나노 입자를 이용한 안구 약물 전달 시스템 소개
한현구, 김현철*
서강대학교 화공생명공학과, 서강대학교 화공생명공학과 약물전달 및 조직공학 연구실*
{jedimind, hyuncheol*}@sogang.ac.kr
서론
불과 몇 십 년 전만 하더라도 안구 관련 질환은 사 회에서 심각한 이슈로 다루어지지 않았다. 사람들은 암과 같이 생명에 위협을 줄 수 있는 질병에 대해서는 경각심을 가지는 반면, 생명과의 직접적인 연관성이 없는 안구 관련 질환에 대해서는 먼 이야기처럼 생각 해 왔던 것이 현실이다. 그러나 인간 수명의 연장으로 전 세계적으로 노령화 사회가 형성됨에 따라 몇 년 전 부터 안구 관련 질환의 심각성이 대두되고 있으며, 그 에 따른 관심이 급증하고 있는 추세이다. 우리나라의 경우, 노령화와 더불어 식습관의 서구화 등으로 안구 관련 질환 환자가 증가하면서 신문이나 텔레비전 등 의 매체에서 관련 기사를 심심찮게 접할 수 있다. 안 구 관련 질환 중 망막 부분에 생기는 질환은 대부분 심각한 시력 손상을 가져와 최종적으로 실명을 유발 하며, 우리나라 실명 인구 가운데 70%가 망막 질환으 로 시력을 잃는 것으로 나타났다. 더욱이 망막 질환의 무서운 점은 환자가 예측 불가능하게 어느 날 소리소 문 없이 순식간에 시력을 앗아갈 수 있는 위험성을 지 니고 있다는 것이다.
대표적인 망막질환으로 연령관련 황반변성(age- related macular degeneration)과 당뇨병성 망막병증 (diabetic retinopathy) 그리고 녹내장(glaucoma)이 있다. 이들은 3대 망막질환으로 불리며, 그만큼 망막 관련 실명 유발에서 높은 비중을 차지하고 있다. 과거 에는 선진국에서 주로 걸리는 질병으로 알려져 있었 지만, 우리나라도 경제 성장과 더불어 삶의 수준이 선
진국화됨에 따라 이러한 질병을 앓고 있는 환자의 수 가 크게 증가하였다. 이 중에서 연령관련 황반변성은 일반적으로 50~60세 경에 유발되기 시작하여 60세 이상 노인 인구의 실명을 초래하는 주원인으로, 미국 에서는 노인 실명의 1위를 차지하고 있고 국내에서도 환자의 비율이 급증하고 있다. 연령관련 황반변성의 정확한 발병 원인은 밝혀지지 않았지만 현재까지 흡 연, 비만, 비타민 등의 결핍 그리고 심혈관계의 위험을 초래하는 유해한 생활방식들이 주요 요인이 되는 것 으로 보고되고 있다.
연령관련 황반변성은 황반(망막의 중심 부분이며 혈관이 가장 많이 위치한 곳, 또한 시력의 대부분을 차지하고 있음) 부분에 유발되는 만성적인 질병으로, 두 가지 형태로 구분할 수 있다. 건성 연령관련 황반 변성(dry form AMD)과 습성 연령 관련 황반변성 (wet form AMD)이 이에 해당한다. 전자의 경우, 유 해한 세포 잔해물이 망막색소상피(retinal pigment epithelium, RPE) 세포 내부와 표면 아래에 쌓여 RPE 세포의 기능을 손상시키고 결국에는 RPE 층과 맥락막(choroid)에 위치한 혈관 (choriocapillaris) 그 리고 광수용체 (photoreceptor) 부분에 점진적인 수 축이 발생하여 수축된 부분의 세포 등이 죽게 됨으로 써 시력을 잃게 된다. 후자의 경우, 건성 연령관련 황 반변성보다 병이 더 진행된 상태로 맥락막에 신생혈 관이 자라나 (choroidal neovascularization, CNV) 황 반 부위로 뚫고 들어오게 된다. 습성 연령관련 황반변 성 환자는 이렇게 생성된 CNV 신생혈관에 의해 발
생하는 출혈 및 염증 등으로 결국엔 시력 손상을 입게 된다. 시력을 잃는 황반변성 환자의 주요 원인은 습성 연령 관련 황반변성과 관련된 CNV 신생혈관 생성에 의한 것으로 알려져 있다.
본 글에서는 궁극적으로 실명을 유발하는 연령 관 련 황반변성의 위험성과 그에 대한 나노 기술이 접목 된 치료 기술 개발 연구에 대해 소개하고 향후 전망을 알아보고자 한다.
안구 약물전달을 위한 기술 1) 안구 약물전달 루트
안구 약물 전달 (Ocular Drug Delivery)은 말 그대 로 안구에 약물을 전달하는 기술을 일컫는 것으로, 각 막염(Karatitissicca)이나 결막염(Conjunctivitis)과
같이 안구 바깥 부분에 생기는 질병과 연령관련 황반 변성이나 녹내장과 같이 안구 안쪽에 생기는 질병 모 두를 대상으로 치료하고자 하는 목적을 지니고 있다.
안구는 다른 장기로부터 독립적으로 구분되어 있는 부분으로 구조 상, 크게 앞부분 (Anterior)과 뒷부분 (Posterior)으로 나눌 수 있으며, 연령관련 황반변성 병변 부위인 망막은 안구의 뒷부분에 속한다. 안구 약 물 전달에 있어 안구 자체가 가지고 있는 해부학적 혹 은 생리학적 장벽이 존재하여 약물을 전달하는 데 많 은 어려움이 존재함에도 불구하고 망막 질환을 치료하 고자 하는 약물 전달 연구는 활발하게 진행되고 있다.
안구 약물 전달 루트는 크게 네 가지로 구분할 수 있다. 국소 약물전달 경로(topical administration), 전 신 약물전달 경로(systemic administration), 안구 주
그림 1. 망막은 신경 세포들로 구성된 여러 개의 세포 층으로 이루어져 있다. 연령관련 황반변성 질환을 앓고 있는
환자의 경우, 정상시력을 가진 사람의 시야와는 달리 중심 시야에 이상이 생겨 사물이 흐릿하게 보이게 되고, 이윽
고 실명에 이르게 된다. 정상 망막의 경우 온전한 망막 구조를 이루고 있지만, 연령관련 황반변성의 두 유형 중 하
나인 건성의 경우엔 광수용체(Photoreceptor) 부분 밑에 Drusen이라는 노폐물이 쌓여 수축이 일어나게 되고, 습성의 경
우엔 망막색소상피(RPE) 층에 신생혈관이 뚫고 나와 시력 손상이 발생한다.(그림 출처; 우측 상단: Neurotech; 우측하
단: Vision and Eye Health).
위 약물 전달 경로(periocular administration) 그리고 안구 내 약물 전달 경로(intraocular administration)가 이 에 해당한다.
각막(cornea)을 통해 약물을 전달하는 안약 혹은 연고(ointment) 등이 대표적인 국소 약물 전달 경로 에 해당하며, 약물 주입의 편리함과 안전성이 뛰어나 다는 장점이 있다. 그러나 망막까지 약물을 전달하는 데 있어서 충분한 농도의 약물이 전달될 수 없다는 점 에서 효율적이지 못하다. 코와 눈물 분비에 관계된 Nasolacrimal duct를 통해 약물이 빠르게 방출되며, 약물 통과 부위인 각막 상피(corneal epithelium) 자 체의 침투성이 좋지 못해 약물이 망막에 거의 도달하 지 못하고 치료 효과를 내기에는 미비한 양만이 전달 된다. 따라서 높은 농도의 약물을 빈번히 주입해야 하 는 불편한 점이 있다.
전신 약물 전달 경로는 생리학적으로 안구와 나머 지 장기 기관들을 분리시키는 blood-ocular barrier의 존재로 인해 망막 부위에 약물 전달 효율이 좋지 못하 다. Blood-ocular barrier는 상피 및 내피 조직이 서로 tight junction을 이루고 있어 혈관에서 안구 쪽으로
물질이 전송되는 것을 제한한다. 또한 이러한 barrier 의 종류로 망막 내 RPE와 망막 혈관의 내피세포로 구성된 Inner or Outer blood-retinal barrier가 존재하 여 망막 쪽으로 혈관을 타고 전송되는 약물을 제한한 다. 이러한 제한과 더불어 전신 약물 전달 경로는 우 리가 원치 않는 부위에서 약물의 부작용이 발생할 수 있는 가능성도 존재한다.
안구 주위를 통한 약물 전달 경로 중 공막(sclera) 을 통과하여 약물을 전달하는 방법이 있다. 지속적으 로 약물 전달이 가능한 다양한 제형의 implant가 대 표적으로 이러한 방법을 통해 약물을 전달한다. 안구 내 약물 전달 경로보다 안전하고 비침습적(non- invasive)이며, 공막의 넓은 면적을 통해 약물을 전달 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 공막을 통과하는데 있어서 세 가지의 Barrier가 있다. Static barrier, Dynamic barrier 그리고 Metabolic barrier가 이에 해 당한다. Static barrier에는 공막과 브룩스 멤브레인 (Bruch’s membrane), 맥락막 그리고 RPE와 같은 Anatomical barrier가 해당되며, Dynamic barrier는 주로 약물을 씻겨나가게 하는 기작으로, 결막과 맥락 막에 존재하는 혈관 및 림프관을 따라 흐르는 fluid flow를 통하여 약물을 씻어내는 현상이 발생한다. 마 지막으로 Metabolic barrier는 Cytochrome P-450 등 과 같은 효소를 이용하여 대사작용을 통해 약물을 분 해하는 작용을 말한다. 이러한 세 가지의 barrier들로 인하여 공막을 통과하여 약물을 전달하는 경우, 그 효 율이 상당히 떨어지는 것으로 알려져 있다.
안구 내 망막으로의 약물 전달 경로의 대표적인 방 법이면서 가장 임상적으로 널리 사용되는 방법은 약 물을 직접 안구의 유리체강 내에 주입하는 것이다. 이 방법은 망막 부위에 약물을 전달하는 가장 효과적인 방법이지만, 유리체강 내에서 발생하는 왕성한 ELIMINATION 기작으로 인하여 전달된 약물의 짧 은 반감기로 인하여 어느 정도의 약물의 농도를 유지 하기 위해서는 빈번한 INJECTION이 요구된다. 이와 같은 빈번한 INJECTION은 망막박리(Retinal
그림 2. 안구 내 망막 부위에 약물을 전달하는 루트는
크게 네 가지로 구분된다. Topical Administration, Systemic
Administration, Intravitreal administration, 그리고 Trans-scleral
administration.
detachment), 망막 출혈(Retinal haemorrhage), 내 안구염 (Endophthalmitis) 등과 같은 부작용이 발생 하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 단점을 극복하 면서 효과적으로 약물을 망막에 전달하기 위한 나노 기술 개발과 이를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
나노 입자를 이용한 안구 약물 전달
망막 질환 치료를 위한 약물전달시스템 개발에 많 은 노력이 기울어져 왔다. 특히 나노 크기의 약물 전 달체를 이용하여 다양한 약물을 전달하고자 하는 연 구에 많은 관심이 집중되어 왔는데, 본 글에서는 펩타
이드와 siRNA 기반 약물 전달에 대한 연구의 예를 소개하고자 한다.
연령관련 황반변성 질환 기작인 CNV 가 유발되면, integrin ανβ3가 과도하게 발현되어 이는 곧 신생혈관 생성에 대한 자극으로 이어지게 된다. 이를 ανβ3에 일 반적으로 높은 선택성을 보이는 것으로 알려진 RGD peptide보다 탁월한 선택성을 보이는 펩타이드 제형 약물인 C16Y 펩타이드를 이용하여 신생혈관을 억제 하려 하는 연구이다. 약물을 전달할 나노전달체로는 생분해성 고분자인 polylactic acid/polylactic acid- polyethylene oxide nanoparticles (PLA/PLA- PEO)가 사용되었고 이를 나노 입자로 제작하였다.
이 연구에서는 레이저로 CNV를 유발시킨 (laser- photocoagulated CNV) Rat 모델에 C16Y 펩타이드 를 적재한 PLA/PLA-PEO 나노전달체를 유리체강 내 주사한 뒤, 신생혈관의 억제 정도를 본 연구로 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 C16Y 펩타이드가 CNV 신생 혈관 생성을 억제함과 동시에 나노전달체를 이용하여 펩타 이드를 전달함으로써 C16Y 펩타이드 단독 사용 그룹 에 비해 지속적인 효과를 보이는 것을 알 수 있었다.
연령관련 황반변성에 관련된 CNV는 앞서 확인했 듯이, VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor) 의 발현으로 생성이 된다. 이에 따라 혈관상피세포 표 면에 위치한 VEGFR2 receptor를 표적으로 하는 Sirna-027로 대표되는 siRNA 기반 약물과 Bevacizumab 이나 Ranibizumab과 같이 VEGF isoform을 표적으 로 하는 항체 약물이 개발 및 사용되었다. 또한 이에 대한 연구가 진행되고 있는데 특히, VEGF를 mRNA (messenger RNA) 수준에서 차단할 수 있는 유전체 약물인 siRNA와 나노전달체를 접목한 연구도 활발히 진행되고 있다. 단독으로 siRNA 기반 약물을 사용하 였을 때, 다양한 효소 등에 의해 안구 내에서 분해될 수 있는 단점을 유전체 약물인 siRNA와 이를 보호할 수 있는 나노전달체의 복합적 이용을 통해 극복할 수 있을 것으로 예상한다.
그림 3. 레이저로 CNV를 유발시킨 동물모델에서 펩타이
드와나노 입자의 효과를 분석한 결과이다. (A) PBS
alone; (B) empty PLA/PLA-PEO 나노전달체; (C) C16Y 펩타
이드 용액; (D) C16Y 펩타이드를 적재한 PLA/PLA-PEO
나노전달체.
안구 내 유전체 약물 전달을 위한 최적의 나노 입자 연구
유전체 약물을 망막에 효과적으로 전달하기 위한 나노전달체를 개발하기 위해서는 우선적으로 망막 전 달에 최적화된 나노전달체를 선별하는 과정이 필요하 다. 이러한 이유로 나노 입자의 안구 내 분포 연구를 통해 최적의 약물 전달 시스템을 선별하는 연구가 있 어 이를 소개한다.
이 연구에서는 각기 다른 표면 전하 (surface charge) 를 가진 자가조립된 (self-assembled) 나노 입자를 유리체강 내 주사하여 유리체와 망막에서의 입자 분 포를 확인함으로써 망막 도달 여부를 확인하였다. 자
가조립된 나노입자는 친수성의 고분자와 소수성의 물 질을 섞어줌으로써 제작되었다.
이렇게 만들어진 나노입자들은 모두 구형의 형태를 보였으며, 크기는 200 nm에서 300 nm로 균일한 입 자 분포를 보였으나, 사용된 물질에 따라 각각 다양한 표면 전하를 보여 주었다.
표면 전하에 따른 유리체와 망막에서의 분포를 확 인하기 위하여 총 4 종류의 나노입자가 사용되었다.
양전하를 띤 나노 입자로는 PEI(Polyethylenimine) 와 GC(Glycol chitosan)가 사용되었고, 음전하를 띤 나노 입자로는 HSA(Human Serum Albumin)와 HA(Hyaluronic acid)가 사용되었다. 또한 각 고분자
그림 4. 친수성 물질(PEI, GC, HA, HSA)에 소수성 물질(5β -cholanic acid)를 결합하여 자가 조립된 나노 입자를 만듦. 나노 입자에 형광 물질 표지(Fluorescence dye labeling)를 통하여 망막과 유리체 내에서의 나노 입자 분포를 확인할 수 있음.
그림 5. 나노 입자의 크기에서는 크게 차이가 나지 않은 반면, 사용된 물질에 따라 표면 전하의 차이를 보이고 있다.
형성된 모든 나노 입자는 구형을 보여 주었다.
를 섞어 만들어진 3종류의 나노 입자 또한 유리체강 내 주사되어 분포를 확인하는데 사용되었다.
유리체는 98~99% 물과 1~2% 음전하를 띠는 proteoglycan filaments로 구성된 네트워크 조직을 이 루고 있는 구조이다. [그림 6 (A)]에 보여지는 것과 같이 PEI 나노 입자는 강한 양전하를 띰으로써 음전 하를 지닌 유리체 구성물과의 결합으로 유리체를 통 과하지 못하는 것을확인할 수 있었다.
GC 나노 입자는 PEI 나노 입자와 같이 양전하를 띠고 있지만, [그림 6 (B)]에 보여지듯이 유리체 내 의 물질들과 전기적으로 결합하지 않고 유리체를 통 과하여 망막에 도달하는 것을 알 수 있었다. 그 이유 는 chitosan이 양전하를 띠고 있지만 Glycol group에 의해서 음전하를 지닌 유리체 구성물과의 직접적인 결합이 방해되었기 때문으로 해석되었다. 그러나 GC
나노 입자는 망막 내로 침투해 들어가지 못하고 ILM 에 축적됨을 알 수 있었다.
PEI 나노 입자와 GC 나노 입자와는 달리 [그림 6 (C)]와 [그림 6 (D)]에서 보여 지듯이 음전하를 띠 는 HA 나노 입자와 HSA 나노입자는 유리체와 망막 을 통과하여 망막 하부층에 도달하는 것을 확인할 수 있었다.
각각의 고분자들을 섞어 제조된 혼성 나노 입자의 유리체와 망막에서의 분포를 확인한 결과 PEI/GC 나노 입자의 경우, 두 고분자 모두 표면에 양전하를 띠고 있어 유리체를 통과하지 못하거나 망막에 도달 하여도 ILM 표면에 축적될 뿐 망막 내로 전달되지 못하였다. 양전하를 띤 GC와 음전하를 띤 HA가 섞 인 나노 입자는 GC 나노 입자의 분포와 같이 ILM을 통과하지 못한 것을 확인할 수 있다. 이 경우에 GC와
그림 6. 유리체강 내 주사 뒤 6시간 경과 후 Rat 의 유리체와 망막에서의 나노 입자 분포 결과. (A) PEI 나노 입자; (B)
GC 나노 입자; (C) HA 나노 입자; (D) HSA 나노 입자; (E) PEI/GC 혼성 나노 입자; (F) HSA/GC 혼성 나노 입자; (G)
HSA/HA 혼성 나노 입자. 형광 물질로 표지된 나노 입자는 빨간색을 띠고 있고 파란색 부분은 DAPI staining임.
같이 양전하를 띠는 물질이 HSA와 망막 세포와의 작 용을 방해했을 것이라는 예상을 할 수 있다. 음전하를 띤 나노 입자들로 각각 모두 망막의 하부층까지 도달 한 결과를 보였던 HSA와 HA를 섞어 만든 나노 입 자는 각각의 결과와 동일한 양상을 보였다. 즉, 망막
내 도달하여 하부층까지 분포함을 보였다.
망막은 여러 세포층으로 구성된 조직으로 가장 안 쪽에 위치한 Inner Limiting Membrane(ILM)은 망 사와 같은 채 구조를 보이고 있으며 구멍의 크기는 10~25nm인 것으로 보고 되었다. 반면에, 망막 조직 의 바깥 부분에는 External Limiting Membrane (ELM)이라는 Tight Junction을 이루고 있는 구조가 있는데 ELM의 구멍 크기는 3~3.6 nm로 알려져 있 다. 이러한 물리적인 Barrier를 200nm 크기 이상의 나노입자가 통과하여 RPE에 도달한 것에 대한 기작 을 연구하였으며 그 결과 HA 나노입자와 HSA 나노 입자는 Muller 세포를 통하여 망막 구조를 통과하는 것으로 알 수 있었다.
맺음말
본 글에서는 연령관련 황반변성에 대한 전반적인 설명과 이를 치료하기 위한 약물 전달 경로, 약물 전 달을 위한 나노전달체 및 유전체 약물과의 복합적 사 용 등에 대해 살펴 보았다. 이미 우리나라도 노령화 사회로 접어들어, 노인층의 비중이 증가하고 있는 만 큼 현재보다 더욱 연령관련 황반변성과 같은 망막 질 환에 대한 관심이 필요하고 이를 치료하기 위한 약물 전달 시스템의 개발도 절실하다는 것을 느낀다. 기존 의 치료 방식의 한계를 극복하는 더욱 효과적인 치료 기술 개발에 대한 활발한 연구의 필요성을 강조하면 서 이 글을 마치고자 한다.
