바이오인

키워드: stimuli-responsive, dual-sensitive, multi-sensitive, nanoparticles, controlled drug release, cancer therapy

분야: Nanobio,Pharmacology

 

본 자료는 Dual and multi-stimuli responsive polymeric nanoparticles for programmed site-specific drug delivery. Biomaterials 2013; 34(14): 3647-3657 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. pH 및 온도에 반응하는 이중 반응 나노입자
3. pH와 산화환원에 반응하는 나노입자
4. pH와 자기장에 반응하는 나노입자
5. 온도와 산화환원에 반응하는 나노입자
6. pH에 이중으로 반응하는 나노입자
7. 기타 이중 반응 나노입자 및 다중 자극 반응 나노입자
8. 결론과 전망


1. 서론

최근 수십 년 동안 고분자 나노입자는 표적 및 제어 가능한 약물 전달을 위한 가장 유망하고 실현 가능한 기술 플랫폼으로 각광받았다. 이런 입자들은 바이러스처럼 보통 20-250 nm 크기이며 표면은 주로 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 덱스트란(dextran), 폴리아크릴산(PAA) 등의 친수성 비부착(non-fouling) 고분자로 이루어진다. 임상 전 실험과 임상 실험에서 약물이 로딩된 고분자 나노입자가 약물의 체내 순환 시간을 연장시키고, 종양 부위의 증진된 투과 및 유지 효과(Enhanced permeability and retention effect)에 의해 약물을 종양 부위에 더 많이 축적시키며, 약물의 부작용을 줄이고, 약물의 생체이용률(bioavailability)을 높임이 밝혀졌다. 그러나 생분해성 aliphatic polyester 계 고분자를 기반으로 한 현재의 고분자 입자들은 불안정하여 체내에 주입 시 상당한 양의 약물이 고분자 입자에서 흘러나오며 생분해가 느려 정작 치료 부위나 표적 암세포에서는 약물이 방출되지 않아 이상적인 약물 전달체라고 보기 어렵다.
 이런 문제점을 극복하고자 세포 내의 자극(pH, 글루코스, 산화환원 전위, 라이소좀 효소) 또는 외부 자극(온도, 자기장, 초음파, 빛)에 따라 녹거나 팽윤되거나 붕괴하는 다양한 환경 감응형 고분자 나노입자가 개발되었다. 세포 내 자극에 반응하는 나노입자는 약물의 방출이 세포 내에서 자동적으로 제어될 수 있으며 임상 조건에 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다. 그에 비해 외부 자극에 반응하는 나노입자의 경우는 약물 방출을 유도하거나 멈출 수 있는 원거리 장비를 이용하여 시공간 및 용량의 정확한 제어가 가능하다는 장점이 있다.

이러한 자극 반응형 고분자 나노입자들은 기존의 단순한 나노입자들에 비해 정도는 다르지만 약물 전달 거동 및 항암작용을 향상시키는 효과를 보였으나, 이를 더 정교하게 제어하고 나노입자 약물 전달의 효과를 더욱 높이기 위해 두 개 혹은 그 이상의 자극에 반응하는 고분자 입자들이 활발히 연구 개발되었다. 둘 또는 그 이상의 자극을 복합적으로 이용하려는 목적은 다음과 같다. 1) 온도나 pH와 같은 외부 자극을 이용하여 나노입자를 순화된 조건(저온, 중성 등)에서 제조하기 위함 2) 자기장, 초음파, 빛, 온도 등의 외부 자극을 이용하여 약물 방출을 유도하기 위함 3) 약물 방출을 유도하거나 나노입자의 벗겨진 보호막을 다시 회복하도록 유도하여 약산성의 종양 환경에서 암세포들의 나노입자 흡수를 높이기 위함 4) 엔도좀(endosome)및 라이소좀(lysosome)의 pH나 세포 내의 환원 조건 하에 세포 내부에서의 약물 전달을 높이기 위함. 여기서는 이중 및 다중 자극형 고분자 나노입자의 설계와 제조, 그리고 항암 치료를 위한 제어 가능한 약물 전달체로의 응용에 대한 최신 연구 결과들을 정리해보고자 한다. 지금까지 발표된 약물 방출을 위한 이중 및 다중 반응형 나노입자들을 표 1에 정리하였다(본문에 포함된 예시들은 제외하였음).

2. pH 및 온도에 반응하는 이중 반응 나노입자

pH및 온도 반응형 나노입자는 가장 많이 연구된 이중 반응형 나노 시스템이다. 이러한 시스템은 대부분 체온에 가까운 온도에서 상변화가 일어나는 방식으로 온도에 반응하는 고분자인 PNIPAAm을 기반으로 하고, 이에 pH에 반응하는 약산성 고분자를 결합하는 형태로 설계, 제조되는데, 이런 공중합체의 경우 pH에 따라 LCST(lower critical solution temperature, 저임계용액 온도, 이 온도 이하에서는 고유의 나노 구조가 없어짐)가 변화하는 공중합체를 얻을 수 있다. 이렇게 pH에 따라 상변화를 세밀하게 조절할 수 있다는 점을 이용하여 약산성인 종양의 pH를 감지할 수 있는 약물 전달 체계가 개발되었다.



그림 1. 이중 및 다중 반응형 고분자 나노입자의 설계 및 제조 원리

예를 들어 poly NIPAAm-co-N,N-dimethylacrylamide-co-10-undecenoic acid (P(NIPAAm-co- DMAAm-co-UA)) 블록 공중합체를 이용한 고분자 나노입자가 개발되었는데, 이 고분자 나노입자는 생리적 조건(pH 7.4, 37°C)에서 안정한 구조를 가지지만 산성에서 그 구조가 망가지고 침전되는 특성을 가진다. In vitro 실험에서 이 고분자 나노입자에 로딩된 DOX가 pH 7.4보다 pH 6.6에서 훨씬 빨리 방출되었으며, 이 공중합체의 소수성 부분에 콜레스테롤을, 아민 부분에 folic acid를 결합시킬 경우 folate 수용체를 과발현하는 암세포(4T1, KB cells)에 입자 전달 및 약물 방출의 효율이 높아짐이 보고되었다. 한편 mPEG-b-P(HPMA-Lac-co-His), mPEG-b-PLA, cy5.5-PEG-PLA 공중합체 혼합물을 이용하여 만들어진 고분자 나노입자도 보고되었는데, 이 입자는 사람의 자궁경부암 세포가 이식된 Balb-c/nude mouse에서 큰 항암 효과를 보였다. 이는 이 고분자 나노입자가 종양 주위에 잘 축적되고 종양 부위에서 향상된 투과능력을 가지면서 pH에 따라 약물이 방출되었기 때문으로 생각된다.

pH와 온도에 반응하는 나노입자는 종양 지점까지의 효율적인 전달 뿐 아니라 세포 내 엔도좀 및 라이소좀 환경에서 효율적으로 약물을 방출시키기 위해서도 설계된다. pH에 반응하는 poly (β-amino ester)로 덴드리머(dendrimer)가 제조되었는데 이 덴드리머는 pH에 따라 LCST가 변화함에 따라 pH와 온도 모두에 반응하는 성질을 갖는다. 유기 용매의 사용 없이 제조된 이 덴드리머는 생리적 조건에서는 DOX의 방출이 느리나 라이소좀의 pH인 pH 4-5에서는 상당히 빠른 약물 방출 특성을 보였다.

3. pH와 산화환원에 반응하는 나노입자

pH와 산화환원은 모든 암세포뿐 아니라 특정한 치료 부위에서 자연적으로 존재하기 때문에 가장 주목할만한 자극이다. pH와 산화 환원에 반응하는 입자는 1) pH를 변화시키면서 수용액 상에서 나노입자를 제조하기 위해, 2) disulfide 가교를 이용하여 나노입자의 in vivo 안정성을 높이기 위해, 3) 종양 pH에서 표면 전하를 바꿔 약물 방출을 유도하기 위해, 4) 종양세포로의 흡수를 향상시키거나, 5) 약물을 엔도좀이나 라이소좀에서 방출시키거나 세포핵이나 세포질에서 빠르게 방출되게 하기 위해 개발되었다. 많은 경우에 환원제를 이용하여 깰 수 있는 disulfide 결합을 도입하였다. 예를 들어, 두 개의 친수성 성분을 가지는 공중합체 PEG-SS-PDEAEMA는 pH를 올리는 것만으로도 나노 폴리머좀(polymersome)이 형성되었고, 매우 순화된 조건에서도 효율적으로 단백질을 로딩할 수 있었다. 이 폴리머좀에 단백질을 로딩했을 때 pH 7.4, 37°C의 in vitro 조건에서 8시간 동안 20% 이하의 단백질이 방출되었으나 pH 6 이하거나 10 mM dithiothreitol (DTT)가 함유된 환원 조건에서 상당량의 단백질이 방출되었다. cytochrome C (CC)가 함유된 고분자 나노입자가 CC 그 자체 혹은 환원 조건에 반응하지 않는 PEG-PDEAEMA에 비해 암세포의 일종인 MCF7 세포의 사멸(apoptosis)을 더 많이 유도하였음이 보고되었다.

최근 마이셀(micelle)이나 나노입자를 disulfide 결합을 이용하여 가교(crosslinking)시키면 세포 내의 약물 방출에 영향을 미치지 않으면서도 세포 외부에서의 안정성을 높일 수 있다는 것이 알려졌다. 그 예로, mPEG-PAsp(MEA)-PAsp (DIP) 삼중합체를 pH 10에서 자기 조립한 후 산화가교(oxidative crosslinking)로 계면에서 가교시켜 얻은 마이셀도 개발되었는데, 중성일 때는 약물(DOX)이 빠져나가지 않고 마이셀이 안정적으로 유지되나, pH 5에서는 약물이 빠르게 방출되며, pH 7.4에서도 10 mM DTT가 있을 경우에는 약물이 더 빠르게 방출되었다. 특히 pH 5, 10 mM DTT 하에서 약물 방출이 최대화되었다. Bel-7402가 이종이식(xenograft)된 누드마우스를 사용한 in vivo 실험에서 마이셀에 도입되지 않은 DOX나 PEG-PCL 마이셀에 로딩된 DOX에 비해 더 큰 치료 효과를 보였다.

고분자 전해질을 Layer-by-Layer 방법으로 적층하여 만들어진 나노 캡슐도 보고되었다. β-cyclodextrin으로 기능화(functionalized)된 실리카 입자의 표면에 cysteamine이 컨쥬게이션 (con-jugation)된 chitosan(양전하를 띔)과 dextran sulfate(음전하를 띔)를 layer-by-layer 방법으로 적층한 후 산화가교 시킨 다음 실리카를 제거하여 나노캡슐을 만드는데, 캡슐 내부에서 외부로 갈수록 thiol이 많아지도록 하여 나노 캡슐의 안정성을 높였다. in vitro 실험 결과, 산성인 위의 pH와 가까운 pH 1.4와 세포 외부의 pH인 pH 6.8 조건에서는 약물 방출이 미미하나 pH 6.8, 10 mM DTT 조건에서는 약물이 빠르게 방출되었다.

pH에 따라 전하가 변환되는 캡슐도 개발되었다. 이를 위해 PDPAAalk (alkyl-functionalized PDPAA)와 PMAA를 아민 처리된 실리카 입자에 pH 4 조건에서 layer-by-layer방법으로 적층한 후 disulfide가 함유된 biazide 가교제로 가교시키는 방법을 사용하였다. 이 캡슐은 생리적 pH에서는 캡슐을 이루는 고분자의 다층구조가 소수성을 띄게 되어 disulfide 결합이 잘 노출되지 않아(shielded) 안정적이나 산성일 때는 다층 구조를 이루는 고분자가 팽윤되어 다층구조가 무너지게 된다. 이를 이용하여 Rhodamine B isothiocyanate로 표지된 ovalbulin을 캡슐화시켰을 때 pH 7.4에서는 GSH (5 mM) 여부에 상관없이 단백질이 방출되지 않았으나 pH 6에서는 캡슐이 팽윤되면서 5시간 만에 40%가 방출되었다. 특히 GSH의 농도가 0.1 mM일 때는 20분, 0.5 mM일 때는 60분, 1.5 mM에서는 90분만에 단백질이 완전히 방출되었다.

polythioether ketal을 기반으로 한 나노입자도 개발, 보고되었는데, 이 입자는 활성산소(reactive oxygen species, ROS)와 pH에 따라 분해된다. 이 입자가 ROS에 노출되면 고분자 뼈대의 thioether가 산화되면서 고분자 뼈대가 소수성에서 친수성으로 바뀌게 되고, 여기에 더해 약산성일 경우 역시 고분자 뼈대의 케탈 그룹이 산을 촉매로 빠르게 분해되면서 입자가 무너지게 된다. 이 입자에 ovalbumin을 로딩하여 방출 실험을 한 결과, pH 7.4에서 100 mM의 과산화수소가 첨가됐을 때 ovalbumin의 방출이 향상되었으며 동일한 과산화수소 농도에서는 pH가 6.5로 떨어졌을 때 더 많이 방출되었다. 형광물질로 표지된 ovalbumin을 로딩한 후 PLGA 나노입자 시스템과 비교했을 때 이 입자가 RAW264.7 세포에 더 잘 전달되고 세포 내에 방출도 더 잘됨을 확인할 수 있었다.

4. pH와 자기장에 반응하는 나노입자

자성나노입자는 표적 약물 전달, 자기 열치료(발열요법), 자기 공명 이미징(MRI), 단백질 및 세포의 분리 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다는 점 때문에 생의학 분야에서 주목을 받아왔다. 특히 초상자성(superparamagnetic) magnetite (Fe3O4)는 독특한 자기 특성과 생체적합성 덕분에 많이 연구된 물질이다. pH와 자기장에 반응하는 나노 입자는 자성을 가진 Fe3O4 나노 입자와 pH에 반응할 수 있는 고분자를 다양한 방법으로 결합하여 만들어진다. 일례로 Fe3O4 표면에 Michael addition과 amidation 반응을 반복하여 고분자를 키워 형성된 자성 고분자 입자를 들 수 있다. 이 입자는 외부 교류 자기장 하에서 높은 자화(magnetization)와 고열 요법 효과를 보였고, 생리적 pH에서 많은 양의 DOX 로딩이 가능하며, pH 4.0, pH 5.0의 산성 조건에서 약물을 빨리 방출하는 특성을 보여 화학적 항암치료와 함께 자성 고열 요법을 병행할 수 있을 가능성을 보여주었다. 또한 Fe3O4를 코어로 하고 PEG-b-PMAA-b-PGMA 삼중합체를 쉘처럼 코팅하여 만들어진 코어-쉘 형태의 나노입자가 개발되었다. 쉘에 사용된 성분 중 하나인 PMAA의 pKa가 5.6 이므로 pH 7.4에서는 PMAA와 DOX 사이의 이온성 상호작용(ionic interaction)과 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)에 의해 DOX가 효율적으로 로딩되나 산성 조건(pH 5.5)에서는 이온성 상호작용이 약해지면서 약물이 효율적으로 방출된다. 여기에 folate를 컨쥬게이션 시키고 DOX를 로딩하여 나노입자를 만들면 folate에 의한 수용체 매개 세포 내 섭취(receptor mediated endocytosis)를 통해 HeLa 세포로 효과적으로 섭취되어 눈에 띄게 향상된 항암효과를 보임이 보고되었다.

한편 다공성 실리카(mesoporous silica)를 뼈대로 하여 제조된 자기장 및 pH에 반응하는 나노 입자 조립체도 보고되었다. 이 입자는 다공성(mesoporous) 실리카 나노입자의 기공에 boro-nate ester 링커를 이용하여 Fe3O4 나노 입자를 삽입하는 방식으로 제조되었다. pH 5-8에서는 Fe3O4가 효율적으로 기공을 막아 dexamethasone의 방출이 억제되나 pH 2-4에서는 boroester 결합이 가수분해되면서 약물을 빠르게 방출하며, 또한 좋은 자기 특성을 보였다. 이 시스템을 기반으로, 엔도좀의 pH에 활성화될 수 있게 하기 위해 acid-labile substituted 1,3,5-triazaadamantane (TAA)을 이용한 나노 입자 조립체도 연구되었는데, 이 입자에 로딩된 dexamethasone의 방출이 생리적 pH에서는 거의 없었으나 pH 5-6에서는 매우 빨랐고, MC3T3-E1 세포에 14시간 동안 DOX를 효과적으로 전달할 수 있었다.

5. 온도와 산화환원에 반응하는 나노입자

disulfide 결합과, 제거가 가능한 소수성 tert-butyloxycarbonyl을 함유한 공중합체를 기반으로 열과 산화환원에 반응하는 나노입자가 개발되었다. Poly(PEG-MA-co-Boc-Cystamine-MA) 용액의 온도를 체온까지 올려 제조된 이 나노 입자는 37°C에서 일주일 이상 안정하나 세포 내의 조건을 모방한 10 mM DTT 조건에서는 30분 안에 분리되어, 세포질 내에서의 약물 방출에 적합할 것으로 생각된다.

온도에 따라 구조가 바뀌는 PNIPAAm에 산화환원에 반응하는 작용기를 도입한 나노 입자들도 연구되었다. 그 예로 산화환원에 감응하는 hyperbranched poly(-amido amine)을 코어로, 온도에 반응하는 PNIPAAm를 쉘로 하는 코어-쉘 형태의 나노 입자를 들 수 있다. 이 입자는 그 크기가 온도에 따라 가역적으로 달라지는데 25°C에서 37 nm, 50°C에서 28 nm의 크기를 가지고, DTT를 첨가함에 따라 약물 방출이 시작되는 특징을 보인다. 또 다른 예로 PEG-PAA-PNIPAAm 삼중합체의 온도를 LCST 이상으로 올리고 carbodiimide 화학반응을 이용, cystamine으로 가교시켜 얻은 나노 입자의 제조도 발표되었는데, 이 입자는 희석 조건이나 유기용매, 고염도 조건, 온도 변화 등에 안정적이나 세포 내부의 조건과 비슷한 환원 조건에서는 빠르게 분리된다. 10-50wt%의 이론적 단백질 로딩에서 60-100%의 높은 로딩 효율을 보이는 이 입자는 12 시간 동안 인큐베이션 했을 때 로딩된 FITC-CC (cytochrome C)를 MCF-7 세포로 효과적으로 전달하고 세포 내에서 효율적으로 방출하였다. 유세포분석기(flow cytometry) 실험 결과 캡슐화되지 않은 CC나, CC를 환원 조건에 반응하지 않는 고분자 입자에 로딩했을 때에 비해 이 고분자 입자가 사용될 경우 MCF-7 세포의 사멸이 증가됨이 확인되었다.

6. pH에 이중적으로 반응하는 나노입자

약물의 항암 효능이 낮아지는 주요한 원인은 암세포로의 흡수가 낮고 세포 내에서 방출이 잘 되지 않기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 pH에 따라 표면 전하가 바뀌는 시스템이 개발되었다. 이 고분자-약물 컨쥬게이트 나노입자 시스템은 pH 7.4에서 표면 음전하를 띄면서 PEG로 잘 쉴드(shield)되지만 약산성에서는 표면 전하가 양전하로 전환된다. 이 PPC-Hyd-DOX-DA 고분자-약물 컨쥬게이트 나노입자 시스템(PPC: 구조를 이루는 고분자인 mPEG-b-PAEP-Cya, Hyd-DOX: hydrazine 결합을 통해 고분자에 컨쥬게이트된 DOX, DA: pH에 반응하여 전하가 변화되며 고분자의 side group에 위치함)은 종양 외부의 pH인 pH 6.8에 짧게 노출되면 3-dimethylmaleic anhydride (DMMA)로 형성된 아미드 결합이 산성에 반응해 깨지면서 표면 전하가 양전하로 바뀌어 종양 세포 내로 빠르게 침투할 수 있게 되는 특징이 있다. 세포 내로 침투한 후에는 DOX와 고분자를 연결시키는 hydrazine 결합이 산성에 약하므로 엔도좀 및 라이소좀의 pH인 pH 5.0에서 hydrazone 결합이 깨지면서 고분자에 컨쥬게이션된 DOX가 방출된다. 이 나노입자는 이 입자에 로딩되지 않은 DOX나, hydrazone 결합을 갖지 않는 고분자에 DOX가 로딩됐을 때에 비해 더 큰 항암 효과를 나타냈으며 약에 저항성을 갖는 SK-3rd 암 줄기 세포의 진행을 억제하는 효과를 보였다. pH에 이중으로 반응하는 고분자 나노입자의 또 다른 예로 pH에 감응하는 β-아미노 에스테르(β-amino ester)결합과 케탈 결합을 뼈대로 제조된 고분자 나노입자를 들 수 있다. 이 고분자 나노입자는 생리적 pH에서는 24시간 동안 안정적이나 pH 5에서는 빠르게 분해되면서 내부의 약물을 방출하였다. 여기서 β-아미노 에스테르(β-amino ester)가 pH 스위치 역할을 하여 케탈의 분해를 조절한다. 이 고분자 입자의 빠른 분해로 엔도좀 내의 삼투압을 증가시켜 캡슐화된 약물이 세포질로 빠르게 방출되는 효과도 관찰되었다.

7. 기타 이중 반응형 나노입자 및 다중 반응형 나노입자

이 이외에도 다양한 이중 반응형 나노입자들이 연구 발표되었는데, 그 중에는 앞에서 예로 든 pH나 온도, 산화환원 상태, 자기장 등의 자극에 더해 빛이나 초음파를 이용하여 약물을 전달, 방출시키는 입자들도 제조되었다. 빛에 반응하는 입자를 제조하는 데는 고분자의 뼈대나 side group에 nitrobenzyl이나 azobenzene 등 UV에 의해 분해되는 성분이 도입된다. PEO-b-poly (ethoxytri(ethylene glycol) acrylate-co-o-nitrobenzyl acrylate) 공중합체의 온도를 LCST 이상으로 올려서 형성된 마이셀이 개발되었는데, UV 조사 시 o-nitrobenzyl 그룹이 깨지면서 LCST를 11°C이상 올려 마이셀이 분해되고 내용물이 방출된다는 것이 보고되었다. 온도와 자기장에 반응하는 나노입자도 제조되었는데, 그 예로 in-situ 공침(co-precipitation) 과정을 통해 온도에 반응하는 Pluronic F127 매트릭스에 산화철 나노입자를 담지하여 형성된 나노입자가 있다. 이 나노입자는 고주파 자기장에 노출되었을 때 부피가 크게 줄면서(지름이 2.3배 감소) DOX가 즉각적으로 방출되었다. 초음파 또한 약물 전달 및 방출에 유용하게 사용할 수 있는 자극이다. 특히 고강도 집속 초음파(high intensity ed ultrasound, HIFU)는 암치료를 위한 체외 의료 기술로 개발되었는데, 밀리미터 수준의 작은 면적에 초음파 빔의 초점을 맞출 수 있으며, 빛보다 체내에 더 깊게 투과된다는 장점이 있다. HIFU를 이용하기 위해 환원과 초음파에 반응하는 생분해성 PEG-SS-PLA 공중합체가 제조되었는데, 이 입자는 HIFU 조사 시 상온에서 수 분 내에 빠르게 분해되었다. 이 나노입자의 경우 초음파의 강도와 시간을 조절하여 약물 방출량을 제어할 수 있을 뿐 아니라, GSH가 존재할 때 disulfide 결합이 깨지면서 몇 시간 내에 고분자 마이셀이 분해되므로, 초음파와 환원 조건 모두 활용하여 약물 방출 지점과 속도를 미세하게 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이중 반응형 나노입자 뿐 아니라 다중 자극에 반응하는 나노입자 또한 개발되었다. 산화환원, 산, 온도에 반응하게 하기 위해서 산에 감응하는 소수성인 tetrahydropyran-protected 2-hydroxyethyl methacrylate (THP-protected HEMA), 열에 감응하는 친수성인 PNIPAAm, 그리고 그 사이에 산화환원에 감응하는 disulfide linker로 이루어진 공중합체로 나노입자가 제조되었다. 이 입자는 온도를 LCST 이상으로 올리면 친수성 쉘이 소수성으로 바뀌면서 나노입자가 침전되며, pH를 낮추면 소수성 코어가 친수성으로 바뀌면서 나노입자가 녹고, 환원 조건에서 공중합체가 각각의 고분자로 잘리면서 나노입자가 해체된다. 약물 방출 실험 결과 pH 5.0의 조건에서나 pH 7.4, GSH 3.2 mM 조건에서는 약물 방출이 느리고 완전하지 않지만, 약산성에 환원 조건(pH 5.0, GSH 3.2 mM)에서는 약물이 더 많이 빠르게 방출됨이 보고되었다. 또한 host-guest complex 시스템을 도입하여 형성된 삼중 자극 반응형 고분자 나노 입자도 개발되었다. p-sulfonatocalix(4)arene (C4AS) 과 asymmetric viologen (MVC12)로 host-guest 복합체를 형성하여 고분자 소포체(vesicle)가 제조되었다. 이 소포체는 온도를 높이거나(70°C), 경쟁적으로 작용할 수 있는 cyclodextrin을 첨가하거나 환원 전위를 가하면 구조가 붕괴된다. 친수성인 DOX-HCl이 캡슐화 되었을 때 상온에서는 소포체가 안정하였으나 온도를 올리거나 cyclodextrin을 첨가했을 때 빠르게 소포체가 완전히 붕괴됨을 보였다. 이를 HepG2 세포에 적용할 때 높은 항암 효과를 확인할 수 있었다.

8. 결론

최근 몇 년 동안 표적 가능하고 프로그램 가능한 약물 전달 체계를 위해 이중 또는 다중 자극에 반응하는 다양한 나노 입자들이 개발되었다. 이런 다양한 입자들은 현재 약물 전달 체계가 가지고 있는 로딩양, in vivo 안정성, 종양 표적의 효율성, 세포로의 흡수, 세포 내에서의 약물 방출에서의 단점들을 극복하고 좀더 세밀한 제어로의 가능성을 열어주었다.

그러나 이 분야는 아직 시작 단계이다. 발표된 대부분의 연구들이 아직은 개념을 증명하는 단계로, 사용한 고분자 물질이 생분해 되지 않거나 약물의 로딩양에 한계가 있고 in vivo 실험에 적용하기 힘든 경우가 많다. 따라서 임상에 실제로 적용하기 위해서는 생체 내에서 분해가 되며, 고분자 입자 자체의 독성이 없고, 약물이 충분히 로딩될 수 있으며, 체내에서 오래 순환될 수 있고, 종양 부위에 선택적으로 전달되며 일단 전달된 후에는 빨리 약물을 방출할 수 있는 이중, 다중 반응성 고분자 나노입자가 개발되어야 할 것이다. 이를 위해서는 약물 방출과 항암 메커니즘을 규명할 수 있는 in vivo와 in vitro 연구가 체계적으로 병행되어야 할 것이다. 또한 종양에 선택적으로 약물을 전달하기 위해 종양을 표적할 수 있는 펩타이드나 aptamer, 항체 등을 표적 리간드로 사용하는 것도 고려되어야 한다. 이러한 점이 개선된 이중, 다중 반응성 고분자 나노입자는 앞으로의 항암 치료에 큰 역할을 하게 될 것이다.

표1. 약물 방출을 위한 이중 및 다중 반응성 나노 전달체 최근 연구 결과