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#7월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)# 이 자료는 Institute of Bioengineering and Nanotechnology 에 계신 배기현 박 사님 께서 작성해주셨습니다. 1. 개요 하이드로젤(hydrogel)은 친수성 고분자가 수소결합, 이온결합 등의 물리적인 결합 또는 화학적인 공유결합을 통하여 3차원적으로 가교된 구조를 지님으로써 많은 수분을 함유할 수 있는 물질을 뜻한다. 일반적으로 대부분의 단백질 약물들은 체내에 주입되었을 때, 혈액에 존재하는 단백질 분해효소에 의하여 분해되거나 변성됨으로써 그 치료 효과를 빠르게 잃어버리게 된다. 이에 따라 원하는 치료 효과를 얻기 위하여 단백질 약물들을 과량으로 투여하거나 자주 주사를 놓아야 하기 때문에 이로 인한 부작용과 환자들의 불편이 큰 문제로 대두되고 있다. 주입형 하이드로젤은 원하는 체내 부위에 복잡한 수술 과정 없이 간단히 이식될 수 있고, 내부에 봉입된 단백질 약물을 천천히 오랜 시간 동안 질병 부위로 전달함으로써 치료 효과를 극대화할 수 있는 잠재력을 지니고 있어 많은 관심을 받고 있다. 2. 주요 내용 하이드로젤은 일반적으로 전체 중량의 90% 이상이 물로 구성될 정도로, 체내 환경처럼 많은 수분을 함유하고 있어 친수성인 단백질 약물들의 구조와 생리활성을 보존할 수 있는 최적의 환경을 제공할 수 있다[1]. 하지만 하이드로젤은 높은 다공성의 망상 구조를 갖고 있기 때문에, 봉입된 단백질의 대부분을 수 시간 내에 빠르게 방출하는 소위 ldquo;initial burst rdquo; 문제를 지니고 있다. 이러한 빠른 방출은 혈액 내 단백질 약물 농도를 급격하게 증가시키면서 부작용을 유발할 수 있기 때문에, 하이드로젤의 임상적 응용을 위해서 필수적으로 해결해야 할 문제로 여겨지고 있다. 기존의 연구들은 젤을 구성하는 고분자 사슬들 사이의 가교 반응을 증가시켜서 젤의 망상 구조를 더욱 촘촘하게 만듦으로써 약물의 방출 속도를 늦추고자 하였다[2]. 이러한 전략은 immunoglobulin G처럼 유체학적 직경(hydrodynamic diameter)이 10 nm 정도로 큰 단백질의 방출 속도를 제어하는 데는 효과적이었지만, albumin (7.2 nm)이나 lysozyme (4.1 nm)처럼 작은 단백질에는 효과적이지 않았다. 또한 가교 반응을 과하게 증가시켰을 경우 젤의 소수성이 증가하면서 생체적합성이 감소되는 문제가 있었다[3]. 다음 단락에서는 위와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 최근에 제안된 주입형 하이드로젤들 중에서 주목할 만한 연구 내용을 소개하고자 한다. 앱타머 기반 하이드로젤 : 앱타머(aptamer)란 표적 물질을 높은 특이성과 친화도로 인식할 수 있는 단일 가닥 핵산 DNA 또는 RNA를 뜻하는데, 펜실베 이 니아 주립대의 Yong Wang 교수 연구팀은 앱타머를 이용하여 단백질 약물 방출을 조절하는 주입형 하이드로젤을 개발하였다[4]. 이 하이드로젤의 재료인 플루로닉(Pluronic F127)은 polyethylene oxide- b -polypropylene oxide- b -polyethylene oxide 로 구성된 온도 민감성 고분자인데, 상온에서는 친수성을 지니는 polypropylene oxide 블록이 체온에서는 소수성으로 변하면서 하이드로젤 형성을 유도하기 때문에 주입형 하이드로젤의 재료로 많이 이용되어 왔다. Yong Wang 교수 연구팀은 먼저 DNA 라이브러리에서 platelet-derived growth factor BB (PDGF-BB) 단백질에 특이적인 앱타머들을 선별하고 polystyrene 마이크로 입자 위에 결합시킨 후 이 입자를 플루로닉 고분자 용액에 분산시킨 구조의 주입형 하이드로젤을 제조할 수 있었다. 앱타머가 없는 플루로닉 젤에서는 하루 만에 80%를 초과하는 PDGF-BB가 방출되었으나, 앱타머를 포함한 젤에서는 10% 미만의 PDGF-BB가 방출되었다. 또한 앱타머의 친화도를 조절함으로써 PDGF-BB의 방출 속도를 다양하게 조절할 수 있다는 것을 제시하였다. 앱타머가 일반적인 항체에 비하여 작은 크기, 높은 안정성, 낮은 면역원성(immunogenicity)을 지니고 있다는 점을 감안하였을 때, 앱타머 기반 하이드로젤이 다양한 단백질 약물의 전달 목적으로 응용될 가능성이 크다고 판단된다. 초음파 감응성 알긴산 하이드로젤 : 알긴산(alginic acid)은 갈조류에서 추출된 천연고분자로서 칼슘 이온(Ca 2+ ), 마그네슘 이온(Mg 2+ )과 같은 2가 양이온과의 이온 결합을 통해 하이드로젤을 형성하는 특징이 있다. 하버드 대학교의 David J. Mooney 교수 연구팀은 단백질 약물을 외부 초음파 자극에 의하여 선택적으로 방출할 수 있는 칼슘-알긴산 하이드로젤을 개발하였다[5]. 초음파는 그 강도(intensity)나 진동수(frequency)를 변화시킴으로써 약물 방출 속도를 정교하게 조절할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 특히 20 kHz의 저진동수 초음파의 경우 피부를 손상시키지 않으면서도 고분자량 단백질들의 피부 투과율을 크게 향상시킬 수 있어 많은 관심을 받고 있다. David J. Mooney 교수 연구팀은 stromal cell-derived factor-1 alpha;(SDF-1 alpha;) 단백질을 봉입한 칼슘-알긴산 하이드로젤을 동물 피하에 주입한 후에 저진동수 초음파를 가해주면 알긴산의 카르복실기와 칼슘 이온 사이의 가교가 순간적으로 끊어지면서 SDF-1 alpha; 단백질이 빠르게 방출되는 것을 확인하였다. 흥미롭게도 초음파를 가해주지 않으면 카르복실기와 칼슘 이온 사이의 가교가 다시 형성되면서 SDF-1 alpha; 단백질의 방출이 억제되었다. 이러한 자기 회복 작용(self-healing)을 이용하여 단백질 약물이 필요할 때에만 선택적으로 약물을 전달할 수 있는 주입형 하이드로젤을 설계하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 액체- 액체 상분리 현상을 이용한 하이드로젤 : 액체-액체 상분리(liquid-liquid phase separation) 현상이란 물과 기름처럼 두 가지 액체가 섞이지 않고 분리되는 현상이다. 필자가 소속된 Institute of Bioengineering and Nanotechnology의 Motoichi Kurisawa 박사 연구팀에서는 고분자 용액의 상분리 현상을 이용한 주입형 하이드로젤을 개발하였다[6]. 티라민(tyramine)으로 수식한 덱스트란(dex - tran)과 polyethylene glycol(PEG)의 혼합액에 과산화수소와 과산화효소(peroxidase)를 넣어주면, 티라민 분자들이 산화반응으로 가교되면서 다수의 PEG 액적(droplet)이 분산된 덱스트란 하이드로젤이 형성된다. 이 과정에서 과산화효소의 농도를 증가시키면 젤의 형성이 빨라지기 때문에 PEG 액적의 크기가 평균 5 mu;m에서 2 mu;m으로 작아지게 된다. PEG가 없는 덱스트란 젤에서는 하루 만에 20%를 초과하는 Peginterferon alfa-2a 단백질 약물이 방출되었으나, 2 mu;m의 PEG 액적을 포함한 덱스트란 젤은 5일 동안 약 10% 정도의 약물만을 방출하였고 110일 후에야 봉입된 모든 약물을 방출할 수 있었다. 또한 PEG 액적의 크기가 작아질수록 단백질 약물의 방출 속도가 느려지는 것을 관찰할 수 있었다. 위와 같이 지속적인 단백질 방출이 가능한 이유는 PEG를 포함하는 Peginterferon alfa-2a 단백질이 다수의 PEG 액적에 반복적으로 분배(partitioning)되면서 하이드로젤 외부로 방출되는 현상이 억제되기 때문이다. 인간화 마우스(humanized mice) 실험에서는 Peginterferon alfa-2a 단백질을 봉입한 PEG-덱스트란 젤의 경우 단백질의 반감기가 약 1.5일에서 16일로 증가하였고, 단 1번의 피하 이식으로 8주 동안 C형 간염 바이러스로 인한 간 손상을 억제할 수 있었다. 현재는 PEG-덱스트란 젤을 이용하여 임상적으로 사용되고 있는 다른 페길화(pegylation)된 단백질 약물들의 치료 효과를 증진시키려는 연구를 수행하고 있다. 3. 결론 및 향후 전망 하이드로젤은 높은 다공성의 망상 구조를 지니고 있기 때문에 현재까지 임상에서 단백질 |
