서론
1970년대에 리포좀을 이용한 약물 전달 시스템이 처음 개발된 이래 주요 질병의 진단 및 치료를 위한 나노 입자 플랫폼 개발에 많은 노력이 기울여져 왔다 [1]. 이러한 노력으로 항암 화학 요법을 위한 리포좀 기반의 Doxil과 알부민 기반의 Abraxane, 자기공명영 상(MRI) 검사 시 조영제로 사용되는 Feridex와 Resovis 를 포함한 몇 가지 나노 약물 전달 플랫폼이 개발되었 고, FDA에 승인을 받아 임상에서 사용되고 있다[2-4].
뿐만 아니라, 전립선 암의 표적 치료를 위한 고분자 나노 입자 플랫폼을 포함하여 다양한 나노 약물 전달 시스템이 미국에서 임상 시험 중이다[2-5].
나노 입자 플랫폼의 발전 및 임상 적용은 다음과 같은 몇 가지 주요 요인들에 의해 저해되고 있다[2, 3, 6]. 우선, 나노 입자의 물리 화학적 특성이 나노 입 자의 생체 내 거동과 어떻게 연관되어 있는지에 대한 지식이 매우 제한적이다. 따라서 현재의 기술로 나노 약물 전달 시스템을 최적화하기 위해서는 다양한 특 성을 가지는 나노 입자를 제조하여 생체 외(in vitro)
검사와 생체 내(in vivo) 검사를 통해 나노 입자의 물 리 화학적 특성을 최적화해야 한다. 또한, 기존의 회 분식 반응기(batch reactor)를 이용하는 경우, 나노 입 자의 물리 화학적 특성을 정교하게 조절하면서 고품 질의 나노 입자를 재현성 있게 제조할 수 있는 능력 이 상대적으로 제한적이다.
지난 10여년 동안 마이크로 채널에서 나노 리터 에서 피코 리터 부피의 액체를 조작하는 기술인 미세 유체공학이 획기적으로 발전하였다[7]. 미세유체소자 플랫폼은 적은 양의 액체를 조작하여 미세 환경을 정 밀하게 제어할 수 있기 때문에 화학 합성, 화학 및 생 체 분자 분석, 조직공학 및 기타 응용 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근에는 미세유체공학을 나노 약물 전달 시스템 개발에 접목시킴으로써 위에서 언급한 이슈들을 해결하기 위한 새로운 접근법이 제시되고 있다[6, 8]. 본 칼럼에서는 다양한 미세유체소자 내에 서 빠른 나노 석출을 이용하여 나노 약물 전달 시스 템 분야에 활용될 수 있는 균일한 나노 입자를 제조 하는 기술을 소개하고자 한다.
미세유체소자를 이용한 약물 전달을 위한 균일한 나노 입자 제조
임종민
순천향대학교 나노화학공학과 조교수 [email protected]
2004 서강대학교 화학공학과 공학사 2009 KAIST 생명화학공학과 공학박사 2010 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원 2014 MIT 박사후연구원
2017 삼성전자 수석연구원
현재 순천향대학교 나노화학공학과 조교수
본론
미세유체소자를 이용한 균일한 나노 입자의 제조
미세유체공학이 나노 약물 전달 시스템에 최초로 적용된 분야는 나노 입자의 자기조립 시 주변 반응 환경을 정밀하게 제어하여 균일한 특성을 가지는 나 노 입자를 제조하는 것이었다[6, 8-10]. 미세유체 소 자를 이용한 미세 반응기의 경우, 상대적으로 큰 기 존의 회분식 반응기와 달리 시약의 빠른 혼합이 가 능할 뿐만 아니라 반응 온도와 반응 조작 시간의 정 밀한 제어가 가능하다[9, 11]. 예를 들어, 나노 석출 (nanoprecipitation)에서는 나노 입자의 전구체 용액을 비용매(nonsolvent)와 혼합함으로써 나노 입자를 자기 조립 할 수 있다[2, 6]. 나노 석출 공정에서 나노 입자 의 특성(평균 크기, 크기 분포 등)은 혼합 시간에 많 은 영향을 받는다. 기존의 회분식 반응기를 이용하여 나노 입자를 자기조립하는 경우, 혼합이 균일하지 않 을 뿐만 아니라 혼합이 일어나는 특징적인 시간의 척 도(characteristic time scale)가 양친성 분자의 자기조립 을 위한 특징적인 시간의 척도보다 길다. 이로 인해
보다 크기가 크고 불균일한 나노 입자가 만들어진다.
이에 반해 미세유체소자를 이용하여 나노 입자를 자 기조립하는 경우, 혼합이 균일할 뿐만 아니라 혼합이 일어나는 특징적인 시간의 척도가 짧기 때문에 보다 크기가 작고 균일한 나노 입자를 만들 수 있다.
미세유체소자를 이용하여 나노 입자를 자기조립 하는 접근법은 고분자 나노 입자, 리포솜, 산화철 나 노 입자 등 다양한 나노 입자의 물리 화학적 특성을 개선하는데 사용되었다[6, 8]. 예를 들어, FDA에 승 인을 받아 약물전달 시스템에 많이 활용되고 있는 poly(D,L-lactide-co-glycolide)-block-poly(ethylene glycol)(PLGA-PEG)를[12-14] 그림 1a와 같이 2차원 유체역학적 흐름 집속(2D hydrodynamic flow focusing) 을 이용하여 미세유체 소자 내에서 나노 석출시켜 나 노 입자로 자기조립 시킬 수 있다[15]. 미세유체소자 를 이용한 2차원 유체역학적 흐름 집속으로 만들어진 나노 입자는 기존의 회분식 제조 방법으로 만들어진 나노 입자보다 평균 지름이 작을 뿐만 아니라 균일한 크기 분포를 가진다.
그러나 PLGA-PEG 전구체의 분자량이 큰 경 우, 2차원 유체역학적 흐름 집속을 사용하게 되면
그림 1. (a) 2차원 유체역학적 흐름 집속을 이용한 PLGA-PEG 나노 입자 제조. (b) PLGA95K-PEG5K 전구체를 이용한 제조 공정에 따른 나노 입자의 크기 분포. (c) 3차원 유체역학적 흐름 집속을 이용한 PLGA-PEG 나노 입자의 제조 및 공초점 현미경을 이용한 단 면 사진. (d) PLGA95K-PEG5K 전구체 농도 변화 및 제조 공정에 따른 나노 입자의 크기 [16]. Figure adopted with permission from: (a), ref. 15, copyright 2008 American Chemical Society; (a-d), ref. 16, copyright 2011 John Wiley & Sons, Inc.
PLGA-PEG 전구체 용액이 수평 방향에서 물과 만 나서 나노 석출이 일어날 때, 수직 방향에서는 소수 성의 PDMS 채널과 만나서 상대적으로 큰 침전물 을 만들게 된다(그림 1a). 이 거대 침전물은 최종 산 출물에 섞여서 나노 입자의 크기 분포를 불균일하 게 만들 뿐만 아니라, 궁극적으로는 마이크로 채널 을 막아 미세유체소자를 손상시킨다 [16](그림 1b).
이를 극복하고자 3차원 유체역학적 흐름 집속을 사 용하여 수직 방향에서도 PLGA-PEG 전구체 용액을 Acetonitrile(ACN)로 감싸서 PDMS 채널과 만나지 못 하게 하였다(그림 1c). 그림 1c 우측 하단의 공초점 현미경 사진에서 확인할 수 있듯이 PLGA-PEG 전구 체 용액을 모사한 붉은색 형광 용액이 마이크로 채 널의 상류(A 지점)와 하류(B 지점)에서 모두 상하에 있는 PDMS 채널과 만나지 않음을 확인할 수 있었 다. 그 결과 분자량이 큰 PLGA95K-PEG5K를 고농도로 사용하였을 때, 3차원 유체역학적 흐름 집속을 이용 하여 수백 나노 미터 크기의 나노 입자를 생성할 수 있었다(그림 1d). 반면, 2차원 유체역학적 흐름 집속 을 이용한 경우, 마이크로 채널이 손상되어 나노 입 자를 제조할 수 없었다(그림 1d).
미세유체소자 플랫폼을 이용한 나노 약물 전 달 시스템의 최적화
미세유체소자를 이용하는 경우, 나노 입자의 물리 화학적 성질을 정확하고 재현성 있게 조절할 수 있기 때문에 서로 다른 특성을 가지는 다양한 조합의 나노 입자를 만들 수 있다. 그 중 최적의 약물 전달 특성을 보이는 나노 입자를 선별하는 연구들이 활발히 진행 되었다. 예를 들어, 유체의 혼합을 위한 헤링본 모양 의 홈을 가지는 미세유체 혼합기를 이용하여 siRNA 를 포함하고 있는 지질 나노 입자를 제조할 수 있다 [17]. 미세유체 혼합기에서 신속하고 작은 규모로 서 로 다른 분자 구조를 가지는 다양한 물질들을 이용하 여 다양한 조합의 siRNA를 포함하고 있는 지질 나노 입자를 만들 수 있다(그림 2a). 따라서, 다양한 분자 구조를 가지는 지질 나노 입자를 제조하고 각각의 생 체 외 및 생체 내에서 유전자 발현의 상관 관계를 조 사하는 것이 가능하다. 이를 통해 lipoplex에 의한 유 전자 억제에서 높은 위음성(false negative)을 방지하 고, 유전자 억제에 최적화된 화학구조를 가지는 지질 을 발견할 수 있었다. 또한, 나노 입자의 전구 물질을 특정 비율로 혼합할 수 있는 여러 개의 주입구를 가 지는 마이크로 믹서와 나노 석출을 통해 나노 입자
그림 2. (a) siRNA를 포함하고 있는 지질 나노 입자를 제조하기 위한 미세유체 채널의 모식도와 생체 외 및 생채 내 유전자 발현의 상관 도 [17]. (b) 다양한 조합의 나노 입자를 만들기 위한 미세유체 플랫폼의 모식도와 형광 표지 된 다양한 특성의 나노 입자와 관련 된 대식세포 형광 강도 [18]. Figure adopted with permission from: (a), ref. 17, copyright 2012 American Chemical Society;
(b), ref. 18, copyright 2013 American Chemical Society.
를 자기조립할 수 있는 미세유체 소자를 결합하여 다 양한 조합의 물리 화학적 특성을 가지는 나노 입자를 신속하게 만드는 플랫폼도 개발되었다[18](그림 2b).
이 플랫폼을 이용하여 다양한 조합의 특성을 가지는 나노 입자를 합성하고, 생체 외 및 생체 내 실험을 통 하여 전립선 암의 표적 치료에 최적화된 나노 입자를 선별할 수 있었다. 미세유체소자를 이용하여 나노 입 자를 만들고 선별하는 방법은 상대적으로 적은 양의 시약을 소비하고 다양한 조합의 나노 입자를 빠른 시 간 안에 효율적으로 만들 수 있기 때문에 최적의 약 물 전달 특성을 가지는 나노 입자를 선별하기 위한 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대 된다.
집적화된 미세유체소자를 이용한 균일한 나노 입자의 병렬 생산
나노 입자를 임상 시험에 적용하기 위해서는 사전 에 생체 외 검사와 생체 내 검사를 통해 나노 입자의 물 리 화학적 특성을 최적화해야 한다. 상대적으로 적은 양의 나노 입자가 필요한 생체 외 검사와 달리, 생체 내 검사를 위해서는 많은 양의 나노 입자가 필요하다. 뿐 만 아니라, 실제 임상에 적용하기 위해서는 최적화된 나노 입자를 대량으로 합성해야 한다. 기존의 회분식 반응기의 경우, 나노 입자의 시간당 생산량을 늘리려 면 반응기 크기를 증가시켜야 하고, 이를 위해 반응기 의 크기에 적합하도록 공정을 다시 최적화해야 한다.
이에 반해 미세유체소자를 이용하는 경우에는 일
반적으로 하나의 마이크로 채널에서는 작은 부피를 다루지만, 연속 생산이 가능하기 때문에 여러 개의 마이크로 채널을 동시에 사용하면 추가적인 공정 최 적화 없이 생산량을 늘릴 수 있다[19, 20]. 그림 3a에 나타낸 것과 같이 한 개의 미세유체소자에 여러 개의 마이크로 채널을 집적하여 많은 양의 균일한 나노 입 자를 병렬 생산할 수 있었다. 그림 3b의 공초점 현미 경 사진에서 확인할 수 있듯이 각각의 마이크로 채널 은 3차원 유체역학적 흐름 집속이 가능하여 PLGA- PEG 전구체 용액을 모사한 붉은색 형광 용액이 수직 방향으로 ACN에 의해 감싸져서 PDMS 채널과 만나 지 않았다. 또한, 미세유체소자에서는 유체의 유량비 를 조절하여 혼합 시간을 조절할 수 있기 때문에 생 산되는 나노 입자의 크기를 정교하게 조절할 수 있 었다(그림 3c). 뿐만 아니라, 기존의 회분식 반응기보 다 혼합 시간 척도가 짧아서 회분식 반응기에서 만들 수 없었던 20 nm 이하의 매우 작은 PLGA-PEG 나노 입자를 만들 수 있었다(그림 3c). 농도가 50 mg/mL인 PLGA-PEG 전구체 용액을 각각 8개와 32개의 3차원 유체역학적 흐름 집속이 가능한 마이크로 채널로 병 렬 생산하였을 때, 각각 시간당 84 mg과 시간당 336 mg의 PLGA-PEG 나노 입자를 생산할 수 있다. 이처 럼 생체 내 실험에 충분한 양의 나노 입자를 빠른 시 간 안에 제조할 수 있기 때문에 여러 번의 생체 내 실 험을 통해 나노 입자의 물리 화학적 특성을 최적화할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 3. (a) 균일한 나노 입자의 병렬 합성을 위한 3차원 유체역학적 흐름집속이 가능한 미세유체 소자 사진. (b) 미세유체 소자 내부에서 유체의 흐름을 보여주는 공초점 현미경 단면 사진. (c) 유체의 흐름비에 따른 PLGA-PEG 나노 입자 크기 변화 그래프 및 PLGA- PEG 나노 입자의 투과전자현미경 사진 [20]. Figure adopted with permission from ref. 20. Copyright 2014 Elsevier Inc.
Flash 나노 석출을 이용한 균일한 나노 입자 의 대량 생산
병렬 생산이 가능한 미세유체소자를 이용하는 경 우에도 임상이나 상업화에 사용되기에는 나노 입자 의 생산 속도가 느리기 때문에 부적합하다. 궁극적으 로 최적화된 나노 입자를 상업화 하려면 1년에 약 1 톤, 즉 시간당 100 g 이상의 나노 입자를 생산할 수 있 어야 한다. 미세유체 소자를 이용하여 병렬 생산을 통하여 시간당 약 100 g의 나노 입자를 제조하려면 대 략 10,000개 정도의 미세유체 채널을 동시에 구동해 야 하는 한계에 봉착하게 된다.
이러한 한계는 수-수십 mm 크기의 관에 유체를 매우 빠른 속도로 주입하여 난류 유동에 의한 혼합을 일으키고, 이를 이용하여 나노 입자를 대량으로 생 산하는 flash 나노 석출을 이용하여 극복할 수 있었다 [21, 22]. 그림 4a의 모식도에 나타낸 것과 같이 T 모양 의 튜브 피팅에 끝이 뭉툭한 주사 바늘 (blunt syringe needle)을 넣어주어 동축 난류 제트 혼합기 (Coaxial turbulent jet mixer)를 만들었다[21]. 동축 난류 제트 혼 합기의 안쪽에 있는 관을 통해 나노 입자의 전구체 용액을 흘려주고, 바깥쪽에 있는 관을 통해 비용매를 흘려준다. 유속을 높여 난류 유동을 일으키면 혼합이 되면서 자기조립에 의해 나노 입자가 생성된다. 동축 난류 제트 혼합기는 앞서 설명한 3차원 유체역학적 흐름 집속을 이용하여 미세유체 소자 내에서 나노 석
출시켜 제조한 것과 유사한 수준의 크기 균일도를 가 지는 나노 입자를 제조할 수 있다(그림 4b). 이 때, 혼 합 시간은 유체의 유량을 변화시켜 레이놀드 수를 조 절하여 정교하게 제어될 수 있다. 유량을 높여서 레 이놀드 수가 커지면 혼합 시간이 짧아지기 때문에 더 작은 크기의 나노 입자가 생성된다(그림 4b).
동축 난류 제트 혼합기에서는 고농도의 전구체 용 액이 바깥쪽 관과 만나지 않기 때문에 앞에서 설명한 3차원 유체역학적 흐름 집속과 마찬가지로 거대 침전 물이 생기지 않는다. 또한, 대부분의 유기 용매에 녹 지 않는 테플론 계열 물질로 동축 난류 제트 혼합기 를 구성할 경우, 기존의 PDMS 기반의 미세유체소자 에서 만들 수 없었던 다양한 종류의 나노 입자를 제 조할 수 있었다. 뿐만 아니라, 전구체 용액에 약물이 나 형광 염료 등과 같은 기능성 물질을 섞어주어 다 양한 기능성 나노 입자도 만들 수 있었다(그림 4c). 농 도가 50 mg/mL인 PLGA-PEG 전구체 용액을 사용한 경우, 분당 약 2.2 g의 PLGA-PEG 나노 입자를 생산 할 수 있었다. 이를 시간으로 환산하면 시간당 약 131 g으로 단위시간 당 생산량 측면에서 임상뿐만 아니라 상업화에도 적합한 수준임을 알 수 있다.
결론
본 칼럼에서는 미세유체소자를 이용하여 나노 약
그림 4. (a) 나노 입자 대량 생산을 위한 동축 난류 제트 혼합기의 모식도. (b) 동축 난류 제트 혼합기에서 만들어진 lipid vesicle의 크기 분포 및 투과전자현미경 사진. (c) 형광 염료를 함유한 lipid vesicle의 크기 분포, 형광 현미경 사진 및 디지털 카메라 사진 [21].
Figure adopted with permission from ref. 21. Copyright 2014 American Chemical Society.
물 전달 시스템 분야에 활용될 수 있는 균일한 나노 입자를 제조하는 기술에 대해 소개하였다. 미세유체 소자 플랫폼은 다양한 조합의 물리 화학적 특성을 가 지는 고품질의 나노 입자를 재현성 있게 연속 생산할 수 있는 방법을 제시함으로써 나노 약물 전달 시스템 의 최적화와 임상 적용을 촉진시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 미세유체소자를 이용한 나노 입자의 합 성법을 이용한 경우, 나노 입자의 생체 내 거동을 결 정하는 물리 화학적 특성을 재현성 있고 정밀하게 제 어할 수 있다. 또한, 미세유체소자 플랫폼을 이용하 여 합성한 다양한 조합의 특성을 가지는 나노 입자를 만들고, 생체 외 및 생체 내 실험을 통해 최적의 약물 전달 특성을 보이는 나노 입자를 선별할 수 있다. 뿐 만 아니라, 최적의 나노 입자를 임상 적용과 상업화 하기에 적합한 수준으로도 대량 생산할 수 있다.
향후 나노 석출 방법에 의해 제조된 나노 입자의 일부 특성들을 최적화하기 위한 추가적인 개발이 필 요하다. 또한, 나노 입자의 물리 화학적 특성과 균일 성이 임상 적용 시에 미치는 영향에 대해 탐구하기 위해서 더 많은 생체 내 실험과 임상 실험이 필요하 다. 뿐만 아니라, 대부분의 신규 기술과 마찬가지로 미세유체소자 플랫폼은 표준화와 사용자 편의성 등 의 문제에 직면해 있다. 그러나 미세유체소자 분야의 개발은 지속적으로 활발히 이루어지고 있으며, 이러 한 노력으로 표준화와 사용자 편의성의 한계가 극복 될 가능성이 매우 크다. 미세유체소자 플랫폼을 이용 한 접근법은 나노 입자의 이해와 최적화에 지속적으 로 적용되어 나노 약물 시스템 분야의 발전을 가속화 시킬 것으로 기대된다.
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