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A comprehensive review of passive and active nanoparticle targeting technics |
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Author : Robin Oliverse | 리스트돌아가기 | |
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나노입자 Targeting 은 약물 운반체를 신체 내 특정 세포나 장기로 보내어 유전자 치료 및 백신 분야에 전례 없는 정밀성을 제공하며 혁명을 일으키고 있습니다.
이 글은 수동적 및 능동적 나노입자 Targeting 전략의 복잡성에 대해 깊이 파고들어, 그 메커니즘과 적용을 비교합니다.
우리는 이러한 첨단 전략이 어떻게 치료 효능을 향상시키고 의학 과학의 새로운 지평을 여는지 탐구합니다.
Introduction to Gene Therapies
유전자 치료는 암, 바이러스 감염, 심근 경색, 유전 질환과 같은 만성 질환을 치료할 수 있는 잠재력 때문에 의학 및 제약 과학 분야에서 떠오르는 분야입니다.
하지만, 유전자를 세포 안으로 잘 도입할 수 있는 적합한 방법이 부족하여 유전자 치료의 적용이 제한적입니다.
현재 임상에서 사용되는 유전자 치료법은 대부분 바이러스 벡터, 특히 AAV(아데노 관련 바이러스)를 기반으로 합니다.
바이러스 매개체는 높은 전달 효율을 가짐에도 불구하고, 독성, 면역원성, 반복 투여 불가능, 제한된 포장 용량 및 높은 관련 비용 때문에 다루기 어렵습니다.
최근에는 바이러스 벡터의 한계를 극복하기 위해 특히 RNA 치료에서 비(非)바이러스 벡터가 등장했습니다.
여러 가지 비바이러스성 시험관 내 (in vitro) 및 생체 내 (in vivo) 유전자 전달 시스템이 개발되었습니다.
이 중에서 지질 및 고분자 나노입자 (NPs) 라는 두 가지 주요 생체 재료가 비바이러스성 전달 벡터를 개발하기 위해 연구되었습니다.
Nanoparticles Biodistribution
정맥 투여 (IV) 후 신체 내 나노입자의 운명, 즉 생체 내 분포 (biodistribution) 는 과학자들이 생체 내 (in vivo) 약물 전달 시스템을 투여할 때 직면하는 주요 장애물입니다.
Liver tropism
간은 나노입자가 모여 체내에서 제거되는 주요 장소로 흔히 알려져 있으며, 실제로 정맥 주사 (IV) 로 체내에 주입된 나노입자의 60~90% 가 간으로 향합니다.
간 친화성 (Liver Tropism) 이라고 불리는 이 현상은 간의 광범위한 혈액 수용 능력과 복잡한 혈관 구조 때문입니다.
예를 들어, 동맥과 정맥에서 10~100 cm/s 의 속도로 이동하는 나노입자는 간의 동양 혈관 (liver sinusoids) 에서는 200~800 μm/s 로 현저히 속도가 느려질 수 있습니다.
결과적으로, 수많은 순환 나노입자는 간에서 체류하는 시간이 길어집니다.
간을 통과한 나머지 나노입자들은 주로 비장 (2~20%) 이나 골수 (1%) 에서 발견됩니다. 극히 일부의 나노입자만이 실제로 주요 표적에 도달합니다.
Immune response
나노입자는 이물질로 인식될 수 있습니다. 실제로 나노입자의 간 축적은 1차 면역 방어선인 세망내피계 (RES) 의 제거 메커니즘에 뒤따르며,
이 세망내피계는 간에 상주하는 대식세포 (쿠퍼 세포: 체내 대식세포의 90%) 와 간 동양 혈관 내피세포 (LSECs) 를 포함합니다.
단핵 식세포계 (MPS) 라고도 알려진 이 RES 는 표면 옵소닌화를 이용하여 수초에서 수분 내에 순환하는 입자를 제거하는 것을 촉진합니다.
옵소닌화 (Opsonization) 는 옵소닌 단백질을 사용하여 이물질 병원체에 태그를 달아 식세포에 의한 제거를 유도하는 면역 과정입니다.
How can nanoparticle targeting improve delivery efficiency?
아래 그림에서 설명된 바와 같이, 나노입자 Targeting 에는 수동적 (passive) 또는 능동적 (active) 의 두 가지 주요 접근법이 있습니다.
간단히 말해, Passive Targeting 은 나노입자의 특성을 조정하여 특이성 (specificity) 을 향상시키는 반면, Active Targeting 은 표적 세포/기관으로의 전달성을 높이기 위해
전달체에 표적화 요소를 통합하는 것을 포함합니다.
Summary of the lipid-based-nanoparticle-active-and-passive-targeting strategies
Passive Targeting of Nanoparticles
Definition of nanoparticle passive targeting
Passive Targeting 은 치료제를 나노입자에 통합하여, 나노입자가 표적 기관/조직에 도달하는 것을 목표로 신체 내에서 수동적으로 확산되도록 하는 전략입니다.
유전자 치료의 맥락에서, Passive Targeting 은 특정 표적화 물질 없이도 치료제를 특정 조직이나 기관으로 정밀하게 전달하기 위해 나노입자를 기반으로 합니다.
이 접근법은 표적 부위의 독특한 생리적 또는 병리학적 특징을 활용하여, 나노입자의 우선적인 축적을 용이하게 하고 표적화된 약물 방출을 가능하게 합니다.
표적 기관이나 조직에서의 나노입자 침투 및 축적을 위한 이상적인 크기와 탑재량을 결정하기 위해 기관 생리를 살펴보는 것이 중요합니다.
다음은 조직 또는 기관에 따른 혈관 벽의 모세혈관/투과성에 대한 몇 가지 예시입니다.
Vascular wall permeability and nanoparticle internalization
나노입자 Targeting 을 최적화하고 Passive Targeting 을 활용하기 위해서는 나노입자의 크기와 조성을 조정하는 것이 흥미롭습니다.
이러한 수정은 체내 순환을 개선하고, 특정 표적 기관에 효율적인 축적을 촉진하여 치료 효과를 극대화합니다.
Nanoparticle Characteristics influencing Passive Targeting : Nanoparticle Size
Passive Targeting 은 본질적으로 Diffusion Transport 를 통해 이루어지며, 나노입자의 크기에 크게 좌우됩니다. 20~200nm 의 최적 크기는 순환 시간을 연장하고, 종양/기관에 대한 축적을 증가시키며,
신장에서의 배출 (7nm 미만 나노입자) 을 감소시키는 데 유리합니다. 20~150nm 사이의 크기는 간 제거 및 신장 여과를 줄입니다.
또한, 더 작은 지질 나노입자는 EPR (Enhanced Permeability and Retention) 효과 덕분에 면역 감시를 회피하여 순환이 연장되고 표적 조직에 축적이 향상됩니다.
EPR 효과는 다공성 혈관벽을 통해 수동적으로 확산하는 능력입니다. EPR 효과의 원리는 최근 나노입자의 종양 내 잔류 및 축적을 위한 수동적 표적화 전략으로 인정받았습니다.
실제로 종양은 현저히 확장된 혈관을 가진 강화된 혈관화를 보입니다. 종양 모세혈관에서 내피세포 사이의 더 넓은 구멍은 정상 모세혈관에서 관찰되는 더 촘촘한 구조와 달리,
약물 전달 시스템의 혈관 외 유출 (extravasation) 및 나노입자의 적절한 활용을 용이하게 합니다.
Lipid Composition
지질 구성은 또한 나노 운반체의 최적화된 생체 내 분포를 위해 개선될 수 있습니다. 예를 들어, 리포좀 독소루비신에 대해 이야기해 봅시다.
독실 (Doxil®) 이라고도 알려진 이것은, 수소화된 콩 포스파티딜콜린 (주로 DSPC), 콜레스테롤, 그리고 PEG-지질을 잘 결정된 몰비율로 구성된 리포좀 내부에 치료제를 캡슐화한
최초의 FDA 승인 나노의약품입니다. 이 제형은 향상된 캡슐화 효율, EPR (Enhanced Permeability and Retention) 효과를 활용하기 위한 순환 시간 연장, 표적 부위에서의 약물 축적 개선,
그리고 투여량 제한 독성 감소와 같은 원하는 입자 특성을 달성하기 위해 거의 20년에 걸친 최적화의 결과입니다.
핵산 전달의 경우, 큰 크기와 높은 음전하 밀도는 추가적인 지질 기능을 요구하며, 이는 현재의 LNP (지질 나노입자) 제형이 이온화 가능한 지질, 인지질, 콜레스테롤 및 PEG-지질을 포함하게 된 결과입니다.
1990년 대에 발견된 주목할 만한 MC3 와 같은 이온화 가능한 지질은 지질 나노입자 제형화에 있어 중요한 자산입니다. 온파트트로 (Onpattro®) 의 성공으로 입증된,
핵산의 효율적인 캡슐화에서 이들의 필수적인 역할은 RNA 치료에서의 실용적 관련성을 강조합니다.
이온화 가능한 지질이 내성 및 면역원성에 미치는 영향은 mRNA 백신에서 특히 분명하며, 여기서 pKa, 표면 전하 및 지질 구성이 면역 반응에 중대한 영향을 미칩니다.
이온화 가능한 지질의 pH 의존적 전하 변조는 세포 내 약물 전달에 중요한 역할을 하며, 엔도사이토시스 (endocytosis, 세포 내 흡수) 중 pH 변화에 반응합니다.
이러한 특성은 엔도솜 탈출 (endosomal escape) 을 통해 세포 내부에서 약물의 효율적인 방출을 촉진합니다. 또한, 생리적 pH 환경에서 중성 전하 상태로 돌아가는 이온화 가능한 지질의 독특한 능력은
약물 전달 시스템의 전반적인 안전성에 기여합니다. 향상된 약물 탑재 능력은 전달 시스템의 안전성을 더욱 높이고, 나노 운반체와 그 내용물의 독성 및 열악한 생체 내 분포 위험을 줄입니다.
Surface Characteristics
나노입자의 표면 특성은 세포 내로의 유입 정도에 상당한 영향을 미칩니다. 표면 개질은 고분자 구성에 의해 이루어질 수 있으며, 이는 입자에 소수성 또는 친수성이라는 추가적인 차원을 더합니다.
PEG화 (polyethylene glycol 추가) 는 약물 전달 시스템의 생체 내 분포와 관련된 여러 문제를 피하기 위해 발견된 혁명적인 해결책 중 하나입니다.
실제로 나노입자의 PEG화는 옵소닌화를 피하는 동시에 세망내피계 (RES) 제거 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.
궁극적으로 이 해결책은 나노입자의 반감기를 연장합니다. 또한, 친수성 고분자 사슬의 분자량을 증가시키면 이 나노입자의 순환 시간이 길어집니다.
그 결과, 나노입자는 마침내 표적 조직 기관에 도달하여 약물을 전달할 수 있습니다.
예를 들어, 유전자 치료와 낭포성 섬유증과 같은 폐 질환의 맥락에서, 점액으로 덮인 폐 조직은 나노입자의 침투 및 RNA 나노 운반체의 폐 내 표적으로의 전달에 주요한 장벽이 됩니다.
하지만 최적화된 PEG 몰 농도 (및 PEG화) 와 스테롤 구조 덕분에, 지질 나노입자 (LNPs) 는 점막 장벽을 가로질러 낭포성 섬유증 폐에 mRNA 를 효율적으로 전달합니다.
How to optimize nanoparticle characteristics for passive targeting in Practice?
지질 나노입자 제형을 위한 적절한 지질을 엄격하게 선별하는 단계는 필수적입니다. 여기에는 원하는 특성을 가진 나노입자를 선택하기 위해 다양한 지질 조성 (다양한 인지질, 이온화 가능한 지질, 다양한 지질 농도 및 비율) 을
평가하는 스크리닝 공정이 포함됩니다. 이러한 선별 과정은 약물 전달 시스템의 품질, 효능 및 안전성을 보장하는 데 매우 중요합니다.
나노입자 제조 공정은 지질 나노입자의 합성 및 특성 분석에 필수적인 역할을 합니다. 용매 증발 또는 고압 균질화와 같은 다양한 접근법은 혼합 공정으로 인해 중요한 특성을 충분히 제어하지 못하여,
넓은 나노입자 분포 (PDI) 와 낮은 재현성을 초래하는 경우가 많습니다.
이러한 어려움을 극복하기 위해, 혁신적인 마이크로유체 기반 합성 기술이 개발되고 있습니다. 마이크로유체 혼합 공정은 조건을 정밀하게 제어하여, 제어된 크기와 향상된 재현성을 가진 더 균일한 LNP 를 생산할 수 있습니다.
혼합 속도, 유량, 유기 용액과 수용액 간의 비율은 입자 크기에 영향을 미쳐, 합성 매개변수를 미세 조정하고 재현성을 보장합니다. TAMARA는 0.2ml 에서 10ml 까지의 지질 나노입자를 신속하고 쉽게 생산할 수 있는
우리의 나노입자 생산 플랫폼입니다.
그런 다음, 이러한 나노 운반체의 특성을 분석하기 위해 다양한 테스트가 수행되어 크기, 전하, PDI (예: 동적 광 산란 사용), 그리고 캡슐화 효율 (EE%) 에 대한 정보를 얻고, 소형 약물 전달 시스템에
가장 적합한 지질 조성, 매개변수 및 특성을 선택합니다.
Active Targeting of Nanoparticles
Passive Targeting 의 한계를 극복하기 위해 최근 Active Targeting 이 강조되고 있습니다.
Definition of nanparticle active targeting
Active Nanoparticle Targeting 은 표적화 요소를 통합하는 것을 포함합니다. 이는 주로 항체 기반 표적화, 펩타드 기반 표적화, 압타머 기반 표적화, 그리고 소분자 기반 표적화로 나뉩니다.
이 전략은 표적 부위의 고유한 생리적 또는 병리학적 특징을 활용하여 나노입자를 특정 세포, 조직 또는 장기로 유도하는 것을 목표로 합니다.
나노입자가 표적에 도달하면, 표적 세포와 특이적으로 상호작용하여 나노입자 내에 캡슐화된 약물, 유전자 또는 기타 치료제의 표적 전달을 용이하게 합니다.
이 접근법은 주변의 건강한 조직에 대한 부작용을 최소화하면서 치료 효능과 특이성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
Nanoparticles Functionalization
나노입자 기반 약물 전달은 신체를 통과하면서 복잡한 문제에 직면합니다. 이러한 작은 운반체는 엄청난 잠재력을 가지고 있지만, 신체 내의 특정 생리적 장벽과 불투과성 막은 효과적인 전달에 장애물을 제시합니다.
우리가 이전에 보았듯이, Passive Targeting 은 장벽 없는 전달을 위해 나노입자의 본질적인 특성에 의존합니다. 그러나 이 전략은 특히 혈액뇌장벽 (BBB) 이 강력한 방어선 역할을 하는 중추신경계 (CNS) 와 같이
고도로 보호된 영역에 치료제를 투여할 때 한계에 직면합니다. 따라서 Passive Targeting 은 때때로 중추신경계 (CNS) 에 나노치료제를 전달하는 데 비효율적입니다.
이러한 한계는 혈액뇌장벽 (BBB) 이 거의 불투과성인 특성 때문입니다.
남은 해결책은 Active Targeting 입니다. 가장 많이 사용되는 기술 중 하나는 혈액뇌장벽 (BBB) 세포에 있는 항원을 특이적으로 인식하는 항체를 사용하는 것입니다.
지금까지 뇌로의 비바이러스성 전달 사례는 거의 없었지만, 혁신적이었습니다.
혈액뇌장벽 (BBB) 을 통과하는 또 다른 방법은 수용체 매개 세포관통 (receptor-mediated transcytosis) 입니다. 혈액뇌장벽 (BBB) 내피세포의 정단막 (apical membrane) 에 있는
수용체 (예: 트랜스페린, 인슐린, 렙틴, 지단백질) 에 대한 리간드를 사용함으로써, 정단-바닥 간 Payload Transport 를 달성할 수 있습니다.
종양 세포와 관련하여, 종양 세포 표면에 특정 단백질이나 수용체를 우선적으로 발현하는 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, PD-L1 (Programmed Death-Ligand 1) 단백질은 종양 세포에서 과발현됩니다.
이의 역할은 PD-1 수용체 (Programmed Cell Death Protein 1) 를 면역 세포 (LT 세포) 표면에 결합시켜 면역 반응을 약화 (LT 활성 억제를 통해) 시킴으로써, 종양 세포가 면역 체계를 회피하고
무한정 증식하도록 하는 것입니다. 이 반응은 나노입자를 PD-L1 수용체로 기능화하여 종양 세포를 표적화하고 세포를 파괴하거나 증식을 중단시키고 암세포를 공격하도록 면역 반응을 촉발하는
RNA/분자를 전달함으로써 활용될 수 있습니다.
Active targeting assembly methods
표적화된 지질 나노입자는 원-팟 조립 (one-pot assembly) 공정 또는 후삽입 (post-insertion) 공정을 통해 생성될 수 있습니다.
One-pot assembly
이 공정에서는 표적화 요소들을 먼저 구조 지질과 혼합한 다음, evaporation, thin film hydration, microfluidic mixing, 그리고 ethanol injection 과 같은 조립 방법을 통해 표적화된 지질 나노입자를 만듭니다.
그럼에도 불구하고, 이 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다. 실제로, 작은 표적화 리간드 중 50% 이상이 지질 나노입자의 내부 공동에 위치하여 능동적 표적화에 접근할 수 없는 것으로 밝혀졌습니다.
또한, 항체나 압타머와 같은 더 큰 분자 리간드는 비용이 많이 들고, 유기 용매, 고온, 또는 기계적 힘에 노출되는 제조 조건에서 깨지기 쉽습니다.
결과적으로, 표적화 ligand-lipid conjugates 의 합성 수율이 매우 낮습니다.
Post-insertion Assembly
이러한 고려사항들을 바탕으로, 일반적으로 크고 섬세한 Target Ligand 를 미리 형성된, 변형되지 않은 지질 나노입자에 후삽입 (post-insertion) 하는 접근법이 사용됩니다.
먼저, One-pot assembly 와 유사한 방법으로 기본 지질 나노입자를 생성합니다. 그런 다음, 그 표면에 표적화 리간드와 반응할 수 있는 기능성 그룹을 표면 접합 (surface conjugation) 을 통해 장식합니다.
이 시나리오에서 Target Ligand 는 지질 나노입자의 외부 표면에만 위치하며, 밀도와 기능성은 표면 접합의 효율성에 의해 조절됩니다.
하지만, 연구에 따르면 Post-insertion 방식으로 제조된 표적화 지질 나노입자는 동일한 목적의 One-pot assembly 공정으로 제조된 나노입자에 비해 표적 세포에 더 늦게,
그리고 더 적게 결합하는 것으로 나타났습니다. 이는 지질 표적화 나노입자 준비에서 표면 기능화의 한계를 강조하며, 그 비효율성과 감소된 안정성을 부각합니다.
One-pot and post-insertion assmebly for nanoparticule functionalization
Comparison of nanoparticle Passive and Active Targeting approaches
나노입자 Targeting 은 매우 섬세하며 병리 및 표적 조직/기관에 따라 크게 달라집니다. 유전자 치료의 맥락에서, 수동적 표적화는 유전자 치료 운반체의 표적 부위 선택적 축적을 용이하게 하기 위해
EPR (강화된 투과 및 보유) 효과를 이용합니다. 이 보편적인 접근법은 다양한 질병에 적용할 수 있으며, 향상된 생체 이용률, 감염된 부위에서의 농도 증가 및 부작용 감소를 제공합니다.
생산 측면에서, 수동적으로 표적화된 나노입자의 제조 용이성은 매우 중요한 장점입니다. 예를 들어 TAMARA와 같은 마이크로유체 기술을 사용하면 이러한 나노 운반체를 순식간에 효과를
보장하는 품질로 생산할 수 있습니다.
유전자 치료에서 능동적 표적화는 나노입자 표면을 특정 리간드로 변형시켜 치료 운반체 전달의 특이성을 향상시키는 것을 포함합니다. 이는 높은 특이성, 향상된 전달 효율 및 특정 치료 요구에 맞춘 적응성을 제공하지만,
능동적 표적화는 표적 분자 선택 및 변형에 필요한 요건 (예를 들어 항체 및 압타머와 같은 표적화 요소의 가격은 말할 것도 없고) 때문에 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다.
표적을 벗어난 효과 (off-target effects) 및 표적 기관 반응의 변동성과 같은 문제도 그 효과에 영향을 미칠 수 있습니다.
능동적 표적화에 단점이 있는 것은 사실이지만, 수동적 표적화 또한 질병 유형과 개인에 따라 다를 수 있는 EPR에 대한 의존성과 같은 단점을 가집니다.
실제로, 일부 종양은 충분히 높은 EPR 을 보이지 않아 나노입자의 표적화 및 해결 효율성을 제한할 수 있습니다.
또한, 환자의 생리적 특성, 예를 들어 종양 혈관화가 개인마다 다를 수 있어 수동적 표적화의 효과에 영향을 미칠 수 있습니다.
비특이적 분포: 수동적 표적화가 표적 조직 내 약물 농도를 개선할 수 있지만, 다른 기관으로의 비특이적 분포가 여전히 일정량 발생할 수 있습니다.
이러한 특이성 부족은 낮은 생체 이용률과 낮은 선택성으로 인한 2차 독성을 초래할 수 있습니다.
하지만 능동적 표적화에서는 표적 분자의 선택 및 변형이 더 복잡해져 준비의 복잡성과 비용이 증가할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
또한, 표적을 벗어난 효과의 위험이 있으며, 표적 기관 반응의 변동성이 전반적인 전달 효능에 영향을 미칠 수 있습니다.
Comparision of Passive and active targeting features
Conclusion on nanoparticle targeting strategies for gene therapies
간단히 말해, 유전자 치료는 현재 혁신의 최전선에 있습니다. 나노입자의 사용은 유전자 전달과 관련된 장애물을 극복하기 위한 유망한 접근법을 나타냅니다.
나노입자들은 그들의 표적에 따라 신체 내에서 이동하면서 여러 장벽에 직면합니다. 가장 흔하게 발생하는 생체 내 분포 문제는 간 잔류, 옵소닌화, 세망내피계 (RES) 제거, 그리고 다양한 장기 조직의 투과성 특성입니다.
이로 인해 표적화 솔루션들이 개발되었습니다. 수동적 표적화와 능동적 표적화가 서로 대치하고 있습니다.
수동적 표적화는 나노입자를 통한 약물 전달에 효과적이고 실용적인 접근법을 제공합니다. 그 장점으로는 나노 운반체의 반감기 연장, 생체 이용률 개선, 표적 부위의 선택적 축적, 효능 향상 및 부작용 감소가 포함됩니다.
이에 비해, 매우 흥미롭고 더 특이적인 능동적 표적화는 나노입자 기능화와 관련된 복잡한 문제들을 제시합니다.
Inside Tx는 수동적 표적화를 선택함으로써, 우리의 제조 시스템인 TAMARA 를 통해 생산을 단순화하면서 치료 효능을 극대화하고 있습니다.
Inside Tx의 목표는 임상 적용을 더욱 접근 가능하고, 빠르며, 효율적으로 만드는 것입니다.
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