 합성에 앞서 포르피린 유도체의 카르복실기를 촉매를 이용해 반응성을 높여주기 위해 하기 화학식 1-1로 표현되는 포르피린 유도체(0.146g)와 N,N'Dicyclohexylcarbodiimide(DCC, 0.0695g), N-hydroxysuccinimide(nhs, 0.0385g)를 디메틸설폭시드(Dimethyl sulfoxide, DMSO, 25ml)에 녹인 후 상온에서 6시간 동안 반응시켰다. 6시간 반응 이후 중량 분자량이 1,000 내지 2,000인 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol-bisamine, PEG, 0.5g)을 디메틸설폭시드(DMSO, 15ml)에 녹인 후 상기 포르피린 유도체 용매에 첨가하고 상온에서 24시간동안 반응시켰다.
(화학식 1-1)
Figure pat00010

상기 반응물을 여과한 후에 디메틸설폭시드 및 반응에 사용된 촉매를 제거하기 위해 투석막 (Spectra/Por; mol. wt. cutoff size, 1,000)을 이용하여 3일 동안 1차 증류수를 이용하여 투석하였으며, 최종 반응물을 동결건조하여 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌 글리콜 결합체를 수득하였다. 이때, 수득된 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌 글리콜 결합체의 화학적 결합상태를 1H-NMR 분석을 통해 분석하였으며, 그 결과는 도 1에 반영하였다.
1-2. 포르피린- 폴리에틸렌글리콜과 엽산의 결합체 합성
상기 실시예 1-1에서 합성한 포르피린유도체 및 폴리에틸렌글리콜 결합체에 엽산를 결합하기에 앞서, 엽산의 카르복실기를 촉매를 이용해 반응성을 높여주기 위해 엽산(Folic aicd, FA, 0.015g)과 N,N’-Dicyclohexylcarbodiimide(DCC, 0.018g), N-hydroxysuccinimide(nhs, 0.010g)를 디메틸설폭시드(Dimethyl sulfoxide, DMSO, 5ml)에 녹인 후 상온에서 6시간 동안 반응시켰다. 6시간 반응 후 상기 실시예 1-1에서 수득된 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체(PEG-2PP, 0.2g)를 디메틸설폭시드(DMSO, 10ml)에 녹인 후 상기 엽산 용매에 첨가하고 상온에서 24시간 동안 반응시켰다. 이 반응물을 여과한 후에 디메틸설폭시드 및 반응에 사용된 촉매를 제거하기 위해 투석막(Spectra/Por; mol. wt. cutoff size, 1,000)을 이용하여 3일 동안 1차 증류수를 이용하여 투석하였으며, 이후 최종 반응물을 동결건조를 통해 건조하여 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 엽산이 결합된 결합체를 수득하였다.
측정예 1. 단일항산소 생성능 평가
상기 실시예 1에 따라 합성된 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체에 엽산이 결합된 결합체가 광역학 진단 또는 치료용 물질로 적합한지 판단하고 그 효과를 측정하기 위하여, 레이저 조사에 따른 단일항산소 생성능을 분석하였다. 구체적인 분석 방법은 상기 실시예 1에서 최종 제조된 결합체(실시예 1-2)를 유기용매인 DMF 2ml에 녹인 후, 단일항산소를 검출할 수 있는 소량의 9,10-디메틸안트라센(9,10-dimethylanthracene)을 첨가하여 최종 20㎍/ml의 농도가 되도록 하였다.
이후, 통상의 광민감성 물질이 단일항산소를 생성할 수 있는 것으로 알려진 670nm 파장의 레이저를 사용하여 40초 간격으로 레이저를 조사한 후, 형광 스펙트로포토미터(Spectrofluorephotometer)를 이용하여 Ex 360nm, Em 380~550nm에서 형광을 측정하였다. 그 결과, 하기 도 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 결합체(실시예 1-2)는 단일항산소 생성율이 매우 우수한 것을 알 수 있었고, 이에 따라 본 발명의 포르피린 유도체와 엽산 결합체가 표적 세포에 더욱 효과적으로 침투하여 단일항산소를 생성시키고 이를 통해 표적 세포의 존재 확인 및 사멸가능성을 높일 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (2)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 광역학 검지를 위한 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체;
    (화학식 1)
    Figure pat00011

    상기 n은 20 내지 125 사이의 정수.
  2. 상기 청구항 1항의 포르피린 유도체 및 폴리에틸렌글리콜의 결합체로부터 엽산이 결합되어 합성되며, 하기 화학식 2로 표현되는 광역학 검지를 위한 결합체;
    (화학식 2)
    Figure pat00012

    상기 n은 20 내지 125 사이의 정수.
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