Glucose-responsive insulin delivery systems have been recently proposed as a promising alternative to conventional intravascular administration methods, which causes much inconvenience and has been related to low patient compliance due to its controlled release characteristics. However, protein-based glucose-responsive systems using glucose oxidase and lectin poses many hurdles in passing through clinical trials because of their low biostability and potential cytotoxicity. In order to overcome such issues, the phenylboronic acid (PBA)-derivatives acting as a glucose-responsive functional group by a change from hydrophobic to hydrophilic moiety have played a key role in controlled insulin release systems due to their better biostability and high biocompatibility. In order to endow a glucose-responsive characteristic to insulin delivery carriers using PBA derivatives, glycol chitosan (GC)/sodium alginate (SA)-poly (L-glutmate-co-N-3-L-glutamylphenylboronic acid) (PGGA) graft polymer double-layered nanogel were synthesized by N-carboxyanhydride polymerization and carbodiimide coupling reactions. GC/SA-PGGA double-layered nanogel controllably releases insulin at diabetic glucose levels in vitro, and has high biocompatibility, as determined by cell viability and hemolysis assay. Moreover, controlled insulin release at high glucose levels were accomplished using GC/SA-PGGA double-layered nanogel in mouse studies. Therefore, GC/SA-PGGA double-layered nanogel characterized by effective glucose-sensitivity and superior biocom-patibility may act as a potential platform for the enhancement of conventional insulin delivery systems.
본 연구의 목적은 포도당에 민감한 나노젤을 합성하여 인슐린을 탑재 후, 높은 혈당에서 선택적으로 인슐린을 방출하는 선택적 인슐린 방출 체계를 구축을 목표로 한다.
당뇨병 환자는 높은 혈당 (3 mg/ml) 수치를 띄게 되어 여러 합병증을 유발할 가능성이 크다. 주기적인 혈관 주사를 통해 인슐린을 체내에 접종하여 혈당을 낮추고 있는 실정이다. 하지만 현재 사용되는 방법은 고통과 낮은 환자 수용력을 동반하고 있어 당뇨병 환자들의 삶의 질을 악화시키고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 포도당에 민감한 인슐린 전달 체계를 구축하는 것이다.
포도당에 민감한 인슐린 전달체계는 현재 사용되는 방법을 대체할 수 있어서 고통을 경감하고 환자 수용력을 향상시킬 수 있다. 포도당에 민감한 인슐린 전달 체계는 크게 세 가지로 분류할 수 있다 첫 번째는 포도당 산화 효소를 이용한 인슐린 전달, 두 번째는 당류아 친화력이 강한 렉틴(Lectin)을 이용한 인슐린 전달, 마지막으로 페닐붕산(Phenylboronic acid)를 이용한 인슐린 전달 방법이 있다. 하지만 위 두 방법은 단백질 기반의 체계이기 때문에 낮은 안정성과 잠재적인 인체 내 독성을 포함할 가능성이 크다. 마지막 방법인 페닐붕산은 생체 내 안정성이 높고 독성이 낮아서 포도당에 민감한 체계에 많이 응용되고 있다.
전자를 잡아당기는 그룹이 결합된 페닐 붕산 유도체는 생체 내 pH 조건에서 포도당 분자와 결합하여 음전하를 띄는 특징을 갖고 있다. 포도당 농도가 낮을 때에는 음이온화되는 정도가 낮아 비수용성을 띄지만, 높은 포도당 농도에서는 음이온화 정도가 커지기 때문에 수용성으로 바뀌게 된다. 본 연구에서는 페닐 붕산 유도체를 나노젤에 도입하여 포도당 농도에 따라 팽윤과 수축을 조절하여 선택적 인슐린 방출을 목표로 한다.
본 연구에서 제안한 이중층 나노젤은 인공적인 폴리펩타이드 합성 방법과 아마이드 결합 방법을 이용하여 합성을 했다. 자기공명구조 분석법, 원소분석, 크기 배제 효과 크로마토그래피를 이용하여 정량, 정석 분석을 수행하였다. 인슐린을 탑재한 후에 포도당 농도에 따른 나노젤의 팽윤 정도를 분석해서 포도당 농도가 증가함에 따라 팽윤 정도가 커짐을 확인 했다. 또한 포도당 농도에 따라 인슐린 방출 정도를 측정하여, 포도당 농도가 높아 질수록 인슐린 방출 양이 많았고 방출되는 속도도 높았다. 본 연구에서 제안한 나노젤의 생체 독성을 평가하기 위해서 세포 사멸율 평가와 적혈구 용혈 평가를 수행했다. 두 결과를 바탕으로 나노젤은 높은 생체 적합성을 보이고 또한 적혈구에 적합하다고 결론을 내릴 수 있었다. 마지막으로 동물 실험을 수행하여 생체 내에서 인슐린이 선택적으로 방출 가능한지를 확인해 봤다. 생체 내에서도 높은 혈당에서 인슐린을 방출하여 혈당을 낮추고 오랜시간 낮은 혈당을 유지했다.
본 연구에서 제안한 나노젤는 생체 적합성을 지니고 또한 포도당 농도에 따라 인슐린을 선택적으로 방출 가능하다는 것을 확인했다. 이와 같은 나노젤은 포도당에 민감한 인슐린 전달체계에 유망한 플랫폼이라고 생각된다.
