Bioadhesive microparticles conjugated with lectin (wheat germ agglutinin, WGA) were prepared as biodegradable polymeric carriers for oral delivery of insulin. Their specific interaction with mucin was determined by pig mucin (PM) immobilized surface plasmon resonance (SPR) biosensor, in vitro studies with mucin solution and in vivo studies with diabetic rats. Stimuli-sensitive systems which respond to temperature, electricity and pH were prepared for the preliminary studies of oral peptide delivery.
Soluble starch-g-PAA (SGPAA) was synthesized to prepare biodegradable material. SGPAA microparticles were prepared by an emulsion-precipitation method using a W/O emulsion. The WGA was conjugated to carboxylic groups of microparticles by the carbodiimide/N-hydroxysuccinimide technique. The pig mucin (PM) was attached to the gold surface of SPR sensor. As the SGPAA-WGA microparticles interact with a mucin layer of SPR sensor, the large shift of refractive index was observed and its affinity constant was $K=2.162g^{-1}L$, which is greater than that of SGPAA microparticles ($K=0.162g^{-1}L$). In vitro experiments in a pig mucin solution showed that the SGPAA-WGA microparticles interacted about 8 times greater than the SGPAA microparticles.
The thermo-sensitive polymer, PNIPAM-grafted ethylcellulose was synthesized and confirmed by FTIR spectroscopy. Microparticles were prepared by spray drying method using B-191 Mini Spray Dryer. The release rate of allopurinol (model drug) from ECGPN8 microparticles was slower at 40℃(above the LCST) than that of 25℃(below the LCST) probably due to the collapse of PNIPAM chains by temperature. Although PNIPAM took the large part of wall material, the thermo-sensitive release behavior was not so obvious. It is believed that the release of allopurinol from the microparticles is more dependent on the porous structure of microparticles than the conformational change of PNIPAM, created by the rapid evaporation of solvent during the spray drying process.
The alginate microparticles were fabricated by ejecting alginate/insulin solution through a nozzle actuated by the piezoelectric transducer (ink-jet process). The droplets of an alginate/insulin solution were immersed into a 0.1 M $CaCl_2$ solution, and gelated to form a layer near the interface encapsulating insulin and finally turned into a hydrogel sphere. The ink-jet process didn’t include emulsification step, thereby minimizing inactivation of encapsulated drugs. The significant decrease of particle volume under electrical field indicated the electric-sensitiveness.
The alginate microparticles released larger amount of insulin at pH 7.5 than pH 1.2 (pH-sensitive release), which can make alginate microparticles as a potential polymeric carrier for the oral delivery of protein drugs. The alginate microparticles containing insulin were fabricated by the ink-jet process and WGA was conjugated to alginate microparticles by activating hydroxyl groups with carbonyldiimidazole (CDI). The affinity constant of alginate-WGA microparticles from the SPR data was larger $(K=3.523g^{-1}L)$ than alginate microparticles $(K=1.60g^{-1}L)$. In vitro experiments in the mucin solution showed that the conjugated WGA enhanced the interaction about 3 times. In vivo studies with diabetic rats showed that the blood glucose level of SPF rats was lowest when alginate-WGA microparticles were orally administered. It is believed that conjugated WGA induced strong mucoadhesion and deep penetration to the mucous layer, which increased the residence time and close contact of the insulin at the absorption site to enhance the insulin absorption. Also, it is believed that the alginate-WGA microparticles make the entrapped insulin more stable and protect it from degradation in harsh conditions of gastrointestinal tract. Larger affinity constant of alginate-WGA microparticles resulted in larger glucose change (%) from base level. It can be concluded that the glucose change (%) from base level can be expected from the affinity constant of SPR data and alginate-WGA microparticles enhance the intestinal absorption of insulin.
인슐린 경구 투여를 위한 생분해성 고분자 전달체로서 렉틴(WGA)이 결합된 생체접착성 마이크로입자를 제조하였다. 이 입자들과 모델 mucin과의 반응성을 돼지의 mucin이 고정된 surface plasmon resonance (SPR) 바이오센서, mucin 용액을 이용한 in vitro 연구, 당뇨가 유발된 쥐를 통한 in vivo 연구를 통하여 측정하였다. 온도, 전기, pH에 반응하는 자극 민감성 시스템을 경구 단백질 약물 전달을 위한 선행연구로서 수행하였다.
생분해성 재료로서 soluble starch-g-PAA (SGPAA)를 합성한 후 에멀젼-침강 방법으로 SGPAA 입자를 제조하였다. 이 입자들의 카르복실기에 carbodiimide/N-hydroxysuccinimide 방법으로 WGA를 결합시켰다. SPR 센서의 금 표면에 돼지의 mucin을 고정한 후 입자들과의 반응성을 살펴보았다. SGPAA-WGA 입자들과 SPR 센서의 mucin층이 반응함에 따라 refractive index의 커다란 변화를 관찰할 수 있었으며, affinity 상수값은 $K=2.162g^{-1}L$ 로서 WGA가 없는 SGPAA입자 $(K=0.626 g^{-1}L)$ 에 비해 높았다. Mucin 용액을 이용한 in vitro 실험 결과 SGPAA-WGA 입자들이 SGPAA 입자들보다 약 8배 가량 더 반응한다는 것을 알 수 있었다.
온도 민감성 고분자인 PNIPAM이 그라프트 된 ethylcellulose를 합성하고 FTIR로 확인하였다. B-191 Mini Spray Dryer를 사용하여 분무건조법으로 열민감성 입자를 제조하였다. 열민감성 입자로부터의 모델 약물의 방출실험을 한 결과 LCST보다 높은 온도인 40℃에서의 방출이 25℃(LCST 이하 온도)에서 보다 느렸는데 이것은 아마도 PNIPAM 사슬이 온도에 의해 쭈그러들었기 때문으로 보인다. 입자 재료에서 PNIPAM이 많은 부분을 차지함에도 불구하고 온도 민감성 거동은 그리 명확하지 않았다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 입자로부터의 모델 약물의 방출은 PNIAPM의 구조적 변화보다는 분무건조 중에 용매가 빨리 증발하여 생긴 입자의 다공성 구조에 의해 더 영향을 받는 것으로 생각된다.
알지네이트/인슐린 용액을 piezoelectric한 노즐을 통해 분사하여(잉크젯 공정) 알지네이트 입자를 만들었다. 알지네이트/인슐린 용액의 방울들을 $CaCl_2$ 용액으로 이온적으로 가교시켜 인슐린이 포집된 하이드로겔 입자를 만들었다. 잉크젯 공정은 에멀젼 단계를 포함하지 않으므로 포집된 약물이 손상받는 것을 최소화할 수 있었다. 전기장 하에서 입자 부피가 현저히 줄어드는 것으로부터 입자들의 전기 민감성을 관찰할 수 있었다. 알지네이트 입자가 pH 1.2에서 보다 pH 7.5에서 더 많은 약물을 방출하는 pH 민감성 거동을 보이므로, 알지네이트 입자를 경구 단백질 약물 전달용 고분자 전달체로 쓸 수 있을 것으로 보인다.
인슐린을 포함하는 알지네이트 입자를 잉크젯 공정으로 제조한후 하이드록실기를 CDI로 activation하여 WGA를 결합시켰다. SPR 데이터로부터 구한 알지네이트-WGA 입자의 affinity 상수 값 $(K=3.523g^{-1}L)$ 은 알지네이트 입자의 affinity 상수 값 $(K=1.60g^{-1}L)$ 보다 높았다. Mucin 용액을 이용한 in vitro 실험 결과 결합된 WGA로 인해 반응이 3배 가량 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 당뇨병이 유발된 쥐로 in vivo 실험을 한 결과 알지네이트-WGA 입자를 경구 투여 했을 때 SPF 쥐들의 혈액 글루코스 레벨이 가장 낮아진다는 것을 확인할 수 있었다. 입자에 결합된 WGA가 강한 점막점착성과 점액 층 속 깊이 침투하도록 유도하여 약물의 체류시간을 증가시키고 흡수지역에의 인슐린의 가까운 접촉을 증가시켜 인슐린 흡수를 증대시킨 것으로 생각된다. 또한, 알지네이트-WGA 입자가 포집된 인슐린을 더 안정화 시키고 GI 경로의 모진 조건 속에서 인슐린이 degradation되지 않게 보호한 것으로 생각된다. 알지네이트-WGA 입자의 affinity 상수 값이 크면 base level로부터의 글루코스 변화(%)도 컸다. 결론적으로, base level로부터의 글루코스 변화(%)는 SPR 데이터로부터 구한 affinity 상수 값으로부터 예상할 수 있었고, 알지네이트-WGA 입자는 인슐린의 장내 흡수를 증대시키는 것을 확인할 수 있었다.
