KR20180117827A - 산화 그래핀-리포좀 복합체 및 이를 포함하는 약물전달체 - Google Patents

산화 그래핀-리포좀 복합체 및 이를 포함하는 약물전달체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화 그래핀-리포좀 복합체 및 이를 포함하는 약물전달체에 관한 것으로, 근적외선 광원에 의한 약물 유도 방출이 가능한 산화 그래핀-리포좀 복합체 및 상기 복합체를 포함하는 약물전달체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법에 의하면, 산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 산화 그래핀-리포좀 복합체를 제조할 수 있다.
상기 일체화된 산화 그래핀-리포좀 복합체는 약물을 투입하여 약물 전달체로 제조했을 때, 근적외선 광원에 의해 약물의 방출 여부를 효과적으로 제어할 수 있다.

Description

산화 그래핀-리포좀 복합체 및 이를 포함하는 약물전달체{nanographene oxide integrated liposome complex and drug delivery system comprising the same}
본 발명은 산화 그래핀-리포좀 복합체 및 이를 포함하는 약물전달체에 관한 것으로, 근적외선 광원에 의한 약물 유도 방출이 가능한 산화 그래핀-리포좀 복합체 및 상기 복합체를 포함하는 약물전달체를 제공하고자 하는 것이다.
효과적인 치료반응을 위해서는 작용부위에서 약물의 농도를 최적 상태로 유지하는 것이 중요하다. 약물의 농도가 낮거나 높으면 약물 내성이나 독성과 같은 원치 않는 부작용이 발생할 수 있다. 그러므로, 표적부위에서 치료 약물이 원하는 대로 방출되도록 하는 약물 전달 시스템이 요구된다. 약물이 원하는 대로 방출되도록 제어하기 위하여 빛, 초음파 및 자기장과 같은 외부 자극에 반응하는 전달 시스템들이 개발되었다. 빛에 의한 유도방출은 비침습적이며 정밀한 공간적, 시간적 제어가 가능하다는 점에서 특히 매력적이다. 다수의 광원들 중에서, 조직 침투가 비교적 용이하고 비독성인 근적외선(near infrared, NIR)광에 대한 관심이 증가하고 있다.
리포좀은 오랫동안 약물 전달용 비히클(vehicle)로서 이용되어 왔으며 일부 리포좀 제형은 임상용으로 승인을 받았거나 현재 임상시험 중에 있다. 생리적 온도(37 ㅀC)보다 높은 상전이온도(규칙적인 젤 상태에서 액정 상태로의 전이)를 갖는 지질로부터 제조된 열감응성 리포좀은 미열에 반응하여 탑재된 물질을 방출할 수 있다. 그러나, 실제 임상에 있어서 질환 부위의 국소적 온도를 조절하는 것은 어려운 일이다. 과거에는, 예컨대 나노입자, 나노로드, 나노셸, 나노케이지 같은 광열 특성을 갖는 금 나노구조체들이 리포좀으로부터의 제어 약물 방출을 위한 광학활성 스위치로 사용되었다. 이들은 약물 전달 시스템에서, 금 나노구조체는 NIR 광을 흡수하여 이를 열로 변환하는데 이 열은 주변 미세환경으로 발산되어 온도를 높이게 된다. 주변 온도가 지질의 상전이온도보다 높아지면, 리포좀 내에 탑재된 약물이 리포좀 이중층을 통해 방출된다.
그러나, 금 나노 구조체는 상대적으로 고가격으로 인하여 경제적인 측면에서 효율성이 떨어지며, 실제 임상에서 국소 질환 부위에서 필요에 따라 약물을 방출시키는 기술을 적용시키기에는 아직까지는 한계가 있는 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 NIR 광원에 의해 손 쉽게 제어할 수 있는 약물 전달체를 제공하고자, 나노 크기의 산화 그래핀과 리포좀을 일체화한 복합체를 제조하였으며, 상기 복합체가 효과적으로 약물을 방출할 수 있는지 확인하였다.
한국등록특허 제10-1135684호
본 발명의 목적은 종래의 고분자가 흡착된 리포좀이 아니라, 나노 크기의 산화 그래핀이 리포좀 내부에 위치하여 상기 산화 그래핀과 리포좀이 일체화되어 있는 산화 그래핀-리포좀 복합체를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 복합체를 약물 전달체로 적용시켜 근적외선 광원을 이용한 약물의 방출 여부를 조절할 수 있는 약물 전달체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면,
산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 약물 유도 방출용 복합체로,
상기 산화 그래핀은 리포좀의 내부에 위치하며,
상기 리포좀의 크기는 산화 그래핀보다 큰 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체에 관한 것이다.
본 발명의 대표적인 다른 측면에 따르면, (a) 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체, 및 (b) 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체를 포집하는 히드로겔을 포함하는 약물 전달체에 관한 것이다.
본 발명의 대표적인 또 다른 측면에 따르면, 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체, 또는 상기 약물 전달체에 근적외선 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 약물 전달 방법에 관한 것이다.
본 발명의 대표적인 또 다른 측면에 따르면, (a) 산화 그래핀을 카르복실화한 후 초음파 처리하여 나노 산화 그래핀을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 나노 산화 그래핀과 리포좀을 일체화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법에 의하면, 산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 산화 그래핀-리포좀 복합체를 제조할 수 있다.
상기 일체화된 산화 그래핀-리포좀 복합체는 약물을 투입하여 약물 전달체로 제조했을 때, 근적외선 광원에 의해 약물의 방출 여부를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1의 a)는 동적광산란법(Dynamic light scattering, DLS)을 통해 측정된 nGO의 수력학적 크기 분포를 나타낸 그래프이고, b)는 nGO, 리포좀 및 nGO-리포좀(나노 산화 그래핀-리포좀 복합체)의 평균 크기를 비교한 그래프이며, c)는 nGO, 리포좀 및 nGO-리포좀의 표면 전하를 측정한 결과를 나타낸 것이며, d)는 형광 표지된 리포좀의 nGO와의 일체화에 따른 형광 소거 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2의 a)는 nGO와 nGO-리포좀(나노 산화 그래핀-리포좀 복합체)의 Cryo-TEM 이미지를 나타낸 것이고, b)는 리포좀 내 nGO의 SAED 패턴을 나타낸 것이며, c)는 상기 SAED 회절점의 강도 곡선을 나타낸다.
도 3은 NIR 레이저에 의해 유도된 리포좀으로부터 칼세인의 방출 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4의 a)는 NIR 레이저가 조사되었을 때 리포좀 용액의 온도 변화를 나타낸 것이고, b)는 CW 및 펄스파 레이저가 조사되었을 때 nGO-리포좀 용액의 열화상 촬영 결과를 나타낸다.
도 5는 nGO-리포좀이 캡슐화된 주사형 알긴산염 히드로겔(0.8wt%)으로부터 NIR 레이저 조사에 의해 유도된 칼세인 방출 결과를 나타낸다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 약물 유도 방출용 복합체로, 상기 산화 그래핀은 리포좀의 내부에 위치하며, 상기 리포좀의 크기는 산화 그래핀보다 큰 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체를 제공한다.
상기 산화 그래핀은 물리화학적 특성을 가지는 독특한 2차원(2D) 나노물질로, 근적외선(near infrared, NIR) 광원에 대하여 높은 광열 응답효율을 가지는 역할을 하였다.
바람직하게는 상기 산화 그래핀은 10 내지 100 nm의 입자 크기를 갖는 시트형태로, 상기 입자 크기가 100 nm를 초과하는 경우에는 리포좀 이중벽에 포집될 수 없어 리포좀과의 일체화된 구조를 형성하지 못하므로 바람직하지 않다.
상기 리포좀은 양친성물질로 친유성 관능기가 이중층 벽을 형성하여 내부에 약물이 포집될 수 있는 공간을 갖는 중공 구형의 입자를 형성하는 것이다.
상기 리포좀은 200 내지 10000 nm의 크기를 갖는 것이 바람직한데, 상기 리포좀 크기가 200 nm보다 작으면 산화그래핀을 안에 넣기가 공간적 제한으로 힘들게 되고, 10000 nm 보다 크면 리포좀이 안정하지 않고 약전달체로 적용되기에 바람직하지 않다.
본 발명의 의하면, 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체는 SAED(Selected area diffraction) 패턴 분석에 의하면, 도 2에서 보는 바와 같이, 산화 그래핀 단일층에서 볼 수 있는 회절점이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 상기 복합체의 구조가 리포좀 내부에 산화 그래핀에 존재하는 구조인, 즉 산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 구조임을 보여주는 것이다. 이러한 구조는 약물 전달체로써 응용했을 때 근적외선 광원에 의해 약물의 방출 여부를 조절할 수 있도록 하는 역할을 하였다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 산화 그래핀을 카르복실화한 후 초음파 처리하여 나노 산화 그래핀을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 나노 산화 그래핀과 리포좀을 일체화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 (a) 단계는 나노 산화 그래핀을 제조하는 단계로, 산화 그래핀을 카르복실화한 후 투석 공정을 수행하고, 그 다음에 초음파 처리하는 것이 바람직하다.
상기 카르복실화는 클로로아세트산 및 수산화나트륨을 산화 그래핀과 혼합하고 60 내지 100 ℃의 온도에서 5 내지 15시간 동안 반응시켜 산화 그래핀 현탁액으로 제조하는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 카르복실화 반응이 잘 이루어지지 않을 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 투석하는 공정은 상기 산화 그래핀 현탁액을 원심분리한 후 침전물을 탈이온수로 40 내지 50 시간 동안 투석시키는 것이 바람직한데, 상기 조건에서 투석 공정이 수행되지 않으면, 산화 그래핀의 불순물이 제거되지 않아 리포좀 내부에 산화 그래핀이 존재할 수 없게 된다.
상기 초음파 처리는 투석된 산화 그래핀 현탁액을 초음파 프로브를 이용하여 1 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직한데, 상기 초음파 시간이 1시간 미만이면, 적합한 크기(10 nm 에서 100 nm)를 가지는 산화그래핀을 만들 수 없고, 5시간을 초과하는 경우 산화그래핀의 크기를 더 줄이는데 도움이 되지 못한다.
상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계를 통해 제조된 나노 산화 그래핀과 리포좀을 일체화시키는 단계로, (b-1) 리포좀을 상기 산화 그래핀 용액에 수화시킨 후 압출시켜 리포좀 내부에 산화 그래핀을 위치시키는 단계; 및 (b-2) 상기 압출된 나노 산화 그래핀-리포좀을 원심분리하는 단계;를 포함하여 수행되는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는 상기 (b-1) 단계는 리포좀을 상기 나노 산화 그래핀 용액에 수화시키고 미니압출 시스템을 사용하여 압출하여 리포좀 내부에 상기 나노 산화 그래핀을 위치시키는 단계이다.
상기 (b-2) 단계는 상기 압출된 나노 산화 그래핀-리포좀을 1 내지 10 ℃의 온도에서 3000 내지 7000 rpm으로 1 내지 30 분 동안 원심분리하여 리포좀과 일체화되지 않고 잔존하는 산화 그래핀을 제거하는 단계이다. 상기 원심분리 조건에서 수행되지 않는 경우 잔존하는 산화 그래핀이 제거되지 않을 우려가 있으므로 상술한 조건에서 수행되어야만 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체, 및 (b) 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체를 포집하는 히드로겔을 포함하는 약물 전달체를 제공한다.
본 발명의 의하면, 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체는 약물을 포함하고, 상기 약물은 상기 복합체의 내부에 포집되어 있게 된다.
상기 히드로겔은 알긴산염인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 약물이 포집된 산화 그래핀-리포좀 복합체는 근적외선(near infrared, NIR) 레이저가 조사되면 포집되어 있던 약물을 방출하고, 상기 NIR 레이저가 조사되지 않을 때는 약물이 방출되지 않는 것을 특징으로 한다. 즉, 이러한 특성은 상기 NIR 레이저의 조사 여부에 따라 약물의 방출 여부(on-off)를 조절할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체, 또는 상기 약물 전달체에 근적외선 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 약물 전달 방법을 제공한다.
상기 NIR 레이저는 펄스파 레이저(pulsed laser)인 것이 바람직한데, 특히, 연속파 레이저(continuous wave, CW)와는 달리 상기 펄스파 레이저일 때 주변부의 온도를 거의 상승시키지 않으면서 칼세인의 방출을 효과적으로 유도 및 다량으로 방출이 가능하게 하는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 연속파에 비해 펄스파 레이저는 빛 조사의 온-오프(on-off)식에 따른 약물 방출 조절 효율이 월등히 우수함을 확인하였다.
만일, 연속파 레이저를 이용하여 단백질 분자를 경피 전달하는 경우(피부에 조사)에는 피부 온도가 상승하여 염증세포의 이동과 열충격 단백질 70(HSP70)의 유발이 유도될 수 있으나, 상기 펄스파 레이저의 경우 이러한 현상을 억제함으로써, 염증세포의 이동과 열충격 단백질의 유발을 억제함는데 효과적임을 확인하였다.
또한, 상기 펄스파 레이저의 조사는 간헐적으로 조사되는 것이 바람직한데, 이는 빛 조사의 on-off를 통해 약물 방출을 세밀하게 조절할 수 있으며, 특히 연속파 레이저에 비해 조절 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
상기 약물은 수용성인 어떠한 약물도 가능하고, 예로써 화학요법약물, 영상 조영제, 항생제, 항염증제, 단백질, 싸이토카인, 펩타이드 및 다른 저분자 수용성 약물 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 화학요법약물로는 독소루비신(doxorubicin), 씨스플라틴(cisplatin), 옥살리플라틴(oxaliplatin) 및 카보플라틴(carboplatin) 등을 들 수 있고, 상기 영상 조영제는 인도시아닌그린(indocyanine green), 메틸렌 블루(methylene blue), 플루오레신(fluorescein) 등을 들 수 있으며, 상기 항생제는 비스테러디드계열 항염즘제(nonsteroidal anti-inflammatory drugs), 글루코코티코스테로이드(glucocorticosteroids), 덱사메타손(dexamethasone) 등을 들 수 있고, 상기 항염증제는 비스테러디드계열 항염즘제(nonsteroidal anti-inflammatory drugs), 글루코코티코스테로이드(glucocorticosteroids), 덱사메타손(dexamethasone) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 단백질은 수퍼옥사이드 디스뮤테이즈(superoxide dismutase), 인슐린(insulin), 리소자임(lysozyme), 인간재결합 외피성장인자(human recombinant epidermal growth factor) 등을 들 수 있고, 상기 싸이토카인은 과립구-대식세포 콜로니 자극인자(granulocyte-macrophage colony stimulating factor), 인터루킨 1 알파(interlukin 1 alpha), 인터루킨 2(intelukin 2), 인터루킨 10(intelukin 10),인터페론 감마(interferon gamma) 등을 들 수 있으며, 상기 펩타이드는 니신(nisin), 칼시토닌(calcitonin), 싸이클로스포린 A(cyclosporine A), 티모펜틴(thymopentin) 등을 들 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 모델 약물로서 칼세인을 사용하였다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
(시약 준비)
단일층 산화 그래핀(가로/세로 크기 ~500 nm)는 0.5%(w/v) 용액 상태로 Angstrom Materials Inc.(Dayton, OH, USA)로부터 입수하였다. 1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스포콜린(DPPC)과 1-팔미토일-2-{12-[(7-니트로-2-1,3-벤족사디아졸-4-일)아미노]도데카노일}-sn-글리세로-3-포스포콜린(NBD-PC)은 Avanti Polar Lipids, Inc.(Alabaster, AL, USA)에서 구입하였다. 알긴산나트륨(저분자량), 칼세인, 클로로아세트산, 트리톤 X100, 황산칼슘, 수산화나트륨은 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 모든 화학물질은 분석용 등급으로 별도의 정제 없이 사용하였다.
(제조예: 나노 산화 그래핀(nGO)의 제조)
크기가 큰(가로/세로 크기 ~500 nm) 단일층 산화 그래핀(GO)의 용액을 카르복실화 및 초음파 처리하여 나노산화 그래핀(nGO)을 제조하였다. 카르복실화를 위하여, 클로로아세트산(400 mg)과 수산화나트륨(400 mg)을 GO 용액(15 mL, 1 mg/mL)에 가한 후 혼합액을 80 ℃에서 12시간 동안 교반하였다. 반응이 종료된 후 용액을 3000 rpm에서 5분 동안 원심분리한 다음 침전물을 10 mL의 탈이온수에 재현탁한 후 물을 교체해 주면서 48시간 동안 탈이온수에 대하여 투석하였다(MWCO 3.5 kD, Spectrum Laboratories Inc., Rancho Dominguez, CA, USA). 투석된 GO 현탁액을 초음파 프로브(750 W, 40% 강도)를 사용하여 2시간 동안 초음파 처리하였다(Vibra cell VCX750, Sonics & Materials Inc., Newtown, CT, USA). 초음파 처리 후, 용액을 0.1 μm 나일론막 시린지필터(Whatman, GE Healthcare Life Sciences, Little Chalfont, UK)로 여과하여 nGO 저장용액을 얻었다. 저장용액 내 nGO의 농도를 흡광도 측정을 통해 측정하였다.
( 실시예 : 나노 산화 그래핀(nGO)과 일체화된 열감응성 리포좀의 합성)
박막 재수화법에 의해 열감응성 DPPC 리포좀을 제조하였다. 클로로포름(1 mL)에 용해된 DPPC(5 mg)를 유리관으로 옮겼다. 질소 기체를 일정하게 흘려 주면서 용매를 서서히 증발시켜 지질막을 제조하였다. 이어, 유리관을 진공에서 24시간 동안 보관하여 잔류 용매를 제거하였다. 건조된 지질막을 50 ℃에서 부드럽게 저어 주면서 nGO 용액(250 μg/mL)으로 수화시키고 미니 압출 시스템(Avanti Polar Lipids, Inc. Alabaster, AL, USA)을 사용, 800 nm 폴리카보네이트막을 통해 압출하여 nGO를 포함하는 DPPC 리포좀(nGO-리포좀)을 얻었다. 압출 후, 4 ℃의 온도에서 5000 rpm으로 10분 동안 원심분리하여 nGO-리포좀을 nGO로부터 분리하였다. 침전된 nGO-리포좀을 인산염 완충액(10 mM, pH 7.4)에 재분산한 후 분석을 위해 4 ℃의 온도에서 보관하였다.
( 시험예 1: 나노 산화 그래핀(nGO)과 일체화된 열감응성 리포좀의 특성 분석)
실시예를 통해 제조된 나노 산화 그래핀(nGO)과 일체화된 열감응성 리포좀 내에 일체화된 nGO의 양을 계산하기 위하여 유리된 nGO를 포함하는 상층액의 흡광도를 측정하였다.
nGO-리포좀 내에 칼세인을 탑재시키기 위하여, 건조된 지질막을 45 ℃의 온도에서 칼세인(5 mg)을 포함하는 nGO 용액으로 수화시키고, 상기한 바와 같이 800 nm 폴리카보네이트 막을 통해 압출한 다음 원심분리를 통해 정제하였다. 리포좀을 완전히 파쇄한 후 방출되는 칼세인의 양을 분석하여 칼세인 탑재량을 정량화하였다. 칼세인이 탑재된 nGO-리포좀을 45 ℃의 온도에서 30분 동안 1% 트리톤 X100으로 인큐베이션하고 형광 측정분석을 통해 칼세인 탑재함량을 계산하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, DLS에 의해 측정된 nGO의 평균 크기는 ~40 nm이었다(도 1a). nGO는 다수의 카르복실(- COOH)기 때문에 높은 음의 표면전하(-47.5 ± 3.5 mV)를 나타내었다(도 1c). 또한, nGO는 NIR 광 조사에 대하여 높은 광열 전환효율을 보였다. 종래의 박막 수화법 및 압출법에 의해 nGO와 일체화된 열감응성 DPPC 리포좀을 제조하였다. 제조된 nGO-리포좀은 흡광도 측정에 따른 계산 결과, 4 μg의 nGO가 1 mg의 지질 내에 일체화된 상태로 확인되었다. 순수한 리포좀과 nGO와 일체화된 리포좀의 평균 크기는 각각 890 ± 65 nm와 920 ± 75 nm로(도 1b), nGO가 리포좀 내에 일체화된 것이 크기에 큰 영향을 주지는 않았다. 리포좀은 중성지질인 DPPC로부터 제조된 것이어서 표면 전하가 매우 낮았다(-2.3 ± 1.0 mV). 흥미롭게도 nGO-리포좀 역시 대조용 리포좀과 비슷하게 중성에 가까운 표면 전하(-2.5 ± 1.1 mV)를 보였는데, 이것은 nGO가 리포좀의 표면에 존재하지 않음을 의미한다.
또한, nGO-리포좀의 구조를 극저온 투과전자현미경법(Cryo-TEM)에 의해 관찰하였다. 3 μL의 nGO-리포좀 샘플을 플런지-디핑법에 의해 끈에 의해 지지되는 그리드로 옮겼다. 샘플 용액으로부터 물이 증발하는 것을 막기 위하여, 주위온도 및 습도 97~99% 하에서 자체 제작한 환경챔버 내에서 얇은 수성막을 형성하였다. 얇은 수성막을 어는점에서(액체 질소로 냉각시킨) 액체 에탄 내로 플런지하여 급속하게 유리질화하였다. 마지막으로, 샘플을 300 kV에서 작동하는 JEOL-JEM-3011 HR 기기(Tokyo, Japan)로 관찰한 후 Gatan Digital Micrograph 프로그램을 이용하여 데이터를 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, nGO-리포좀의 Cryo-TEM 이미지(도 2a)는, 대부분의 nGO-리포좀가 일반적인 리포좀의 완벽한 구형 구조 대신 모서리를 가지는 것으로 관찰되었으나 nGO가 일체화된 후에도 리포좀의 구조가 손상되지 않았음을 보여준다. 이러한 모서리는 nGO가 리포좀 내부에 포함된 데 따른 것으로 생각된다. 그러나 불행하게도, nGO는 크기가 작고 콘트라스트가 낮아서 TEM 이미지에서는 식별이 되지 않았다. 그러나, 리포좀의 제한시야 전자회절(SAED) 분석 결과 회절점이 뚜렷하게 나타났는데(도 2b), 이것은 산화 그래핀 단일층에서 흔히 발견되는 결정구조의 특징이다. 회절점의 상대강도 곡선(도 2c)은 산화 그래핀과 완벽하게 일치하였으므로, 리포좀 내부에 nGO가 존재하는 것이 확인되었다.
( 시험예 2: 근적외선 ( NIR ) 레이저에 의한 칼세인의 리포좀으로부터의 생체 외 방출 확인)
808 nm 연속파 레이저(Dragon Lasers Co., Changchun, China)와 805 nm 펨토초 펄스 레이저(Micra-5, Coherent Inc. Santa Clara, CA, USA)의 두 NIR 레이저를 사용하여 빛에 의한 생체 외 방출을 유도하였다. 칼세인이 탑재된 nGO-리포좀 용액을 37 ℃에서 인큐베이션한 후 특정 시점마다 NIR 레이저(1 W/cm2)를 10분 동안 조사하였다. 각 시점에서 리포좀으로부터 방출된 칼세인의 양을 형광측정에 의해 정량하였다. 레이저 조사시 용액의 온도 상승 폭을 적외선(IR) 열화상 시스템(FLIR SC-300, FLIR Systems Inc, Danderyd, Sweden)을 이용하여 실시간으로 측정하였다.
리포좀 내 nGO의 위치에 대한 추가 분석을 위하여 형광성 지질(NBD-PC)과 DPPC를 사용하였다. DPPC와 NBD-PC를 혼합하여 리포좀을 형성하였다. 형광체는 지질의 꼬리 부분에 결합하므로 리포좀의 이중층 내에 존재하였다. nGO-리포좀은 동량의 nBD-PC를 포함하는 대조용 리포좀에 비해 낮은 형광 강도를 보였다(도 1d). 이러한 형광 강도의 감소는 nGO가 이중층 내에 존재함을 시사한다. nGO는 형광체가 표면 근처에 존재할 때 형광을 강하게 소광한다고 알려져 있기 때문이다. 이러한 소광효과는 리포좀 내 nGO의 양이 증가함에 따라 뚜렷해졌다(도 1d). 그러므로, nGO가 리포좀 내부에 포함되는 과정은 nGO가 리포좀의 표면에 단순히 흡착되는 것이 아니라 리포좀의 이중층 내로 일체화되는 것임을 알 수 있다.
형광염료인 칼세인을 모델 약물로 사용하여 빛에 의한 유도방출 실험을 수행하였다. nGO를 포함하거나 포함하지 않는, 칼세인이 캡슐화된 리포좀을 상기한 방법과 유사하게 제조하였다. CW 레이저(파장 808 nm) 또는 펨토초 펄스 레이저(파장 805 nm)를 광유도 칼세인 방출실험을 위한 광원으로 사용하였다. 예상한 바와 같이, nGO와 일체화된 리포좀은 두 NIR 레이저에 반응하여 원하는 대로 칼세인을 방출하였다. (nGO를 포함하지 않는) 대조용 리포좀으로부터 방출되는 칼세인의 양은 nGO-리포좀과 비교할 때 훨씬 적었는데(도 3), 이것은 리포좀 내부에 nGO가 존재하는 것이 광응답성 방출에 있어 핵심요소임을 입증한다. 두 NIR 레이저 중에서 펄스파 레이저가 CW 레이저에 비해 nGO-리포좀으로부터 더 많은 양의 칼세인이 방출되는 것으로 관찰되었다. 펄스파 레이저 조사시 최초의 두 'ON' 사이클 동안 nGO-리포좀으로부터 방출된 칼세인의 양은 각각 31.7 ± 7.9%와 29.8 ± 9.1%이었던 반면, CW 레이저에 의해 방출된 양은 각각 17.5 ± 4.3%와 16.4 ± 5.6%이었다(도 3). 'OFF' 사이클의 경우, nGO-리포좀으로부터 방출된 칼세인의 양은 매우 작았다(1% 미만). 또한, nGO와 일체화된 리포좀으로부터의 이러한 광유도 ON-OFF 방출은 GO가 흡착된 리포좀의 경우와 상이하였다. 후자의 경우, 리포좀 내에 탑재된 내용물이 NIR 광 조사 후 일거에 방출되었다.
( 시험예 3: 리포좀이 캡슐화된 주사형 히드로겔로부터의 빛에 의한 유도방출 확인)
칼세인이 탑재된 nGO-리포좀을 주사형 알긴산염 히드로겔 내에 캡슐화하였다. 먼저, 80 μL의 알긴산나트륨 용액(2 wt%)을 칼세인이 탑재된 nGO-리포좀 용액 100 μL와 혼합하였다. 다음으로, 20 μL의 황산칼슘 용액(2 wt%)을 이용하여 가교화하여 알긴산염 히드로겔을 형성하였다. 리포좀을 포함하는 히드로겔에 펄스파 NIR 레이저와 CW NIR 레이저를 조사한 후 방출되는 칼세인의 양을 상기한 바와 같이 측정하였다.
또한, 레이저 조사 시 리포좀 용액의 실시간 온도 변화를 적외선 열화상 촬영을 통해 측정하였다. nGO-리포좀에 10분 동안 CW 레이저를 조사하자, 용액의 온도는 ~45 ℃로 ~8 ℃ 상승하였다(도 4). 대조적으로, nGO-리포좀에 펄스파 레이저를 조사한 경우 온도 상승 폭은 ~2 ℃에 불과하였다. 대조용 리포좀 용액의 경우, 펄스파 레이저 또는 CW 레이저 조사시의 온도 상승 폭은 각각 1 ℃ 미만이었다(도 4).
레이저 조사시 약물 방출과 온도 변화에 차이가 있다는 것은 펄스파 레이저와 CW 레이저를 조사하는 경우 nGO-리포좀으로부터 칼세인의 방출과 관련된 메커니즘이 서로 다르다는 것을 암시한다. NIR 레이저 조사에 따른 nGO-리포좀으로부터의 약물 방출 메커니즘으로서 두 가지를 생각해 볼 수 있다 첫째로, nGO의 광열 특성에 따른 발열 현상으로 인해 리포좀의 지질 이중층의 온도가 지질의 녹는점보다 높게 상승하여 리포좀의 투과성이 증가함에 따라 방출이 용이해졌을 수 있다. 둘째로, 레이저 조사 과정에서 미세기포에 의해 지질 이중층 내에 일시적인 세공이 형성되어 탑재된 화합물이 방출되는 것일 수 있다. CW 레이저 조사의 경우, 용액의 온도는 DPPC의 녹는점(41.8 ℃)보다 높은 ~45 ℃까지 상승하였다. 따라서, 리포좀 이중층의 온도가 DPPC의 녹는점보다 높아졌으며, 이로 인해 리포좀의 투과성이 증가하였고 탑재된 칼세인의 방출이 용이해졌음이 분명하다. 반면, nGO-리포좀에 펄스파 레이저를 조사한 경우 방출되는 칼세인의 양은 더 많았지만 용액의 최종온도는 ~39 ℃로서 DPPC의 녹는점보다 상당히 낮았다. 리포좀이 펄스파 레이저에 의해 국소적으로만 가열되어 탑재된 약물의 방출이 촉진되었을 수도 있으나, 두 경우 모두 동일한 에너지가 가해졌음에도 용액의 최종온도가 달랐으므로 펄스파 레이저의 조사에 따른 nGO의 광열 가열 외에 다른 메커니즘이 존재할 것으로 생각된다. 펄스파 레이저는 금 나노입자, 나노로드, 나노케이지 등과 같은 광열제의 존재 하에 미세기포를 형성할 수 있다고 보고된 바 있다. 이러한 미세기포는 리포좀과 유사하게 세포막 내부에 일시적으로 세공을 형성할 수 있다. 펨토초 레이저 펄스에 의해 활성화된 카본블랙 나노입자는 세포막에 나노크기의 구멍을 형성하여 소분자와 거대분자(예컨대 단백질 또는 DNA)가 세포 내로 전달되는 것을 촉진한다고 보고되었다. 본 연구에서, 두 레이저에 의해 리포좀 용액에 공급된 에너지의 총량은 동일하였으며 펨토초 펄스 레이저의 '피크전력'은 약 78 기가와트였다. 이와 같이 매우 높은 전력은 펄스 조사시 리포좀 막 주변에 미세기포를 형성하여 불안정화하거나 일시적인 세공을 형성함으로써 탑재된 칼세인의 방출을 촉진할 수 있다. 가시광(540 nm) 나노초 펄스 레이저를 금 나노입자와 일체화된 리포좀에 조사한 경우에도 이와 유사한 칼세인 방출 거동이 관찰되었다. 흥미롭게도, (nGO를 전혀 포함하지 않는) 대조용 리포좀도 두 레이저를 조사한 경우 칼세인이 어느 정도 방출하는 것으로 관찰되었다(도 2). 펄스파 레이저의 경우 칼세인 방출량이 더 많았는데, 이것은 옵토포레이션 현상에 의한 것일 수 있다. 나노초 또는 펨토초 펄스 레이저는 광흡수성 물질이 없는 경우에도 세포막 내에 나노세공을 형성하여 DNA 또는 단백질 분자가 세포 내로 전달되게 할 수 있다. 그러나, CW 레이저는 나노세공을 형성하는 것으로 알려져 있지 않고 온도 상승 폭도 방출을 유도하기에 충분하지 않으므로 현 시점에서 대조용 리포좀으로부터 어떻게 칼세인이 방출되는지를 설명하는 것은 불가능하다.
따라서, 펄스파 레이저가 CW 레이저에 비해 주변부의 온도를 크게 높이지 않으면서 nGO-리포좀으로부터의 방출을 우수하게 유도하였다. 이러한 점은 생체 내 적용에 유리할 것으로 생각된다. 예를 들어, 펄스파 레이저 또는 CW 레이저를 이용하여 단백질 분자를 경피 전달하는 경우, CW 레이저를 피부에 조사하면 피부 온도가 상승하여 염증세포의 이동과 열충격 단백질 70(HSP70)의 유발이 유도될 수 있다. 반면, 펄스파 레이저를 피부에 조사하면 피부 온도의 상승이나, 염증세포의 이동 또는 HSP70의 유발 없이 각질층의 투과성을 증가시킬 수 있다. 또한, NIR 펄스파 레이저는 생체 내 처리시 빛의 투과 깊이를 증가시킬 수 있다. 그러나, CW 레이저도 약물 방출시 수반되는 발열이 치료효과를 높이는 경우 유용할 수 있다. 예를 들어, 암요법에서는 종양 부위에서 CW 레이저를 이용하여 리포좀으로부터 세포독성 약물의 방출을 유도하고 광열효과에 의해 국소적으로 온도를 상승시켜 치료효과를 높이기도 한다.
또한, nGO-리포좀을 주사형 알긴산염 히드로겔(0.8 wt%) 내에 캡슐화한 후 칼세인의 방출특성을 조사하였다. 히드로겔의 경우에도 앞에서와 비슷한 경향이 관찰되었다. 펄스파 레이저의 경우가 CW 레이저의 경우보다 칼세인의 방출량이 많았다(도 5). 그러나 방출속도는 더 느렸는데, 그것은 히드로겔이 광 조사 후 리포좀으로부터 방출된 칼세인 분자의 확산을 방해하기 때문이다. 이처럼 리포좀이 캡슐화된 히드로겔은 빛을 이용하여 화학요법제를 국소적으로 요구에 따라 전달하는 데 효과적일 수 있다.
따라서, 본 발명의 의하면, 크기가 작은 nGO를 리포좀의 이중층 내에 일체화할 수 있음을 확인하였으며, 이러한 nGO는 NIR 레이저 조사 시 리포좀으로부터의 약물 방출을 유도하는 광활성 스위치의 역할을 한다. 즉, 펄스파 레이저와 CW 레이저의 두 가지 NIR 광원을 이용하여 약물 방출을 유도할 수 있으며, 그 중에서도 펄스파 레이저를 조사한 경우가 CW 레이저를 조사한 경우에 비해 약물 방출량이 많았으며, 주변 온도가 지질의 녹는점보다 높아지지 않았다. 또한, 리포좀을 주사형 알긴산염 히드로겔 내에 캡슐화한 후 유도방출 특성을 조사하였는데, 리포좀 내에 일체화된 나노산화 그래핀은 스마트한 광유도 약물 전달을 위한 유력한 플랫폼을 제공하며 다양한 치료용 약물을 국소적으로 요구에 따라 전달하는 데 유용할 수 있음을 확인하였다.

Claims (13)

  1. 산화 그래핀과 리포좀이 일체화된 약물 유도 방출용 복합체로,
    상기 산화 그래핀은 리포좀의 내부에 위치하며,
    상기 리포좀의 크기는 산화 그래핀보다 큰 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화 그래핀은 10 내지 100 nm의 크기를 갖는 시트형태이며,
    상기 리포좀은 200 내지 10000 nm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체.
  3. (a) 제2항에 따른 산화 그래핀-리포좀 복합체, 및 (b) 상기 산화 그래핀-리포좀 복합체를 포집하는 히드로겔을 포함하는 약물 전달체.
  4. 제2항의 산화 그래핀-리포좀 복합체, 또는 제3항의 약물 전달체에 근적외선 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 약물 전달 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 근적외선 레이저는 펄스파 레이저인 것을 특징으로 하는 약물 전달 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펄스파 레이저의 조사는 간헐적으로 조사되는 것을 특징으로 하는 약물 전달 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 약물은 수용성 약물인 것을 특징으로 하는 약물 전달 방법.
  8. (a) 산화 그래핀을 카르복실화한 후 초음파 처리하여 나노 산화 그래핀을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 나노 산화 그래핀과 리포좀을 일체화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b-1) 리포좀을 상기 산화 그래핀 용액에 수화시킨 후 압출시켜 리포좀 내부에 산화 그래핀을 위치시키는 단계; 및
    (b-2) 상기 압출된 산화 그래핀-리포좀을 원심분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 카르복실화는 클로로아세트산 및 수산화나트륨을 산화 그래핀과 혼합하고 60 내지 100 ℃의 온도에서 5 내지 15시간 동안 반응시켜 산화 그래핀 현탁액으로 제조되는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 산화 그래핀을 카르복실화한 후에 초음파로 처리하기 전에 투석하는 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 투석하는 공정은 상기 산화 그래핀 현탁액을 원심분리한 후 침전물을 탈이온수로 40 내지 50 시간 동안 투석시키는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 초음파 처리는 투석된 산화 그래핀 현탁액을 초음파 프로브를 이용하여 1 내지 5시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 산화 그래핀-리포좀 복합체의 제조방법.
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