서론
약, 발광물질, 또는 센서물질들을 몸 안의 암이나 박테리아에 감염된 특정 세포로 정확히 전달하기 위 한 약물 전달체 연구가 최근 활발히 진행 중에 있다 [그림 1]. 여러 종류의 프로틴,1-5 나노파티클, 폴리머 등이 약물전달 시스템으로서 연구되어 왔으며, 특히 각각의 장점을 유지하고 한계점을 보완하기 위하여, 이러한 물질들을 조합한 복합체 형태의 전달시스템이 주 연구대상이 되고 있다. 예를 들면, 지질막으로 구성 되어 있는 리포솜(liposome)이 전통적인 약물 전달체 로 쓰여 왔으며, 최근에는 곁가지 모양으로 반복되어 구 모양을 가지고 있는 폴리아미도아민 덴드리머 (PAMAM dendrimer), 기계적 강도와 화학적 안정 도가 매우 높은 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotube) 등이 사용되어 왔다.
이러한 전달체들의 실용화를 위하여 개설되어야 할 문제점들로는, 1) 정상세포에도 해를 입힐 수 있는 독 성 유발(cytotoxicity), 2) 전달하는 약물을 오랜시간 보관하지 못하는 점(short circulating lifetime), 3) 낮 은 전달 정확도 등이 있다. 이러한 문제점들을 개선하 기 위해서, 전달체의 표면을 개선하는 것이 중요한데, 주로 polyethylene glycol(PEG)과 같은 폴리머 또는 폴리펩타이드(polypeptide) 등이 쓰인다[그림 2]. 이 러한 표면 개선은, 약물을 오랜 시간 안전하게 보호해 주고, 수용성을 높여주며, 무분별한 세포독성을 낮추 어 정밀 타켓의 정확도를 높여 준다.
약물을 안전하게 원하는 부위로 효율적으로 전달하 기 위해서는, 전달체의 접합 정도 및 환경에 따른 구 조적 특성을 아는 것이 중요하다. 특히, 전달체들이 특 정 암 세포를 인식하고 공격할 때 가장 먼저 만나고
약물 전달체 디자인 혈관을 통과하는 전달체 특정 세포를 공격
그림 1. 특정 세포로의 약물-나노물질 복합체 전달.
작용하게 되는 부분이 세포를 둘러싸고 있는 지질막 (membrane)이므로, 전달체와 지질막 사이의 상호작 용을 이해하는 것이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 이 러한 상호작용과 메카니즘 규명을 위하여, 많은 in vivo, in vitro 실험이 행해져 왔으며, 주요 항암제 (Doxorubicin, Methotrexate, Paclitaxel, etc)의 전달 에 관한 희망적인 결과를 보여주었고, 전달체의 세포 독성에 관한 활발한 연구가 전개되어 왔다. 전달체의 구조적 특성 및 지질막과의 상호작용에 관한 몇 가지 메카니즘에 대한 가설이 제시되었으나, 불과 100nm 이하 크기의 전달체들을 실험 도구들로 측정하는 것
에 한계가 있으므로, 이들을 제대로 규명하지 못한 상 황이다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 컴퓨터를 이 용한in silico 실험의 병행이 매우 중요하게 되었다.
컴퓨터의 계산 속도와 시뮬레이션 기법의 급속한 발 전에 힘입어, 컴퓨터 시뮬레이션이 실질적으로 연구 에 큰 도움이 되고 있다. 특히, 분자역학 시뮬레이션 (Molecular dynamics (MD) simulation)을 이용할 수 있는데, MD simulation 의 결과들이 실험 결과와 일치함을 보여준 뒤, 실험에서 관찰하거나 측정할 수 없었던 atomic-, molecular-level의 현상들을 볼 수 있 다. 일반적으로, hydrogen을 포함한 각각의 atom을
그림 2. 표면 개질이 적용되는 약물 전달체.
그림 3. Atomic과 coarse-grained 시뮬레이션의 시스템 크기와 타임스케일 비교.
본 기고에서는, 타겟 정확도와 전달 효율이 높은 약 물 전달체 디자인을 목표로, 컴퓨터 시뮬레이션을 이 용한 전달체의 구조적 특성 및 지질막과의 상호 작용 에 관한 연구의 일부를 소개하고자 한다. All-atom 과 coarse-grained simulation을 통하여, 시뮬레이션 결과들이 실험결과와 일치함을 보인 뒤, 실험 결과에 서 제안된 가설들을 검증하고 그 자세한 메카니즘을 규명하여, 약물 전달체의 circulating lifetime, 세포독 성, 수용성, 타켓 정확도에 영향을 미치는 주요한 요인 을 결정하고, 이를 토대로 가장 효율적인 약물 복합체 디자인을 돕는 과정에 중점을 두었다.
본론
본 연구팀은 약물전달 시스템의 구조적 특성 및 세 포막과의 반응메커니즘 규명 연구를 위하여, 분자모 델링 기법을 활용하고 있다. 덴드리머, 카본나노튜브, 리포솜 등을 주로 연구하였으며, 이들의 전달 효율을 극대화하기 위해 폴리머 및 polypeptide를 적정 수준 에서 접합시키고 그들의 영향을 연구하고 있다. 단일 스케일이 아닌, 멀티스케일로 시뮬레이션을 하여, 실 험에 가까운 크기의 시스템을 구현하여, 나노파티클 간의 aggregation 현상 및 세포막과의 상호작용을 연 구하고 있다. 이러한 시뮬레이션 결과들은, 실험 그룹 과의 공동 연구를 통하여 실험 결과를 검증하고, 이론 적으로 메커니즘을 규명하는 동시에 후속 실험 방향 을 제시한다.
1) 분자모델 개발6-9
본 연구팀에서는, 덴드리머, 카본 나노튜브, PEG
등의 시뮬레이션을 위하여 필요한 all-atom 및 coarse-grained (CG) 분자모델을 자체 개발하고 있 다. Quantum mechanics 계산 결과에 맞추어, non- bonding potentials (Lennard-Jones, Coulomb)와 bonding potentials (bond-stretching, angle, dihedral) 을 parameterization한 후에, polymer physics 및 실 험 결과와 일치 시키도록 force field를 개발하였다.
Coarse-grained 모델의 경우, 적은 beads 숫자로 인 하여, 시뮬레이션 계산을 상당히 절약할 수 있다[그림 4]. 이러한 force field 개발은, 시뮬레이션을 하는데 있어서 가장 중요한 연구 과정으로, 정확한 force field 가 선행되어야만 신뢰성 있는 시뮬레이션 결과를 도 출할 수 있다. 이렇게 본 그룹에서 개발된 force field 들은, 현재 세계적으로 많은 시뮬레이션 그룹들이 사 용하고 있다. 대부분의 force field 개발과 시뮬레이션 은 GROMACS와 CHARMM 팩키지를 이용하였고, 팩키지에 있는 분석 툴이나, 직접 개발한 툴을 이용하 여 분석하였다.
2) Dendrimer (덴드리머)10-18
덴드리머 분자모델을 직접 개발한 뒤, 덴드리머, 고 분자, 펩타이드, 지질막 간의 상호 작용에 관한 MD
그림 4. 덴드리머의 CG model. 붉은 원형이, 한 개의 CG
bead가 모사하는 범위를 가리킴(CG bead가 4-5개의 heavy
atoms을 모사).
시뮬레이션을 하였다. 특히, 덴드리머의 외형적, 전기 적 특성 및 외부 요인에 따른 덴드리머의 크기와 내부 구조 변화를 집중적으로 연구하였으며, PEG이나 polypeptide 등의 여러 가지 conjugates에 따른 역학 적, 구조적 변화를 밝혀냈다[그림 5]. 덴드리머에 더 욱 많은 PEG이 접합될수록, PEG끼리의 crowding 현상이 심해지면서 덴드리머 표면을 밖으로 당기므로, 덴드리머의 구조가 dense-core에서 dense-shell로 변 함을 알아내었다. 특히, 접합된 길이가 길 때에는, PEG가 덴드리머의 중심을 향하는 self-penetration을 보임을 찾아냄으로서, PEG간의 상호작용이 덴드리머 aggregation을 일으킬지 모른다는 실험 가설이 잘못 되었음을 입증하였다. 또한, self-assembly 시뮬레이 션을 통하여, 덴드리머의 aggregation 현상 및 폴리머 상변화에 대한 기본 원리를 연구하고 고분자 이론과 비교 분석하였다. PEG 이외에도, 펩타이드(histidine, arginine)를 덴드리머 표면에 부착하여, pH 변화에 따
른 덴드리머의 내부구조 변화를 밝혀냈다. 이러한 시 뮬레이션 연구들을 통하여, 덴드리머의 표면에 부착 하는 폴리머 및 펩타이드가 덴드리머의 구조 변화를 일으키고, 이러한 변화는 덴드리머의 약물 encapsulation 효율 및 세포독성 정도에 큰 영향을 끼 치는 것을 알 수 있었다.
이러한 덴드리머-폴리머 복합체가 여러 종류의 지 질막과 상호작용 하는 것을 시뮬레이션 하였다. 지질 막과 작용할 때 나타나는 특정 구조와 상호작용을 밝 혀내고, 그 결과가 실험과 일치함을 보여주었다. 실험 에서는 관찰할 수 없는 나노 또는 앵스토롱 스케일에 서 분석함에 따라, 특정 구조와 상호작용에 영향을 미 치는 주요 요인을 밝혀냈다. 특히, 지질막을 통과하는 메카니즘에 관한 연구를 실험 그룹과 공동 연구해 왔 으며, 덴드리머의 크기, 모양, 전기적 특성, 농도에 따 라서 다르게 나타나는 지질막의 curvature 및 pore formation 현상을 규명하고 실험 가설들과 비교하였
그림 5. PEG의 접합 수에 따른 덴드리머의 dense-core와 dense-shell 구조적 변화(검은색: G4 덴드리머, 붉은색: PEG).
그림 6. G5 (왼쪽 그림)와 G7 (가운데 그림) 덴드리머가 일으키는 지질막 curvature와 pore 형성. 덴드리머가 일으키는
toroidal pore의 형성 (오른쪽 그림). (회색: 덴드리머, 녹색: 지질 headgroup, 노란색: 지질 hydrocarbon tail).
3) Single-walled carbon nanotube(SWNT)19 SWNT는 높은 기계적 강도와 화학적 안정도 때문 에, 약물 전달 시스템으로서 각광을 받고 있다. 그러 나, SWNT는 hydrophobic하므로 aggregation되어, 원형 그대로 전달체로 사용하는 데에 한계가 있다. 이 러한 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나로서, SWNT 표면을 지질로 덮는 방법이 사용되고 있다.
SWNT와 지질의 하이드로카본 사이의 hydrophobic 작용에 의해 지질이 SWNT 표면에 self-assembly되 며, hydrophilic한 지질 headgroup이 복합체의 밖을 둘러싼 형태가 되어, SWNT 전달체의 수용성을 높일 뿐만 아니라, SWNT 끼리의 aggregation을 막을 수 있게 된다.
지질을 이용한 SWNT modification에 관련된 많은 실험들을 통하여, SWNT 표면에서 지질의 결합 형태
요인을 알아내기 위하여, SWNT를 위한 coarse- grained 분자모델을 개발한 뒤, SWNT와 지질을 혼 합하여 self-assembly하는 시뮬레이션을 하였다. 시뮬 레이션 결과를 통하여, 지질의 hydrocarbon tail 모양 이 복합체의 구조에 큰 영향을 끼치는 것을 발견하였 으며, 또한 지질에 PEG을 접목시킨 경우, PEG이 mushroom 형태의 구조를 형성함에 따라, 지질 curvature를 더욱 강하게 일으키고, 지질들끼리 서로 밀어내는 작용을 볼 수 있었다[그림 7]. 또한, 지질들 이 물에서 어느 정도 self-assembly된 뒤, SWNT 표 면에 흡수되는 것을 관찰하였다. 이러한 시뮬레이션 결 과들은, 여러 종류의 지질 타입과 약물 전달체에 접목 시킨 PEG이 SWNT-지질 복합체 구조 및 결합 메카 니즘에 어떠한 영향을 미치는 가를 규명했으며, 이전의 실험 결과들과 일치함을 보여주는 동시에, 더 많은 실
그림 7. SWNT와 여러 종류의 지질을 self-assembly시켰을 때 형성되는 복합체 구조. 지질의 구조(첫 번째 열), self-assembly
된 복합체의 cross-section 그림(두 번째 열), self-assembly된 복합체에서 지질 끝에 있는 carbon을 나타낸 그림 (세 번째 열),
실험에서 가설로 제안된 모델과의 비교(마지막 열).
험 및 시뮬레이션 연구의 필요성을 제안하고 있다.
4) Liposome (리포솜)20
리포솜은 세포막과 같은 형태인 지질막으로 구성되 어 독성이 적고, 약물을 포함할 수 있는 안정적 구조 를 가지고 있으므로, 약물 전달체로서의 활발한 응용 연구 중에 있다. 본 연구팀에서는 지질과 PEGylated 지질을 다른 비율로 혼합하여 self-assembly 시뮬레 이션을 수행하였고, 지질에 접합된 PEG의 크기와 농 도에 따라서, 리포솜, 바이셀(bicelle), 마이셀 (micelle) 구조 사이에 상변화가 일어남을 발견하였다 [그림 8]. 이러한 시뮬레이션 결과는 실험결과와 일치 하였을 뿐만 아니라, 자세한 구조 분석을 통하여, 상변 화에 따른 세부 구조에 관한 실험으로부터 정립된 가 설이 부분적으로 옳지 않다는 것을 밝혀내었다.
실험적으로, 리포솜의 표면에 conjugates을 붙임으 로서, 선택적으로 특정 세포에 대해서 약물을 방출하 는 리포솜 개발에 관한 연구가 진행 중이다. 리포솜이 정상체온보다 약간 높은 고온에서 불안정한 구조를 갖는 상변화 원리를 이용하여, 고온을 갖는 특정 부위 의 암세포를 선택적으로 공격하고 약물을 방출하는 획기적인 기술이 최근에 개발되었다. 여기에는 여러 종류의 지질, PEG, 펩타이드 등이 혼합된 리포솜이 쓰이는데, 무조건 길거나 많은 conjugates을 결합하는 대신, 적정량의 선택이 매우 중요하며, 이러한 최적화 과정을 위하여, 약물, 지질, 리포솜에 결합된 물질들의
상호작용에 대한 메커니즘을 이해하는 것이 매우 중 요하다. 본 연구팀에서는, 온도에 따라서 지질의 성분 비율과 접합 물질이 리포솜의 구조적, 역학적 특성에 영향을 줄 수 있다는 가정을 검증하였다. 특히, 이러한 영향을 미치는 중요한 원인 요인들과, 가장 알맞은 비 율 및 접합 정도를 결정하였다. 온도 변화에 따라서 지질에 접합된 물질의 구조가 random coil 또는 turn 구조로 바뀌면서 발생하는 리포솜 지질막의 안정도 및 메카니즘을 규명하였으며, 그러한 메카니즘을 일 으키는 중요한 구성요소를 밝혀냈다.
결론
지금까지, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 약물 전달 체 구조 및 작용 메커니즘에 대한 연구 동향을 살펴보 았다. 기존의 실험 연구에서 관찰하기 힘들었던 나노 스케일에서의 약물 전달체 구조적 현상 및 세포막과 의 상호작용에 대한 메카니즘을, 컴퓨터 시뮬레이션 을 통하여 규명하여 효율적인 전달체 개발에 도움을 주는 색다른 접근법을 소개하였다. 이는, 여러 종류의 항암제 및 폴리머를 포함하는 전달체가 특정 세포막 에 작용할 때의 차이점을 관찰하고, 그 차이를 일으키 는 주요 요인을 밝혀냄으로서, 약물 전달체의 타겟 정 확도를 높이기 위한 기초지식을 제공한다. 기존의 시 뮬레이션과는 달리, 시스템 크기와 시간의 한계를 극 복하기 위해 새로운 모델을 개발함으로서, 실제 실험 과의 차이점을 좁히고 실험에 실질적인 도움을 줄 수
그림 8. PEGylated 지질의 농도 변화에 따른 self-assembly 시뮬레이션 결과(PEG: 붉은색).
기초과학 발전에 크게 기여할 것으로 전망된다.
참고문헌
