X-선 리소그래피를 이용한 적층 구조의 생분해성 고분자 마이크로구조체 제작 및 약물 전달 시스템 응용

Abstract

의료분야에서 수많은 약들이 개발되어 왔지만, 경구 투여 및 정맥주사와 같은 방법으로는 목표세포에만 약물을 전달하는 것이 어렵다. 또한, 목표세포에서의 약물유효치료농도 유지를 위해 약물을 과투여 하게 되고, 그에 따른 정상세포에의 부작용이 존재한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 목표세포에의 효과적인 약물전달이 가능한 약물전달시스템(drug delivery system

DDS) 연구가 진행되고 있다. 약물전달시스템은 약물의 분비율을 유효치료농도 범위 내에서 정확히 제어할 수 있어야 하며, 위치 선택적 약물 전달이 가능해야 한다. 생체 적합한 생분해성 고분자는 체내에서 자연적으로 생분해되어, 인체 내에 삽입된 후에도 제거하기 위한 추가수술이 필요하지 않다. 때문에 체내 삽입 형 수술기구(suture), 스캐폴드 (scaffold) 및 약물전달시스템 등의 의료용 재료 물질로 많이 연구되고 있다. 하지만 생분해성 고분자는 제한적인 공정 방법으로 인해, 임의의 형태 및 크기로 미세 가공(micromachining) 하기 어렵다. 원형 등의 단순한 형태로 제작된 약물전달시스템은 생분해에 따른 단순한 약물 방출 외에 특별한 기능을 가지기 쉽지 않다. 또한 치료 대상 주변에서 적절한 약물 농도를 유지시키는 것이 어렵기 때문에 약물전달시스템 분야에서 실질적으로 널리 활용되기 어렵다는 단점이 존재해왔다. 본 논문에서는 X-선 리소그래피를 사용하여 적층된 생분해성 고분자를 다양한 모양 및 크기로 미세 가공 할 수 있는 공정을 개발하고 그 특성을 분석하였다. 많은 생분해성 고분자들 중에서, 폴리에스테르 (polyester) 고분자 계열로 가격이 비교적 싸고, 내부의 비중 차이로 생분해 속도 조절이 가능한 생분해성 고분자로 알려진 폴리카프로락톤 (poly(ε-caprolactone)

PCL) 및 폴리락타이드-코-글리콜라이드 (poly (lactide-co-glycolide)

PLGA) 고분자를 선택하였다. X-선이 쬐어진 폴리에스테르 계열의 생분해성 고분자는 에스테르 결합의 연결고리가 끊어지게 되고, 수산화칼륨과 같은 알칼리용액에서 빠르게 가수분해된다. 생분해성 고분자가 가수분해되지 않고 남아있는 부분이 마이크로구조체가 되며, 다면체, 원통 등 다양한 모양을 가지고 크기는 수 μm~mm 를 가지도록 마스크를 설계하여 제작이 가능하다. 또한, 마이크로구조체가 될 영역에 추가적인 X-선 노광량 조절을 통해 서로 다른 표면에너지를 가지는 마이크로구조체를 제작하는 것도 가능하다. 제작된 생분해성 고분자 기반의 마이크로구조체는 약물 분비율을 조절하여 약물의 치료효율을 높일 수 있다. 이를 확인하기 위해, 약물이 장전된 적층 구조의 마이크로구조체를 제작하여 약물전달시스템으로의 응용 방안을 추가로 평가하였다. 먼저, 다종 약물이 장전된 약물전달시스템 제작을 위해 스크린 프린팅 방법을 개발하고 평가하였다. 액상의 약물은 X-선에 노광되면 변성되는 문제가 있어 고상의 약물이 장전되며, 스크린프린팅 방법 및 적층 공정을 이용하면 다양한 고상의 약물을 순차적으로 적층하면서 약물전달시스템 제작이 가능하다. 분자표적치료항암제 lapatinib와 세포독성항암제 5-fluorouracil(5-FU)를 선정하여, 2종의 약물이 따로 또는 동시 장전된 3층 및 5층 구조의 약물전달시스템을 제작하였다. 다음으로, 약물전달시스템의 약물 분비율을 우선 모델링하여 분비율을 예측하고, in vitro 및 in vivo 환경에서의 약물분비율 및 약물 효능을 검증하였다. 고성능 액체 크로마토그래피(high-performance liquid chromatography

HPLC), 세포 생존율 측정(3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide

MTT assay)을 사용하여, 1~6 일까지의 약물의 분비율을 측정하고 평가하였다. 실험결과, 장전된 lapatinib 항암제의 반수최대억제농도 (half-maximal inhibitory concentration

IC50) 값이 약간 감소하지만, NCI-N87 세포에 항암제가 여전히 반응하는 성질을 보였다. 또한, 마이크로구조체 내 장전된 lapatinib 및 5-FU 약물은 6일까지 일정하게 분비되며, 마이크로구조체의 크기 및 개수가 증가할수록 세포성장을 억제하는 능력이 더 우수함을 확인하였다. 약물 분비율 및 세포성장 억제율에 대해 수학적 모델링을 진행하고, 제작된 적층형 약물전달시스템은 70일동안 약물분비가 제어됨을 예측하였다. In vivo 쥐 실험을 통해, 논문에서 제안한 방법으로 제작된 약물전달시스템은 실제로 70일의 장시간 동안 암세포의 성장이 억제됨을 확인하였다. 본 논문에서 개발한 X-선 리소그래피는 생분해성 고분자뿐만 아니라, 폴리에스테르 계열의 다른 고분자에도 적용이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 제안된 약물전달시스템은 체내 투여 시, 환부 근처에서의 약물분비를 약물유효농도 내로 제어할 수 있어 약물의 과 투여에 의한 부작용을 최소화함과 동시에 약물에 의한 치료 효율을 높이는데 기여할 것으로 기대된다.