This study was conducted to develop a drug delivery carrier with specific drug release profile to-wards tumor cells based on the fact that tumor cells have lower pH and higher concentration of a reducing agent than normal cells. Hydrazone bond was used as a pH sensitive linker that is stable at pH 7.4 but unsta-ble at pH 5.0. Doxorubicin (DOX) was conjugated on poly(aspartyl hydrazide) (PAHy) backbone with hydra-zone bond. N-succinimidyl 3-(2-pyridyldithio) propionate (SPDP) crosslinker grafted on the backbone formed a disulfide bond in a normal cell, but the disulfide bond was dissociated in a tumor cell. In a normal cell drugs were released with only disregarded amount, but in a tumor cell, drugs were rapidly released as a consequence of breaking of hydrazone bonds and disulfide bonds. Characterization of the dual sensitive particle was fully investigated. The specific drug release profile under tumor condition and anticancer therapeutic effect was also evaluated.
본 연구의 목적은 암세포에만 특이적으로 약물을 방출하는 약물전달체를 고안하는 것이다. 암세포 주변 조직은 정상 혈류에 비해 낮은 pH를 가지며, pH 값은 세포 내부에서 더욱 낮아진다. 또한, 암세포는 혈류에 비해 4-7000배 가량 높은 환원효소 농도를 나타낸다. 이러한 암세포의 특성을 바탕으로 하여 pH와 환원효소에 반응성을 가지는 입자를 합성하고, 입자에 봉입된 항암제가 암세포에서만 특이적으로 방출되는 시스템을 제안하였다.
약물전달체의 기본 조건인 생적합성, 생분해성을 만족시키기 위해 아미노산 유도체를 이용한 친수성 고분자를 백본으로 이용하였으며, 여기에 소수성 부분을 접목시켜 양친성을 가지도록 하였다. 이렇게 합성된 양친성 고분자는 물 상에서 자기회합체를 형성하고, 소수성인 코어에 소수성 약물을 담지하여 약물 전달을 용이하게 한다. 본 연구에서는 친수성 고분자 백본으로 poly(asparthydrazide) (PAHy) 를 이용하였으며, 이는 아미노산 유도체이고 세포 독성을 띠지 않아 생의학적 응용에 매우 적합하다. 아미노산의 한 종류인 L-aspartic acid로부터 acid-catalyst condensation 반응을 통해 poly(succinimide) (PSI) 를 합성하였다. 입자의 친수성을 증가시키고 혈류 순환 시간을 증대시키기 위해 PSI에 PEG를 접목시키고, 과량의 monohydrate hydrazine과 반응시켜 나머지 PSI를 PAHy를 치환시켰다. PAHy 백본에SPDP crosslinker를 접목시키는데 이는 소수성을 띠어 자기회합체 형성을 용이하게 하고, DTT로 처리 시 disulfide 결합을 형성한다. disulfide 결합은 혈류 내에서 입자의 안정성을 높이고, 암세포 내의 환원적 환경에서 분해되어 구형 입자를 붕괴되게 만든다. 마지막으로 소수성 항암제인 doxorubicin (DOX) 은 백본에 pH 민감한 링크로 연결되었기에 암세포 내의 산성환경에서 방출되어 암세포 지향적인 약물 방출 거동을 보이게 된다.
H1 NMR과 EA를 통해 최종입자인PAHy-g-PEG-SPDP-DOX가 성공적으로 합성되었음을 확인하고, 양친성 고분자의 임계회합농도(CAC)를 측정하였다. 입자를 DTT로 처리 후 UV spectroscopy와 FT-IR을 통해 disulfide 결합의 형성을 확인하였다. 약물전달체는 혈류 내에서 격심한 희석을 겪게 되는데, 이 때 임계회합농도보다 낮은 농도 하의 고분자 자기회합체는 입자의 형태를 유지하지 못하고 분해된다. 가교를 형성하지 않은 입자는CAC 이하에서 분해되어 입자의 크기가 측정되지 않았지만, 가교를 형성한 입자는 CAC 이하에서도 분해되지 않고 40 nm 수준의 입자를 유지하는 DLS결과를 통해 disulfide 결합이 입자의 안정성을 증대시켜 주었음을 확인할 수 있었다. 입자의 pH와 환원 이중 민감성은 DLS, TEM, AFM을 통해 확인되었다. 서로 다른 두 pH 조건과 환원효소 농도 하에서 실시된 약물 방출 실험은 pH가 낮을수록, 환원효소 농도가 높을수록 약물 방출이 빠르게 진행되었다. 환원효소는 입자 내의 disulfide 가교를 끊음으로써 입자의 안정성을 낮추어 약물 방출을 용이하게 만들고, 산성조건 하에서는 pH민감성 결합이 끊어지며 약물 방출이 가속화 될 것이라는 예상과 일치되는 결과를 보였다. 두 가지 변수 중 약물 방출에 더 직접적인 영향을 주는 것은 pH였고, pH 5.0 + DTT 조건 하의 입자가 가장 빠른 약물 방출 거동을 보였는데 이는 암세포 내의 조건과 일치하기에 in vivo에서도 좋은 결과를 얻을 수 있으리라 예상된다. 고분자 자체는 세포 독성을 띠지 않지만, 약물을 함유한 입자는 암세포에서 약물을 효과적으로 방출하여 뛰어난 항암효과를 보이는 것을 확인하였다. 이 입자는 암세포에서 약물 방출을 가속화하기에 항암제를 이용한 항암치료가 정상세포에 미치는 부작용을 최소화하면서도 암세포에 대한 항암효과를 극대화 시킬 것이라 기대된다.
