바이오인

□ 효율 좋은 약물전달을 위해 대상이 되는 부위에 치료약이 정확하게 정확한 시간에 도달하는 것이 중요하다. 이를 실현시키기 위해 적절한 자극에 의해 내포물을 방출하는 리포솜(지질소포체)을 만드는 물리 화학적 시도가 이루어져 왔다. 방출의 요인이 되는 것은 pH 변화, 산화환원 전위, 온도, 특정 효소의 농도 등을 들 수 있다. 따라서 최근 pH 및 산화 환원전위에 의해 내포물질을 적절한 생물학적 장소에 방출하는 소포체의 화학에 대한 연구가 수행되었다.

□ 화학적으로 리포솜을 이용한 약물전달의 발전에 기여할 수 있는 경우로서 3개의 분야를 들 수 있으며, 그 첫째는 리포솜이 몇 가지 구조적 장애나 세포벽 등을 넘어 대상의 부위에 도달 될 수 있도록 구성 부품을 설계하는 것이고, 둘째는 특정의 세포종에만 유효한 리간드(ligand)를 합성하는 것이며, 셋째는 내포한 약제나 유전자를 대상으로 이행하는 기전을 개발하는 것이다. 이상적으로는 약물을 내포한 리포솜이 대상 부위에 도달할 때까지 안정하며, 대상부위에 축적한 때에 약물이 충분한 치료 효과를 발휘될 수 있을 정도로 방출되려면 대상 부위에서 특정의 자극에 의해 약물을 방출할 수 있는 자극 방출성 약물전달 체계가 중요한 요소가 된다. 리포솜의 자극 방출성을 지향한 화학적 수법과 최근의 자극 방출성 리포솜을 사용한 생체 내에서의 약물전달에 관하여 소개하였다.

 

 

○ 정맥 투여에 의한 약물전달의 과제

약물전달에 있어서 가장 일반적인 투여법은 정맥 주사이다. 정맥으로 약제를 투여하면 약물은 맥관을 통해 재빨리 퍼져나간다.  이 방법에 의해 대상이 되는 세포에 대하여 리포솜을 사용한 약물전달을 일으키는 데에는 두 가지 필수조건을 만족시키지 않으면 안된다.  첫째, 내포된 약물은 리포솜 내에 잔존하여 있지 않으면 안 되며, 리포솜은 맥관내의 혈장 단백질의 공격에 견디지 않으면 안 된다. 둘째로, 리포솜이 대상이 되는 세포에 충분히 축적될 수 있을 정도로 오래도록 순환 대류가 계속될 필요가 있으며 이를 위해서는 최초의 관문인 간장이나 비장의 세망내피계 조직을 피할 필요가 있다. 만일 대상이 혈관내피세포라고 한다면 리포솜은 혈액의 순환에 의해 곧 대상 세포에 도달되지만, 간세포나 고형암 등의 기타의 조직의 경우에는 내피모세관을 거쳐 대상 부위에 확산할 필요가 있다.  모세관에는 내피세포가 연결되어 있기 때문에 리포솜을 대상에 도달시키는데는 그 크기를 100 nm 이하로 제한하지 않으면 안 된다. 이 크기의 제한의 하나의 중요한 예외가 고형암의 경우인데, 이는 고형암 내의 맥관이 보다 다공질이기 때문에 보다 큰 입자의 침투나 잔류가 가능하기 때문이다. Doxil(리포솜 화 독소루비신)은 구조적으로 안정화 된리포솜으로서 이 현상을 고형암에 대한 독소루비신(doxorubicin)의 능동적 표적으로 하는데 응용하고 있다.

○ 유전자전달에의 큰 장벽

올리고당(oligonucleotide), 단백질, RNA, DNA 등의 치료 약물들의 경우는 이들 고분자를 세포 수준의 장벽을 넘어서 세포내의 대상 부위에 도달시키는 더 큰 방법이 필요하다. 이들 고분자 중에서 유전자 치료에 쓰이는 플라스미드(plasmid) DNA의 경우가 가장 곤란하다.  대상 세포에 도달한 후 DNA는 원형질막을 통과하거나 또는 엔도사이토시스(endocytosis) 내지는 융합에 의해 이동할 필요가 있다. 최종적으로는 유전자 산물을 발현시키기 위해 세포질로부터 핵에 이동시킬 필요가 있다. 이와 같이 생체막을 통해 고분자량, 소수성의 분자를 전달하는 것은 제약산업이 직면하고 있는 가장 곤란한 과제의 하나이다.

○ 리포솜에 의한 약물전달의 현황 : 자극(刺激)방출성의 필요성 지난 20여년에 걸쳐 약물의 캡슐화와 유지 및 리포솜의 안정한 순환 대류를 위해 매우 많은 화학적 수단이 개발되어 왔다.  이에 대하여 목적하는 부위에 적절하게 약물을 방출하기 위해 구조를 디자인한 리포솜형 약물은 겨우 몇 사례에 지나지 않으며, 문제는 약물의 방출을 적절한 장소에서 적절한 때에 일으켜야 한다는 점이다. 약물 방출의 요인이 되는 자극에 의하여 리포솜이 민감하게 효과
적으로 약물을 방출하지 않으면 안 된다.  이와 같은 자극 방출형의 기전은 약물의 잔류 정도, 긴 순환시간, 목적 부위에의 축적이라고 하는 이미 있는 성질에 부합되지 않으면 안 된다.

 

 

○ 외부 자극에 의해 리포솜의 내포물을 방출하기 위한 전략은: 2분자막에 결함 또는 채널을 만들거나, 박막-미셀의 상전이, 박막-헥사고날(hexagonal) 상전이, 지질의 상 분리, 리포솜의 융합 등이 검토되었다.  방출을 촉진하는 자극은 열이나 빛과 같은 외부로부터의 자극과 pH저하, 효소에 의한 개열, 산화 환원전위의 변화라고 하는 생물적 자극 등 두 가지로 대별할 수 있다. 이들 자극에 의해 개열하는 리포솜을 구성하는 화합물로서 이온화 가능한 지질, 상 전이온도(융점)가 적절한 지질, 개열 가능한 지질, 이온화 가능한 중합체 및 펩타이드, 이온화 가능한 계면활성제, cis-trans 이성화, 광센서로서 기능하는 라디칼 발생제 등을 들 수 있다.

 

○ 본 방법의 개요

pH의 저하는 endosome 수송경로, 암의 증식, 염증, 심근허혈 등 여러 가지 생리학적, 병리학적 과정과 밀접한 관련이 있다. 그래서 다양한 pH 감응성 리포솜의 연구 개발이 지난 20년 이상에 걸쳐 활발하게 수행되었으며, 여러 pH에 의한 리포솜의 불안정화 기구가 규명 되었다.

○ 응답형 리포솜을 생체 내에서의 약물전달에 사용할 때의 필요조건 리포솜을 대상 부위에 충분히 축적시키기 위해 순환 대류 중에서 충분히 안정화할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고 리포솜이 pH에 응답하려면 목적으로 하는 환부의 pH 저하에 충분히 대응하지 않으면 안된다는 것이다. 염증 부위나 고형암의 pH는 순환계보다 0.4~0.8 정도 산성일 뿐이므로 pH 응답성 리포솜을 이들 부위에서 사용하는 데는 작은 자극에 응답하여 약효를 보일 뿐인 약물을 방출하도록 설계하지 않으면 안 된다.

○ 2분자막 계면활성제의 중화

pH 응답형 리포솜의 최초의 예는 Yatvin 등에 의해 보고되었는데 이리포솜은 phosphatidylcholine(PC)과 N-palmitoylhomocystein 으로 구성된다. 이후 pH에 의해 중화 가능한 카르복실산염 기를 갖는 계면활성제와 L-dioleoylphosphatidylethanolamine(DOPE)를 비롯한 막융합 형성 성으로 원추상의 지질로 이루어진 다양한 pH 감응성 리포솜이 보고되었다. pH의 저하는 카르복실산염의 과잉의 마이너스의 전하를 중화하며, 이에 따라 극성의 두부(頭部) 표면적이 감소한 결과 phosphatidylethanolamine(PE)가 풍부한 박막으로부터 내포물이 방출된다.

○ 고분자 전해질의 중화

중화 가능한 지질의 경우와 똑같이 중화 가능한 산 구조를 갖는 중합체나 펩타이드도 산성 조건에서의 리포솜의 불안정화에 사용된다.

○ 계면활성제의 가수분해

pH 응답형 리포솜이 마이너스 전하의 표면을 갖는 문제를 회피하는데에는 산성 조건하에서 가수분해를 받는 전하를 갖지 않는 관능기를 갖는 계면활성제의 설계가 유효하다고 생각된다. 이 방법의 기반이 되는 화학은 30여년 전에 Cordes와 Bull에 의한 훌륭한 총설에서 설명되었으며, 이 원리에 의해 목적에 맞는 지질 구조를 자유로 설계하는 것이 가능하다. 즉, 극성 두부, 지질쇄, 리간드가 되는 관능기 및 리간드의 결합부의 형상 등을 변화시킴으로써 원하는 성질을 갖는 특유의 계면활성제를 설계하는 것이 가능하다.  Thompson 등은 mono- 또는 di- 프라스메닐 지질 유도체로서 산에 대해 반응성이 높은 비닐에테르에 극성 두부와 한편 또는 양편의 탄화수소 골격을 연결시킨 화합물을 보고하였다. 이 지질유도체를 낮은 pH 또는 광산화 조건에 두면 비닐에테르가 개열하여 2분자막의 구조에 결손을 일으켜서 리포솜의 내포물이 방출된다. Boomer 및 Thompson은 키랄의 1,2-di-O-(1Z',9Z'-octadecadienyl)- sn-glycerol 구조에 근거한 3종의 신규 di-프라스메닐 지질의 합성을 보고하였다.  이 지질의 극성 두부로서 중성의 phosphocholine 구조, 입체적인 안정화를 나타내는 olyethyleneoxide 구조, 양이온성의 O-carbamoyl-N-di ethylenetriamine 구조의 3종이 사용되고 있다.  Song과 Hollingworth 는 산 해리성을 갖는 acetal결합을 통해 글루코스와 두개의 palmitoyl 쇄가 결합한 당지질에 대하여 보고하였다.  이당지질은 수용액 중에서 자기집합에 의하여 박막 구조로 되며 DCl 함유 에탄올 중에서 완전히 개열한다.  Zhu 등은 양이온성 지질에 ortho-에스테르구조를 도입하여 두개의 양이온성 지질을 합성하였으며 가수분해로 두부 부근에 두개의 수산기를 생성한다. Hellberg 등은 1당량의 트리에틸 ortho-포르메이트에 대해 1.5당량의 메톡시 polyethylene glycol(PEG)와 1.5당량의 n-옥타놀과 n-데카놀을 가하여 가열함으로써 ortho-에스테르형 계면활성제를 합성했다. NMR을 이용하여 가수분해 거동 및 유화능의 소실 거동이 검토되었다.  이 물질은 산 및 온도에 응답하고, pH6에서는 5시간 이내에 30%이상의 가수분해가 진행된다. 필자 등은 pH 저하가 일어나는 이학적 및 병리학적 모델을 재검토하였다. 그 하나로서 폴리에틸렌글리콜(PEG2000)과 디스테아로일글리세롤을 산으로 개열하기 쉬운 ortho-에스테르 구조로 결합한 복합지질을 설계, 합성했다.  Ouyang, Reny, Szoka는 4급 암모늄 구조와 절단 가능한 친수기인 이소치로늄 두부를 갖는 다양한 양이온성 계면활성제의 합성을 보고 하였다. 이들 계면활성제는 플라스미드 DNA가 자기집합에 의해 고 DNA 농도가 작은 안정한 입자가 되는 과정을 제어한다. 또한 C8-C12 의 알킬 쇄와 소수성의 이소치로늄 두부로 되기 때문에 높은 임계 미셀농도를 나타낸다. 이소치로늄 구조는 설포히드릴 부위를 마스크하고 있어서 염기성 조건하에서 해열시키는 것이 가능하다.

○ 2분자막 계면활성제의 이온화

양이온성 리포솜에 의한 유전자 도입 효율을 향상시키기 위해 Liang과 Hughes 는 잠재적인 endosome 친화성 약물로서 몇 가지의 생분해성이면서 pH응답성의 리포솜(biodegradable pH-sensitive surfactant, BPS)을 보고하였다. PC와 BPS로 이루어진 리포솜에서는 막지질 중의 BPS의 몰비와 pH에 의해 융합과 내포물의 방출이 일어난다. pH에 의해 용혈성을 보이는 아시록시알킬이미다졸형의 지질류에 있어서 흥미롭게 용혈속도는 유도기와 파열기가 있어서 이미다졸 두부의 proton 화와 함께 산에 의한 어떤 분해가 일어나 용혈을 촉진하고 있는 것을 시사하고 있다.

○디설파이드의 환원은 생물권에 있어서 여러 가지 단백질의 기능을 변화시키는 요인으로 사용된다. 디설파이드 결합을 갖는 지질을 합성하여 이를 치올리시스에 대해 활성인 리포솜의 합성에 사용되어왔다.  이 방법의 이론적 배경으로는 산화환원 전위가 낮고 글루타치온을비롯한 유리의 설포히드릴 구조를 가진 분자는 혈장 중에 비하여 세포질에 충분히 존재할 수 있다고 하는데 있다. Kirpotin 등은 디치오프로피오닐 결합을 통해 DSPE가 결합한 PEG 두부를 합성하였다. 디설파이드 결합을 갖는 양이온성 지질은 유전자 도입에 있어서 우수한 특성을 나타내는 것으로 개발되어 왔다. 이 지질에 의한 약물전달의 기구는 양이온성 기는 혈청 중에서 안정한데, 세포질 중 정도의 글루타치온 농도가 있으면 지질이 리포솜으로부터 방출되는 것에 의존한다. Tang과 Hughes는 1,2-디오레오일-sn-글리세로-3-석시닐-2-하이드록시에틸디설파이드(DOGSDSO)를 합성, DOPE 와의 리포솜을 제작했다. 이 리포솜에서는 디설파이드의 환원에 의해 pDNA의 방출이 촉진된다. DOGSDSO/DOPE를 사용하는 경우 도입 유전자량은 대응하는 디설파이드 구조를 갖는 지질을 함유하지 않는 리포솜의 경우와 비교하여 50배 이상 높다. 합성된 헤미디치오글리코릴 트리스(아미노에틸)아민으로부터 유도된 리포솜은 일반적인 콜레스테롤 유래의 것과 비교하여 Chinese Hamster Ovary(CHO)세포에 대해 더강한 유전자 도입능을 보였으며, 환원 가능한 지질 쪽이 대응하는 환원 불가능한 지질보다도 낮은 세포독성을 나타내었다.  Balakirev 등은 소수 쇄의 말단에 4개의 설포히드릴기를 갖는 양이온성 지질을 지방산으로부터 합성하였다. 산화 상태에서 지질은 중합하여 구상의 지질복합체가 되고 DNA를 응축한다. 디설파이드가 환원됨으로써 지질복합체는 팽윤하여 DNA를 방출한다. Byk, Scherman등은 여러 위치에 디설파이드 결합을 갖는 여러 가지의 리포폴리아민을 개발하였다. 환원 불가능한 유사체와 비교하면, 폴리아민과 지방쇄가 디설파이드 결합으로 가교 되어있는 경우에는 유전자 도입 효율은 저하하는데 지방쇄 중 디설파이드 결합에 의해 가교를 형성한 계면활성제는 1000배의 reporter 유전자 활성을 나타낸다. 이와 같이 디설파이드 결합을 갖는 지질은 활성 및 저독성이라는 점에서 매우 유용한 것으로 기대된다. Ryser 등은 진핵세포의 소포체 및 원형질막에 존재하는 단백질 디설파이드 이성화 효소(protein disulfide isomerase, PDI) 가 생체막을 통해 확산하지 않는 고분자의 치올리시스에 있어서 매우 중요한 역할을 담당함을 보였다.  PDI를 저해하면 디프테리아 독소와 같은 디설파이드 독소의 활성이 없어지므로 디설파이드 구조를 갖는 리포솜을 세포표면에 부착, PDI에 의한 치올리시스를 받아 내포물을 방출하는 것으로 생각된다. 이런 가능성에 대해서는 디설파이드 구조를 갖는 리포솜과 산화환원 전위에 의한 방출을 일으키는 리포솜을 PDI의 저해제를 사용하여 평가하고 있다.

 

□ 리포솜을 사용한 효율 좋은 약물전달에 관한 특징이 현재 널리 이해되어 제 1세대의 리포솜은 치료에서나 상업적으로나 성공을 거두었다. 화학자는 이제 이들 정보를 사용하여 생체 내의 환경에 의해 방출을 일으키는 리포솜을 구성하는 유용한 분자를 설계하는 것이 가능하게 되었고, 이에 의해 약물전달 및 유전자전달의 발전에 더욱더 공헌할 수 있을 것으로 생각된다.

 

 

□ 생명과학 분야에서는 다양한 분야의 유전체 연구 사업들이 진행되면서 각종 질병의 병인으로 작용하는 유전자들이 속속 발견되고 있다. 그러나 이러한 연구 결과들을 임상적인 치료나 예방효과로 연결하기 위해서는 기능이 소실되거나 변형된 유전자를 교정하는 유전자를 체내에 도입하여 기능을 정상화시키거나 치료기능을 활성화 시켜주는 유전자 전달 기술에 대한 연구, 즉 유전자 치료분야의 연구가 병행되어야 한다. 최근 수년간 이 분야에 대한 관심 및 연구 결과들이 급증하고 있으며 유전자 치료 연구 질환 대상으로는 종양, 유전적인 대사질환, 신경질환, AIDS, 기타 감염성 질환 뿐 아니라 치료 유전자가 도입된 줄기세포 치료 분야의 연구를 들 수 있다.

□ 유전자 전달 기술은 크게 바이러스를 수송체로 사용하는 방법, 합성 인지질이나 합성 양이온성 고분자 등을 사용하는 비 바이러스성 방법, 그리고 세포막에 일시적인 전기자극을 가하여 유전자를 도입하는 전기투과법(electroporation) 등의 물리적 방법으로 구분된다. 면역원성이 낮아서 반복 투여가 가능하고 안전성이 높은 장점이 있는 비 바이러스성 유전자 수송체 연구는 인지질로 구성된 리포솜 나노입자를 이용하는 방법과 양이온성고분자를 이용하는 방법으로 크게 구분할 수 있다. 최근 줄기세포 연구분야에서는 사람 배아 줄기세포에 비바이러스성 수송체로 polyethylenimine 을 사용할 경우 유전자를 전달시키는 효율이 현저히 증강된다는 사실이 보고되어 바이러스성 수송체가 주로 사용되었던 줄기세포 연구분야에 비 바이러스성수송체를 적용할 수 있는 가능성을 제시해 주었다.

□ 합성 약물들은 종양세포 뿐 아니라 정상세포에도 많은 독성 을 나타내고 있다는 점에서 최근 약물의 독성을 최대한 줄이고 약물의 효율을 증진시키기 위하여 약물의 선택적 치료효과 특히 암세포에 선택적 특이성을 높이고 능동적 약물 방출을 조절 할 수 있는 여러 종류의 drug delivery system 개발 연구가 추진되어 왔다. 화학적인 연구의 결과 새로운 자극 방출성 리포솜을 통하여 선택성을 가지고 능동적 약물 방출 시스템을 갖는 제형을 구축한다면 최대의 약물 효과를 얻을 수 있고 부작용이 없는 안정성이 보장되는 새로운 항암제 제형도 얻을 수 있으며 나아가서 우수한 신약 개발이 촉진될 것이다.  경제적인 측면에서도 기업체에서도 활용 가능한 실용적인 약물전달체가 구축될 뿐 아니라 수입 대체효과도 기대할 수 있다.