KR20200021895A - 테라노스틱 항암제 전구체, 이의 제조방법 및 이의 용도 - Google Patents

테라노스틱 항암제 전구체, 이의 제조방법 및 이의 용도 Download PDF

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김윤재
오은혜
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Abstract

본 발명은 테라노스틱 항암제 전구체, 이의 제조방법, 및 이의 용도 등에 관한 것으로서, 본 발명의 화합물은 독소루비신에 과산화수소에 의해 분해될 수 있는 탄소-붕소 결합을 함유하는 화합물을 결합시켜 세포독성이 차단된 pro-drug로써, 개체에 투여시 과산화수소 농도가 높은 암세포에서 특이적으로 활성화되어 독소루비신을 방출하고 형광을 발하여 부작용이 없거나 적은 암의 치료와 동시에 진단을 수행할 수 있는 장점이 있어, 광범위한 소분자 암 화학치료제 개발에 새로운 접근 방법을 제시할 것으로 기대된다.

Description

테라노스틱 항암제 전구체, 이의 제조방법 및 이의 용도{Theranostic anticancer prodrug, preparation method thereof, and use thereof}
본 발명은 테라노스틱 항암제 전구체, 이의 제조방법, 및 이의 용도 등에 관한 것이다.
인류의 평균수명이 연장되고 건강한 삶에 대한 관심이 증가함에 따라 환자와 환자 가족의 “삶의 질”을 향상시킬 수 있는 혁신적인 치료기술에 대한 사회적 요구가 증가하고 있다. 따라서 환자의 개별 특성과 질병의 상태에 따라 약물의 종류와 용량을 조절하는 맞춤형 의료가 도래할 것으로 전망된다. 이를 위한 핵심의료기술의 하나로써 진단과 치료를 동시에 수행하는 신개념 치료기술인 테라노시스(Theranosis = Therapy + Diagnosis)가 각광받고 있다. 현재 개발된 기술 중에는 항체기반 표적지향형 치료제에 조영제를 첨가하여 암조직의 크기 변화를 실시간으로 추적함으로써 치료 효과를 모니터링하고 치료의 종료시점을 판단하는 기술이 있다.
이처럼 치료와 진단을 동시에 가능하게 하는 기술을 테라노시스 기술이라 하며, 이를 가능하게 하는 동시 진단-치료용 입자를 테라노스틱 입자라고 한다. 테라노시스 기술은 세계적으로 태동기술이며, 임상적용을 위해서는 추가연구가 필요하지만 21세기 첨단 의료산업을 대표하는 기술이 될 것이다. 이에 미국이나 유럽 등지에서는 이미 테라노시스 관련 기술을 차세대 국가성장동력으로 인식하고 지속적인 투자와 개발을 진행하고 있다.
한편, 독소루비신(Doxorubicin: DOX)은 안트라사이클린계 항종양제로서 비정상적으로 과도한 세포분열을 특징으로 하는 암세포의 세포주기(cell cycle)을 이용하여, 세포분열을 저해함으로써 암세포에 대한 세포독성을 나타낸다. 그러나, 독소루비신의 세포 주기 선택적 작용은 정상세포에도 동일하게 작용하여 세포분열이 활발한 모낭, 점막, 혈액, 생식세포 등에 독성을 나타내어 탈모, 구강건조, 구내염, 구토, 설사, 변비, 및 호증구 감소증, 혈소판 감소증 등의 골수 형성 억제와 이로 인한 빈혈과 감염 증가 등의 부작용이 나타난다.
이에, 독소루비신의 부작용을 감소시키기 위하여 표적지향형 항암제의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 표적지향형 약물전달기술은 질병조직에 선택적으로 약물을 전달하여 정상조직의 약물노출을 억제함으로써 약효를 극대화하고 부작용을 최소화 하는 기술로서 국내의 한 연구팀은 암세포에만 선택적으로 약물을 전달하여 암을 치료할 수 있는 리보핵산 압타머 (RNA aptamer)-독소루비신(Doxorubicin) 컨쥬게이트를 개발하여 전립선 암세포를 파괴하는 성과를 보여주기도 하였다.
이 밖에도 암세포 특이적 항체(Antibody)에 약물 또는 약물을 봉입한 나노입자를 결합시켜 암세포에 선택적으로 약물을 전달함으로써 치료 효과를 높이고 부작용을 줄이는 항체기반 표적지향형 치료기술이 각광받고 있다.
이에, 본 발명자들은 표적지향형 항암제 기술과 테라노시스 기술을 결합하여 암의 진단과 암 치료의 효과를 실시간으로 모니터링할 수 있으면서 정상세포에 작용을 최소화하여 부작용이 없거나 적은 항암제 개발을 위해 예의 연구한 결과 본 발명을 완성하였다.
Bagalkot V, Farokhzad OC, Langer R, Jon S. An aptamerdoxorubicin physical conjugate as a novel targeted drugdelivery platform. Angew. Chem. Int. Ed. 2006;45: 8149-8152.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염과 이의 제조방법; 및 상기 화합물 또는 이의 염의 암의 진단, 영상화, 예방, 또는 치료의 용도를 제공하는 것이다.
[화학식 1]
Figure pat00001
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 유효성분으로 포함하는 암의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 염을 유효성분으로 포함하는 암의 진단 또는 영상화용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 개체에 투여하는 단계를 포함하는 암의 예방 또는 치료 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 암의 예방 또는 치료용 약제의 제조를 위한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염의 용도를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 개체에 투여하는 단계를 포함하는 암의 진단 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 암 진단용 약제의 제조를 위한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염의 용도를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 과산화수소에 의해 보론-탄소 결합이 분해될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 과산화수소에 의해 분해되어 여기 파장(emission wavelength) 470-490 nm, 방출 파장(excitation wavelength) 560-590 nm의 적색 형광을 발하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 여기파장 480 nm, 방출 파장 575 nm의 적색 형광을 발하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 과산화수소의 존재 하에서 활성화 되어 암세포의 세포사멸을 유도하는 것일 수 있으며, 상기 세포사멸은 암 세포에서 세포사멸 관련 인자인 cleaved caspase-3, cleaved caspase-7, 및/또는 cleaved-PARP의 증가에 의해 유도되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로서, 과산화수소의 존재 하에서 분해되는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 분해산물은 세포 내의 글루타치온(glutathione: GSH)을 소거하는 것일 수 있으며, 상기 분해산물의 GSH 소거에 의해 세포 내의 과산화수소의 양이 증가하여 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 활성화가 가속화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로서, 상기 암은 유방암, 간암, 대장암, 및 전립선암으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 암일 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조방법을 제공한다:
하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF) 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 파라-나이트로페닐클로로포르메이트(p-Nitrophenylchloroformate)과 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 및
하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 독소루비신(Doxorubicin: DOX)과 반응시키는 단계.
[화학식 2]
Figure pat00003
[화학식 3]
Figure pat00004
본 발명의 화합물은 독소루비신에 과산화수소에 의해 분해될 수 있는 탄소-붕소 결합을 함유하는 화합물을 결합시켜 세포독성이 차단된 pro-drug로써, 개체에 투여시 과산화수소 농도가 높은 암세포에서 특이적으로 활성화되어 암세포의 세포주기를 차단하고 세포사멸을 유도함으로서 세포독성을 나타내고, 동시에 형광을 발하여 암세포의 분포 및 조직의 크기를 영상 이미지로 획득할 수 있게 하는바, 암의 진단과 부작용이 없거나 적은 암의 예방 또는 치료와 동시에 수행할 수 있으며, 치료 과정에서 암 조직의 크기 및 그 동태를 확인할 수 있게 하여 적절한 항암치료가 가능한 장점이 있다.
도 1a는 화학식 1로 표시되는 화합물의 13C NMR(CDCl3, 500 MHz) 스펙트럼이다.
도 1b는 화학식 1로 표시되는 화합물의 1H NMR(CDCl3, 500 MHz) 스펙트럼이다.
도 2는 과산화수소 존재 하에서 BOR-DOX의 약물 활성화 반응의 모식도 이다.
도 3은 과산화수소 존재 하에서 시간의 흐름에 따른 테라노스틱 항암제 전구체 (BOR-DOX)의 형광 방출 세기의 변화와(A), 과산화수소의 농도에 따른 BOR-DOX의 형광 방출의 세기와 시간의 경과에 따라 방출되는 형과의 세기 변화를 나타낸 도면이다(B).
도 4는 유방암 세포주에서 독소루비신(DOX) 및 BOR-DOX의 농도별 세포생존율을 비교확인한 도면이다.
도 5는 유방암 세포주에서 독소루비신 및 BOR-DOX 처리에 따른 세포형태 변화를 확인한 도면이다.
도 6은 유방암 세포주에서 독소루비신 및 BOR-DOX 처리에 따른 세포사멸율을 비교확인한 도면이다.
도 7은 BOR-DOX 처리에 의한 세포사멸 관련 인자의 발현 수준 변화를 확인한 도면이다.
도 8은 과산화수소에 의해 BOR-DOX로부터 절단된 DOX가 발하는 적색 형광을 측정한 도면이다.
도 9는 간암 세포주, 대장암 세포주, 및 전립선암 세포주에서 BOR-DOX 처리에 따른 세포생존률 변화를 확인한 도면이다.
본 발명자들은 표적지향형 기술을 이용하여 치료와 진단을 동시에 수행하는 테라노스틱 입자 개발을 위하여 예의 연구하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 정상세포에 비해 과산화수소 농도가 10배 가량 높은 암세포의 특성을 이용하여 독소루비신이 암세포 특이적으로 세포독성을 나타날 수 있도록 과산화수소에 의해 분해될 수 있는 탄소-보론 결합을 함유하는 화합물을 독소루비신에 결합시켜 하기 화학식 1로 표시되는 비활성 독소루비신(BOR-DOX)을 제조하였다.
[화학식 1]
Figure pat00005
상기 화학식 1로 표시되는 BOR-DOX는, 도 2에 도시된 바와 같이, 과산화수소에 의해 보론과 인접한 탄소로 이루어진 결합이 절단되어 활성화되어 토포이소머라아제(topoisomerase)를 억제하는 독소루비신이 방출되고 형광을 발하게 되며, 부산물로 퀴논 메타이드(Quinone Methide)가 생성된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF) 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 파라-나이트로페닐클로로포르메이트(p-Nitrophenylchloroformate)과 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 제조하고, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 독소루비신(Doxorubicin: DOX)과 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 화합물(BOR-DOX)를 제조하고(실시예 1-2 참조), 제조된 화합물(BOR-DOX)이 도 2에 도시된 바와 같은 독소루비신 방출 메커니즘을 나타내는지 확인한 결과 BOR-DOX는 480 nm에서 넓은 흡수 띠를 나타내고 560 nm에서 형광 강도가 시간-의존적인으로 증가됨을 확인할 수 있었다(실시예 1-3 참조).
[화학식 2]
Figure pat00006
[화학식 3]
Figure pat00007
한편, 본 발명의 화합물은 암세포 내에서 과산화수소에 의해 분해되어 분해 산물로 퀴논 메타이드를 생성하는데, 퀴논 메타이드는 체내에서 글루타치온 산화 환원 싸이클(glutathione redox cycle)을 통해 과산화수소를 제거하는 글루타치온(glutathione: GSH)을 소거하여 암 세포 및/또는 조직 내의 과산화수소의 농도를 보다 향상시키는 역할을 수행한다. 따라서, BOR-DOX의 활성화는 주변의 과산화수소 농도를 향상시켜 BOR-DOX 활성화를 가속화시켜 형광 증강과 함께 보다 효과적으로 항암 효과를 나타낸다.
이어서, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물, 즉 BOR-DOX이 실제로 암세포에서 활성화되어 세포독성을 나타내는지 확인하기 위하여, 유방암 세포주에 독소루비신과 BOR-DOX를 각각 처리하여 세포생존율, 세포의 형태 변화, 및 세포사멸율을 조사하였다. 그 결과, BOR-DOX는 독소루비신과 마찬가지로 유방암세포의 세포생존율을 농도 의존적으로 저해하였으며, 암세포의 세포질을 수축시키고 DNA 절편현상을 유도하여 세포사멸을 야기함을 확인할 수 있었다(실시예 2 내지 4 참조).
또한, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 BOR-DOX의 처리에 따라 세포사멸 관련 인자인 cleaved caspase-3, cleaved caspase-7, 및 cleaved-PARP의 발현 수준이 증가함을 확인하여 BOR-DOX가 암세포에서 세포사멸을 유도함을 재검증하였다(실시예 5 참조).
이어서, 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 암세포 내에서 활성화되는 BOR-DOX가 세포독성을 나타냄과 동시에 형광을 발하여 그 이미지를 획득할 수 있는지 확인하기 위하여 세포 핵 내의 형광을 공초점현미경을 이용하여 관찰한 결과 BOR-DOX 처리시 세포 핵내의 적색 형광이 강하게 나타남을 확인하였다(실시예 6 참조).
또한, 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 항암제로서 BOR-DOX의 범용성을 확인하기 위하여 유방암 이외에도 독소루비신이 일반적으로 작용하는 다양한 암종의 세포주에서의 그 세포독성을 확인하였다. 구체적으로 간암 세포주, 대장암 세포주, 및 전립선암 세포주 모두에서 BOR-DOX 처리에 따라 세포생존율이 현저하게 저해됨을 확인할 수 있었다(실시예 7 참조).
이에, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 유효성분으로 포함하는 암의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공할 수 있으며, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 염을 유효성분으로 포함하는 암의 진단 또는 영상화용 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 암세포 특이적으로 활성화 되어 독소루비신을 방출하고 형광을 발하는바, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염은 암의 진단과 치료를 동시에 수행하는 테라노스틱 항암제로 이용될 수 있다.
이에, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 개체에 투여하는 단계를 포함하는 암의 예방, 치료, 및/또는 진단 방법을 제공할 수 있으며, 본 발명에서 '개체'란 암의 예방, 치료, 및/또는 진단이 필요한 가축, 인간 등의 포유류라면 제한되지 아니하나, 바람직하게는 인간일 수 있다.
본 발명에서 용어, "예방"은 본 발명의 조성물의 투여로 과도한 세포분열을 특징으로 하는 암의 발생, 확산 또는 재발을 억제시키거나 지연시키는 모든 행위를 의미하고, "치료"는 본 발명의 조성물의 투여로 상기 질환의 증세가 호전되거나 이롭게 변경되는 모든 행위를 의미하며, “진단”은 상기 질환의 유무를 판정하는 것과 상기 질환의 실태를 판단하는 것을 포함하는 의미이다.
본 발명에서 용어, "약학적 조성물"은 질병의 예방 또는 치료를 목적으로 제조된 것을 의미하며, 각각 통상의 방법에 따라 다양한 형태로 제형화하여 사용될 수 있다. 예컨대, 산제, 과립제, 정제, 캡슐제, 현탁액, 에멀젼, 시럽 등의 경구형 제형으로 제형화할 수 있고, 외용제, 좌제 및 멸균 주사용액의 형태로 제형화하여 사용될 수 있다.
또한, 각각의 제형에 따라 약학적으로 허용가능한 담체, 예컨대 완충제, 보존제, 무통화제, 가용화제, 등장제, 안정화제, 기제, 부형제, 윤활제 등 당업계에 공지된 담체를 추가로 포함하여 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 약학적 조성물은 약학적으로 유효한 양으로 투여할 수 있다. 본 발명의 용어 "약학적으로 유효한 양"은 의학적 치료에 적용 가능한 합리적인 수혜/위험 비율로 질환을 치료하기에 충분하며 부작용을 일으키지 않을 정도의 양을 의미하며, 유효용량 수준은 환자의 건강상태, 중증도, 약물의 활성, 약물에 대한 민감도, 투여 방법, 투여 시간, 투여 경로 및 배출 비율, 치료기간, 배합 또는 동시 사용되는 약물을 포함한 요소 및 기타 의학 분야에 잘 알려진 요소에 따라 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 약학적 조성물을 개체에 투여하여 암을 예방, 치료, 및/또는 진단할 수 있으며, 상기 암의 종류에는 제한이 없으나, 바람직하게는 과산화수소의 농도가 정상세포보다 높고 독소루비신이 세포독성을 나타내는 것으로 알려진 암일 수 있고, 그 비제한적인 예로서 유방암, 간암, 대장암, 및 전립선암 등이 있다.
본 발명에서 용어, “개체”는 쥐, 가축, 생쥐, 인간 등 포유류일 수 있으며, 바람직하게는 인간일 수 있다.
본 발명의 약학적 조성물은 개체에 투여를 위한 다양한 형태로 제형화 될 수 있으며, 비경구 투여용 제형의 대표적인 것은 주사용 제형으로 등장성 수용액 또는 현탁액이 바람직하다. 주사용 제형은 적합한 분산제 또는 습윤제 및 현탁화제를 사용하여 당업계에 공지된 기술에 따라 제조할 수 있다. 예를 들면, 각 성분을 식염수 또는 완충액에 용해시켜 주사용으로 제형화 될 수 있다. 또한, 경구 투여용 제형으로는 예를들면 섭취형 정제, 협측 정제, 트로키, 캡슐, 엘릭시르, 서스펜션, 시럽 및 웨이퍼 등이 있는데, 이들 제형은 유효성분 이외에 희석제(예: 락토즈, 덱스트로즈, 수크로즈, 만니톨, 솔비톨, 셀룰로즈 및/또는 글리신)와 활탁제(예: 실리카, 탈크, 스테아르산 및 그의 마그네슘 또는 칼슘염 및/또는 폴리에틸렌 글리콜)를 포함할 수 있다. 상기 정제는 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 전분페이스트, 젤라틴, 트라가칸스, 메틸셀룰로즈, 나트륨 카복시메틸셀룰로즈 및/또는 폴리비닐피롤리딘과 같은 결합제를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 전분, 한천, 알긴산 또는 그의 나트륨 염과 같은 붕해제, 흡수제, 착색제, 향미제 및/또는 감미제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제형은 통상적인 혼합, 과립화 또는 코팅 방법에 의해 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 약학적 조성물은 방부제, 수화제, 유화 촉진제, 삼투압 조절을 위한 염 또는 완충제와 같은 보조제와 기타 치료적으로 유용한 물질을 추가로 포함할 수 있으며, 통상적인 방법에 따라 제제화 될 수 있다.
본 발명에 따른 약학적 조성물은 경구, 경피, 피하, 정맥 또는 근육을 포함한 여러 경로를 통해 투여될 수 있으며, 활성 성분의 투여량은 투여 경로, 환자의 연령, 성별, 체중 및 환자의 중증도 등의 여러 인자에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한, 본 발명의 조성물은 목적하는 효과를 상승시킬 수 있는 공지의 화합물과도 병행하여 투여할 수 있다
본 발명에 따른 약학적 조성물의 투여 경로로는 경구적으로 또는 정맥 내, 피하, 비강 내 또는 복강 내 등과 같은 비경구적으로 사람과 동물에게 투여될 수 있다. 경구 투여는 설하 적용도 포함한다. 비경구적 투여는 피하주사, 근육 내 주사 및 정맥 주사와 같은 주사법 및 점적법을 포함한다.
본 발명의 약학적 조성물에 있어서, 본 발명에 따른 BOR-DOX 또는 이의 염의 총 유효량은 단일 투여량(single dose)으로 환자에게 투여될 수 있으며, 다중 투여량(multiple dose)이 장기간 투여되는 분할 치료 방법(fractionated treatment protocol)에 의해 투여될 수 있다. 본 발명의 약학적 조성물은 질환의 정도에 따라 유효성분의 함량을 달리할 수 있으나, 통상적으로 성인을 기준으로 1회 투여시 100㎍ 내지 3,000㎎의 유효용량으로 하루에 수차례 반복 투여될 수 있다. 그러나 상기 BOR-DOX 또는 이의 염의 농도는 약의 투여 경로 및 치료 횟수뿐 만 아니라 환자의 연령, 체중, 건강 상태, 성별, 질환의 중증도, 식이 및 배설율 등 다양한 요인들을 고려하여 환자에 대한 유효 투여량이 결정될 수 있다. 따라서 이러한 점을 고려할 때 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 상기 BOR-DOX 또는 이의 염의 암의 치료 또는 예방 또는 치료제로서의 특정한 용도에 따른 적절한 유효 투여량을 결정할 수 있으며, 본 발명에 따른 약학적 조성물은 본 발명의 효과를 보이는 한 그 제형, 투여 경로 및 투여 방법에 특별히 제한되지는 않는다.
또한, 본 발명의 약학적 조성물은 유효성분으로서 BOR-DOX 및/또는 이의 염 이외에 공지된 항암제를 추가로 포함할 수 있고, 이들 질환의 치료를 위해 공지된 다른 치료와 병용될 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
[실시예]
실시예 1. BOR-DOX의 제조
1-1. 재료 및 방법
4-(하이드록시메틸)페닐보로닉 애시드 피나콜 에스터(4-(hydroxymethyl)phenylboronic acid pinacol ester), 트리에틸아민(trimethylamine)은 Alfa Aesar에서, Doxorubicin, 파라-나이트로페닐클로로포르메이트(p-nitrophenylchloroformate)는 Carbosynth에서 구매하여 사용하였다. 컬럼 크로마토그래피는 실리카 겔 60 (70 ~230 메쉬)을 고정 상으로 사용하여 수행하였다. 분석용 박층 크로마토그래피(Analytical thin layer chromatography)는 60 실리카겔 (0.25 mm 두께의 예비 코팅 시트)을 사용하여 수행하였다. 질량 스펙트럼은 IonSpecHiResESI 질량 분석기로 측정하였다. 1H NMR 스펙트럼, 13C NMR 스펙트럼은 Bruker 500 MHz 분광기로 측정하였다.
1-2. BOR-DOX의 합성
[화학식 1]로 표시되는 BOR-DOX은 [반응식 1]에 따라 N, N'-디메틸포름아미드 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 독소루비신(Doxorubicin: DOX)을 하기 [화학식 2]로 표시되는 화합물과 반응시켜 제조하였고, [화학식 2]로 표시되는 화합물은 하기 [반응식 2]에 따라 N, N'-디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF) 용매 하에서 트리에틸아민 및 파라-나이트로페닐클로로포르메이트(p-Nitrophenylchloroformate)를 [화학식 3]으로 표시되는 화합물과 반응시켜 제조하였다.
[반응식 1]
Figure pat00008
[반응식 2]
Figure pat00009
[화학식 1]
Figure pat00010
[화학식 2]
Figure pat00011
[화학식 3]
Figure pat00012
보다 구체적으로, [화학식 2]로 표시되는 화합물의 제조를 위하여, 0℃의 N, N'-디메틸포름아미드 용매 (20 mL) 중 [화학식 3]으로 표시되는 화합물 (468 mg, 2 mmol)의 용액에 파라-나이트로페닐클로로포르메이트 (443 mg, 2.2 mmol) 를 첨가하고, 트리에틸아민 (0.3 mL) 을 한 방울씩 천천히 첨가한 뒤, 상기 혼합물을 실온에서 밤새 교반하였다. 반응 완료의 여부는 분석용 박층 크로마토그래피로 알 수 있었고, 시작물질이 완전히 사라지고 [화학식 2]로 표시되는 화합물이 합성됨을 알 수 있었다. 본 정제물은 반응성이 높고, 추출에 사용될 수 있는 용매들에 대한 용해도가 좋지 않기 때문에 용매 증발 없이 [화학식 1]을 합성하는 데에 곧바로 사용되었다.
[화학식 1]로 표시되는 화합물의 합성을 위하여 상기 단계에서 반응 완료된 혼합 용액에 Doxorubicin (1.09 g, 2 mmol) 을 첨가하고, 트리에틸아민 (0.3 mL) 을 한 방울씩 천천히 첨가한 뒤, 상기 혼합물을 실온에서 30분동안 교반하였다. 반응 완료 후 용매를 감압 하에 제거한 뒤 잔류물을 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 (DCM 중의 5% MEOH)로 정제하여 [화학식 1]로 표시되는 화합물 1.44 g을 수득하였다(89.8%).
1H-NMR (500 MHz, CDCl3): δ 13.96 (s, 1H); δ 13.22 (s, 1H); δ 8.02 (d, J = 7.60 Hz, 1H); δ 7.76 (t, J = 7.88 Hz, 3H); δ 7.39 (d, J = 8.45 Hz, 1H); δ 7.29 (d, J = 7.29 Hz, 2H); δ 5.50 (d, J = 2.95 Hz, 1H); δ 5.28 (s, 1H); δ 5.20 (d, J = 8.35 Hz, 1H); δ 5.03 (s, 2H); δ 4.76 (s, 2H); δ 4.55 (s, 1H); δ 4.14 (d, J = 6.40 Hz, 1H); δ 4.08 (s, 3H); δ 3.87 (s, 1H); δ 3.67 (d, J = 2.95 Hz, 1H); δ 3.25 (d, J = 19.05, 1H); δ 3.05 (t, J = 4.05 Hz, 1H); δ 2.97 (d, J = 18.60 Hz, 1H); δ 2.32 (d, J = 14.45 Hz, 1H); δ 2.16 (dd, J = 14.65 Hz, 3.75 Hz, 1H); δ 2.10 (d, J = 6.15 Hz, 1H); δ 2.03 (s, 1H); δ 1.87 (dd, J = 12.75 Hz, 3.80 Hz, 1H); δ 1.79 (dd, J = 12.95 Hz, 3.65 Hz, 1H); δ 1.73 (s, 1H); δ 1.34 (s, 3H); δ 1.32 (s, 12H).
13C-NMR (500 MHz, CDCl3): 214.04, 187.20, 186.79, 161.15, 156.31, 155.75, 155.61, 139.46, 135.90, 135.59, 135.08, 133.70, 127.25, 120.94, 119.96, 118.56, 111.69, 111.51, 100.85, 83.95, 76.73, 75.18, 69.79, 69.67, 67.38, 66.76, 65.59, 56.79, 47.11, 35.75, 34.01, 30.28, 24.96, 16.98 ppm.
1-3. 과산화수소 존재 하에서 BOR-DOX의 UV/Vis 및 형광측정
도 2에 도시된 바와 같이 화학식 1로 표시되는 화합물 BOR-DOX는 과산화수소 존재 하에서 분해되어 약물이 활성화되고 형광을 발한다. 과산화수소의 작용 후 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터의 약물 방출 메커니즘을 분석하기 위하여, BOX-DOX의 과산화수소 존재 하에서 형광 스펙트럼의 변화를 모니터하였다. 모든 형광 스펙트럼은 RF-5301PC 형광 분광 광도계에서 기록하였다. 형광 측정은 과산화수소에 의해 수행되었다. 화학식 1로 표시되는 화합물의 스톡용액 (5 μM)을 DMSO에서 제조하였다. 화학식 1로 표시되는 화합물에 과산화수소를 첨가하고 480 nm에서 여기 슬릿 폭 5, 방출 슬릿 폭 5 nm로 여기(excitation)시켰다.
그 결과, 도 3의 A에 나타난 바와 같이, [화학식 1]로 표시되는 화합물은 480 nm에서 넓은 흡수 띠를 나타내었고, 시간의 흐름에 따라 500~700 nm 파장에서 형광의 세기가 증가함을 확인할 수 있었다. 구체적으로 560 nm에서 시간-의존적인 형광 강도의 증가는 [화학식 1]로 표시되는 화합물로부터의 DOX 방출 때문이다. 이러한 결과는 첫 번째 단계에서 과산화수소에 의해 보론-탄소 결합이 선택적으로 분해되고, DOX 방출이 수반되는 형광 발광이 증강하는 것으로, 본 발명에서 의도한 과발현된 과산화수소에 의한 독소루비신 방출 매커니즘과 일치하는 결과이다.
또한, 도 3의 B에 나타낸 바와 같이, 과산화수소가 존재하지 않을 때(검정색 점선)에는 형광 세기의 변화가 보이지 않고, 5 μM BOR-DOX 존재 하에서는 형광 세기의 변화가 증가하지만 완만하게 일어나며, 50 μM 존재 하에서는 형광이 급격하게 증가하고 약 20분 경과 후 형광의 세기는 최대치를 나타냄을 확인하였는바, BOR-DOX의 활성화 정도 및 형광의 발현이 과산화수소의 농도와 반응 시간에 따라 증가함을 알 수 있다.
실시예 2. 유방암 세포주에서 독소루비신(DOX) 및 테라노스틱 항암제 전구체 BOR-DOX의 농도별 세포생존율 측정
(1) 인간 유방암 세포주 MDA-MB-231, SKBR3 각각은 10% fetal bovine serum (FBS), streptomycin-penicillin (100 U/ml) 및 Fungizone (0.625 ㎍/ml)을 함유하는 Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM)에서 5% CO2, 37℃ 환경으로 배양하였다.
(2) 두 가지의 유방암 세포주 MDA-MB-231, SKBR3에서 DOX, BOR-DOX를 각각 0, 0.01, 0.1, 1, 5, 10의 다양한 농도로 72 시간 동안 처리한 후, MTS assay기법으로 세포생존률을 측정하였다. MTS assay는 96 well plate에 24시간 동안 세포를 부착시킨 후, DOX, BOR-DOX 각각을 72시간 동안 처리 하여 MTS(3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium)로 4시간 동안 발색한 뒤, Spectramax Plus384 microplate analyzer를 이용하여 490 nm에서 흡광도로 측정하였다. 유방암 세포주에서 DOX 및 BOR-DOX 약물 모두 농도 의존적으로 세포생존율을 유의하게 저해함을 확인하였다. 세포생존율 실험은 독립적으로 3번 수행하였으며, 유의성은 One-Way Anova, Bonferroni post-hoc test (***p<0.001; DMSO control vs DOX or BOR-DOX)로 검증하여 도 4에 각 세포주 및 약물처리군별로 그래프화하여 나타내었다.
실시예 3. 유방암 세포주 MDA-MB-231, SKBR3에서 DOX 및 BOR-DOX처리에 따른 세포형태 변화 조사
상기 유방암 세포주 MDA-MB-231, SKBR3에서 DOX, BOR-DOX를 10 μM 농도로 72시간 처리한 후, 약물의 의한 세포 독성 여부를 위상차 현미경(phase contrast microscopy)으로 x200 배율에서 촬영하여 세포 형태 변화를 관찰하였다.
그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, DOX 또는 BOR-DOX 약물을 처리 하였을 때, MDA-MB-231 및 SKBR3 세포주에서 세포질이 수축하는 형태 변화가 관찰 되었으며, 세포독성으로 인하여 대부분의 세포가 부유한 상태로 관찰되었다.
실시예 4. 유방암 세포주 MDA-MB-231, SKBR3에서 DOX 및 BOR-DOX 약물 처리에 따른 세포사멸율 측정
(1) DOX 및 BOR-DOX 약물이 유도하는 암세포의 사멸정도를 유세포 측정기 (Flow cytometry)를 이용한 DNA 함량분석을 통하여 측정하였다. MDA-MB-231 및 SKBR3에 대하여, control (DMSO), DOX 및 BOR-DOX 각각 10 μM의 농도로 72시간 처리한 후, 상기 세포들을 수확한 후, 24시간 동안 0.5% Tween-20을 포함하는 95% 에탄올로 고정하여, 30분 동안 propidium iodide (PI, 50 μg/ml)과 RNase (50 μg/ml)를 가지고 염색하였다. 이후, 유세포 측정기로 암세포의 사멸정도를 분석하였다.
(2) 일반적으로 세포주기 (cell cycle)는 세포내 DNA의 함량에 따라 G1 (세포성장기)-S (세포복제기)-G2/M (세포분열기)로 나뉘어지며, 세포사멸이 유도되면 DNA의 절편현상 (DNA fragmentation)을 동반하여, 각 세포내의 DNA의 함량이 G1기 보다 현저히 적어진다. 이러한 세포사멸의 결과는 Sub G1 부위로써 세포주기상에 나타나게 되며 Sub G1의 비율을 수치로 표기하여 도 6에 각각 나타내었다.
(3) 상기 DOX 및 BOR-DOX 두 약물 모두 MDA-MB-231 및 SKBR3 유방암 세포주들에서 세포사멸 (Sub-G1 population)을 유도함을 확인하였다. 특히 SKBR3에서 DOX와 BOR-DOX를 비교하였을 때, 더 높은 세포사멸을 유도함을 확인하였다.
실시예 5. 테라노스틱 항암제 전구체 BOR-DOX에 의한 세포사멸 관련 인자들의 발현 조사
(1) 상기 결과에서, BOR-DOX에 의한 세포사멸기작을 조사하기 위해, 세포사멸 관련 인자 caspase family member의 활성화를 Western Blotting 기법을 통하여 조사하였다.
(2) 상기 Western blotting 수행을 위하여, control (DMSO), BOR-DOX 1, 5 μM의 농도로 72시간 처리한 후, 각 유방암 세포들을 phosphatase과 protease inhibitor를 포함하는 lysis buffer (30 mM NaCl, 0.5% Triton X-100, 50 mM Tris-HCl; pH 7.4)에서 용해시켜 상층액에 존재하는 단백들을 수확하였다. 단백질 농도 측정은 Bradford protein assay kit를 가지고 수행하였으며, 각 약물 처리군에서 단백질 30 ㎍을 균등하게 취하여 SDS-Polyacrylamide gel (8~15%)에서 전기영동하여 nitrocellulose membrane에 전기적으로 전위시켰다. 상기 멤브레인은 5% bovine serum albumin (BSA)에 희석된 일차 항체 [pro PARP (1:1000), cleaved PARP (1:2000), cleaved caspase-3 (1:1000), cleaved caspase-7 (1:1000), β-actin (1:5000)]를 가지고 4℃에서 24시간 동안 반응한 후, 2차 항체인 horseradish peroxidase (HRP)-conjugated rabbit IgG (1:3000)에 2시간 상온에서 반응시켰다. 상기 단백들의 신호강도(Signal intensity)는 Enhanced Chemiluminescence Kit와 x-ray film으로 발색하였다.
(3) 상기 MDA-MB-231 및 SKBR3 유방암 세포주에서 caspase-3의 활성화 형태인 cleaved caspase-3의 양을 Western blotting 기법으로 확인한 결과, 대조군과 비교 하여 BOR-DOX 처리군에서 현저히 단백량이 증가함을 확인하였다. DNA 회복 인자인 PARP (Poly (ADP-ribose) polymerase)는 caspase-3의 substrate로써, BOR-DOX 약물 처리에 의해 유도된 casapse-3의 활성화에 의해 분절화 됨을 pro-PARP (116 kDa)의 감소 및 cleaved-PARP (86 kDa)의 증가로 확인하였다. 또한 BOR-DOX 처리군에서 cleaved caspase-7이 증가함을 확인하였다. 이는 BOR-DOX가 유도하는 세포사멸이 casapse 활성이 동반됨을 증명하는 것으로 상기 결과는 도 7에 나타내었다.
실시예 6. 테라노스틱 항암제 전구체 BOR-DOX의 핵내 형광 측정
(1) 상기 항암제 전구체 BOR-DOX가 세포내로 들어갔을 때, H2O2에 의해서 절단되어 DOX가 방출된다. 방출된 DOX는 핵내로 들어가 topoisomerase II에 결합하여 red fluorescence (excitation at 470-490 nm; emission maximum at 560-590 nm)를 띄게 된다. DOX 및 BOR-DOX의 세포 핵내 형광을 공촛점현미경 (confocal microscopy)으로 조사하였다. 상기 약물 DOX 및 BOR-DOX 모두에서 red fluorescence가 강하게 나타남을 확인하였다. 또한, intensity profile 분석에서 대조군에 비하여 DOX 및 BOR-DOX 약물 처리군에서 red fluorescence가 증가되어 있음을 재확인하였다.
(2) 상기 MDA-MB-231 및 SKBR3 세포를 chamber slide에 분주하여 DOX 또는 BOR-DOX을 6시간 처리한 후, Mito tracker (green fluorescence)로 30분간 염색하여 세포핵과 세포질의 경계를 구분하였다. 상기 이미지는 공촛점현미경의 Alexa-488 (green) 및 Alexa-594 (red) 파장을 이용하여 1000배의 배율에서 촬영하였다. 상기 intensity profile은 Carl Zeiss software의 histogram tool을 이용하여 red fluorescence의 강도를 분석하여 도 8에 나타내었다.
실시예 7. 인간 간암 세포주 HepG2, 대장암 세포주 HCT116 및 전립선암 세포주 DU145에서 테라노스틱 항암제 전구체 BOR-DOX가 세포생존율에 미치는 영향 조사
간암 세포주 HepG2, 대장암 세포주 HCT116 및 전립선암 세포주 DU145에서 BOR-DOX 약물의 효과를 조사하였다. 각각의 약물을 10 μM 농도로 72시간 처리한 후, 상기 MTS assay기법으로 세포생존률을 측정한 결과, 세 가지의 세포주들 모두에서 BOR-DOX 약물에 대해 세포생존율을 유의하게 억제하였다. 대조군과 약물처리군 간의 유의성을 unpaired Students t-test로 검증 (***p<0.001; DMSO control vs BOR-DOX)하여 도 9에 나타내었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염.
    [화학식 1]
    Figure pat00013

  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 과산화수소에 의해 보론-탄소 결합이 분해되어 활성화되는 것을 특징으로 하는, 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 과산화수소에 의해 분해되어 여기 파장(emission wavelength) 470-490 nm, 방출 파장(excitation wavelength) 560-590 nm의 적색 형광을 발하는 것을 특징으로 하는, 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염.
  4. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 유효성분으로 포함하는, 암의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00014

  5. 제4항에 있어서,
    상기 약학적 조성물은 과산화수소의 존재 하에서 활성화 되어 암세포의 세포사멸을 유도하는 것을 특징으로 하는, 암의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 약학적 조성물은 과산화수소의 존재 하에서 활성화되어 글루타치온(glutathione: GSH)을 소거함으로써 세포 내의 과산화수소의 양을 증가시켜 상기 약학적 조성물의 활성을 가속화시키는 것을 특징으로 하는, 암의 예방 또는 치료용 약학적 조성물.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 암은 유방암, 간암, 대장암, 및 전립선암으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 암인 것을 특징으로 하는, 약학적 조성물.
  8. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 또는 이의 염을 유효성분으로 포함하는, 암의 진단 또는 영상화용 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00015


  9. 제8항에 있어서,
    상기 조성물은 과산화수소의 존재 하에서 여기 파장(emission wavelength) 470-490 nm, 방출 파장(excitation wavelength) 560-590 nm의 적색 형광을 발하는 것을 특징으로 하는, 암의 진단 또는 영상화용 조성물.
  10. 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드(dimethylformamide: DMF) 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 파라-나이트로페닐클로로포르메이트(p-Nitrophenylchloroformate)과 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 및
    하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 N, N'-디메틸포름아미드 용매 하에서 트리에틸아민(Triethylamine: TEA) 및 독소루비신(Doxorubicin: DOX)과 반응시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조 방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00016

    [화학식 2]
    Figure pat00017

    [화학식 3]
    Figure pat00018
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Bagalkot V, Farokhzad OC, Langer R, Jon S. An aptamerdoxorubicin physical conjugate as a novel targeted drugdelivery platform. Angew. Chem. Int. Ed. 2006;45: 8149-8152.

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