To solve current problems of insulin injection, examples of which are critical side effects and inconvenience, the demand for an alternative insulin administration method has increasing. Among various insulin delivery routes, the oral administration is regarded as a powerful candidate because of convenience and minimal aftereffects. In this study, a novel oral insulin delivery system was prepared by the combination of two different artificial polypeptides with insulin. Negatively charged poly(L-glutamate-co-N-3-L-glutamylsulfanilic acid) (PLGS), cationic alpha helical peptide poly-L-lysine (PLL) and insulin formed polyelectrolyte complexes, and were characterized. The size (214.9 $\pm$ 1.4 nm), zeta potential (45.8 $\pm$ 1.0 mV) and the spherical morphology of the polyelectrolyte complexes were confirmed through diverse analyzing techniques including dynamic light scattering method and transmission electron microscope. The property of the polyelectrolyte complexes was examined by in vitro study. The FITC labeled insulin loaded polyelectrolyte complexes were incubated in two different pH conditions simulating the small intestine (pH 6.8) and the stomach (pH 1.2). Significantly higher amount of the loaded FITC insulin was released in the intestinal condition suggesting the controlled release of the polyelectrolyte complexes to protect insulin in the acidic stomach condition while release it in the small intestine. In vitro cellular uptake study with Caco-2 cells also revealed the improved penetration of the loaded FITC labeled insulin. By virtue of the cell penetration enhancing ability of PLL, the permeation of insulin in the small intestine was notably augmented. Furthermore, in vitro cytotoxicity of the polyelectrolyte complexes on Caco-2 cells indicated biocompatible characteristic of the complexes, so that unexpected health problems can be avoided even at high concentration. To confirm the feasibility of the polyelectrolyte complexes, in vivo study was carried out with streptozotocin induced diabetic mice. The polyelectrolyte complexes showed improved hypoglycemic effect suggesting the success of delivery and penetration of the loaded insulin. The blood glucose level was lowered to 80% of the initial value after oral administration of the polyelectrolyte complexes, and the hypoglycemia lasted for more than 14 h. The long lasting hypoglycemic effect of the polyelectrolyte complexes can reduce the number of administration, and it will contribute to the improvement of the quality of patients’ lives. The polyelectrolyte complexes provided reasonable results as a competitive candidate for oral insulin delivery. Introduction of the polyelectrolyte complexes will promote the oral delivery of charged proteins or drugs.
당뇨병 환자들을 위해 투여되는 인슐린은 대부분 피하주사를 통하여 이루어진다. 그러나 현재의 방식은 주사의 사용으로 인한 상당한 불편함과 더불어 감염, 심각한 부작용 등의 문제점을 동반하며 이에 따라 피하주사를 대체할 수 있는 새로운 인슐린 투여 방식에 관한 수요가 꾸준히 증가하고 있는 상황이다. 여러 가능성 있는 인슐린 투여 경로 중 강력한 대안으로 꼽히는 것은 구강을 통한 인슐린 투여이다. 인슐린 경구 투여는 가장 간편한 투여 방식이며 투여된 인슐린이 체내에서 생성된 인슐린과 같은 기작으로 작동을 한다는 면에서 강점을 가지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 두 가지 다른 종류의 인공 폴리펩타이드를 인슐린과 결합시킴으로써 새로운 인슐린 경구 전달 시스템을 개발하였다. 음전하를 띠는 폴리펩타이드, 양전하를 띤 나선형 폴리펩타이드 그리고 인슐린이 결합하여 다중 전해질 복합체를 구성하였으며 복합체의 특성은 동적 광산란법, 투사 전자 현미경을 통한 크기 (214.9 $\pm$ 1.4 nm), 제타 전위 (45.8 $\pm$ 1.0 mV), 모양 등의 분석으로 파악되었다. 다중 전해질 복합체의 기능은 시험관에서의 실험을 통하여 입증되었으며 시험관에서의 실험에서는 보다 편리한 정량적인 분석을 위하여 형광 염료가 표지된 인슐린을 사용하였다. 첫 번째로 수행한 실험에서는 인공적으로 조성한 완충 용액에서의 인슐린 방출 경향성을 분석하였다. 완충 용액은 각각 위 (pH 1.2)와 소장 (pH 6.8)의 pH와 동일한 값을 갖도록 만들어졌다. 다중 전해질 복합체는 소장의 pH에서 확연히 많은 양 (~80%)의 인슐린을 방출하였으나 위의 pH에서는 그에 못 미치는 방출량 (~60%)을 보였다. 이는 다중 전해질 복합체의 특성 중 하나인 방출조절이 시험관 상에서의 실험으로 확인된 것이다. 방출조절로 인하여 복합체에 탑재된 인슐린은 강산성의 위산과 다양한 종류의 소화 효소로부터 보호받을 수 있으며 소장에서 선택적으로 방출될 수 있다. 다음으로는 시험관 상에서 소장 상피세포와 유사한 Caco-2 세포를 이용하여 인슐린 흡수 향상에 관한 실험을 진행하였다. 정량적 분석과 정성적 공초점 레이저 현미경 사진 분석을 이용한 결과 다중 전해질 복합체가 세포 내로의 인슐린 전달 효율을 상당 부분 증대시킨 것으로 확인되었다. 이러한 양상은 양전하를 띤 나선형 폴리펩타이드의 도움으로 복합체가 음전하를 띤 소장 상피세포에 강하게 결합하여 인슐린의 흡수를 촉진시킴으로써 나타난 것으로 생각된다. 시험관 상에서 진행된 두 실험을 통하여 다중 전해질 복합체의 두 가지 기능, 인슐린의 선택적 방출과 소장에서의 흡수 효율 향상이 성공적으로 실행되고 있음을 확인하였다. 추가적으로 수행된 시험관에서의 세포 독성 실험에서는 복합체가 고농도에서도 세포 독성을 띠지 않음을 확인하였다. 이는 복합체가 생체 적합한 물질임을 시사하는 것이며 따라서 이후 생체 실험에서는 독성 문제에 관한 염려를 배제하고 다양한 농도의 복합체를 투여할 수 있을 것이라 판단하였다. 마지막으로 다중 전해질 복합체의 생체 적용 가능성을 판단하기 위하여 당뇨가 유도된 쥐를 이용한 생체 실험을 수행하였다. 복합체 경구 투여 후 쥐의 혈당은 초기값의 80%까지 떨어졌으며 낮은 혈당은 14시간 이상 지속되었다. 이 같은 결과로 다중 전해질 복합체가 생체 내에서도 제 역할을 할 수 있음이 확인되었으며 특히 오랜 시간 동안 지속되는 효능은 투여 횟수를 대폭 감소시킴으로써 환자의 삶의 질 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다. 다중 전해질 복합체는 경구 인슐린 전달체로서 의미 있는 결과들을 보여주었으며 인슐린뿐만 아니라 전하를 띤 여타의 단백질 또는 약물의 경구 전달 효율 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
