Liposomes have been recognized as attractive drug carriers on account of their ability to load both hydro-philic and hydrophobic drugs, easy control over size, and biocompatibility. But, the weak stability of liposomes has limited their use in practical applications. The research objective of this thesis is to design novel polymer hybridized liposomes (PHL) stabilized with a biocompatible polymer and investigate its characteristics to under-stand the association behaviors of the alkyl grafted polymers with liposomes. The physicochemical properties of PHL anchored with amphiphilic poly(amino acid)s were characterized and the application of PHL as transdermal drug carriers was examined, compared with conventional liposomes.
In chapter 2, Polymer-hybridized liposomes (PHLs) of saturated lecithin were formed by association of poly(asparagines) grafted with alkyl chains (PAsn-g-Cn) and we tried to investigate the effect of alkyl chain length. The thermal, physical, and surface properties of the polymer-hybridized liposomes were examined with varying polymer concentration, alkyl chain length (C8, C12, C18, C22), and degree of substitution (DS) in the po-lymer. The inclusion of the polymer raised the membrane fluidity of liposomes. By the incorporation of small amount of polymer, the membrane rigidity of liposomes dropped sharply and then increased close to the original level as the polymer concentrations increased in the cases of PAsn-g-C18 and PAsn-g-C22. Also, the membrane rigidity and stability of PHLs increased with alkyl chain length at the same polymer concentration. The surface charge of PHL associated with PAsn-g-C22 was changed by DS of alkyl chains. The polymer bearing long alkyl chains (C12, C18, C22) formed PHLs well at low polymer concentration and the number of disk-shaped polymer-lipid mixed micelles increased with polymer concentration. The anchored polymers induced shifts in gel-to-liquid crystal transition temperature (Tc) of the vesicles and Tc varied with polymer concentration, alkyl chain length, and DS of the polymer.
In chapter 3, we changed the hydrophilic backbone of polymer from poly(asparagine) to poly(aspartic ac-id) and hydrophobic moiety from saturated alkyl chains (C18) to phytosphingosine to invesitigate the effect of polymer-variance on the properties of PHL. The stability of (PHL) was examined with the microfluidic and thermal state of anchored alkyl chains, and with dissolution against deoxycholate (DOC). Poly(asparagine) grafted with octadecylamine (PAsn-g-C18), poly(aspartic acid) grafted with octadecylamine (PAsp-g-C18), and poly(aspartic acid) grafted with phytosphingosine (PAsp-g-PHS) were synthesized. The microfluidity of the membrane of the PHL was evaluated by fluorescence polarization of 1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene (DPH) and the phase transition temperature (Tc) was measured by differential scanning calorimetry (DSC). The membrane fluidity of liposomes was increased by the inclusion of amphiphilic graft polymers. The phase transition temperature of liposomes increased by the anchoring of PAsn-g-C18, while the inclusion of PAsp-g-C18 or PAsp-g-PHS lowered the Tc. The surface charge of PHL of PAsn-g-C18 increased with the cationic lipid content, while those of PHL anchored with alkyl grafted poly(aspartic acid)s didn‘t change by the incorporation of cationic lipid. The structural stability of the PHL was affected by variation of the hydrophilic backbone or the hydrophobic moiety of the polymer and PHL of PAsn-g-C18 was most stable against DOC. An increased degree of substitution of the graft copolymer led to better stability of the PHL. It was found that the polymer characteristics affect the physi-cochemical strength of the PHL structure, resulting in different degrees of stability enhancement.
In chapter 4, we loaded drugs in PHL, examined the cytotoxicity and skin permeation of a drug to inves-tigate the possibility of the use as transdermal drug carriers. We polymerized poly(amino acid)s (PAsn-g-C18, PAsp-g-C18, PAsp-g-PHS). Then, we developed polymer hybridized liposomes (PHL) encapsulating hydro-lyzed ginseng saponins (HGS). Liposomes and polymer micelles loading HGS were also prepared. We con-firmed that liposomes and PHL reduce a cytotoxicity of HGS effectively, which was not found in the polymeric nano-carriers. Quantitative analysis of the penetrated amount of HGS using Franz cell method showed that the skin permeation of the lipophilic drugs loaded in liposomes was enhanced by the incorporation of amphiphilic poly(amino acid)s. The skin penetration performance of vesicles was consistent with the level of membrane fluidity. Fluorescence microscopy observation also demonstrated the excellent skin permeation performance of PHL anchored with PAsp-g-PHS. PHL showed a better structural stability than liposomes in an O/W emulsion. PHL improved the chemical stability of HGS considerably compared to the liposomes. It was expected that the skin permeability of encapsulated bioactive molecules could be affected by vesicle structure, membrane fluidity, and the type of anchored polymer. It is concluded that PHL, especially PHL of PAsp-g-PHS, can serve as an ex-cellent transdermal drug carrier.
Our findings may contribute to understanding of polymer hybridized liposome of comb-like structured polyme and extending the use of polymer-modified liposomal carriers in dermatologic products and cosmetics.
리포좀은 수용성 또는 지용성 성분을 모두 포집할수 있고, 제조방법과 지질 조성에 따라 크기 조절이 용이하며, 생체내에서 분해 가능하고 독성이 없는 등의 많은 장점으로 인하여 매력적인 약물전달체로서 관심받고 있다. 하지만, 리포좀 막 자체의 물리화학적 불안정성으로 인하여 산업적으로 활용이 제한되고 있으며, 낮은 유화 안정성과 피부에서 침투가 기대하는 만큼 충분히 이루어지지 않아 경피흡수 제제로서 효과가 제한적인 경우가 많았다. 본 연구 목적은 생체친화성 폴리머를 사용하여 안정화된 폴리머-리피드 혼성리포좀을 개발하고 알킬사슬이 접목된 고분자와 리포좀의 회합시스템을 이해하는데 있다. 양친성 아미노산계 고분자가 앵커된 고분자 혼성리포좀(PHL)을 제조하여 물리화학적 성질을 조사하였고, 일반 리포좀과 비교하면서 경피흡수 약물전달체로서의 응용 및 성능을 확인하였다.
제 2장에서는, 수소첨가 포화레시친과 알킬사슬이 접목된 폴리아스파라긴 (PAsn-g-Cn)이 회합된 고분자-혼성리포좀을 제조하여 고분자에 접목된 알킬사슬 길이의 영향을 고찰하고자 하였다. 고분자의 농도와 알킬사슬 길이 (C8, C12, C18, C22), DS (degree of substitution)를 변화시켜 가면서 고분자-혼성리포좀의 열적, 물리적, 표면 특성을 관찰하였다. 양친성 폴리아스파라긴의 삽입으로 리포좀의 막 유동성이 높아졌다. C18과 C22가 접목된 폴리아스파라긴 (PAsn-g-C18, PAsn-g-C22)은 고분자가 소량 혼합됨에 의하여 막 유동성이 크게 증가하였다가, 고분자 함량이 증가하면서 일반 리포좀 막과 유사한 수준으로 유동도가 낮아졌다. 또한 동일 고분자 농도에서 고분자에 접목된 알킬사슬의 길이가 길어질수록 고분자-혼성리포좀의 안정도가 높아지고 유동도는 낮아졌다. C22가 접목된 폴리아스파라긴 (PAsn-g-C22)이 회합된 PHL의 표면전하는 알킬사슬이 접목된 DS가 증가할수록 음의 절대값이 작아졌다. 긴 알킬사슬(C12, C18, C22)이 접목된 고분자는 낮은 고분자 농도에서도 PHL을 잘 형성하였고, 고분자 농도 증가에 의하여 디스크 모양의 고분자-지질 혼합마이셀 생성이 증가하였다. 고분자의 앵커링에 의하여 베지클의 gel-to-liquid crystal 상전이 온도의 이동이 발생하였고, 상전이 온도는 고분자의 농도, 알킬사슬의 길이와 DS에 따라서 변화하였다. 더 긴 알킬사슬이 접목된 폴리아스파라긴 고분자가 계면활성제에 대한 리포좀 안정도 개선에 더욱 효과적이었다. 더 긴 알킬사슬은 고분자-혼성리포좀의 이중막 사이로 더 깊이 앵커링되고 리피드간 하이드포빅 인터랙션이 강하여 더욱 견고한 PHL 구조체를 형성하는 것으로 예상되었다.
제 3장에서는, 고분자의 하이드로필릭백본을 폴리아스파라긴에서 폴리아스파틱애씨드로, 하이드로포빅기를 C18에서 피토스핑고신으로 고분자 종류를 다변화하여 혼성리포좀 (PHL)을 제조하고 그 특성변화를 관찰하고자 하였다. 앵커된 알킬사슬과 고분자 백본에 따른 막의 미세유동성, 열 상태 등을 조사하였고 데옥시콜린산 (DOC)에 의한 분해 실험을 통하여 안정도를 평가하였다. 옥타데실아민이 접목된 폴리아스파라긴 (PAsn-g-C18), 옥타데실아민이 접목된 폴리아스파틱애씨드 (PAsp-g-C18)와 피토스핑고신이 접목된 폴리아스파틱애씨드 (PAsp-g-PHS)를 합성하였다. 또한, 2장에서 관찰한 긴 사슬의 영향을 확인하기 위하여 C22보다 긴 폴리콜사놀이 양단에 결합된 폴리에칠렌글라이콜 (PEG-2C28)을 합성하였다. PHL 멤브레인의 유동도를 1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene (DPH)의 형광 편광 (fluorescence pola-rization) 측정으로 평가하였고, 상전이온도를 시차주사열량계 (DSC)로 분석하였다. PHL 막 유동도는 리포좀보다 높았고, 폴리아스파틱애씨드 백본의 고분자가 폴리아스파라긴 백본의 고분자보다 유동도 높은 PHL 막을 형성하였다. 폴리아스파틱애씨드 백본에 C18이 접목된 것보다 파이토스핑고신이 접목된 고분자의 혼성리포좀 막이 더 유동도가 높았다. PAsn-g-C18이 회합됨에 의하여 리포좀의 상전이온도가 상승한 것에 반하여, PAsp-g-C18 이나 PAsp-g-PHS가 회합함에 의하여 지질막의 상전이온도가 낮아졌다. PAsn-g-C18이 회합된 혼성리포좀의 표면전하가 양이온성 리피드 혼합에 의하여 높아진 것과 달리, 폴리아스파틱애씨드 백본의 고분자가 회합된 PHL의 경우 양이온성 리피드 함량에 따라서 표면전하 변화가 관찰되지 않았다. 베지클 수용액에서 DOC 함량에 대한 PHL의 구조안정도는 폴리머의 친수성 백본과 소수성 부분의 변화에 의하여 영향을 받았다. 알킬 그래프트 고분자의 DS가 높아짐에 따라 앵커링되는 알킬사슬 수가 증가하면서 보다 견고한 고분자-혼성리포좀을 형성하면서 안정도가 높아지는 경향을 보였다. 회합되는 고분자의 특성에 의하여 PHL 구조의 물리화학적 강도가 영향을 받고, 결과적으로 리포좀의 안정도 개선 정도에 차이가 있음을 확인하였다.
제 4장에서는, PHL에 드럭을 로딩하고 전달체에 따른 드럭의 피부 세포독성과 피부흡수도를 평가하여 경피흡수전달체로서의 활용가능성을 조사하고자 하였다. 약물로서 항노화, 항산화, 항염의 효능이 알려진 효소처리인삼사포닌을 이중층내에 포집한 리포좀과 PHL, 폴리머 마이셀을 제조하였다. 리포좀과 PHL은 효소처리인삼사포닌의 피부 세포독성을 확연히 감소시켰지만, 폴리머 마이셀은 효과적이지 못하였다. 돼지 표피를 이용해서 프란츠형 확산셀 방법으로 하루동안 피부에 투과된 효소처리인삼사포닌 양을 정량적으로 분석하였다. 양친성 아미노산계 고분자가 회합된 PHL에 담지된 약물의 피부투과도가 일반 리포좀에 담지된 약물의 피부투과도 보다 높았으며 그 순서는 베지클의 유동도와 일치하였다. 약물대신 나일레드를 리포좀과 PHL에 담지하여 흡수시킨 피부의 형광 현미경 관찰로부터 PAsp-g-PHS가 회합된 PHL의 뛰어난 피부흡수력을 확인하였다. 수중유형(O/W) 에멀젼을 제조하고 베지클 수용액과 혼합하여 고온에서 경시에 따른 베지클 입자크기 분포 변화를 관찰하였다. 에멀젼 환경내에서 PAsp-g-PHS가 회합된 PHL이 일반리포좀 보다 높은 구조안정도를 가짐을 확인하였다. 또한, 베지클 수용액과 에멀젼 환경내에서 PHL은 일반리포좀과 비교하여 효소처리인삼사포닌의 화학적 안정도를 월등히 개선함을 확인하였다. 유사한 크기의 베지클에 포집된 활성물질의 피부흡수도는 베지클의 구조, 막 유동도와 회합된 고분자 특성에 영향을 받았다. PAsp-g-PHS가 회합된 PHL은 피부활성 물질의 세포독성을 낮추고 피부흡수도를 높이며 물리화학적 안정도를 향상시킴으로써 경피흡수 전달시스템으로서의 높은 응용 가능성을 보여주었다.
본 연구는 알킬사슬이 접목된 고분자와 리포좀과의 회합시스템을 이해하는데 기여하고, 리포좀의 안정도를 개선하고 피부흡수도를 증진시킬수 있는 새로운 생체친화성 경피흡수 약물전달체 개발로서 산업적으로 적용가치가 높을 것으로 기대한다.
