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pH-Sensitive Antibiotics Delivery via Conjugation with Maleic Acid Amide Derivative Linkers : 말레산 아미드 유도체와의 결합을 통한 pH-응답성 항생제 전달

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Authors
김슬아
Advisor
이연
Major
자연과학대학 화학부
Issue Date
2018-08
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 화학부, 2018. 8. 이연.
Abstract
약물전달 시스템은 특정 신호를 인식하여 약물을 선택적으로 방출/축적 시키는 시스템으로, pH, 온도, 빛, 효소 등 다양한 종류의 자극을 목적에 맞게 선택하여 이용할 수 있다. 그 중 pH는 생체 내부의 특정 부분에서만 변화를 일으키는 내인성 자극으로 신호-응답성 약물전달 시스템 연구에 널리 이용되어 왔다. 예를 들어 생리적인 pH는 7.4를 나타내는 것에 반해, 암 조직이나 염증 조직, 농양과 같은 비정상 조직은 pH 5-6 정도의 약산성 환경을 갖는다. 이러한 비정상 조직이 갖는 약산성의 pH에만 특이적으로 반응할 수 있는 화학결합을 약물전달 시스템에 도입한다면, 항암제, 항생제와 같은 약물이 환부에서만 선택적으로 방출되거나 축적되도록 유도할 수 있다. 하지만 지금까지 개발된 pH-응답성 화학결합은 복잡한 합성 과정과 느린 분해 속도, 그리고 pH 변화에 대한 낮은 민감도 등의 한계점으로 인해 실질적으로 응용되기 어려운 실정이다.

본 연구에서는 약산성의 조건에서 분해되는 말레산 아미드 유도체와 생체적합성을 갖는 β-cyclodextrin (β-CD)을 결합하여 새로운 pH-응답성 약물전달체를 개발하였다. 여러 종류의 말레산 아미드 유도체 중에서도 1-methyl-2-(2-carboxyethyl) maleic anhydride (MCM)로부터 유도된 말레산 아미드는 pH 변화에 대해 우수한 감응성을 나타낸다. 이러한 특징을 이용하고자, β-CD에 MCM을 결합시켜 약산성의 pH에서 빠르게 분해되는 약물전달체 (β-CD-MCM)를 합성하였다. β-CD-MCM은 말레산 무수물 형태에서 아민 계열의 약물과 한 단계의 반응을 통하여 말레산 아미드 결합을 용이하게 형성한다. MCM으로부터 유도된 말레산 아미드의 우수한 pH-감응성으로 인해, 약물전달체에 결합되어 있는 약물은 환부 조직의 약산성 환경 (pH 5.5)에서 빠르게 방출될 것으로 기대되었다. 또한, 여러 개의 작용기가 존재하는 β-CD를 전달체의 뼈대로 사용하여 약물의 적재량을 높임으로써, 환부에서 약물의 국소부위 농도가 증가되는 효과를 추가적으로 얻을 것으로 기대되었다.

본 실험에서는 두 종류의 아민 계열 항생제인 cephradine (CP)과 moxifloxacin (MX)을 모델 약물로 사용하였다. 체내에서 대사되거나 분비되지 않은 채로 잔류하는 항생제는 인체에 심각한 부작용을 초래하며, 항생제의 남용은 내성 문제를 빈번하게 발생시킨다. 따라서, 약물의 항생 작용을 염증 조직의 약산성 환경에서만 선택적으로 활성화시키는 것이 항생제의 부작용 및 내성 문제를 줄이는 해결 방안의 첫 걸음이 될 수 있을 것이라 생각하였기 때문이다. 본 약물전달체와 약물이 결합한 β-CD-MCM-drug로부터 pH에 따른 약물의 방출 정도를 HPLC 기기를 통해 확인하였고, 정상 조직과 염증 조직의 환경을 나타내는 pH 7.4와 pH 5.5에서 실험을 진행하였다. 이후, β-CD-MCM-drug의 S. aureus와 B. fragilis에 대한 항생 능력을 평가하고자 최소억제농도 (MIC)와 최소살균농도 (MBC)를 측정하였다. 보다 정교한 연구를 위해, 짧은 시간 간격으로 광학밀도를 측정하여 S. aureus의 성장 정도를 비교함으로써 pH에 따른 β-CD-MCM-CP의 선택적 약물 효능을 확인 할 수 있었다. 최종적으로, in vivo 실험을 통해 피하 농양을 갖는 일반쥐와 당뇨쥐에서 β-CD-MCM-CP의 효용성을 측정하였다. 본 연구 결과를 고려해보았을 때, 항생제와 결합한 β-CD-MCM 전달체는 염증 조직 또는 농양 조직의 약산성 환경을 표적하는 항생제 전달 시스템에서 큰 잠재력을 보여줄 것으로 사료된다.





주요어 : 항생제 전달, pH-응답성 분해, 말레산 아미드, 선택적 약물 방출, 항생 능력
Among various stimuli for triggering selective activity in drug delivery systems, pH change is one of the most widely utilized signals. The pH change is an endogenous stimulus of the biosystem. For instance, cancerous, inflammatory and abscess tissues show pH 5-6 in contrast with pH 7.4 in most normal tissues and physiological fluid. The weakly acidic pH conditions of the abnormal tissues are recognized for the development of smart drug delivery systems with pH-sensitive chemical bonds for the release and accumulation of anti-cancer or anti-inflammatory drugs. The chemical bonds responding to the pH variation which have been developed so far, however, are difficult to be used in the practical applications due to complex synthetic methods, slow degradation rates and low pH sensitivity.

In this study, I developed a novel pH-sensitive drug delivery system based on a maleic acid amide derivative linker and β-cyclodextrin (β-CD). 1-methyl-2-(2-carboxyethyl) maleic anhydride (MCM) moieties reacted with amine-containing drugs to form acid amide derivative bonds via a facile one-step conjugation, which are rapidly degradable at weakly acidic pH in biologically tolerable conditions. Owing to the characteristics, I expected that cargo drugs conjugated through the MCM-derived acid amide linkers can be released from the carriers in the weakly acidic environments of target tissues. In addition, the polypodal skeleton of the carrier backbone, β-CD, enables to conjugate many drugs, thus increasing the local concentration of the cargo drugs at the target site.

I selected two antibiotics, cephradine (CP) and moxifloxacin (MX), as model drugs because selective activation of the antibiotic activity at the infected or inflammatory tissues with weakly acidic pH conditions would be one promising solution for reducing side effects or resistance problems. pH-responsive release profiles of the antibiotics from the β-CD-MCM carrier were obtained at pH 7.4 and pH 5.5, mimicking normal and infected tissues, respectively, by using an HPLC instrument. Then, the antimicrobial activity of the antibiotics was measured in vitro against S. aureus and B. fragilis. Especially, time-dependent antimicrobial activity of the CP-conjugated drug carrier was measured in detail against S. aureus. Finally, in vivo efficacy of the CP-conjugated drug carrier was examined in abscess models in non-diabetic and diabetic mice. From the study, I suggested that the antibiotic-conjugated β-CD-MCM carrier has a strong potential as a selective antibiotic delivery system targeting weakly acidic inflammatory or abscess tissues.





Keywords : antibiotics delivery, pH-sensitive degradation, maleic acid amide, selective drug release, antimicrobial activity
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/144041
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Appears in Collections:
College of Natural Sciences (자연과학대학)Dept. of Chemistry (화학부)Theses (Master's Degree_화학부)
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