약물 유전자 진단성분의 생체 내 전달을 위한 마이셀 및 ... - cheric ·...

Polymer Science and Technology Vol. 23, No. 2특 집

174 고분자 과학과 기술 Polymer Science and Technology

약물, 유전자, 진단성분의 생체 내

전달을 위한 마이셀 및 나노에멀젼Micelle and Nanoemulsions for In Vivo Delivery of Therapeutic and Diagnostic Agents

김지선ㆍ이정유ㆍ오미화ㆍ조성덕ㆍ남윤성 | Jee Seon KimㆍJeong Yu LeeㆍMi Hwa OhㆍSung Duk JoㆍYoon Sung Nam

Laboratory for Nanostructured BiointerfacesDepartment of Biological Sciences and Materials Sciences and Engineering, KAIST

291 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, KoreaE-mail: [email protected]

김지선2003 서울대학교 화학교육과(학사) 2005 서울대학교 화학과(석사)2005-2008 LG화학 기술연구원2010-현재 KAIST 생명과학과 박사과정

이정유2009 서울대학교 식품공학과(학사)2012 KAIST 생명과학과(박사)현재 KAIST 신소재공학과 박사후 연구원

오미화2005 고려대학교 생명과학대학(학사)2007 고려대학교 생명과학대학(석사) 2007-현재 CJ제일제당 제약연구소

선임연구원2010-현재 KAIST 생명과학과 박사과정

조성덕2007 경북대학교 유전공학과(학사)2007-현재 KAIST 생명과학과 박사과정

남윤성1997 서울대학교 화학공학과(학사)1999 KAIST 생명과학과(석사)2010 MIT Biological Engineering(박사)2010-2011 Argonne National Laboratory 박사후 연구원2011-현재 KAIST 신소재공학과 조교수

1. 서론

현재까지 밝혀진 많은 신약 후보 물질의 약 30%는 수용액에 잘 녹지 않는 난용성 약물이기 때문에, 의약

품 개발에 제한이 많았다.1 나노기술이 도입된 약물전달 기술은 약물의 가용화 및 흡수 개선, 질병 부위에

작용하는 약물의 효율을 증진시키고, 부작용은 감소시키기 위한 방법으로 항암제를 비롯한 여러 난용성 약

물의 개발을 촉진시킨다. 나노입자(10 nm – 200 nm)는 혈관 내로 전달되었을 때, 신장 여과작용(renal

filtration)에 의해 빠져나가거나, 단핵포식세포계(mononuclear phagocyte system, MPS) 또는 세망내피

계(reticuloendothelial system, RES)에 의해 제거되지 않고 보다 효율적으로 전달될 수 있는 구조체이다.2

또한, 고형암(solid tumor)의 경우, enhanced permeation and retention(EPR) 효과에 의해 질병 부위의

약물 전달을 높임으로써 전신독성에 의한 부작용을 낮출 수 있다.3 이러한 나노기술이 적용된 약물전달 시

스템에는 마이셀(micelle), 리포좀(liposome), 지질(lipid) 성분에 기반한 나노입자인 고체 지질 나노입자

(solid-lipid nanoparticle) 또는 나노에멀젼(nanoemulsion) 등이 있다(그림 1). 이 중 가용화 기술과 표적

지향형 약물 전달에서 현재 연구가 활발하게 이루어지고 있는 마이셀과 나노입자에 대하여 자세하게 알아

보고자 한다.

김지선ㆍ이정유ㆍ오미화ㆍ조성덕ㆍ남윤성

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그림 1. 나노기술에 기반한 다양한 약물전달 시스템.4

마이셀은 수용액 상에서 내부의 소수성 영역과 바깥쪽의

친수성 영역으로 구성되는 시스템으로 생체막을모방한 인

지질 이중층(phospholipid bilayer)으로 이루어진 리포좀

과 구분된다. 초기의 마이셀 제형을 이용한 연구는 1980년

대 초에 담즙염(bile-salt)이 혼합된 마이셀의 개념으로 연

구로 시작되었다.4 이후 1990년에 계면활성제(surfactant)인

크레모포아(Cremophor EL® : BASF)와 에탄올을 이용하여

난용성 약물의 약물 봉입량(drug loading efficiency)을

증가시킨 파클리탁셀(paclitaxel)의 마이셀 제형인 Taxol®

(Bristol-Myers Squibb)이 개발되어 체내 약물 전달 효율

을 개선시켰다.5 현재는 계면활성제와 유기용매에 의해 발

생되는 체내 독성과 부작용을 줄이기 위해 고분자 마이셀

(polymeric micelle) 시스템이 개발되어 관련 연구와 임상

연구가 활발히 이루어지고 있다. 고분자 마이셀은 계면활성

제를 대체하는 시스템으로, 수용액 상에서 양친성(amphiphilic)

고분자에 의해 형성되는 100 nm 이하의 입자이다. 고분자

마이셀은 주로 블록 공중합체(amphiphilic block copolymer)

를 이용하여 내부에 소수성 약물을 봉입하는 시스템으로,

단량체의 종류와 조성비율을 통해 다양한 물성을 만들어

낼 수 있기 때문에 계면활성제를 이용한 마이셀보다 물리

적으로 안정성을 유지하며, 상대적으로 낮은 한계 마이셀

농도(critical micelle concentration)로 체내 안정성을 보

다 향상시킬 수 있다.6 또한, 고분자 마이셀은 난용성 약물

의 가용화 뿐만 아니라 리간드(ligand)가 도입된 다양한

구조체 형성을 통해 표적지향형 약물전달 시스템 개발에

활용될 수 있다.7

나노에멀젼은 상이 다른 두 용액을 혼합할 때 한쪽 액체

가 미세한 입자를 형성하여 다른 액체 속에 분산되어 있는

시스템으로, 입자의 중심부가 약물 저장소 역할을 하여 난

용성 약물의 가용화에 효과적이며 정맥 주사제에 널리 이

용되어 왔다. 나노에멀젼은 일반적으로 물속에 오일상을

분산시킨 o/w형 나노에멀젼, 오일상에 물을 분산한 w/o형

나노에멀젼, 그리고 이들의 혼합형인 w/o/w형 나노에멀젼

방법으로 만들어진다. 에멀젼 형성의 방법은 HLB(hyrophile-

lipophile balance) 값에 의해 결정될 수 있는데, 사용하는

계면활성제의 HLB 값이 10 이상이면 친수성 성질이 강하

여 o/w형 에멀젼 형성에 사용되며, HLB 값이 10 이하이

면 소수성 성질이 가지기 때문에 w/o형 에멀젼을 만드는

데 쓰인다. 그러나 의약품으로서 에멀젼은 열역학적으로

불안정하여 시간이 지나면 응집되거나 상분리 현상이 일

어나 보관이 용이하지 않다. 이런 단점을 개선한 마이크로

에멀젼(micro-emulsion)은 물리적으로 안정성이 개선된

제형으로 일반적인 에멀젼보다 작은 크기로(200 nm 이하)

투과성을 가진다.8

이들 고분자 마이셀과 에멀젼을 이용한 주사 제형의 나

노입자는 난용성 약물의 생체이용률(bioavailability)을

증가시킬 수 있으며, PEGylation 기법을 이용하여 세망

내피계 안으로 나노입자가 흡수되는 것을 막는 “Stealth

Effect”를 통해 혈류 내 나노입자의 체류 시간을 증진시킬

수 있다. PEGylation에 의해 나노입자 표면에 형성되는

corona층은 마이셀에서 주로 일어나는 약물의 초기 과다

방출을 막고, 혈류 내 체류 시간 증진으로 항암제 제형에

서 EPR 효과에 의한 표적지향형 전달 효과를 향상시킬 수

있어 널리 이용되는 방법이다.9 또한 온도, pH, 자기장, 초

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표 1. 약물전달용 마이셀 또는 에멀젼을 이용한 제품화된 나노의약품

제품명 약물명 제조회사

마이셀(Micelle)

Estrasorb Estradiol Novavax

Taxol® Paclitaxel Bristol-Myers Squibb

고분자 마이셀(Polymeric micelle)

Genexol-PM Paclitaxel Samyang Corp.

서브마이크론 에멀젼(Sub-microemulsions)

Tocosol® Paclitaxel Sonus Pharmaceuticals

Diazemuls® Diazepam Pfizer

Diprivan® Propofol AstraZeneca

Self-microemulsifying drug delivery system(SMEDDS)

Neoral® Cyclosporine Novartis

Norvir® Ritonavir Abbott Laboratories

Fortovase® Saquinavir Roche

표 2. 마이셀을 구성하는 양친성 고분자 블록 공중합체 조성

Hydrophilic blocks Hydrophobic blocks Reference

Non-ionic copolymers PEG, GlycopolymerPPO, PBO, PS, PMMA, polydiene,

PLGA, PLA, poly(aminoacid)

12

Anionic copolymers PAA, PMAA 13

Cationic copolymers P2VP, P4VP, PEI, PLL 14

음파 등에 반응성을 갖는 고분자 마이셀을 이용한 생체 조

건에서 안정성 문제를 개선하기 위한 연구들이 진행되고

있다.6 나노기술이 도입된 고분자 마이셀과 에멀젼을 이용

한 약물전달 시스템은 약물의 가용화를 통해 제형 내 약물

봉입량을 증가시키고, 나노 입자의 장점을 이용하여 체내

독성을 줄여 부작용을 감소시킬 수 있을 것으로 기대되며

의약품 개발(표 1)과 임상 연구 또한 활발히 진행되고 있

다.8,10 하지만 기존의 약물전달 시스템의 단점을 많이 개

선하였음에도 불구하고 상용화된 의약품 또는 임상 시험

에서 예기치 않은 독성이 발견되는 경우가 많다.10b

따라

서 앞으로 약물전달용 마이셀과 에멀젼의 연구단계에서

독성 연구 등의 기초 연구와 임상 시험을 통한 충분한 연

구를 통해 안전성을 확보하면 개선된 약물전달 시스템을

개발할 수 있을 것으로 생각된다.

2. 고분자 마이셀

2.1 소수성-친수성 블록 공중합체로 이루어진 마이셀

마이셀을 형성하는 대부분의 양친성 고분자는 poly

(propylene oxide)(PPO), poly(butylene oxide)(PBO),

polystyrene(PS), poly(methyl methacrylate) (PMMA),

polyester 등의 소수성 블록과 친수성 블록으로 이루어져

있다. 이들은 비이온성 친수성 고분자 poly(ethylene glycol)

(PEG) 를 포함하고 있는 경우, 음이온성 친수성 고분자를

가진 poly(acrylic acid)(PAA) 공중합체, 양이온성 고분자,

poly(vinyl pyrrolidone)(P2VP 또는 P4VP), poly(amino-

methacrylate) 등을 포함하는 경우로 구분할 수 있다(표 2).11

이러한 고분자 중 생체 재료로서 활발하게 연구되어 온

물질은 PEG 공중합체이다. PEG는 고분자구조체에 친수

성을 부여하여 마이셀을 형성하는 데 기여할 뿐만 아니라,

고분자의 생체 독성(cytotoxicity)을 경감시켜, 면역 반응

의 활성을 억제한다고 알려져 있다.15

2.2 친수성-친수성 블록 공중합체로 이루어진 마이셀

양친수성 블록 공중합체는 각각의 블록이 모두 물에 녹

으나 서로 다른 화학적 성질을 갖는 블록들로 구성된다. 수용

액상에서 이 고분자는 단일체 처럼 거동하지만, 온도나 pH,

ionic strength 변화와 같은 외부 자극에 의하여 블록들의

물리 화학적 성질이 달라져 마이셀을 형성하게 된다(표 3).16

2.3 그라프트 공중합체로 이루어진 마이셀

리빙 중합(living radical polymerization)을 이용한 고

분자 합성이 활발하게 이루어지면서 고분자 끝단의 여러

치환기를 이용한 그라프트 공중합체의 합성이 다양하게

이루어졌다.23

이것은 두 가지 이상의 단량체를 포함할 수

있으며 이 외에도 약물이나 유전자를 고분자와 결합한 조


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그림 2. Michael type addition을 활용한 LPEI-PEG 합성 및 유전자 전달의 예.

표 3. 마이셀을 구성하는 양친수성 고분자 블록 공중합체의 조성

A block B block Type Stimulus Reference

PEO, PLGA

NIPAAm Non-ionic/Non-ionic Temperature 17

DMAEMA, DPAEMA Non-ionic/Cationic Temperature, pH 18

MAA Non-ionic/Anionic pH 19

DMAEMA DEAEMA Cationic/Cationic pH 20

PS sulfonate PSCOONa Anionic/Anionic pH 21

MAA DMAEMA Zwitterionic pH 22

성의 공중합체도 만들 수 있다. 이러한 공중합체는 선형구

조 및 방사형(star block), 가지형(brush type), 나뭇가지형

(dendrimer) 혹은 그 조합으로 이루어진 구조를 가질 수

있다.24

고분자의 다양한 구조는 마이셀의 구조 및 안정성,

화학적 성질에도 다양성을 부여한다.

2.4 블록 공중합체의 합성법 및 응용

공중합체를 합성하기 위하여 가장 많이 사용되는 방법은

라디칼 중합이다. 특히 분자량 분포 및 단량체 배열을 조

절하기 힘든 전통적인 중합방법을 개선한 RAFT(reversible

addition-fragmentation chain transfer) 혹은 ATRP(atom

transfer radical polymerization) 과 같은 리빙 중합 방법이

제시되면서, 다양한 구조를 갖는 블록 공중합체의 합성이

이루어지고 있다. 특히 이 방법들은 중합 후에도 고분자에

치환기를 남겨둠으로써, 다른 고분자 합성에 참여할 수 있

는 거대분자 개시제(macroinitiator)로 사용되거나, 혹은

형성된 고분자간의 상호 연결(cross-linking) 을 가능하게

하여 여러 구조의 고분자를 생산할 수 있게 되었다.

고분자 간의 연결을 통하여 블록 공중합체를 만드는 방법

은 특히 마이셀 구조를 형성하는데 유리하다. 라디칼 중합

뿐만 아니라 그 외 축합 중합(condensation polymerization)

이나 개환 중합(ring-opening polymerization) 등의 서로

다른 방법으로 생산한 고분자들이나 혹은 키토산, 히알루

론산 혹은 덱스트란과 같은 탄수화물, 콜라겐(collagen)이나

항체(antibody)를 구성하는 면역글로불린(immunoglobulin)

과 같은 글리코단백질(glycoprotein)등의 생체 고분자를

연결하여 마이셀 구조를 유도할 수 있다. 특히, 이러한 방

법으로 진단이나 치료를 위한 기능성 분자들을 쉽게 고분

자 내에 도입할 수 있기 때문에 이후 형성된 마이셀 구조

체에 특정한 생물학적 활성을 부여할 수 있다.

고분자 간의 연결 방법은 종래의 핵치환 반응(nucleophilic

substitutuion reaction)을 기반으로 하는 짝짓기 반응

(conjugation)에서 벗어나 클릭 합성법(click chemistry)

이 최근 크게 주목 받고 있다. 클릭 합성법은 부산물과 부

반응이 없고 완화된 조건(mild condition)에서 반응을 진

행할 수 있어, 공정적으로 효율적이라는 평가를 받는다.25

대표적인 예로, LPEI에 PEG를 도입하여 정맥주사형 유

전자 전달체(systemic delivery gene carrier)를 개발한

경우가 있다. LPEI의 2차 아민(secondary amine)과 PEG-

acrylate를 Michael type addition으로 연결하여 공중합

체를 만들었다. 이렇게 합성된 양친수성 공중합체는 음전

하를 갖는 siRNA와 같은 핵산 분자가 외부 자극으로 작용

하여 표면에 PEG를 갖는 마이셀 형태를 취하게 된다(그림 2).

또 다른 예로서 덴드리머의 끝단을 Cu(I)-catalyzed azide-

alkyne cycloaddition 방법을 통하여 PEG와 연결하여 마

이셀 구조를 유도할 수도 있다. 이렇게 형성된 마이셀의

내부에 소수성 약물을 탑재하거나 혹은 공유결합을 통하

여 약물 전구체(prodrug)를 고분자에 도입하여 약물 전달

용 마이셀을 형성할 수 있다(그림 3).26

3. 저밀도 지질 단백질(Low-Density Lipoprotein, LDL)모방형 에멀젼

체내에서 합성되는 지질 단백질은 혈액을 통하여 중성

지방과 혈중 콜레스테롤을 운반하는 역할을 한다. 지질 단

백질은 주로 인지질과 콜레스테롤 및 아포(apo)-지질 단백



그림 4. 체내에서 합성되는 고밀도 지질 단백질(HDL)과 저밀도 지질 단백질(LDL)의 모식도.27(c)

그림 3. Cycloaddition을 이용한 덴드리머와 PEG의 연결 및 약물전달의 예.

질로 이루어진 표면과 중성지방과 에스테르화 콜레스테롤

로 이루어진 중심부가 단단한 구형의 core-shell 구조를 이

루고 있다(그림 4).27

지질 단백질의 구조적 안정성과 혈액

에서 장시간 순환할 수 있는 성질은 약물전달체계에서 큰

장점으로 이용될 수 있다.

특히 저밀도 지질 단백질(LDL)은 체순환을 통해 주요

장기와 접촉하고 세포막 형성에 필요한 지질막 등을 제공

한다. LDL의 경우 표면에 있는 아포B(apoB)-지질 단백질이

세포에 있는 수용체와 작용하여 세포 표면에 접근하도록

유도한다. 수용체는 일반적으로 endocytosis 작용을 통하

여 LDL을 세포 내부로 들여온다. 실제로 LDL의 구조를 모

방하여, 그 내부에 불용성의 약물 또는 조영제를 함유하거

나 외부에 약물을 도입하여 운반하는 연구가 진행되어 왔

다.28

또한 세포에서 발현되는 LDL 수용체(LDL receptor)

와 아포B-지질 단백질의 상호작용을 이용하여 약물이 세

포 내로 효과적으로 도입되도록 유도하는 연구도 활발히

진행 중이다.29

3.1 저밀도 지질 단백질 모방형 구조체를 이용한 siRNA 전달

박태관 교수 연구진에서는 2008년, siRNA의 전달체로

이용하기 위하여 저밀도 지질 단백질의 구조를 모방한

solid lipid nanoparticle(SLN)을 개발하였다(표 4, 그림

5).28(a)

에스테르화 콜레스테롤, triglyceride, 콜레스테롤,

dioleoylphosphatidyl-ethanolamine(DOPE)과 3β -[N-

(N′,N′-dimethylaminoethane) carbamoyl]-cholesterol

(DC-chol)을 혼합하여 형성된 에멀젼은 약 117nm의

지름을 가진 구의 형태를 이룬다(그림 6).


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(b)(a)

그림 7. (a) Green fluorescent protein(GFP) siRNA-PEG/SLN과 GFP siRNA-PEG/PEI 25k를 MDAMB435 세포에 처리한 후 siRNA 농도(pmol/mL)에 따른 GFP 발현율 변화를 관찰한 그래프, (b) 전달체의 농도에 따른 세포의 생존 효과를 관찰한 그래프.

(b)(a)

그림 6. (a) Dynamic light scattering(DLS)로 측정한 SLN의 크기, (b) SLN의 TEM 이미지(scale bar : 500 nm(위), 200 nm).

표 4. 저밀도 지질 단백질과 SLN의 구성표

Natural LDL30 SLN

Components Portion (%) (w/w) Components Portion (%) (w/w)

CoreCholesteryl ester 45 Cholesteryl oleate 45

Triglyceride 3 Triglyceride 3

Surface

Cholesterol 10 Cholesterol 10

Phospholipid 22 DOPE 14

Apolipoprotein B-100 20 DC-chol 28

그림 5. 저밀도 지질 단백질을 모방한 solid lipid nanoparticle(SLN)과 siRNA-PEG/SLN 도식.

양이온성 표면을 가진 SLN은 siRNA-poly(ethylene

glycol)(PEG) 결합체(siRNA-PEG)와 정전기적 결합을 통

하여 안정한 집합체(siRNA-PEG/SLN)를 형성한다. siRNA-

PEG/SLN은 세포 내로 도입되었을 때, siRNA 전달을 위해

대표적으로 사용되는 poly(ethylenimine)(PEI, 25kDa)과

비교하여 세포 독성은 낮으면서 일정 농도 이상이 되었을

때는 PEI와 비슷한 수준으로 유전자를 억제하는 효과를

보여주었다(그림 7). 또한 flow cytometry 실험을 통하여

siRNA-PEG/SLN이 세포 내에 효율적으로 삽입되는 것

을 관찰하였다. 이 연구에서는 LDL 모방형 SLN이 본래의

LDL이 가지는 안정적인 구조를 이용하여 효과적인 siRNA



그림 8. 내부에 파클리탁셀과 산화철 입자를 함유하고 표면에 엽산(folate)이 도입된 folate-decorated magnetic SLNs(FA-MSLNs)의 모식도.

(b)(a)

그림 9. (a) DLS를 이용하여 측정한 SLNs, MSLNs, FA-MSLNs의 크기, (b) FA-MSLNs의 AFM 이미지.

전달체로 사용될 수 있음을 보여주었다.

3.2 저밀도 지질 단백질 모방형 구조체를 이용한 항암제/조

영제 동시 전달

본 연구진에서는 LDL 구조를 모방한 SLN을 이용하여

다기능성 나노입자를 만드는 연구를 시행하였다. 다기능성

나노입자의 내부에는 대표적인 난용성 항암제인 파클리탁

셀과 MRI 조영제인 산화철 입자(iron oxide nanocrystal,

IONC)를 함께 로딩하였다. 이는 약물이 함유된 나노입자

를 이용한 암 치료 과정에서 MRI 관찰이 가능하도록 하여,

나노입자의 위치 추적을 통한 효율적인 치료를 제공할 수

있도록 유도한다. 또한 표면에 엽산(folate)을 도입하여 엽

산 수용체(folate receptor)가 발현되는 암 조직에 침투가

용이하도록 설계하였다(그림 8).

Cholesteryl oleate, glyceryl trioleate, 콜레스테롤, phos-

phatidyl glycerol, dioleoylphosphatidylethanolamine,

1,2-distearoyl-sn-glycerol-3-phosphoethanolamine-N-

(polyethylene glycol-2000)를 이용하여 구형의 SLN 구조

를 형성하고 내부에 파클리탁셀과 IONC을 로딩하였다

(MSLN). 파클리탁셀만 함유한 SLN과 MSLN, FA-MSLN

은 약 100 nm 전후의 크기를 가지며 수일 동안 안정하게 분

산된 형태를 유지한다. FA-MSLN을 원자현미경(atomic

force microscopy, AFM)을 이용하여 관찰하였을 때 구형

의 나노입자가 형성되었음을 확인할 수 있다(그림 9).

준비된 나노입자의 MR 이미지를 관찰해본 결과, 산화철

의 농도에 비례하여 강한 신호 영상이 나오는 것을 볼 수 있

다. 또한 안정적으로 세포 내로 유입되어 세포 내에서도 산

화철 입자의 존재를 확인할 수 있다. SLN이 정상 세포가 아

닌 암 세포에 선택적으로 접근하도록 유도하기 위해 엽산을

표면에 도입하였다. 엽산 수용체가 발현되는 암 세포인

MCF-7 세포와 발현되지 않는 A549 세포에 각각의 나노입

자들과 taxol 조성물을 처리한 결과, 엽산의 효과를 입증할


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표 5. MCF-7와 A549 세포에 대한 SLN, MSLN, FA-MSLN과 taxol의 IC50 값

Tumor type Paclitaxel formulation IC50(µM)

MCF-7(Breast adenocarcinoma)

SLNs 6.8

MSLNs 6.5

FA-MSLNs 0.097

Taxol 4.5

A549(Lung adenocarcinoma)

SLNs 9.1

MSLNs 11

FA-MSLNs 7.7

Taxol 6.9

그림 10. MCF-7과 A549 세포에 MSLN과 FA-MSLNs를 각각 처리하고, 24시간 후 촬영한 T2-weighted MR 이미지와 상대적인 transverse relaxationrates(ΔR2/R2nontreated) 그래프.

(c)

(a) (b)

그림 11. (a) siRNA-PLGA/PEI 복합체 전달체의 개략적인 모식도 및 AFM 사진, (b) siRNA-PLGA 블록 공중합체 합성방법, (c) 유전자 억제효과.

수 있었다. 즉 엽산 수용체가 발현된 세포에서 FA-MSLN

가 미치는 세포 사멸 효과가 월등히 높았으며(표 5), 세포 내

에서 발현되는 MR 신호도 가장 극명하였다(그림 10).

LDL의 내부를 구성하고 있는 지질 에멀젼은 난용성 약물

이나 조영제가 위치하기에 적합한 이점을 가지고 있다. 본

연구를 통하여 약물 전달과 진단을 동시에 할 수 있는 표적

지향형 다기능성 나노입자의 전달체로 이용하기에 LDL 모

방형 에멀젼은 큰 가능성을 가지고 있음을 볼 수 있다.

4. siRNA 전달용 마이셀

19-21 염기쌍의 small interfering RNA(siRNA)는 유전

자 발현을 염기서열 특이적으로 억제할 수 있어, 최근 암을

포함한 유전 질병의 치료제로서 많은 관심을 받고 있다.31

하지만, siRNA 치료제의 임상적용에는 효과적인 전달체

의 부재가 가장 큰 걸림돌이며, 이를 해결하고자 많은 연구

가 활발히 진행되고 있다. 음전하를 가진 siRNA 와 나노

크기의 고분자 전해질 복합체(polyelectrolyte complex)를

형성할 수 있는 다양한 양전하성 고분자, 지질 그리고 펩타

이드가 세포 내로의 siRNA 전달에 사용되어 왔다.32



(a) (b)

(ⅰ)

(ⅱ)

(ⅲ)

(c)

그림 12. (a) siRNA-PEG 합성 방법 및 siRNA-PEG/PEI 고분자 전해질 복합체 마이셀 형성 모식도, (b) 혈청안정성 (ⅰ) siRNA, (ⅱ) siRNA-PEG, (ⅲ) siRNA-PEG/PEI, (c) 종양 성장 억제 효과.

4.1 siRNA-PLGA 마이셀

생분해성 poly(D,L-latic-co-glycolic acid)(PLGA)와

siRNA를 환원성 이황화결합(disulfide bond)으로 가교

시켜 siRNA-PLGA의 양친성 블록 공중합체를 제조하였

다(그림 11).33

이러한 siRNA-PLGA 양친성 블록 공중합

체는 수용액 상에서 자가조립에 의하여 소수성의 PLGA

는 중심부(core)에, 친수성의 siRNA는 외부(shell)에 노출

된 40 nm 크기의 core/shell 구조의 마이셀을 형성하였

다. siRNA-PLGA 마이셀을 linear poly(ethylenimine)

(LPEI)으로 정전기적으로 코팅시켜 마이셀 구조체를 안

정화시킴과 동시에 표면을 양전하성으로 개질함으로써

세포 내로의 유입을 증강시키고자 하였다. 이러한 구조는

siRNA가 마이셀 표면에 조밀하게 모여있어 높은

siRNA의 공간 전하밀도(spatial charge density)를 나타

내며, 이로 인해 일반적인 siRNA(naked siRNA)에 비해

LPEI와 효율적이고 안정적으로 정전기결합을 할 수 있

다. siRNA-PLGA/LPEI 복합체는 siRNA/LPEI 복합체

보다 안정적인 나노구조체를 형성하여 세포 내부로의

유입이 증강되었으며, 이렇게 유입된 구조체는 세포 내

부의 glutathione에 의하여 분해되어 생물학적 활성을

갖는 일반적인 siRNA(naked siRNA) 형태로 환원되어

유전 발현 억제 효과를 보았다.

4.2 siRNA-PEG 블록 공중합체

생분해성, 친수성의 비이온성 고분자인 poly(ethylene

glycol) (PEG)를 siRNA 말단에 환원성 이황화결합으로

연결하여 PEG가 도입된 siRNA를 제조하였다.34

siRNA-

PEG는 본래의 siRNA 보다 향상된 혈청 안정성을 나타내

었다. 이러한 siRNA-PEG 블록 공중합체는 양이온성 고

분자인 PEI와 정전기적 인력에 의하여 고분자 전해질 복

합체 마이셀(polyelectrolyte complex micelle, PEC micelle)

을 형성 하였다(그림 12). 음전하를 띤 siRNA는 양전하의

고분자인 PEI와 코어를 형성하며, 친수성인 PEG는 코어

를 둘러싸 마이셀 형태의 구조를 형성하기 때문에 입자 간의

뭉침현상(aggregation)을 방지할 뿐만 아니라 코어의 전

하를 차폐하여 입자의 혈장 내 체류시간을 증대시킨다.35


Vol. 23, No. 2 183

(a)

(b) (c)

그림 13. (a) siRNA 다중 접합체 제조 모식도, (b) siRNA/PEI 복합체의 AFM 사진, (c) 마우스 모델에서 GFP 유전자 억제 효과.

종양성장에 필수적인 혈관생성을 억제하기 위하여 혈관

내피세포 성장 인자(vascular endothelial growth factor,

VEGF)에 대한 siRNA를 사용하여 종양의 성장을 억제하

고자 하였다. VEGF siRNA-PEG/PEI 복합체 마이셀은

증대된 혈액에서의 순환 기간에 기인하여 종양으로의 축척이

증가된 것을 확인할 수 있었으며, 종양 성장을 두드러질 정

도로 억제함을 확인하였다. 이는 빠르게 성장하는 종양 주

변의 헐거워진 혈관과 효과적인 림프계의 부제에 기인한

투과성과 정체시간의 증가효과(EPR(enhanced permeation

and retention) effect)) 때문인 것으로 사료된다.36

4.3 siRNA 다중 접합체 마이셀

siRNA는 잘 휘어지지 않고, 전하밀도가 매우 낮기 때문

에 양전하성 고분자와 복합체 형성이 안정적으로 이루어지

지 않아 세포 내부로의 유입 효율이 낮은 문제점이 있다.37

siRNA를 구성요소로 사용하여 siRNA 다중접합체를 제조

하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다38. 유연한 가교제

(flexible crosslinker)를 siRNA 단일가닥 말단에 도입하여,

센스 가닥 이량체와 안티센스 가닥 이량체를 화학적으로 합

성하였으며, 이들의 상보적인 염기쌍 결합을 이용하여 siRNA

다중 접합체(multimeric siRNA) 를 제조하였다(그림 13). 이러

한 siRNA 다중 접합체는 증강된 전하밀도와 유연한 가교제

의 도입으로 인한 구조적 유동성을 지니게 되어 독성이 적

은 양이온성 고분자와 안정적이고 조밀한 100 nm 이하의

고분자 전해질 복합체를 형성하였다. 이러한 복합체는 세포

내부로의 유입이 증대 되었으며, 그로 인해 효율적으로 유전자

발현 억제하였다.

5. 맺음말

지난 10여년 간 양친성 고분자, 지질 나노입자 등 다양한

형태의 나노구조체들이 약물, 유전자, 조영제 등의 전달체로

연구되어, 매우 폭넓은 스펙트럼의 소재들이 개발되고 평가

되었다. 특히, 나노구조체의 구조적인 안정성, 외부 자극에

대한 응답성, 특정 세포/조직에 대한 타켓팅 효과, 단기적/

장기적인 독성, 세포 수준 및 유전자 수준에서의 독성에 관

한 연구이 축적되어왔다. 다만, 대부분의 연구들이 in vitro

상에서의 평가 또는 간단한 소동물을 이용한 평가였다는 한



계를 갖고 있기 때문에, 의약 치료부문에서의 보다 적극적인

소재활용을 위해서는 영장류 등을 대상으로 한 전임상 및 초

기임상 연구에 대한 지원이 절실한 단계라고 할 수 있다. 보

다 심도있는 in vivo 연구를 통한 피드백을 통해서만, 향후

치료/진단용 나노소재의 발전된 개발을 위한 가이드라인이

새롭게 제시될 것이라고 생각한다. 특히, 보다 효과적인 항

암치료를 위해 siRNA와 기존의 항암제을 조합할 수 있는

신규 나노전달체의 디자인 및 합성과, 이에 대한 전임상/임

상 연구 등은 이미 개발된 나노소재들의 활용을 통해 비교적

빠른 시간 내에 적용이 가능할 수 있는 분야라고 예상된다.

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