KR20210007631A - Development of injectable and sprayable tissue adhesive hydrogel based on tyrosinase from Streptomyces avermitilis and its application - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방선균 유래 티로시나아제를 이용하여 제조된 조직 접착능을 가지는 주사형 및 분사형 하이드로겔, 그의 제조 방법 및 그의 응용에 관한 것이다.The present invention relates to an injection-type and spray-type hydrogel having tissue adhesion prepared using actinomycetes-derived tyrosinase, a preparation method thereof, and an application thereof.
하이드로겔은 수분 함유량, 생체적합성이 높고 물리적 특징을 쉽게 변형 시킬 수 있어 조직 공학 및 재생 의학에 널리 사용되고 있는 재료 중 하나이다. 최근, 조직 접착 능력 및 전단 감소 특성을 가진 하이드로겔의 개발이 활발하게 이루어지고 있는데, 이는 최소 침습적 수술 및 약물 전달 시스템에 응용할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.Hydrogel is one of the materials widely used in tissue engineering and regenerative medicine because it has high moisture content, high biocompatibility, and can easily modify physical properties. Recently, the development of hydrogels having tissue adhesion and shear reduction properties has been actively made, because it has the advantage of being applicable to minimally invasive surgery and drug delivery systems.
체내 주입을 위한 하이드로겔의 제조 과정에는 세포외 기질 (extracellular matrix; ECM) 유래 단백질 및 다당류가 주로 사용되는데, 일반적으로 이러한 재료들은 음전하를 나타낸다. 또한, 생체 조직도 음전하를 가지고 있으므로 세포외 기질 유래 재료와 생체 조직이 만나면 정전기적 척력으로 인해 서로를 밀어내어 하이드로겔의 접착성이 떨어지는 문제가 존재하였다. 따라서, 하이드로겔과 생체 조직 간의 접착성을 증가시키기 위해서는 젖은 환경에서도 다양한 공유 결합 또는 비공유 결합이 이루어지는 것이 요구된다.Proteins and polysaccharides derived from an extracellular matrix (ECM) are mainly used in the manufacturing process of a hydrogel for intracorporeal injection, and these materials generally exhibit negative charges. In addition, since biological tissues also have negative charges, when the materials derived from the extracellular matrix and the biological tissues meet, they repel each other due to electrostatic repulsion, and thus there is a problem in that the adhesion of the hydrogel is inferior. Therefore, in order to increase the adhesion between the hydrogel and the living tissue, it is required to perform various covalent or non-covalent bonds even in a wet environment.
이와 관련하여, 최근 조직 접착 분야에서는 페놀형 유도체를 이용한 가교 결합 및 조직 접착 응용이 가장 활발하게 연구되고 있다. 이는 홍합 단백질 접착을 모사하는 방법으로서, 젖은 환경에서도 강한 접착력을 갖는다는 장점이 있다. 특히, 페놀형 유도체를 세포외 기질 유래 단백질 또는 다당류에 도입한 뒤 효소를 촉매로 하여 이들을 가교 결합하는 반응이 연구되고 있다.In this regard, in the field of tissue adhesion, crosslinking and tissue adhesion applications using phenolic derivatives are being studied most actively. This is a method of simulating mussel protein adhesion, and has the advantage of having strong adhesion even in a wet environment. In particular, a reaction in which a phenolic derivative is introduced into an extracellular matrix-derived protein or polysaccharide and then cross-linked using an enzyme as a catalyst has been studied.
이러한 효소 가교제로서 최근 페록시다아제 및 티로시나아제 등의 사용이 보고되고 있다. 특히, 페록시다아제 중 호스래디시 페록시다아제 (horseradish peroxidase: HRP) 를 가교제로 이용하는 것과 관련해서 많은 연구가 진행되어왔다. 구체적으로, 특허문헌 1 에는 젤라틴과 페놀 유도체인 티라민을 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 링커를 사용하여 결합한 뒤 이를 HRP 로 가교 결합시켜 체내 주입형 하이드로겔을 수득한 결과가 나타나 있고, 특허문헌 2 에는 티라민 개질 카르복시메틸셀룰로오스 유도체와 풀루란을 HRP 로 가교 결합시켜 체내 주입형 하이드로겔을 수득한 결과가 나타나 있다.As such enzyme crosslinking agents, the use of peroxidase and tyrosinase has been recently reported. In particular, many studies have been conducted on the use of horseradish peroxidase (HRP) as a crosslinking agent among peroxidase. Specifically,
그러나, HRP 의 경우 양성자 주개 (proton donor) 로 과산화수소의 존재가 요구되며, 이로 인해 세포 사멸이 유발될 가능성이 있으므로, 세포 독성을 유발하지 않는 범위 내 적정량의 과산화수소가 사용되어야 한다는 제한이 존재한다.However, in the case of HRP, the presence of hydrogen peroxide is required as a proton donor, and this may lead to cell death, so there is a limitation that an appropriate amount of hydrogen peroxide must be used within a range that does not cause cytotoxicity.
한편, 티로시나아제는 직접적으로 페놀류의 산화 반응을 촉매화하는 효소로써, 동물의 피부 색 결정 및 과일의 갈변 현상을 일으키는 등 우리 주위에서 쉽게 관찰 할 수 있는 효소이다. 티로시나아제는 모노페놀형 구조물질의 수산화 반응 및 산화 반응을 촉매화하여, 카테콜형과 퀴논형 구조물질을 생산하고, 최종적으로 고분자화하여 멜라닌을 생성한다. 이와 같은 티로시나아제의 반응성을 이용하여, 티로신 잔기를 포함하는 고분자 화합물을 티로시나아제를 가교 결합시킨 예가 보고된 바 있으나, 부피가 큰 단백질 표면의 티로신 잔기가 티로시나아제에 접근하기 어려워 반응성이 낮은 문제가 존재하였다.Meanwhile, tyrosinase is an enzyme that directly catalyzes the oxidation reaction of phenols, and is an enzyme that can be easily observed around us, such as determining the skin color of animals and causing browning of fruits. Tyrosinase catalyzes the hydroxylation and oxidation reactions of monophenol-type structural materials to produce catechol-type and quinone-type structural materials, and finally polymerizes to produce melanin. Using the reactivity of such a tyrosinase, an example in which a polymer compound containing a tyrosine residue was crosslinked with a tyrosinase has been reported. There was a low problem.
본 발명의 목적은, 주사형 또는 분사형 형태로 전달이 가능한 접착성 하이드로겔 조성물과 그 제조 방법 및 응용 발명을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an adhesive hydrogel composition capable of being delivered in an injection or spray form, a method of manufacturing the same, and an application invention.
이에 본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위하여, 스트렙토마이세스 (Streptomyces) 유래의 티로시나아제를 이용하여 페놀 유도체를 포함하는 고분자를 가교 결합한 결과, 주사형 또는 분사형 형태로 전달 가능한 접착성 하이드로겔 조성물을 제조할 수 있었다.Accordingly, the present inventors in order to solve the above problems, Streptomyces ( Streptomyces ) As a result of crosslinking a polymer containing a phenol derivative using the derived tyrosinase, an adhesive hydrogel composition capable of being delivered in an injection or spray form could be prepared.
본 발명의 스트렙토마이세스 유래의 티로시나아제는 기존에 알려진 다른 미생물 유래 티로시나아제와 구조를 비교 분석하였을 때, 활성 부위의 입구가 상대적으로 넓고 깊이가 얕은 구조를 가지고 있다. 이러한 구조적인 유리함으로 인해 티로시나아제에 페놀형 유도체의 접근이 용이하게 되어, 결과적으로 본 발명의 티로시나아제는 기존에 알려진 다른 미생물 유래 티로시나아제에 비해 더 넓은 기질 특이성을 갖는다.Streptomyces-derived tyrosinase of the present invention has a structure having a relatively wide entrance to the active site and a shallow depth when the structure is compared with other known microbial-derived tyrosinase. This structural advantage facilitates the access of the phenolic derivative to the tyrosinase, and as a result, the tyrosinase of the present invention has a broader substrate specificity than the tyrosinase derived from other known microorganisms.
구체적으로, 본 발명은 하기를 제공한다.Specifically, the present invention provides the following.
(1) 페놀 유도체를 포함하는 고분자를 스트렙토마이세스 (Streptomyces) 유래의 티로시나아제를 이용하여 가교 결합시키는 단계를 포함하는, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(1) Streptomyces polymer comprising a phenol derivative (Streptomyces) A method for producing an adhesive hydrogel composition comprising the step of crosslinking using the derived tyrosinase.
(2) (1) 에 있어서, 상기 페놀 유도체를 포함하는 고분자는,(2) The polymer according to (1), wherein the polymer containing the phenol derivative,
히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염, 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물; 또는Hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan or a compound obtained by introducing a phenol derivative into polyethylene glycol; or
히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염, 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물인, Hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, a mixture of a compound obtained by introducing a phenol derivative into chitosan or polyethylene glycol, and gelatin,
접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.Method for producing an adhesive hydrogel composition.
(3) (2) 에 있어서, 상기 페놀 유도체를 포함하는 고분자는, (3) The polymer according to (2), wherein the polymer containing the phenol derivative,
히알루론산에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물; 또는 Compounds obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid; or
히알루론산에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물인, A mixture of gelatin and a compound obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid,
접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.Method for producing an adhesive hydrogel composition.
(4) (1) 에 있어서, 상기 티로시나아제는 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 (Streptomyces avermitilis) 로부터 유래된 것인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(4) The method for producing an adhesive hydrogel composition according to (1), wherein the tyrosinase is derived from Streptomyces avermitilis .
(5) (1) 에 있어서, 상기 페놀 유도체는 티로신, 티라민, 4-하이드록시페닐아세트산 또는 3-(4-하이드록시페닐)프로피온산인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(5) The method for producing an adhesive hydrogel composition according to (1), wherein the phenol derivative is tyrosine, tyramine, 4-hydroxyphenylacetic acid or 3-(4-hydroxyphenyl)propionic acid.
(6) (5) 에 있어서, 상기 페놀 유도체는 티로신 또는 티라민인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(6) The method for producing an adhesive hydrogel composition according to (5), wherein the phenol derivative is tyrosine or tyramine.
(7) (1) 에 있어서, 상기 가교 결합시키는 단계가 중성 조건에서 수행되는, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(7) The method for producing an adhesive hydrogel composition according to (1), wherein the step of crosslinking is performed under neutral conditions.
(8) (7) 에 있어서, 상기 중성 조건은 pH 7 ~ 8 조건인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.(8) The method for producing an adhesive hydrogel composition according to (7), wherein the neutral condition is a pH of 7 to 8.
(9) (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 제조 방법에 의하여 제조된 접착성 하이드로겔 조성물.(9) An adhesive hydrogel composition prepared by the method of any one of (1) to (8).
(10) (9) 에 있어서, 주사 또는 분사를 통해 주입 가능한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.(10) The adhesive hydrogel composition according to (9), which can be injected through injection or injection.
(11) (10) 에 있어서, 생체 조직에 주사 또는 분사를 통해 주입된 이후 분해되는 것을 특징으로 하는, 접착성 하이드로겔 조성물.(11) The adhesive hydrogel composition according to (10), which is decomposed after being injected into a living tissue through injection or injection.
(12) (9) 에 있어서, 세포 또는 약물을 생체 내에 전달하기 위한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.(12) The adhesive hydrogel composition according to (9), which is for delivering cells or drugs into a living body.
(13) (9) 에 있어서, 조직 또는 장기를 코팅하기 위한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.(13) The adhesive hydrogel composition according to (9), which is for coating tissues or organs.
본 발명은 티로시나아제의 효능을 극대화 할 수 있는 페놀형 유도체를 하이드로겔에 도입하고, 생체 내 활성을 가지면서 페놀형 유도체도 소량 함유하고 있는 젤라틴을 조직 접착 분야에 응용함으로써 조직 접착 능력을 극대화 할 수 있다.In the present invention, a phenolic derivative capable of maximizing the efficacy of tyrosinase is introduced into a hydrogel, and gelatin, which has in vivo activity and contains a small amount of phenolic derivatives, is applied to the tissue adhesion field to maximize tissue adhesion. can do.
상기 설명된 하이드로겔은 생리학적 조건에서의 반응을 통해 제조되며, 특히 반응 시 열 혹은 부산물이 생성되지 않는 생체 적합한 반응이므로, 하이드로겔 이식 성공률을 높일 수 있다는 장점을 가진다.The hydrogel described above is prepared through a reaction under physiological conditions, and in particular, since it is a biocompatible reaction that does not generate heat or by-products during the reaction, it has the advantage of increasing the success rate of hydrogel implantation.
상기 설명된 하이드로겔은 빠른 가교 반응을 통해 주사기를 통한 주사형으로 전달이 가능하여, 최소침습적인 방법으로 체내에 주입이 가능하다. 또한, 분사형으로도 전달이 가능하여, 카테터 등에 탑재하여 최소침습적인 방법으로 체내에 주입되어 단 시간내에 조직 및 장기를 코팅시키는 것이 가능하다.The hydrogel described above can be delivered in an injection type through a syringe through a rapid crosslinking reaction, and thus can be injected into the body by a minimally invasive method. In addition, since it can be delivered in a spray type, it is possible to coat tissues and organs within a short time by being mounted on a catheter and injected into the body by a minimally invasive method.
도 1 은 티라민-히알루론산 결합체 (HA_t) 및 젤라틴을 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제 (SA_Ty) 로 가교 결합하여 얻어지는 주사 또는 분사 가능한 하이드로겔 생성 반응의 모식도를 나타낸다.
도 2 는 실험 그릇 위에서 젤라틴 3% 용액, HA_t 1% 용액, 및 젤라틴 6% 용액과 HA_t 2% 용액을 1:1 부피비로 혼합하여 얻은 용액 (HG_gel) 을 각각 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제 또는 기존에 보고된 다른 미생물 유래의 티로시나아제를 이용하여 1 시간 동안 가교 결합 반응을 한 후, 반응 결과 및 용기를 90 도로 세웠을 때의 흐름성을 비교한 것을 나타낸 것이다. 대조군은 티로시나아제를 첨가하지 않은 것이다. (Ctrl: 대조군, AB: 아가리쿠스 비스포루스 (Agaricus bisporus) 유래 티로시나아제, BM: 바실러스 메가테리움 (Bacillus megaterium) 유래 티로시나아제, SA: 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제).
도 3 은 아가리쿠스 비스포루스 유래 티로시나아제 (AB_Ty), 바실러스 메가테리움 유래 티로시나아제 (BM_Ty) 및 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제 (SA_Ty) 의 기질에 따른 반응성을 비교한 것이다. 도 3A 는 1 mM L-티로신, 3% (w/v) 젤라틴 및 0.2% (w/v) HA_t 에 대한 AB_Ty, BM_Ty 및 SA_Ty 의 효소 활성을 비교한 것이며, 도 3B 는 도 3A 에 나타난 반응에서의 반응 초기 속도 (V0) 를 비교한 것이다.
도 4 는 하이드로겔의 마우스 피부에 대한 접착성을 테스트하기 위해 수행된 하이드로겔의 유변학적 변이 실험 과정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 5 는 하이드로겔의 마우스 피부에 대한 접착성을 테스트하기 위한 일련의 유변학적 변이 실험 과정을 이미지로 나타낸 것이다. 도 5A 는 HG_gel 용액을 SA_Ty 로 가교결합하여 얻어진 하이드로겔의 접착성 테스트 과정이며, 도 5B 는 젤라틴 3% 용액 및 HA_t 1% 용액을 SA_Ty 로 가교결합하여 얻어진 하이드로겔의 접착성 테스트 과정을 각각 나타낸 것이다.
도 6 은 하이드로겔의 마우스 피부에 대한 접착성을 테스트한 결과를 나타낸 것이다. 도 6A 는 접착 실험의 스트레스-변이 그래프를 나타낸 것이고, 도 6B 는 접착 정도를 일량으로 변화하여 나타낸 막대 그래프이다.
도 7 은 HG_gel 하이드로겔의 주사 가능성 및 in vivo 내 주입을 나타낸 것이다. 도 7A 는 HG_gel 을 SA_Ty 와 혼합한 후, 주사기를 통해 식염수 안으로 주사하는 것을 나타낸 것이다. 관찰을 용이하게 하기 위해, 혼합된 용액에 붉은 물감을 혼합하였다. 도 7B 는 마우스의 피하 지방 내에 하이드로겔을 주입하는 것을 나타낸 그림과 실제 주입된 후의 하이드로겔의 사진을 나타낸 것이다. 도 7C 는 마우스 내 주입된 하이드로겔의 생체 적합성과 분해능을 확인하기 위해 조직학적 분석을 한 결과를 나타낸 것이다. 점선의 윗부분은 하이드로겔을 나타낸다.
도 8 은 본원발명의 HG_gel 하이드로겔이 분사 가능함을 나타낸 것이다. 도 8A 는 HG_gel 을 SA_Ty 와 혼합한 후, 에어브러쉬를 통해 슬라이드 글라스에 분사하는 이미지를 나타낸 것이고, 도 8B 는 분사된 HG_gel 하이드로겔을 슬라이드 글라스에서 떼어낸 후, HG_gel 하이드로겔의 탄성력을 확인하는 일련의 과정을 나타낸 것이다.
도 9 는 HG_gel 하이드로겔을 마우스 심장 조직에 분사 코팅한 결과를 나타낸 것이다. 도 9A 는 HG_gel 을 SA_Ty 와 혼합한 후, 마우스 심장 조직에 ex vivo 로 분사 코팅하는 것을 나타낸 모사도이고, 도 9B 는 형광 물질 및 SA_Ty 를 담지한 HG_gel 용액을 분무기를 이용하여 마우스 심장 조직에 분사한 후, 형광 관찰을 통해 HG_gel 하이드로겔이 마우스 심장 조직에 코팅되었음을 확인한 결과이다. 도 9C 는 HG_gel 용액을 마우스 심장 조직에 ex vivo 로 분사 코팅한 후 조직학적으로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 1 shows a schematic diagram of a reaction for generating an injection or sprayable hydrogel obtained by crosslinking a tyramine-hyaluronic acid conjugate (HA_t) and gelatin with a Streptomyces avermitilis-derived tyrosinase (SA_Ty).
2 is a solution (HG_gel) obtained by mixing a
FIG. 3 is a comparison of the reactivity of Agaricus bisporus-derived tyrosinase (AB_Ty), Bacillus megaterium-derived tyrosinase (BM_Ty), and Streptomyces avermitilis-derived tyrosinase (SA_Ty) according to substrates. . Figure 3A is a comparison of the enzyme activities of AB_Ty, BM_Ty and SA_Ty against 1 mM L-tyrosine, 3% (w/v) gelatin and 0.2% (w/v) HA_t, and Figure 3B is in the reaction shown in Figure 3A. The initial reaction rate (V 0 ) was compared.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a rheological mutation experiment process of a hydrogel performed to test the adhesion of the hydrogel to mouse skin.
5 shows an image of a series of rheological mutation experiments for testing the adhesion of the hydrogel to mouse skin. 5A is a process for testing the adhesion of a hydrogel obtained by crosslinking an HG_gel solution with SA_Ty, and FIG. 5B shows a process for testing the adhesion of a hydrogel obtained by crosslinking a 3% gelatin solution and a 1% HA_t solution with SA_Ty. will be.
6 shows the results of testing the adhesion of the hydrogel to the skin of a mouse. FIG. 6A is a stress-variation graph of an adhesion experiment, and FIG. 6B is a bar graph showing the degree of adhesion by changing the amount.
7 shows the possibility of injection and in vivo injection of HG_gel hydrogel. Fig. 7A shows that HG_gel is mixed with SA_Ty and then injected into saline through a syringe. In order to facilitate observation, red paint was mixed with the mixed solution. 7B is a diagram showing the injection of the hydrogel into the subcutaneous fat of the mouse and a photograph of the hydrogel after the actual injection. 7C shows the results of histological analysis to confirm the biocompatibility and resolution of the hydrogel injected into the mouse. The upper part of the dotted line represents the hydrogel.
Figure 8 shows that the HG_gel hydrogel of the present invention can be sprayed. 8A is an image showing an image of spraying HG_gel on a slide glass through an airbrush after mixing HG_gel with SA_Ty, and FIG. 8B is a series of checking the elasticity of the HG_gel hydrogel after removing the sprayed HG_gel hydrogel from the slide glass. It shows the process of.
9 shows the result of spray coating HG_gel hydrogel on mouse heart tissue. FIG. 9A is a schematic diagram showing that HG_gel is mixed with SA_Ty and then spray-coated ex vivo on mouse heart tissue, and FIG. 9B is after spraying a HG_gel solution carrying a fluorescent substance and SA_Ty onto the mouse heart tissue using a nebulizer , It is the result of confirming that HG_gel hydrogel is coated on mouse heart tissue through fluorescence observation. 9C shows the results of histological analysis after spray coating an HG_gel solution on mouse heart tissue ex vivo.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail. However, the present invention may be changed and implemented in various forms, and is not limited to the embodiments described herein.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as understood by an expert skilled in the art to which the present invention belongs. In general, the nomenclature used in this specification and the experimental methods described below are well known and commonly used in the art.
본 발명은 티로시나아제를 이용하여 제조된 조직 접착능을 가진 하이드로겔 조성물 및 그의 제조 방법에 대한 발명으로서, 상기 티로시나아제는 스트렙토마이세스 유래 티로시나아제 (SA_Ty) 인 것을 특징으로 한다. The present invention is an invention of a hydrogel composition having tissue adhesion and a method for producing the same prepared using tyrosinase, wherein the tyrosinase is a Streptomyces-derived tyrosinase (SA_Ty).
즉, 본 발명의 하이드로겔 조성물은, 페놀 유도체가 도입된 고분자 화합물을 스트렙토마이세스 유래 티로시나아제를 촉매로서 사용하여 가교 결합된 하이드로겔을 포함하는 것이다.That is, the hydrogel composition of the present invention comprises a hydrogel crosslinked by using a polymer compound into which a phenol derivative is introduced and a tyrosinase derived from Streptomyces as a catalyst.
본 발명의 티로시나아제는 폴리페놀 산화효소로서 산소 존재 하에 방향족 고리에 수산화기를 도입함으로써 페놀을 카테콜로 전환시키며, 추가적인 산화 반응을 통해 카테콜로부터 퀴논을 생성한다. 이후 반응성이 높은 퀴논이 친핵체 반응에 의해 아민기 또는 티올기와 신속하게 결합하기 때문에 탄소-탄소, 탄소-산소 결합뿐만 아니라 탄소-질소, 탄소-황 결합도 형성할 수 있다. 또한 다른 보조인자 없이 산소 존재 하에 반응이 진행되기 때문에 더 온화한 반응 조건을 가진다는 장점이 있다. The tyrosinase of the present invention is a polyphenol oxidase, which converts phenol into catechol by introducing a hydroxyl group into the aromatic ring in the presence of oxygen, and generates quinone from the catechol through an additional oxidation reaction. Since the highly reactive quinone is rapidly bonded to an amine group or thiol group by a nucleophile reaction, not only carbon-carbon and carbon-oxygen bonds, but also carbon-nitrogen and carbon-sulfur bonds can be formed. In addition, since the reaction proceeds in the presence of oxygen without other cofactors, there is an advantage of having milder reaction conditions.
본 발명에서 가교 결합의 촉매로서 사용된 티로시나아제는, 스트렙토마이세스 속으로부터 유래된 것이며, 바람직하게는, 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 (Streptomyces avermitilis) 로부터 유래된 것이다.The tyrosinase used as a catalyst for crosslinking in the present invention is derived from the genus Streptomyces, and preferably is derived from Streptomyces avermitilis .
한편, 본 발명의 하이드로겔의 제조를 위해 사용되는 고분자 화합물로는, 히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염 (chondroitin sulfate), 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 에 페놀 유도체가 도입된 화합물이 사용될 수 있으며, 또한 젤라틴도 사용될 수 있다. 바람직하게는, 히알루론산에 페놀 유도체가 도입된 화합물 또는 젤라틴이 사용될 수 있다.On the other hand, as the polymer compound used for the production of the hydrogel of the present invention, a compound in which a phenol derivative is introduced into hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan or polyethylene glycol (PEG) may be used, and also Gelatin can also be used. Preferably, a compound or gelatin into which a phenol derivative is introduced into hyaluronic acid may be used.
또한, 본 발명의 하이드로겔의 제조를 위해 사용되는 고분자 화합물로는, 히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염, 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 히알루론산에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물이 사용될 수 있다.In addition, as the polymer compound used for the production of the hydrogel of the present invention, a mixture of hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan or a mixture of a compound obtained by introducing a phenol derivative into polyethylene glycol, and gelatin may be used. Preferably, a mixture of gelatin and a compound obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid can be used.
상기 페놀 유도체로는 티라민, 티로신, 4-하이드록시페닐아세트산 또는 3-(4-하이드록시페닐)프로피온산이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 티로신 또는 티라민이 사용될 수 있다.As the phenol derivative, tyramine, tyrosine, 4-hydroxyphenylacetic acid or 3-(4-hydroxyphenyl)propionic acid may be used, and tyrosine or tyramine may be used preferably.
본 발명의 한 구현예에서, 본 발명의 가교 결합 물질의 제조 방법은 하기의 단계를 포함한다:In one embodiment of the present invention, the method of preparing the crosslinking material of the present invention comprises the following steps:
(a) 히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염 (chondroitin sulfate), 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 에 페놀 유도체를 도입하여 페놀 유도체가 도입된 고분자 화합물을 제조하는 단계, 및(a) introducing a phenol derivative to hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan or polyethylene glycol (PEG) to prepare a polymer compound into which the phenol derivative is introduced, and
(b) 수득된 페놀 유도체가 도입된 고분자 화합물에, 스트렙토마이세스 유래 티로시나아제를 촉매로서 첨가하여 가교 결합을 시키는 단계.(b) crosslinking by adding tyrosinase derived from Streptomyces as a catalyst to the polymer compound into which the obtained phenol derivative has been introduced.
이 때, 상기 (a) 단계에서 페놀 유도체가 도입된 고분자 화합물은 당업자에게 공지된 방법을 통하여 수득할 수 있다.In this case, the polymer compound into which the phenol derivative is introduced in the step (a) can be obtained through a method known to those skilled in the art.
상기 (b) 단계는 중성 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하며, 상기 중성 조건은 바람직하게는 pH 7 ~ 8 이다.The step (b) is characterized in that it is performed under a neutral condition, and the neutral condition is preferably a pH of 7 to 8.
또한, 상기 (b) 단계는 4 ~ 37 ℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 25 ~ 37 ℃ 의 온도 범위에서 수행되며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 37 ℃ 에서 수행된다. 반응 시간은 5 분 ~ 24 시간 동안 수행될 수 있으나, 5 분 ~ 1 시간 동안 반응되는 것이 바람직하다.In addition, the step (b) is characterized in that it is carried out in a temperature range of 4 ~ 37 ℃, is preferably carried out at a temperature range of 25 ~ 37 ℃, more preferably carried out at 30 ~ 37 ℃. The reaction time may be performed for 5 minutes to 24 hours, but it is preferable to react for 5 minutes to 1 hour.
본 발명에서 스트렙토마이세스 유래 티로시나아제는 정제된 티로시나아제 뿐만 아니라 상기 티로시나아제가 발현된 미생물을 포함하는 세포 배양액 또는 세포 추출물도 포함한다. 또한, 상기 티로시나아제가 발현된 미생물이 전세포 촉매 (whole cell catalyst) 로서 이용될 수도 있다. In the present invention, the Streptomyces-derived tyrosinase includes not only purified tyrosinase, but also a cell culture medium or cell extract containing a microorganism expressing the tyrosinase. In addition, the tyrosinase-expressing microorganism may be used as a whole cell catalyst.
본 발명의 촉매인 티로시나아제의 사용량과 관련하여, 티로시나아제 또한 불순물로 작용할 수 있기 때문에 가능한 최소량을 사용하여야 가교 효율을 극대화 할 수 있다. 이러한 관점에서, 촉매로서 사용되는 티로시나아제의 바람직한 양은 100 nM 내지 10 μM 이다. With regard to the amount of tyrosinase, the catalyst of the present invention, since tyrosinase can also act as an impurity, the crosslinking efficiency can be maximized only when the minimum amount possible is used. From this point of view, the preferred amount of tyrosinase used as a catalyst is 100 nM to 10 μM.
본 발명의 다른 구현예에서는, 주사 또는 분사를 통해 주입 가능한 접착성 하이드로겔 조성물이 제조된다. 특히, 페놀 유도체가 도입된 고분자 화합물을 티로시나아제와 혼합한 후, 생체 조직에 주사 또는 분사하여 생체 내로 전달할 수 있다. 상기 접착성 하이드로겔 조성물은 생체 조직에 주사 또는 분사를 통해 주입된 이후 분해되는 것을 특징으로 한다. In another embodiment of the present invention, an adhesive hydrogel composition that can be injected through injection or injection is prepared. In particular, the polymer compound into which the phenol derivative is introduced may be mixed with tyrosinase, and then injected or sprayed into a living tissue to be delivered in vivo. The adhesive hydrogel composition is characterized in that it is decomposed after being injected into a living tissue through injection or injection.
본 발명의 접착성 하이드로겔 조성물은, 세포 또는 약물을 생체 내에 전달하기 위한 용도로 사용될 수 있고, 또한 조직 또는 장기를 코팅하기 위한 용도로 사용될 수 있다. 본 발명의 하이드로겔 조성물과 함께 사용될 수 있는 세포 또는 약물로는 생체에 주입 가능한 공지된 모든 세포 또는 약물이 포함될 수 있다.The adhesive hydrogel composition of the present invention may be used for delivery of cells or drugs in vivo, and may also be used for coating tissues or organs. Cells or drugs that can be used with the hydrogel composition of the present invention may include all known cells or drugs that can be injected into a living body.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 내용을 구체화하기 위한 것일 뿐 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the following examples are only for embodiing the contents of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
[실시예][Example]
제조예 1: 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제 (SA_Ty) 의 제조Preparation Example 1: Preparation of Streptomyces avermitilis-derived tyrosinase (SA_Ty)
스트렙토마이세스 아베르미틸리스 유래 티로시나아제 (SA_Ty) 유전자가 삽입된 pET28a 벡터를 E. coli BL21(DE3) 균주에 도입하여 형질전환한 뒤 LB 고체 배지에 도포하여 얻은 콜로니를 50 ㎍/mL 카나마이신 (kanamycin) 이 첨가된 LB 액체 배지 3 mL 에 접종하여 37℃ 진탕 배양기에서 8 시간 배양하였다. 계대배양을 위해 LB 액체 배지 50 mL 에 50 ㎍/mL 카나마이신과 종균 배양액 500 ㎕ 를 첨가하여 37℃ 진탕 배양기에서 배양하였다.Streptomyces avermitilis-derived tyrosinase (SA_Ty) gene inserted pET28a vector was introduced into E. coli BL21 (DE3) strain, transformed, and then applied to LB solid medium to obtain a colony of 50 µg/mL kanamycin. (kanamycin) was inoculated into 3 mL of LB liquid medium and cultured in a shaking incubator at 37°C for 8 hours. For subculture, 50 µg/mL kanamycin and 500 µl of seed culture were added to 50 mL of LB liquid medium, and cultured in a shaking incubator at 37°C.
OD600 (optical density at 600 nm) 가 약 0.6 에 도달하면 0.2 mM IPTG 와, 1 mM CuSO4 를 첨가한 후 37℃ 에서 20 시간 동안 단백질 과발현을 유도하였다. 단백질을 수득하기 위해 4,000 rpm 에서 10 분간 원심분리하여 세포를 수확하였고 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) 5 mL 을 첨가하여 세포를 세척하였다. 여기에 다시 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) 5 mL 을 넣은 후 초음파 파쇄기 (Vibra & cell, USA) 를 이용하여 세포 파쇄를 수행하였다. 이후, 세포 파쇄액을 1.7 mL 튜브에 분주하고 16,000 rpm 에서 30 분간 원심분리하여 단백질을 포함하는 세포 추출액을 얻었다. When the OD 600 (optical density at 600 nm) reached about 0.6, 0.2 mM IPTG and 1 mM CuSO 4 were added, and then protein overexpression was induced at 37°C for 20 hours. To obtain a protein, the cells were harvested by centrifugation at 4,000 rpm for 10 minutes, and 5 mL of 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) was added to wash the cells. After adding 5 mL of 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) again, cell disruption was performed using an ultrasonic disruptor (Vibra & cell, USA). Thereafter, the cell lysate was dispensed into a 1.7 mL tube and centrifuged at 16,000 rpm for 30 minutes to obtain a cell extract containing protein.
이 세포 추출액을 Ni-NTA 컬럼을 이용하여 히스택 (His-tag) 정제를 진행하였다. 먼저 1 컬럼 부피 (column volumne) 의 pre-binding buffer (5 mM 이미다졸, 300 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl buffer) 를 이용하여, Ni-NTA 의 활성을 유도하고, 세포 추출액을 Ni-NTA 컬럼에 통과시켜 티로시나아제를 컬럼에 결합시킨 뒤, 2 배의 컬럼 부피의 wash buffer (25 mM 이미다졸, 300 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl buffer) 를 이용해 Ni-NTA 컬럼에 강하게 결합하지 않은 불순물들을 제거하였다. 마지막으로 elution buffer (250 mM 이미다졸, 50 mM Tris-HCl buffer) 를 이용해 Ni-NTA 컬럼으로부터 티로시나아제를 분리해낸 뒤, 이미다졸을 1/2500 수준으로 희석하기 위해 10k 필터를 이용하여 50 mM Tris-HCl 로 완충액을 교체하여 정제된 티로시나아제를 수득하였다. 아가리쿠스 비스포루스 유래 티로시나아제 (AB_Ty) 및 바실러스 메가테리움 유래 티로시나아제 (BM_Ty) 도 SA_Ty 유전자 대신 AB_Ty 유전자 또는 BM_Ty 유전자를 사용한 것을 제외하고는, 상기와 동일한 방법으로 제조되었다. 이하의 제조예 및 실시예에 나타난 가교 결합 반응에서는 상기 정제된 티로시나아제가 사용되었다.The cell extract was purified by His-tag using a Ni-NTA column. First, using 1 column volume of pre-binding buffer (5 mM imidazole, 300 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl buffer), the activity of Ni-NTA was induced, and the cell extract was transferred to a Ni-NTA column. Impurities that are not strongly bound to the Ni-NTA column using a wash buffer (25 mM imidazole, 300 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl buffer) of twice the column volume after passing through the column to bind tyrosinase to the column. Were removed. Finally, tyrosinase was separated from the Ni-NTA column using an elution buffer (250 mM imidazole, 50 mM Tris-HCl buffer), and then 50 mM using a 10k filter to dilute the imidazole to a level of 1/2500. Purified tyrosinase was obtained by replacing the buffer with Tris-HCl. Agaricus bisporus-derived tyrosinase (AB_Ty) and Bacillus megaterium-derived tyrosinase (BM_Ty) were also prepared in the same manner as above, except that the AB_Ty gene or the BM_Ty gene was used instead of the SA_Ty gene. In the crosslinking reaction shown in the following Preparation Examples and Examples, the purified tyrosinase was used.
제조예 2: SA_Ty 에 의해 가교 결합된 하이드로겔의 제조Preparation Example 2: Preparation of a hydrogel crosslinked by SA_Ty
히알루론산 (Lifecore Biomedical, LLC, 40-64 kDa) 을 1 차 증류수에 용해시킨 뒤, EDC (ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide, ThermoFisher), Sulfo-NHS (sulfo-N-hydroxysulfosuccinimide, ThermoFisher) 및 티라민 염산염 (tyramine hydrochloride, Sigma-Aldrich) 을 몰 농도비가 1:1:1 이 되도록 첨가하고, 상온에서 24 시간동안 반응시켰다. 반응이 종료된 후, 투석 멤브레인 (Snakeskin, MWCO: 3 kDa, ThermoFisher) 을 이용하여 이틀동안 투석한 뒤, 남은 용액을 동결 건조하여, 히알루론산-티라민 결합체 (HA_t) 를 수득하였다.After dissolving hyaluronic acid (Lifecore Biomedical, LLC, 40-64 kDa) in primary distilled water, EDC (ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide, ThermoFisher), Sulfo-NHS (sulfo-N-hydroxysulfosuccinimide, ThermoFisher) and tyramine hydrochloride (tyramine hydrochloride, Sigma-Aldrich) was added so that the molar ratio was 1:1:1, and reacted at room temperature for 24 hours. After the reaction was completed, after dialysis for two days using a dialysis membrane (Snakeskin, MWCO: 3 kDa, ThermoFisher), the remaining solution was freeze-dried to obtain a hyaluronic acid-tyramine conjugate (HA_t).
이후, 상기 합성된 HA_t 와 젤라틴 (Porcine skin, Type B, Sigma-Aldrich) 을 각각 2% 및 6% (w/v) 가 되도록 증류수에 용해시킨 뒤, 두 용액을 1:1 의 부피비로 혼합하고, 혼합된 용액 (HG_gel) 에 200 nM SA_Ty 를 첨가하여 가교 반응을 유도하였다. 이후, 37 ℃ 에서 1 시간 동안 반응시켜 하이드로겔을 수득하였다.Thereafter, the synthesized HA_t and gelatin (Porcine skin, Type B, Sigma-Aldrich) were dissolved in distilled water to be 2% and 6% (w/v), respectively, and then the two solutions were mixed in a volume ratio of 1:1. , 200 nM SA_Ty was added to the mixed solution (HG_gel) to induce a crosslinking reaction. Then, it was reacted at 37° C. for 1 hour to obtain a hydrogel.
제조예 3: 주사형 하이드로겔의 제조Preparation Example 3: Preparation of injectable hydrogel
상기 제조예 2 에 따라 제조된 HG_gel 을 SA_Ty 와 혼합하여 주사기에 담지한 후, 주사기를 통해 주입하였다. HG_gel 의 점도 조절이 필요할 때는, NaCl 을 0.3 - 1 M 농도가 되도록 첨가하였다.The HG_gel prepared according to Preparation Example 2 was mixed with SA_Ty, loaded on a syringe, and then injected through a syringe. When the viscosity of HG_gel needs to be adjusted, NaCl was added to a concentration of 0.3-1 M.
제조예 4: 분사형 하이드로겔의 제조Preparation Example 4: Preparation of spray-type hydrogel
상기 제조예 2 에 따라 제조된 HG_gel 을 SA_Ty 와 혼합하여 에어브러쉬 (노즐 사이즈 0.3 mm, 용량 7 ml, 공기압 15~35 psi, Monster) 에 담지한 후, 산소 주입을 통해 분사하였다. HG_gel 의 점도 조절이 필요할 때는, NaCl 을 0.3 - 1 M 농도가 되도록 첨가하였다.The HG_gel prepared according to Preparation Example 2 was mixed with SA_Ty and loaded on an airbrush (nozzle size 0.3 mm,
실시예 1: 젤라틴, 히알루론산-티라민 결합체 (HA_t) 및 히알루론산-티라민 결합체와 젤라틴 혼합물 (HG_gel) 의 SA_Ty 에 대한 반응성 비교Example 1: Comparison of the reactivity of gelatin, hyaluronic acid-tyramine conjugate (HA_t) and hyaluronic acid-tyramine conjugate and gelatin mixture (HG_gel) to SA_Ty
상기 제조예 2 와 동일하게 HA_t 및 HG Gel 을 제조한 뒤, 젤라틴 3% 용액, HA_t 1% 용액 또는 HG_gel 각각에 대해, 가교 결합의 촉매로서 SA_Ty (SA), 아가리쿠스 비스포루스 유래 티로시나아제 (AB_Ty: AB) 또는 바실러스 메가테리움 유래 티로시나아제 (BM_Ty: BM) 을 첨가하여 반응을 진행한 뒤 반응 결과를 관찰하였다.After preparing HA_t and HG Gel in the same manner as in Preparation Example 2, for each of
티로시나아제에 의한 산화반응이 진행되는 경우, 색 변화를 통해 반응의 진행 정도를 알 수 있다. 대조군 (Ctrl) 은 티로시나아제를 첨가하지 않은 것을 나타낸다.When the oxidation reaction by tyrosinase proceeds, the degree of progress of the reaction can be known through color change. Control (Ctrl) indicates that no tyrosinase was added.
그 결과, 반응 1 시간 후, SA 에 의한 가교 결합 반응의 경우, 젤라틴, HA_t, HG_gel 순으로 색이 진해지는 것을 확인할 수 있었다 (도 2). 이는 젤라틴 또는 HA_t 단독으로는 충분한 가교 결합이 이루어지지 않는 반면, HG_gel 의 경우 젤라틴과 HA_t 의 시너지 효과로 인해 더욱 더 많은 가교 결합이 이루어졌음을 나타낸다.As a result, after 1 hour of reaction, in the case of a crosslinking reaction by SA, it was confirmed that the color became dark in the order of gelatin, HA_t, and HG_gel (FIG. 2). This indicates that, while gelatin or HA_t alone did not sufficiently crosslink, HG_gel exhibited more crosslinking due to the synergistic effect of gelatin and HA_t.
반면, BM_Ty 에 의해 가교 결합된 하이드로겔의 경우는 가교 결합 반응이 충분히 진행되지 않았음을 알 수 있었으며, AB_Ty 의 경우는 SA_Ty 와 유사한 경향을 보였다.On the other hand, in the case of the hydrogel cross-linked by BM_Ty, it was found that the cross-linking reaction did not proceed sufficiently, and in the case of AB_Ty, the tendency was similar to that of SA_Ty.
또한, 상기 가교 결합된 하이드로겔을 90 도로 기울여서 흐름성을 비교하여 보았다. 그 결과, SA_Ty 에 의해 가교 결합된 하이드로겔의 경우, 젤라틴 하이드로겔은 흘러내린 반면, HA_t 및 HG_gel 하이드로겔은 용기에 그대로 접착되어 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 2). 한편, BM_Ty 에 의해 가교 결합된 하이드로겔은 젤라틴, HA_t 및 HG_gel 하이드로겔 모두 흘러내리는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the crosslinked hydrogel was tilted at 90 degrees to compare flowability. As a result, in the case of the hydrogel crosslinked by SA_Ty, it was confirmed that the gelatin hydrogel flowed down, while the HA_t and HG_gel hydrogels were adhered to the container as they were (FIG. 2 ). On the other hand, it was confirmed that the hydrogel cross-linked by BM_Ty flowed down all of the gelatin, HA_t and HG_gel hydrogels.
실시예 2: 기질의 종류에 따른 SA_Ty, AB_Ty 및 BM_Ty 의 반응성 비교Example 2: Comparison of reactivity of SA_Ty, AB_Ty and BM_Ty according to the type of substrate
기질의 종류에 따른 SA_Ty, AB_Ty 및 BM_Ty 의 반응성의 차이를 비교하기 위하여, SA_Ty, AB_Ty 또는 BM_Ty 의 L-티로신, 젤라틴 또는 HA_t 에 대한 산화 반응 속도를 각각 측정하였다.In order to compare the difference in the reactivity of SA_Ty, AB_Ty and BM_Ty according to the type of substrate, the oxidation reaction rates of SA_Ty, AB_Ty or BM_Ty to L-tyrosine, gelatin or HA_t were measured, respectively.
이를 위해, 10 μM CuSO4 및 기질 (200 μM L-티로신, 0.3 w/v % 젤라틴 또는 0.2 w/v % HA_t) 이 포함된 200 μl 완충액에 정제된 티로시나아제 100 nM 을 첨가하여 반응을 개시한 뒤, 시간 별로 기질 농도의 변화를 측정하였다. 상기 완충액으로는, SA_Ty 와 BM_Ty 의 경우, 50 mM 트리스-염산 완충액 (pH 8.0) 이 사용되었고, AB_Ty 의 경우, 50 mM 인산나트륨 완충액 (pH 7.0) 이 사용되었다. 또한, 기질 농도의 변화는 산화반응에서 생성된 퀴논과 MBTH (3-메틸-2-벤조티아졸리논 하이드라존) 의 결합체의 505 nm 에서의 흡광도 (ε = 29000 M-1cm-1) 를 측정하여 관측되었다.For this, the reaction was initiated by adding 100 nM of purified tyrosinase to 200 μl buffer containing 10 μM CuSO 4 and substrate (200 μM L-tyrosine, 0.3 w/v% gelatin or 0.2 w/v% HA_t). After that, the change in the substrate concentration over time was measured. As the buffer, for SA_Ty and BM_Ty, 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0) was used, and for AB_Ty, 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) was used. In addition, the change in the substrate concentration is the absorbance at 505 nm (ε = 29000 M -1 cm -1 ) of the conjugate of quinone and MBTH (3-methyl-2-benzothiazolinone hydrazone) produced in the oxidation reaction. It was observed by measuring.
그 결과, 티로신에 대해서는 AB_Ty 의 반응성이 가장 높게 나타난 반면, 젤라틴 및 HA_t 에 대해서는 SA_Ty 의 반응성이 가장 높은 것으로 나타났다 (도 3A). 또한, 도 3A 에 나타난 결과로부터 반응 초기 속도 (V0) 를 계산하여 본 결과, 마찬가지로 젤라틴 및 HA_t 에 대해서는 SA_Ty 의 반응 초기 속도가 가장 빠른 것을 알 수 있었다 (도 3B).As a result, it was found that AB_Ty had the highest reactivity with respect to tyrosine, while SA_Ty had the highest reactivity with gelatin and HA_t (Fig. 3A). In addition, as a result of calculating the initial reaction rate (V 0 ) from the results shown in FIG. 3A, it was found that the initial reaction rate of SA_Ty was the fastest for gelatin and HA_t similarly (FIG. 3B ).
이는 AB_Ty 의 기질-결합 부분의 구조가 티로신과 같은 작은 분자와의 결합에는 유리하나, 젤라틴 또는 HA_t 와 같은 고분자 화합물과의 결합에는 적합하지 않은 반면, SA_Ty 는 고분자에 결합되어 있는 페놀 유도체와 결합하기에 유리한 구조를 가지고 있음을 나타낸다. 즉, 상기 결과로부터 젤라틴이나 HA_t 와 같은 고분자의 가교 결합 반응에는 SA_Ty 가 가장 적합한 촉매임을 알 수 있다.This is because the structure of the substrate-binding portion of AB_Ty is advantageous for binding to small molecules such as tyrosine, but not suitable for binding to high molecular compounds such as gelatin or HA_t, whereas SA_Ty binds to phenol derivatives bound to polymers. It indicates that it has an advantageous structure. That is, from the above results, it can be seen that SA_Ty is the most suitable catalyst for the crosslinking reaction of polymers such as gelatin or HA_t.
실시예 3: 젤라틴 3%, HA_t 1%, HG_gel 하이드로겔의 조직 접착성 비교Example 3: Comparison of tissue adhesion of
상기 제조예 2 에 나타난 바와 같이, 젤라틴 3% 용액, HA_t 1% 용액 및 HG_gel 을 각각 SA_Ty 로 가교 결합하여 하이드로겔을 수득한 뒤, 이들 하이드로겔의 조직 접착성을 비교하였다. As shown in Preparation Example 2,
조직 접착성 비교 실험은 다음과 같이 진행되었다: 마우스 피부 조직을 지름 8 mm 로 절개하고, 절개된 피부 조직을 레오미터 (rheometer, 302 MCR, Anton-Paar) 의 위쪽 및 아래쪽 프로브에 부착한 뒤, 절개된 피부 조직 사이에 상기 하이드로겔을 주입하였다. 이후, gap 1 mm 로 5 분 동안 눌러준 뒤 10 mm/min 의 속도로 프로브를 들어올리며 측정을 진행하였다 (도 4 및 도 5).Tissue adhesion comparison experiment was carried out as follows: mouse skin tissue was cut to a diameter of 8 mm, and the cut skin tissue was attached to the upper and lower probes of a rheometer (302 MCR, Anton-Paar), The hydrogel was injected between the cut skin tissues. Thereafter, after pressing the
그 결과, 하이드로겔의 접착 강도와 접착 일 (adhesion work) 은 HG_gel 이 가장 우수함을 알 수 있었다 (도 6A 및 6B). 이는 HA_t 의 페놀기와 젤라틴의 1 차 아민 및 티올 그룹 간에 수 많은 가교 결합이 형성되었음을 나타내며, 또한 하이드로겔과 피부 조직 사이에 많은 공유 결합이 형성되었음을 나타낸다.As a result, it was found that the HG_gel is the most excellent for the adhesion strength and adhesion work of the hydrogel (FIGS. 6A and 6B). This indicates that numerous cross-links were formed between the phenol group of HA_t and the primary amine and thiol groups of gelatin, and also many covalent bonds were formed between the hydrogel and the skin tissue.
실시예 4: 주사형 HG_gel 의 제작 및 생체 적합성 실험Example 4: Preparation and biocompatibility experiment of injectable HG_gel
HG_gel 및 SA_Ty 의 혼합 용액을 주사기에 담지하고 이를 증류수 안에 주사를 한 결과, SA_Ty 의 빠른 가교 결합 능력에 의해 하이드로겔의 형태를 유지한 상태 그대로 증류수 안에 존재하는 것을 확인할 수 있었다 (도 7A).As a result of loading the mixed solution of HG_gel and SA_Ty in a syringe and injecting it into distilled water, it was confirmed that the mixture was present in distilled water as it maintained the shape of the hydrogel by the rapid crosslinking ability of SA_Ty (FIG. 7A).
또한, 상기 하이드로겔을 도 7B 에 나타낸 바와 같이 마우스 피부 조직 내 주입하고, 조직학적 분석을 실시하여 시간 경과에 따른 조직의 변화를 관찰하였다. 상기 조직학적 분석은 다음과 같이 진행되었다: 마우스 피부 조직에 하이드로겔을 주입하고 1, 2 및 4 주 경과한 뒤 주입된 하이드로겔이 포함된 마우스 피부 조직을 회수하여 4% (w/v) 파라포름알데하이드 (시그마-알드리치, St Louis, MO) 로 24 시간동안 고정하였다. 고정된 샘플을 PBS 완충용액으로 5 분간 세척한 뒤 각각 50, 75, 90, 95, 100% 에탄올 용액으로 탈수하였다. 이후, 탈수된 샘플을 파라핀에 임베딩한 뒤 다용도 박편기로 10 ㎛ 두께로 절단하고, 헤마톡실린 및 에오진 (시그마) 염색을 통해 조직을 관찰하였다.In addition, the hydrogel was injected into the mouse skin tissue as shown in FIG. 7B, and histological analysis was performed to observe changes in the tissue over time. The histological analysis was carried out as follows: 1, 2 and 4 weeks after the hydrogel was injected into the mouse skin tissue, and then the mouse skin tissue containing the injected hydrogel was recovered and 4% (w/v) para. Fixed with formaldehyde (Sigma-Aldrich, St Louis, MO) for 24 hours. The fixed samples were washed with PBS buffer for 5 minutes and then dehydrated with 50, 75, 90, 95, and 100% ethanol solutions, respectively. Thereafter, the dehydrated sample was embedded in paraffin and then cut to a thickness of 10 μm with a multipurpose flaker, and the tissue was observed through hematoxylin and eosin (Sigma) staining.
그 결과, 주입된 하이드로겔은 생체 적합성을 보이며 또한 시간이 지남에 따라 서서히 분해되는 것을 확인할 수 있었다 (도 7C). 이는 제작된 하이드로겔이 체내에 약물 전달 혹은 세포 전달 용도로 사용 가능함을 나타낸다.As a result, it was confirmed that the injected hydrogel showed biocompatibility and gradually decomposed over time (FIG. 7C). This indicates that the produced hydrogel can be used for drug delivery or cell delivery in the body.
실시예 5: 분사형 HG_gel의 제작 및 마우스 심장 조직 코팅 실험Example 5: Preparation of spray-type HG_gel and mouse heart tissue coating experiment
HG_gel 및 SA_Ty 의 혼합 용액을 에어브러쉬에 담지하고 이를 슬라이드 글라스에 분사하였다 (도 8A). 그 결과, SA_Ty 의 빠른 가교 결합 능력에 의해 얇은 박막 형태의 하이드로겔이 생성되는 것을 확인할 수 있었다 (도 8B). The mixed solution of HG_gel and SA_Ty was loaded on an airbrush and sprayed onto the slide glass (FIG. 8A). As a result, it was confirmed that the hydrogel in the form of a thin film was generated by the fast crosslinking ability of SA_Ty (FIG. 8B).
한편, 도 9A 에 나타낸 바에 따라, 에어브러쉬를 이용하여 형광물질이 포함된 HG_gel 및 SA_Ty 의 혼합 용액을 심장 조직에 10 초간 분사 코팅한 후, 형광 정도 및 조직학적 분석 결과를 관찰하였다. 형광물질이 포함된 HG_gel 은 2.6 mmol 의 FITC (fluorescein isothiocyanate) 용액을 8% (w/v) 의 젤라틴 용액과 24 시간 동안 반응시켜 얻은 FITC 표지된 젤라틴의 3% 용액을, HA_t 1% 용액 및 SA_Ty 와 혼합하여 제조되었다.On the other hand, as shown in FIG. 9A, after spray-coating a mixed solution of HG_gel and SA_Ty containing a fluorescent substance on the heart tissue for 10 seconds using an airbrush, the degree of fluorescence and the histological analysis result were observed. HG_gel containing a fluorescent substance is a 3% solution of FITC-labeled gelatin obtained by reacting 2.6 mmol of FITC (fluorescein isothiocyanate) solution with 8% (w/v) gelatin solution for 24 hours,
그 결과, 얇고 일정한 두께의 하이드로겔이 심장 표면에 형성된 것을 확인할 수 있었다 (도 9B 및 9C). 이는 하이드로겔이 분사된 후에도, 그 형태를 잘 유지할 수 있을 만큼 가교 결합이 빠른 속도로 많이 일어남을 나타내며, 동시에 생체 조직과의 접착성이 뛰어남을 나타낸다. As a result, it was confirmed that a thin and constant-thick hydrogel was formed on the heart surface (FIGS. 9B and 9C). This indicates that even after the hydrogel is sprayed, a large amount of crosslinking occurs at a high speed enough to maintain its shape well, and at the same time, it shows excellent adhesion to living tissue.
본 발명의 접착성 하이드로겔 조성물은, 세포 또는 약물 전달에 사용될 수 있고 또한 조직 또는 장기의 코팅에 사용될 수 있어 줄기세포 치료제에서의 활용 등 의약 분야를 포함한 다양한 분야에 응용될 수 있다.The adhesive hydrogel composition of the present invention can be used for cell or drug delivery, and can also be used for coating tissues or organs, and thus can be applied to various fields including pharmaceutical fields such as use in stem cell therapeutics.
Claims (13)
상기 페놀 유도체를 포함하는 고분자는,
히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염, 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물; 또는
히알루론산, 알지네이트, 콘드로이틴 황산염, 키토산 또는 폴리에틸렌글리콜에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물인,
접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 1,
The polymer containing the phenol derivative,
Compounds obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan or polyethylene glycol; or
Hyaluronic acid, alginate, chondroitin sulfate, chitosan, or a mixture of gelatin and a compound obtained by introducing a phenol derivative into polyethylene glycol,
Method for producing an adhesive hydrogel composition.
상기 페놀 유도체를 포함하는 고분자는,
히알루론산에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물; 또는
히알루론산에 페놀 유도체를 도입하여 얻어진 화합물 및 젤라틴의 혼합물인,
접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 2,
The polymer containing the phenol derivative,
Compounds obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid; or
A mixture of gelatin and a compound obtained by introducing a phenol derivative into hyaluronic acid,
Method for producing an adhesive hydrogel composition.
상기 티로시나아제는 스트렙토마이세스 아베르미틸리스 (Streptomyces avermitilis) 로부터 유래된 것인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 1,
The tyrosinase is Streptomyces avermitilis ( Streptomyces avermitilis ) that is derived from, the method for producing an adhesive hydrogel composition.
상기 페놀 유도체는 티로신, 티라민, 4-하이드록시페닐아세트산 또는 3-(4-하이드록시페닐)프로피온산인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법. The method of claim 1,
The phenol derivative is tyrosine, tyramine, 4-hydroxyphenylacetic acid or 3-(4-hydroxyphenyl)propionic acid, a method for producing an adhesive hydrogel composition.
상기 페놀 유도체는 티로신 또는 티라민인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 5,
The phenol derivative is tyrosine or tyramine, a method for producing an adhesive hydrogel composition.
상기 가교 결합시키는 단계가 중성 조건에서 수행되는, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 1,
The crosslinking step is performed in a neutral condition, a method of producing an adhesive hydrogel composition.
상기 중성 조건은 pH 7 ~ 8 조건인, 접착성 하이드로겔 조성물의 제조 방법.The method of claim 7,
The neutral condition is a pH of 7 to 8 conditions, the method for producing an adhesive hydrogel composition.
주사 또는 분사를 통해 주입 가능한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.The method of claim 9,
The adhesive hydrogel composition that can be injected through injection or injection.
생체 조직에 주사 또는 분사를 통해 주입된 이후 분해되는 것을 특징으로 하는, 접착성 하이드로겔 조성물.The method of claim 10,
An adhesive hydrogel composition, characterized in that it is decomposed after being injected into a living tissue through injection or injection.
세포 또는 약물을 생체 내에 전달하기 위한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.The method of claim 9,
To deliver cells or drugs in vivo, adhesive hydrogel composition.
조직 또는 장기를 코팅하기 위한 것인, 접착성 하이드로겔 조성물.The method of claim 9,
To coat tissues or organs, adhesive hydrogel composition.
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KR1020190084409A KR20210007631A (en) | 2019-07-12 | 2019-07-12 | Development of injectable and sprayable tissue adhesive hydrogel based on tyrosinase from Streptomyces avermitilis and its application |
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KR20110002741A (en) | 2009-07-02 | 2011-01-10 | 아주대학교산학협력단 | In situ forming hydrogel and biomedical use thereof |
KR20160063154A (en) | 2014-11-26 | 2016-06-03 | 금오공과대학교 산학협력단 | Hydrogel anti-adhesion adjuvant and manufacturing method of the same |
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2019
- 2019-07-12 KR KR1020190084409A patent/KR20210007631A/en not_active Application Discontinuation
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