다당류함유 알긴산구슬을 이용한 구강용 서방성 의약전달 복합시스템의 연구

김영주, 양영렬, 박현규, 오유진

삼성종합기술원 신의약Lab, 대전시 유성구 문지동 108-12, 우305-380

A study of complex slow-release oral delivery system using

alginate-polysaccharide beads.

Young J. Kim, Young L. Yang, Hyun Gyu Park, Eugene Oh

Samsung Advanced Institute of Technology, 103-12 Moonji-dong, Yusong-gu, Taejon, Korea 305-380

서 론

알긴산은 김, 파래, 우뭇가사리, 미역, 다시마 등의 해조류의 표면에 풍부하게 포함되어 있는 다당류로서 미역의 경우 무게비로 40%까지 함유하고 있다. 또  알긴산은 분자면에서 관찰할 때 가지사슬이 없는 (1-4)결합의 만뉴로닉산 (□-D-mannuronic acid)과 글루로닉산 (□-L-guluronic acid)이 조성과 함량에서 무작위로 결합하여 이루어진 화합물이다.

알긴산구슬은 그 제법이 한 단계로 간단하고, 그 제조환경이나 공극성 등이 세포가 살 수 있는 온화한 조건이므로, 발효반응기에서 살아 있는 세포를 고정화하거나 단일군항체를 제조하기 위한 하이브리도마 세포의 고정화, 인공장기에 이식하기 위한 동물세포의 포집 등에 많이 이용되어 왔다 (1-4).

장시간 서방성 방출되는 의약품은 여러 의약품 전달에서 중요한 요인이 된다 (5). 여러 가지 의약품을 서방 전달하는 것은 일정하고 지속적인 형태로 장시간 방출하므로써 혈액내의 활성성분의 농도를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 혈액 내에서의 안정적인 농도를 얻음으로써 여러 생리학적 환경을 유리하게 유지시킬 수 있다. 구강으로 전달하는 경우, 간편한 장점은 있으나 주사와 마찬가지로 혈액내 활성물질 농도의 피크와 저하에 의한 독성이나 부작용을 감소하거나 제거시킬 수 없다. 따라서 현재까지는 편리하고 컨트롤된 서방성 지속성 방출을 얻기 위하여 건조된 분말을 압출성형하거나 수용성 점도향상제를 넣어 의약품 정제를 만들고 있는 실정이다. 보통 알긴산에 의한 의약품 방출은 위산과 같은 낮은 pH에서는 정제의 표면에 젤막을 형성하여 활성물질의 확산을 저해시키며, 소장에서와 같이 pH가 증가하면 알긴산이 빠르게 용해되어 확산이 가속화되는 것으로 알려져 있다. 따라서 알긴산층을 여러 겹으로 코팅함으로써 용해속도를 감소시켜 더욱 더 느린 활성물질 서방성 방출이 가능할 것으로 사료된다. 또한 알긴산은 이미 여러 문헌에서 중금속 제거 효과가 입증되었다 (6,7). 본 논문에서는 중금속 제거 효과와 동시에 서방성 방출특성을 가진 다당류함유 알긴산구슬에 관한 복합특성을 조사하였다.

실 험

재료

Sodium alginate는 일본 Junsei Chemical Co. (일)에서 구입하고 L-phenylalanine, PBS solution, CaCl2는 Sigma (Mo, USA)에서 구입하였으며, 나머지는 commercial product를 사용하였다. 3차 증류수는 Waters Milli-Q(Biocel)을 사용하여 제조하였다.

다당류포함 알긴산구슬의 제조

전분가루 20%(w/w), 알긴산나트륨 1.5%(w/w)를 포함하는 수용액 슬러리를 만들어 기포를 제거하기 위하여 초음파기에서 10분간 기포를 제거하였다. 이 수용액을 100 rpm으로 교반되고 있는 농도 1.0 M의 CaCl2 용액에 분액깔때기를 이용하여 수면에서의 높이 10-30 cm에서 방울방울 떨어뜨리면 순간적으로 경화하여 구슬을 형성하였다. 경화시간을 5-30분 정도 준 다음, 증류수로 세척한 후 60℃ 오븐에서 10시간 이상 건조를 시켰다. L-Phenylalanine을 함유한 다당류함유 알긴산구슬을 만들기 위하여는 초기 슬러리에 L-phenylalanine이 3 mg/ml 농도가 되도록 섞어주었다.

다중층 코팅 알긴산구슬의 제조

2중층 다당류함유 알긴산구슬을 만들기 위하여 완전히 건조된 알긴산구슬을 1.0% 알긴산나트륨 수용액에 담가 약 0.5 mm 두께의 알긴산 코팅을 입힌 후 교반중인 1 M CaCl2 수용액에 떨어뜨렸다. 이를 증류수에 세척한 후 다시 60℃ 오븐에 건조를 시켰다. 동일한 실험방법으로 다시 알긴산 코팅을 입히고 1 M CaCl2 수용액에 떨어뜨리는 형식으로 5중층까지 다중층 알긴산 코팅을 만들었다. L-phenylalanine의 분석

모든 L-phenylalanine의 검출은 UV spectrometer(Jasco, V-530 UV/Vis Spectrophotometer(일))의 257 nm에서 행하였다.

납이온의 분석

모든 납의 수용액은 원자흡광분석기(Perkin-Elmer, 3100 Absorption Spectrophotometer)를 이용하여 정량분석을 행하였다.

L-Phenylalanine 용출실험

상온에서 교반되고 있는 PBS(0.01 M phosphate buffered saline, pH 7.4) 수용액에 일정량의 다중층 코팅 알긴산구슬(L-phenylalanine 포함)을 넣고 시간에 따라 소량의 샘플을 채취, UV 정량분석을 하였다.

납이온의 용출실험

상온에서 교반되고 있는 200 ppm 납이온이 포함된 PBS 수용액에 일정량의 다중층 코팅 알긴산구슬을 넣고 시간에 따라 소량의 샘플을 채취, 납이온의 정량분석을 하였다.

결과 및 고찰

알긴산나트륨을 CaCl2용액에서 경화시켜 만든 알긴산구슬은 건조시켰을 경우 완전히 함몰하여 수축하였을 뿐만 아니라, 물에 담가 다시 불리는 경우에도 상온에서는 부피가 다시 복원되지 않았다. 따라서 건조시킨 다음에도 일정 부피를 유지시키고 수용상태에서 다시 부피를 복원시킬 목적으로 구조성 물질로서 전분가루를 함유시켰다. 통상 전분가루를 5-25 wt% 함유시켜 건조시켰을 때 아주 딱딱한 하얀 구슬이 되었고 부피가 약 40% 이하로 감소하였으나, 수용액 상태에서 서서히 팽창하여 부피가 원래의 90% 이상으로 복원하는 것을 관찰하였다. 이와 같은 부피팽창은 약리활성물질의 용출을 가속화하여 전달을 돕는 것은 물론 알긴산 식이섬유의 섭취를 통한 포만감을 제공하여 다이어트 식품의 효과를 제공할 수 있다고 기대된다. 또한 이 때의 전분가루는 구조성 역할뿐만 아니라 수용액 내에서 알긴산구슬의 기공을 수축시켜 약리활성물질의 확산 속도를 늦추는 데도 크게 기여할 것으로 보인다.

본 논문에서 약리활성물질(여기서는 대표적으로 L-phenylalanine을 사용하였다.)을 함유한 다당류함유 알긴산구슬을 만들고 이를 다시 알긴산으로 다중층 코팅을 하였을 경우, 약리활성물질의 지연방사 효과 (초기 방출지연, 방출속도의 완화, 방출시간의 연장)를 확연히 확인할 수 있었다. 그림 1에서 볼 수 있는 바와 같이 2중층 다당류함유 알긴산구슬일 경우 15분이 경과할 때까지 L-phenylalanine이 전혀 용출되지 않아서 L-phenylalanine이 2중층 알긴산 코팅을 통과하는데 충분한 시간이 걸리는 것을 확인하였다. 3중층일 경우 30분, 5중층일 경우 70분까지 L-phenylalanine이 전혀 용출되지 않음을 확인하였다. 또 L-phenylalanine 방출속도는 다중층 코팅을 할수록 낮아지는 경향을 보였고, 이것으로 서방성 방출에 의한 방출시간의 연장을 도모할 수 있었다. 알긴산 코팅을 하지 않았을 경우 L-phenylalanine의 방출 속도는 9.1x10-5 M/h, 2중층 코팅을 하였을 경우 5.8x10-5 M/h, 3중층 코팅을 하였을 경우 2.7x10-5 M/h으로서 한번 알긴산 코팅을 할 때마다 방출속도는 60% 이상씩이 감소됨을 알 수 있다. L-phenylalanine의 서방성 방출 실험을 통하여 전분가루가 함유된 다당류함유 알긴산구슬의 서방성 DDS 특성이 아주 우수하고, 특히 알긴산을 이용한 다중층 코팅에서 그 서방성 DDS 특성이 더욱 개량됨을 보였다.

서방성 방출특성 외에 알긴산구슬의 중금속 제거 효과는 특히 구강전달 시스템에서 중요하게 되며 이러한 복합특성을 조사하기 위하여 알긴산구슬을 코팅하지 않았을 경우와 다중층 코팅하였을 경우의 중금속 흡착실험을 하였다. 그림 2에 보인 바와 같이 구슬에 다중층 코팅을 할수록 단위무게당 흡착할 수 있는 납의 무게는 증가함을 알 수 있다. 코팅을 하지 않았을 경우에 비교하여 첫 번째 코팅을 하였을 경우, 납의 흡착량이 약 30% 증가하였으나 더 이상의 코팅으로 인한 납의 단위무게당 흡착량이 크게 증가하지는 않았다. 이는 납의 흡착이 다당류보다는 알긴산에 주로 기인하며 2중층의 다당류함유 알긴산구슬은 무코팅 구슬보다 표면의 알긴산의 추가로 인한 알긴산의 함량이 더 많고, 또 아무런 확산 저항이 없이 바로 알긴산에 접촉하여 흡착이 신속하기 때문이다. 그러나 3중층 이상의 알긴산코팅은 단위무게당 알긴산의 함량증가율이 더 크지는 않기 때문에 중금속의 흡착에 더 이상의 상승효과를 주지는 않았다. 또 코팅을 하지 않았을 경우, 초기 흡착속도는 1.9 mg Pb/g-beads·h로서 첫 번째 코팅을 하였을 경우 2.9 mg Pb/g-beads·h로 50% 이상 증가하였으나 더 이상의 다중층으로 인한 더 많은 흡착속도의 상승은 미미하였다.

본 논문에서는 다중층 다당류함유 알긴산구슬을 이용하여 L-phenylalanine의 지연방사 효과 (초기 방출 지연, 방출 속도의 완화, 방출 시간의 연장)를 확인하였다. 이는 L-phenylalanine과 같은 약리활성물질의 서방성 방출지연을 포함한 방출속도의 컨트롤을 임의로 할 수 있는 수단을 제공하는데 의의가 있다. 또 2중층 이상의 알긴산 구슬은 체내 중금속제거에도 탁월한 효과가 있어서 무코팅 알긴산보다 30%의 중금속제거 효과 상승을 보였다. 따라서 여기서는  인체에 유용한 생리활성물질은 천천히 조절 방출하고, 해로운 중금속과 같은 물질은 흡착하여 인체 밖으로 배출하는 복합다중 의약전달시스템으로서의 가능성을 보여주었다.

참고문헌

1. Tibtech 8, 71-78 (1990).

2. Familletti, P.C.: U.S. patent 5,073,491 (1991).

3. Hill, F.: U.S. patent 5,070,019 (1991).

4. Reading, A.H.;Miles, B.J.: U.S. patent 4,927,761 (1990).

5. Mutschler, E. and Derendorf, H.: "Drug Actions: Basic Principles and Therapeutic Aspects," Medpharm Scientific Publishers, London, 1995.

6. Water Research, 29(1), 307-313 (1995).

7. ACTA Polymerica, 44(2), 108-109, (1993).

Fig. . Controlled release of L-phenylalanine from alginate-polysaccharide beads multiply coated.

Fig. . Removal of Pb ions from alginate-polysaccharide beads multiply coated.