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Mastering Thin Film Hydration Method for Liposome and Lipid Nanoparticle Formulation |
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Author : Robin Oliverse | 리스트돌아가기 | |
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Thin Film Hydration, the genesis of liposomes and Lipid nanoparticles
비바이러스성 약물 전달 분야에서 Thin Film Hydration Method 는 표적 약물 전달을 위한 리포솜 또는 지질 나노입자 (LNP) 와 같은 기타 지질 기반 나노입자를 제조할 수 있는 최초의 이용 가능한 방법이었기 때문에
초석이 되었습니다. Bangham 법 또는 지질 막 수화법 (Lipid Film Hydration Method) 이라고도 알려진 이 합성 기술은 친수성 또는 소수성 API (원료의약품), 소형 약물, 펩타이드, 단백질, RNA 등
다양한 화합물을 캡슐화하는 데 사용 용이성과 효능 덕분에 약물 전달 접근 방식에 혁명을 일으켰습니다.
리포솜과 지질 나노입자는 서브미크론 크기 (일반적으로 50~500nm) 의 다재다능한 운반체로 돋보입니다. 리포솜은 하나 이상의 속이 빈 인지질 이중층 막으로 구성되어 수성 소포를 가두는 반면,
지질 나노입자 (LNP) 는 고체 지질 매트릭스가 특징입니다. 이러한 독특한 구조는 리포솜의 약물 또는 LNP 의 올리고뉴클레오티드, RNA, DNA 등과 같은 API 를 캡슐화하는 고유한 기능을 제공합니다.
특히, 이들은 뛰어난 생체 적합성, 높은 캡슐화 효율 및 우수한 약물 방출 능력을 제공하여 표적 약물 전달을 위한 핵심 자산이 됩니다.
이 방법은 사용 용이성, 광범위한 가용성 및 비용 효율성으로 인해 많은 실험실에서 널리 인기를 얻었습니다. 그러나 확장성이 낮고 최종 나노입자 특성에 대한 일관된 제어를 달성하기 어렵고
종종 재현성이 부족하여 생물학적 응용 분야에서 최적의 성능을 내지 못하는 경우가 많다는 어려움이 있습니다.
이러한 이유로 박막 수화 공정은 수년간 지속적으로 개선되어 왔으며, 나노입자 결과에 대한 훨씬 더 정밀한 제어를 가능하게 하는 동시에 더 높은 처리량을 허용하는 새로운 나노입자 합성 방법으로 이어졌습니다.
이러한 혁신은 최신 세대의 리포솜 및 LNP를 표적 전달 또는 치료-진단(theranostic) 응용 분야에 이상적인 도구로 만들고 있습니다.
Preparation of Liposome or Lipid-based nanoparticle by thin-Film Hydration Method
Thin Film Hydration 을 이용한 리포솜 제조 공정은 유기 용매에 지질을 녹이고, 용매를 증발시켜 플라스크에 얇은 지질 막을 형성한 다음, 이 막을 수용액으로 수화시켜 나노입자 형성을 유도하는 과정을 포함합니다.
이 공정에는 지질 선택, 용매 종류, 수화 매개변수 등 수많은 중요한 요소들이 영향을 미칩니다. 이 과정을 더 잘 이해하기 위해 단계별 공정을 자세히 살펴보겠습니다.
Selection of Lipids
Selection of Lipids
이 과정의 첫 번째이자 가장 중요한 단계 중 하나는 리포솜 제형에 적합한 지질을 선택하는 것입니다. 실제로 지질의 선택은 크기, 약물 캡슐화 효율
(즉, 약물 함량) 부터 세포 섭취 및 생체 분포에 이르기까지 거의 모든 최종 나노입자 특성을 결정합니다. 일반적인 리포솜 제형에는 대두 포스파티딜콜린
(soy phosphatidylcholine, SPC), 콜레스테롤 (cholesterol, Chol), PEG (polyethylene glycol) 및 응용 분야에 따라 다른 특정 지질들이 포함됩니다.
PEG 의 예에서 볼 수 있듯이, 지질의 비율은 매우 중요합니다. PEG의 농도는 일반적으로 0.5% 에서 3% 사이이며, 이 변화는 나노입자 또는 리포솜의 크기를
거의 3분의 1로 줄일 수 있습니다.
Dissolution of Lipids in an organic solvent
두 번째 단계는 유기 용매, 일반적으로 클로로폼 또는 클로로폼-메탄올 혼합물에 지질을 녹여 지질 현탁액을 얻는 것입니다. 그럼에도 불구하고 순수한 에탄올이나
메탄올과 같이 덜 가혹한 용매를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 다음 단계를 용이하게 하기 위해 둥근 바닥 플라스크를 사용해야 합니다.
친지질성 (lipophilic) API 와 소수성 약물 또한 이 단계에서 용매에 용해될 수 있습니다.
Formation of Thin Lipid Film
지질과 용매 혼합물이 녹으면 rotary evaporator 로 옮겨야 합니다. 이를 사용해 감압 하에서 유기 용매를 완전히 증발시켜 플라스크 바닥에 얇은 지질 막을 형성합니다.
증발 후, 잔류 용매를 제거하기 위해 얇은 막을 진공 하에서 몇 시간 동안 건조해야 합니다.
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Ionizable lipid formula for Lipid Nanoparticle
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Hydration of Lipid Film
이 공정의 다음 단계는 건조된 지질 막을 증류수, 완충 용액 또는 친수성 API 를 포함하는 식염수와 같은 적절한 수용액상으로 수화시키는 것입니다.
높은 상전이 온도(Tc)를 가진 지질을 사용할 경우, 수화 매체를 미리 가열할 수도 있습니다.
지질과 수용액상을 접촉시키면 리포솜의 자가 조립(self-assembly) 과정이 시작되어 다중층 소포(multilamellar vesicles, MLVs)가 형성됩니다.
Post-processing step: Purification
Formation Process 후, 캡슐화되지 않은 약물과 오염물질 같은 물질들이 종종 주변 액체에 남아 있습니다. 후처리 공정의 또 다른 핵심 요소는 공정에 사용된 잔류 유기 용매를 제거하는 것입니다.
이러한 용매가 최종 제품에 남아 있으면 리포솜을 불안정하게 만들고 사용에 위험할 수 있기 때문입니다.
따라서 이러한 물질들은 추가적인 정제 (purification) 단계를 통해 제거해야 합니다. 이를 제거하기 위한 일반적인 기술로는 접선 흐름 여과 (tangential flow filtration),
초원심분리 (ultra-centrifugation), 투석 (dialysis) 등이 있습니다. 그러나 이러한 정제 과정은 시간이 많이 소요될 수 있으며, 리포솜의 최종 수율을 감소시키는 동시에
최종 나노입자의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. |
Characterization of the liposome product
LNP 및 리포솜 특성 분석에 대한 우리의 검토에서 설명했듯이, 입자 크기, 다분산성, 표면 전하, 약물 탑재량 및 캡슐화 효율과 같은 수많은 매개변수들은 LNP 제조 방법에 영향을 받습니다.
DLS 와 같은 첨단 분석 기술은 이러한 특성들을 측정하는 데 사용되며, 생물학 및 제약 응용 분야에서 리포솜 및 LNP의 품질과 적용 가능성을 보장합니다.
Nanoparticle size
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일반적으로 나노입자는 50nm에서 500nm까지 다양한 크기를 가지지만, 최적의 표적 크기는 50nm에서 150nm 범위 내에 있습니다.
이 크기 범위는 세포 섭취를 향상시키고 면역 체계의 제거를 회피하여 혈류 내 순환 시간을 연장하는 데 선호됩니다.
위에서 언급했듯이, 입자 크기는 일반적으로 지질 비율과 농도에 영향을 받습니다. 박막 수화 기술을 사용하여 얻은 나노입자와 리포솜은 다소 크고(수백 μm)
따라서 추가적인 후정제 단계가 필요합니다.
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Illustration of Size and PDI when measured with a DLS
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Polydispersity Index
다분산 지수(PDI, Polydispersity Index)는 리포솜 집단의 균일성을 측정합니다. FDA 지침에 따르면, 의약품의 PDI는 0.3 미만으로 유지되어야 합니다.
이는 일반적으로 0.3에서 0.5 사이의 PDI를 생성하는 지질 수화법의 중요한 한계입니다. 따라서 이러한 기준을 충족하기 위해서는 압출(extrusion)과 같은 추가적인 정제 단계가 필요할 수 있습니다.
Zeta potential
리포솜 제타 전위 (zeta potential) 는 리포솜 구조 표면 근처의 전하를 측정하는 것입니다. 제타 전위는 나노입자의 안정성과 독성 모두에 영향을 미치는데, 낮은 제타 전위는 낮은 안정성과 응집 위험을 의미하며,
너무 높은 제타 전위 값은 독성을 유발합니다. 일반적으로 제타 사이저 (Zeta sizer) 를 사용하여 측정하며, 그 값은 -30mV 와 30mV 사이에 유지되어야 합니다.
제타 전위에 영향을 미치는 주요 매개변수는 나노입자의 조성입니다.
Zeta potential
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