다당류를 이용한 결장 지향성 약물제재의 개발

나 건1, 김 유 은2, 이 기 영3

전남대학교 공업기술연구소1, 의공학과2, 생물화공과3

Development of Colon-Targeting Drug Carrier using Polysaccharide

Kun Na1, Yu-Eun Kim2, Ki-Young Lee3

Engineering research institute1, Depart. of Biomedical Eng.2, Biochemical Eng.3, Chonnam National University, Kwangju, 500-757, Korea

서론

최근, 다당류를 이용한 약물전달시스템이 소화시 역효과가 없고, 생리학적, 독성학적 역효과가 거의 없기 때문에 세계적으로 많은 주목을 받고 있다 [1, 2, 3]. 하지만, 국내에서는 다당류에 관한 인식과 약물전달계의 이해가 잘 되어 있지 않기 때문에 이러한 약물전달계로의 개발이 아직 소극적이며 따라서, 다당류를 이용한 약물 전달 시스템의 개발이 매우 필수적이라고 생각된다. 특히, 다당류를 이용한 결장 타겟팅 기술은 생명공학과 생물공학적인 의미에서 매우 중요하다고 생각되어 진다. 결장 타겟팅은 응용측면에서 약물의 경구 투여시 두 가지의 큰 흥미를 유발한다. 첫 번째는 결장부위의 질병(예를 들어 결장염과 결장암 등)을 치료하기 위해 약물을 경구 투여할 때 결장부위에서만 약물을 방출시킬 수 있기 때문에 다른 부위에서의 약물의 독성을 감소시킬 수 있다는 것이고, 두 번째는 인슐린과 같은 펩타이드 약물을 손상되지 않은 상태로 흡수할 수 있다는 것이다.약물의 경구 투여시, 대부분의 펩타이드 약물이 소장에 존재하는 펩티다아제에 의해 분해된다는 것을 볼 때 이러한 특성은 중요한 의미를 가진다. 하지만 결장에서는 단백질 분해효소가 적어 단백질 분해활성이 떨어지기 때문에 약물(특히 펩타이드류)이 손상되지 않는 상태로 흡수될 수 있다 [4]. 따라서, 결장을 이용한 약물전달 시스템의 개발은 매우 의미 있는 연구라고 할 수 있다. 결장에는 환원효소인 reductive enzymes, 가수분해 효소인 glycosidases, 그리고 다당분해효소인 polysaccharidases 등이 존재하고 있다 [5]. Sery와 Hehre는 결장에서 다당류인 덱스트란을 분해하는 효소인 dextranases가 존재함을 보고하였고[6] 이를 이용하여 Larsen등은 결장 타겟팅 고분자 프로드럭 (prodrug)을 설계하였다 [7]. 그들은 덱스트란 분자에 약물인 naproxen을 에스테르(ester) 결합시킨 프로드럭을 제조하여 돼지의 각 장 부위에서 배양시킨 후, 결장 내용물이 함유된 부분에서 급격한 약물의 방출이 이루어짐을 보고하였다. 또한, Hirsch등은 결장 내의 endo-□-mannanases를 이용하여 갈락토만난의 일종인 로커스트빈검을 사용한 결장 타겟팅 약물방출시험을 실시하였다 [8]. 본 연구에서는 O/W 에멀젼 비드를 기본 약물전달물질로 하고, 모델 약물로는 관절염 치료제인 indomethacin를 사용하였고, 결장지향성코팅물질로 덱스트란을 선정하여 결장지향성약물전달을 시도하였다.

실험

약물의 적재(loading)

적정량의 알긴산 용액에 약물을 완벽하게 혼합하여 5ml(26 gauge needle) 주사기를 통해 2% CaCl2용액에 침전시킨 후, 얻어진 알긴산 비드를 동결 건조시킨다.

결장 지향성 물질의 선정

본 연구는 약물을 결장을 통하여 전달하는 것이 그 내용이다. 따라서, 결장지향성 코팅물질이 되는 다당류의 선택은 매우 중요하며 선택기준은 다음과 같다.

1. 필름형성능력을 갖추고 있고,

2. 타액, 위액, 소장액 등에 녹지 않으며,

3. 결장의 다당분해효소에 분해되는 것 등이다.

하지만, 위의 세가지 조건을 완벽하게 갖추고 있는 다당류는 거의 없기 때문에 1, 3의 조건을 갖추고 있는 덱스트란을 코팅물질로 선정하여, acetylation과 가교결합 등의 방법을 사용하여 덱스트란을 불용화 시킨다.

덱스트란 아세테이트를 이용한 O/W 에멀젼의 코팅

덱스트란 아세테이트를 이용한 O/W 에멀젼의 코팅은 전통적인 용매 증발법을 이용하였다. 덱스트란 아세테이트 40mg을 dichloromethane 10ml에 용해시킨다. 여기에 O/W 에멀젼 비드 40mg를 첨가한 후 40oC에서 2시간동안 교반시킨다. 이 과정 중에 용매는 증발하고 덱스트란 아세테이트가 코팅된 O/W 에멀젼 비드가 만들어진다 (Fig. 1(a).

가교결합된 덱스트란의 코팅

물 9.8ml에 덱스트란 200mg을 용해시킨다. 이 수용액에 25% glutaraldehyde 용액 0.15ml와 MgCl2를 첨가한다. 여기에 O/W 에멀젼 40mg을 첨가하여 30분간 교반한다. 회수된 비드는 공기중에서 건조된다 (Fig. 1(b)).

결과 및 고찰

Fig. 2는 O/W 에멀젼 비드를 덱스트란 아세테이트와 가교결합된 덱스트란으로 코팅한 후 pH 7.2와 1.2에서 방출실험을 행한 결과이다. O/W 에멀젼 비드는 pH 7.2에서는 12시간동안 40%정도의 약물을 방출하는 등 실험기간 동안 큰 초기방출(initial burst) 없이 지속적인 약물방출 특성을 보였다. 이러한 결과는 서방형 약물제재로서 유리한 점을 가지고 있음을 의미한다. 또한, 1.2에서는 약물이 거의 방출되지 않음을 알 수 있었는데 이것은 알긴산의 카르복실기(COOH)가 pH 1.2에서는 탈이온화(deionization)되어 비드가 수축이 일어난 결과라 생각된다. 덱스트란에 코팅된 비드는 pH 7.2에서 20%이하의 방출특성을 보였으며,  pH 1.2에서는 코팅되지 않은 비드와 마찬가지로 약물방출이 거의 일어나지 않았다.. 특히 덱스트란 아세테이트에 코팅된 비드는 6시간동안 약물방출이 거의 관찰되지 않았다. 덱스트란 유도체에 코팅된 비드 50mg에 덱스트란 분해효소인 덱스트란에이즈 5mg을 넣어 약물방출을 실험한 결과 덱스트란 아세테이트에 코팅된 비드의 경우 효소가 없을 때에 비해 약 3배정도의 약물방출을 보였으며, 가교결합된 비드의 경우도 효소가 없을 때에 비해 더 많은 약물을 방출하였다. 또한 원래의 O/W에멀젼 비드도 효소가 없을 때에 비하여 많은 약물방출을 보였는데, 이는 효소가 알긴산의 □-L-glupyranuronic acid의 사슬을 공격하였기 때문이라고 생각된다 (Fig. 3). 이러한 결과는 효소의 양을 3배정도(15mg) 증가시켰을 경우 더욱 확실하게 나타난다. O/W 에멀젼 비드의 경우 12시간동안 90%의 약물을 방출하였으며, 덱스트란 아세테이트에 코팅된 비드의 경우에도 약 90%정도의 약물을 방출하였다. 가교결합된 덱스트란에 코팅된 비드의 경우 가장 낮은 65%정도의 약물방출 특성을 보였는데 이는 가교결합된 덱스트란이 효소에 의해 사슬이 끊어진 후 배지중으로 빠져나가지 못하고 알긴산 비드에 그대로 점착되어 있는 특성 때문이라고 생각된다 (Fig. 4). Fig. 5는 위의 결과들을 토대로 O/W 에멀젼 비드를 구강 투여한 후 이 약물제재가 효소가 없는 곳에서 효소가 존재하는 결장에 도달하였을 때의 약물방출 상황을 가정한 실험으로 덱스트란 아세테이트나 가교결합된 덱스트란 유도체에 코팅된 비드는 분해효소가 없는 곳에서는 10%미만의 약물을 방출하였지만, 효소가 첨가되자 급격하게 약물을 방출함을 보였다. 특히, 덱스트란 아세테이트에 코팅된 경우, 분해효소가 존재하지 않는 곳에서는 약물방출이 거의 보이지 않았지만 분해효소를 첨가하자마자 약물을 방출하기 시작하여 7시간 안에 거의 100%의 약물을 방출하는 특성을 보였다.

(a)

(b)

Fig. 1  Preparation of O/W emulsion bead coated with (a) dextran acetate (b) dextran using

crosslinking agent

참고문헌

1. langer, R., Sicence, 249, 1527 (1990)

2. Albin, P., Markus, A., Pelah, Z. andBen-zvi, Z., J. Control. Rel. 29, 25 (1994)

3. Na, K. and Lee, K. Y., Drug Dev. Ind. Pharm., 24, 563 (1998)

4. Saffran, M., Kumar, G. S., Savariar, C., Burnham, J. C., Williams, F. and Neckers, D. C., Science, 233, 1081, (1985)

5. Peppercorn, M. A. and Goldman, P., J. Pharmacol. Exp. Ther.,181, 555, (1972)

6. Sery, T. W., and Hehre, E. J., J. Bacteriol., 71, 373, (1956)

7. Larsen, C., Harboe, E., and Johansen, M., Pharm. Res., 5, 995 (1989)

8. Hirsch, S., Schehlmann, V., Kolter, K. and Bauer, K. H., Marcromol. Symp., 99, 209, (1995)