지질 기재 약물 전달체

김 종득

분자 계면공학연구실, 화학공학과, KAIST

대전시 유성구 구성동 373-1,

Phone 042-869-3921; email kjd@kaist.ac.kr

Lipid-Based Drug Carriers

Jong-Duk Kim

Molecular & Interface Eng. Lab, Dept. of Chem. Eng. KAIST

요약

리포솜은 인체에 대한 독성이 없고 여러 가지 약물을 봉입 전달할 수 있어 많은 연구의 대상이 되었다. 그러나 리포솜이 갖는 구조적 불안정성과 비특이적 작용을 하는 등의 성질로 인해 기능성 분자로 수식한 리포솜을 사용하여 목표민감성, 자극민감성 리포솜,  stealth  리포솜, 유전자 전달체, 그리고 면역 보조제 및 피부 외용제로서 사용하는 것을 살펴보았다.

리포솜 약물전달 체계

리포솜은 지질로 구성된 이중층의 폐쇄박막형 입자체를 말하며 지질은 친수성 부분과 소수성 사슬로 된 분자구조를 가지는 phosphatidylcholine(PC), ethanolamine(PE), phospatidylserine(PS), sphingomyeline(SM), cardiolipins, phosphatidic acid, cerebroside 등의 분자를 포함한다. 이러한 분자들은 친수기와 소수기의 단면적의 크기가 비슷하여 미셀보다는 판상이중층을 형성하기 쉽다. 이 이중층은 그 구조상 생체막의 구조와 유사하여 생체막의 모델로서 사용되어 왔다. 리포솜은 인체에 대한 독성이 없고 선택적 투과와 지연성이 우수하며 방출제어에 사용할 수 있어 이중층 내 혹은 수용성 코어부분에 약물을 봉입할 수 있기 때문에 중요한 약물 전달체로서 인식되어 왔다.

) Bangham, A.D. in Liposome, ed. by C.G. Knight, pp1-17, Elsevier/Northholand, 1981

) Bangham, A.D., in Liposome, ed. by M.J. Ostro, pp1-21, Marcel Dekker, 1983

) Fendler, J.H., in Membrane Mimetic Chemistry, p114, John Wiley & Sons, 1982

) Mayhew, E., and D. Papahadjopoulos, in Liposome, ed. by M.J. Ostro, pp304-306, Marcel Dekker, 1983

이 리포솜을 약물전달체로 사용하기 위하여는 그 물리화학적 특성, 생체내에서의 거동을 파악하여 설계하지 않으면 안된다. In vitro 상에서 리포솜의 거동은 입자의 크기, 지질조성, 지질의 함량에 따라 달라지며, 예를 들어 콜레스테롤이 없는 경우에는 정맥 주사 시 많은 양의 봉입 물질이 방출되는데 이것은 플라즈마 단백질과의 상호작이나 리포프로테인과 지질교환이 일어나기 때문이다. 정맥 주사된 리포솜은 RES(reticuloendothelial system)의 식세포에 의해 대부분 제거되므로 결국 간이나 지라에 집중화 된다. 이때 리포솜의 크기에 따라 생체내 분배와 제거가 조절되며, 크기가 작을수록 천천히 제거되고 간에 축적되는 양도 줄어들게 된다. 또한 순환시간은 리포솜의 RES 포화에 의하여 지연되기도 하는데 표면전하가 음전하를 띄게 되면 중성이나 양전하보다 빨리 제거 된다.

) Senior J., and G. Gregoriadis, Biochem. Soc. Trans. 12, 339, 1984

) Segal, A.W., E.J. Wills, J.E. Richmond, G. Slovin, C.D.V. Black, and G. Gregoriadis, Br. J. Exp. Pathol. 55, 320, 1974

) Senior, J., J.C.W. Crawley and G. Gregoriadis, Biochim. Biophys. Acta, 839, 1, 1985

) Juliano, R.J. and D. Layton, in Drug Delivery System; Characteristics and Biomedical Applications, R.L. Juliano, Oxford University Press, Oxford, England, pp 189-236, 1980

RES에 의해 리포솜이 제거되는 것은 RES세포 이외의 곳으로 약물을 전달하는데는 큰 걸림돌이 되지만, 식세포로 약물을 전달하고자 할 경우에는 이 성질을 이용할 수 있는데 이것을 수동적 적중화(passive targeting)라고 한다. 예를 들어 리포솜에 봉입된 면역조절자는 대식세포를 활성화시키고 외래세포에 대한 대식세포의 독성을 향상시킨다. 이러한 접근방법은 암 병매전이(cancer metastases), 바이러스 전염(viral infaction), 그리고 박테리아의 전염에 대한 숙주의 저항을 향상시키는데 유용하다. 또한 이 방법으로 RES에 있는 기생충에 적중화시킬 수도 있다. 이와 같이 대식세포에 약물을 효과적으로 전달하는데는 직경 0.1-1 □m 정도의 음이온성 리포솜이 유리하다.

) Fidler, I.J. and A. Ray, Lymphokines, 3, 345, 1981

) Koff, W.C. and Fidler, I.J., Antiviral Res., 5, 179, 1985

) Schroit, A.J., I.R. Hart, J. Madsen, and I.J. Fidler, J. Biol. Res. Red., 2, 97, 1983

리포솜은 사용되는 경로에 따라서 적절한 시스템을 사용할수 있다. 근육이나 피하주사되는 경우에는 주사부위에서 천천히 분산되어 임파계로 흡수되고 다시 임파식세포(lymphatic phagocytes)에 축적되거나 혈류를 통하여 RES에 축적하게 된다. 이때 약물을 천천히 방출시키고자 하면 주사부위에 오래 머물러 있도록 하기 위하여 큰 다층구조의 리포솜을 적용하는 것이 유리하고, 직경 500 nm 이하의 작은 리포솜은 임파순환을 통해 임파절에 효과적으로 전달될 수 있으며 특히 임파절 병매전이(lymph node metastases)에 효과적이다.

) Jackson A.J., Res. Comm. Chem. Pathol. Pharmacol. 27, pp 293-298, 1980

) Patel, H.M., Biochem Soc. Trans. 13, 513, 1985

기능성 약물전달체

1. 자극민감성 리포솜

리포솜이 약물전달체로서 주목의 대상이 된 것은 약효를 유지하면서도 독성을 감소시킬 수 있기 때문이다. 현재 항암제, 항진균제, 항박테리아제, 항바이러스제, 그리고 항기생충제의 전달에 사용되고 있으며 그 효과를 배가하기 위하여 특성자극에 민감한 리포솜을 만들고자 한다. 국내에서도 이온성 리포솜에 Methotrexate(MTX)를 포집하여 조직분포를 관찰하였으며 리포솜 에세이법이 개발되었다.

) Weinstein, J.N. and L.D. Leseman, Pharmacol. Ther. 24, 207, 1984

) Lopez-Berestein, G., Fainstein, V., R. Hopfer, K. Mehta, M.P. Sullivan, M. Keating, M.G. Rosenblum, R. Mehta, M. Luna, E.M. Hersh, J. Reuben, R.L. Juliano, and G.P. Bodey, J. Infect. Dis. 151, 704, 1985

) Takakuma, T., N. Lewaki, T. Yasuda, M. Tsutsumi, S. Saito, and K. Saito, Antimicrob. Agents Chemother. 28, 28, 1985

) Koff, W.C., and I.J. Fidler, Antiviral Research., 5, 179, 1985

) Alving, C.R., E.A. Steck, W.L. Chapman, V.B. Waits, L.D. Hendricks, G.M. Swartz, and W.L. Handson, Life Sci. 26, 2231, 1980

) C.K. Kim, and J.H. Han, J. Microcapsul. 12, 437, 1995

) C.K. Kim, and S.J. Lim, J. Immunol. Method., 159, 101, 1993

열민감성(temperature-sensitive)리포솜

지질의 상전이 온도를 이용하여 방출을 용이하게 하는 것이다. 혈장단백질을 리포솜에 결합시키고 지질의 상전이 온도에서 리포솜의 불안정도를 증대시켜 방출하게 하는 것이다. 실제  DSPC와 DPPC로 구성된 리포솜은 37 ℃에서 안정하나 40 ℃의 종양 부위 혹은 외부자극에 대하여 전원 파괴하도록 설계할 수 있어 doxorubicin 등의 항암제를 봉입하여 전달실험을 하기도 한다.

) Weinstein, J.N. R.L. Magin, R.L. Cysyk, and D.S. Zaharko, Cancer Res., 40, 1388, 1980

) Maruyama, K., and Iwatsura, J. Liposome Res., 4, 513, 1994

열민감성 고분자인 Poly(N-isopropylacrylamide(PNIPAM)를 PC 리포솜 표면에 수식하면 그 분자의 LCST이하에서 약물을 방출하지 않고 그 이상에서 방출한다. 한편 PE 리포솜은 PC보다 열민감성이 더욱 우수한데  그 까닭은 PE리포솜은 PNIPAM의 수축에 의하여 그 막이 파괴되기 때문이다.

) Kono, K., H. Hayashi, and T. Takahashi, J. Controlled Release 30, 69-75, 1994

) J.C.Kim, S.K. Bae, and J.-D. Kim, J. Biochem. 121, 15, 997

) J.-C. Kim, M.-S. Kim, and J.-D. Kim, Korean J. Chem. Eng. 16(1), 28, 1999

) 김진철, 목표선택성 리포솜의 세포활성과 열민감성 방출거동, PhD Dissertation, KAIST, 1997

목표민감성(target-sensitive) 리포솜

PE 리포솜은 지질만으로는 안정된 이중판상을 형성하지 못하므로 그 이중층을 안정화시켜주기 위하여 보조분자를 사용한다. 이러한 보조분자로서 지질 혹은 지방산 사슬을 공유결합시킨 단백질을 막에 삽입하여 사용할 수 있는데 (dinitrophenyl) caproyl-PE, N-succinyldioleoyl-PE, GD1a와같은 ganglioside, 지방산과 oleic acid와 같은 유도체, cholesteryl hemisuccinate, palmitoylhomocystein, glycophorin A와 같은 단백질, palmitoyl immunoglobulin, 그리고 palmitoyllysozyme 등이 포함된다. 주로 사용되는 보조분자는 항체이며, 항체는 목표세포와 결합하고 PE리포솜은 파괴된다.

) Ho, R.J. Y., and L. Huang, J. Immunol. 134, 4035, 1985

) Nayar, R., and A.J. Schroit, Biochemistry 24, 5967, 1985

) Tsao, Y.S., and L. Huang, Biochemistry, 25, 3971, 1986

) Duzgunes, N., R.M. Straubinger, P.A. Baldwin, D.S. Friend and D. Papahadjopoulos, Biochemistry, 24, 3091, 1985

) Ellen, H. J. Bentz and F.C. Szoka, Biochemistry, 23, 1532, 1984

) Connor, J., M.B. Yatvin, and L. Huang, Proc. Natl. Acad. Sci. 81, 1715, 1984

) Taraski, T.F., T.M. Van der Steen, B. DeKruijff, C. Tellier, and A.J. Verkleij, Biochemistry, 21, 5756, 1982

) Ho, R.J.Y., B.T. Rouse, and L. Huang, Biochemistry 25, 5500, 1986

) Lee,E.O., J.G. Kim and J.-D. Kim, J. Biochem. 112, 671, 1992

) Lee, E.O. and J.-D. Kim, J. Biochem. 117, 54, 1995

pH 민감성(pH-sensitive) 리포솜

pH 민감성 리포솜은 여러 가지 극성물질과 항암제, 단백질, 그리고 DNA와 거대분자를 세포질로 전달하기 위하여 개발되었다. 이러한 리포솜은 생리적 pH에서는 안정하나 흡수된 후 endosome의 산성 분위기에서 불안정하게 되어 endosome 막과 융합하고 봉입된 물질을 방출하게된다. 여기에는 주로 불포화 PE가 사용되었는데 이는 중성에서 비이중층구조를 형성하기 때문이다. 한편 PE 리포솜은 일반적으로 안정성이 떨어지므로 PC에 콜레스테롤을 첨가하여 제조한다. 양친성 단백질, viral fusion protein은 pH에 따라서 전하의 변화를 일으키며 PC 리포솜을 융합시킨다. 그밖에 PEG도 PC 리포솜에서 융합성 폴리머로 작용한다. 광중합 PE를 이용하는 pH 민감형 리포솜도 고안되었다.

) Chu, C.J., J. Dijkstra, M.J. Lai, K. Hong, and F.C. Szoka, Pharm. Res. 7, 824, 1990

) Ropert,C., M. Lavignon, C. Dubernet, P. Couvreur and C. Malvy, Biochem. Biophys. Res. Commun., 183, 879, 1992

) Litzinger, D.C., and L. Huang, Biochem. Biophys. Acta 1113, 201, 1992

) Sivius, J.R. and Gagbe, Biochemistry 23, 3232, 1984

) Kono, K., K.Z. Zenitani, T. Takagishi, Biochem. Biophys. Acta, 1193, 1, 1994

) White,J., M. Kielian, and A. Helenius, Q. Rev. Biophys. 16, 151, 1983

) Woodle, M.C., M. Newman, L. Collins, C. Redemann and F. Martin, Proc. Intern. Symp. Contrl. Rel. Bioact. Mater. 17, 77, 1990

) M.J. Choi, H.S. Han, and H. Kim, J. Biochemistry, 112, 694, 1992

2. Stealth Liposome

리포솜은 단핵대식세포(mononuclear phagocytic system, MPS)에 의하여 생체내에서 빠르게 흡수되는데 이는 약물전달에 장애가 된다.  그러나 PEG를 리포솜막에 삽입하면 이러한 성질을 막을 수 있다는 보고와 관련된 많은 연구가 진행되었다. 이를 스텔스 리포솜 혹은 SSL(sterically stabilized liposome)이라고 한다. 현재 생활성 peptide, 항암제를 함유한 SSL은 전임상실험에서 고무적인 결과를 나타내었고 현재 임상단계에 있다.

) Allen, T.M., in Liposome; The therapy of infectious disease and cancer, G. Lopez-Berestein and I. Fidler, eds, pp 405-415, Alan R., Liss, N.Y.,

) Woodle, M.C., G. Storm, M.S. Newman, L. Lekot, L.R. Collins, F.J. Martin, and F.C. Szoka, Pharm. Res., 9, 260, 1992

) Mayhew, E., D.D. Lasic, C. redmann, and F.J. Martin, Int. J. Cancer, 51, 302, 1992

그 밖에 면역보조제, 약물제제, 유전저 전달체, 피부외용제, 화장품 등에도 사용되고 있다.

참고문헌