연세대 기계공학과 류원형 교수와 연세대 의대 흉부외과학 교실 윤영남 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)과 보건복지부 선도형연구중심병원사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 약물전달 분야 국제학술지 저널오브컨트롤드릴리즈(Journal of Controlled Release) 7월 12일자에 게재되었다.(논문제목 : Perivascular biodegradable microneedle cuff for reduction of neointima formation after vascular injury)
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
관상 혹은 말초동맥경화증 환자의 혈관 이식편 이식 후 수술부위에서 종종 협착이나 폐색이 발생한다. 주된 원인인 혈관민무늬근세포의 이상성장으로 인한 신생혈관내막과형성(neointima hyperplasia)을 막기 위해서는 세포가 분포되어 있는 혈관 중간층에 증식억제제 같은 약물이 전달되어야 한다.
기 개발된 약물방출 스텐트 및 풍선의 경우 재협착 병변내부 표면과의 접촉만으로 약물이 전달되는데 혈관 중간층으로의 확산이 용이하지 않고 혈류에 의해 약물이 유실되며 지속적인 약물방출이 어렵다는 한계점이 있다. 이와 같은 한계점을 해결하고자 다량의 약물을 사용할 시, 항암성분의 증식억제제가 혈류를 통해 정상적인 조직에 작용하여 야기되는 부작용 또한 무시할 수 없다.
2. 연구내용
본 연구팀에서는 열적 인장 방식(thermal drawing method) 을 사용하여 혈관 침투에 적합한 마이크로니들을 제작할 수 있는 기술을 개발하고 생분해성 고분자 재료를 이용하여 마이크로니들 기반의 약물전달장치를 제작, 혈관질환이 있는 동물모델을 이용한 동물실험(in vivo test) 을 통하여 혈관질환치료의 효과 및 기존 기술 대비 약물전달의 우수성을 입증하였다.
본 연구에서는 생분해성 고분자 PLGA90/10를 주재료로 하여 열적 인장 방식을 통해 마이크로니들 배열을 제작하였다. 마이크로 단위에서의 인발 및 온도 조절을 통해 용해된 고분자를 들어 올려 끝단의 예리함(sharpness)이 5 ㎛ 이내, 높이를 200 ~ 900 ㎛ 의 다양한 크기 및 형상의 마이크로니들을 제작할 수 있는 공법을 개발하였다.
생체 내에서 분해기간이 6개월인 마이크로니들 약물전달장치 대비 분해기간이 2주 이내인 생분해성 고분자 PLGA50/50를 기반으로 한 약물제형을 만들고 딥코팅(dip-coating) 방식으로 마이크로니들 표면에 약물을 저장한 뒤 어닐링 (anealing) 공정을 거쳐 수갑(cuff) 형상으로 만들어 혈관외벽에 장착, 마이크로니들이 조직을 투과하여 약 1주일간 지속적인 약물전달이 가능하도록 하였다.
개발된 마이크로니들 기반 약물전달장치를 토끼를 이용한 생체 내 실험 (in vivo test) 통해 혈관 협착 (stenosis) 에 주된 원인인 혈관민무늬근세포 (smooth muscle cell)의 이상성장을 억제하도록 그것이 분포하고 있는 혈관 중간층 (tunica media) 에 증식억제제를 국소적으로 전달 할 수 있음을 확인하였다. 또한 마이크로니들 구조가 없는 동일 재질의 필름형태 약물전달장치와 약물전달율을 비교했을 때 혈관중간층으로의 약물 분포에서 200배 이상의 약물전달효율을 보였다.
이를 바탕으로 토끼를 사용한 풍선 확장술(balloon injury)에 의해 유도된 혈관질환모델을 확립하여 마이크로니들 기반 약물전달장치를 장착, 2주 내지 4주 간의 추적 관찰 (follow-up) 후 토끼를 희생하여 조직병리 분석을 한 결과, 혈관 개통성을 질병모델 대비 약 70 % 확보함으로써 혈관질환 치료의 효과를 입증하였다.
3. 기대효과
본 연구에서 개발한 마이크로니들 기반 약물전달장치는 혈관으로의 약물전달을 위해 기존에 개발된 약물방출스텐트 혹은 약물방출풍선이 갖는 비효율적인 약물전달의 한계점을 해결할 수 있다는 장점을 바탕으로 관상동맥이나 말초혈관 질환 환자에서의 혈관우회술시 장착하여 혈관의 개존성을 높을 수 있으며 재협착에 의한 심근경색 및 사망을 예방할 수 있을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가 | 마이크로 니들을 혈관질환 치료에 적용한 연구결과로 현재 임상에서 사용되는 약물방출스텐트와 같은 기존 기술 대비 혈관 병변으로의 약물전달 효율성을 크게 높임 | |
어디에 쓸 수 있나 | 혈관 협착 혹은 혈관 이식편 수술, 혈관 성형술 후의 재협착을 방지할 수 있어 심혈관, 뇌혈관, 말초혈관 등 다양한 혈관질환에 응용이 가능할 것으로 기대 | |
실용화까지 필요한 시간은 | 약 5년 가량으로 기대 | |
실용화를 위한 과제는 | 산업화 설비 및 전임상시험, 임상실험 진입을 위한 투자 | |
연구를 시작한 계기는 | 2009년 가을 미국 UCSF대학 심혈관 질환 치료 최고권위자인 Michael Conte 교수와의 대화 중 기존 약물전달 장치가 갖고 있는 단점을 해결할 수 있는 기술로 마이크로 니들의 적용을 최초로 고안함 | |
꼭 이루고 싶은 목표는 | 본 기술을 바탕으로 한 새로운 의료기술의 상용화 | |
신진연구자를 위한 한마디 | 세상에 존재하지 않는 기술 창출에 도전해 볼 것 |
용 어 설 명
1. 저널 오브 컨트롤드 릴리즈(Journal of Controlled Release) 지
- Elsevier가 2주 마다 발행하는 약물전달 분야 국제학술지
2. 동맥경화
- 동맥벽이 복잡한 과정을 거쳐 변형, 경화되어 혈관이 협착, 폐색된 상태
※ 협착 : 혈관의 국부적인 형성이상의 결과로 심각한 혈관 내강의 협소가 초래된 것
※ 폐색 : 혈관에 종양, 혈전, 지방질 등의 물질이 쌓여 혈관이 막힌 것
3. 신생혈관내막과형성
- 혈관중간층에 분포하고 있는 혈관민무늬근세포의 이상성장으로 인해 혈관 내강이 좁아지도록 과형성된 병변
4. 약물방출스텐트 및 풍선
- 혈관의 폐색 및 협착을 치료하기 위해 혈관민무늬근세포의 이상성장을 억제하기 위한 증식억제제를 스텐트 혹은 풍선 표면에 코팅하여 혈관성형술을 통해 병변에 접근, 스텐트나 풍선을 확장하여 약물을 전달하는 장치
5. 증식억제제
- 세포증식 단계의 기저를 저해하여 증식을 막는 일종의 항암 성분의 억제제
6. 혈관개통성
- 혈관민무늬근세포 이상성장에 의해 혈관의 내강이 줄어든 비율. 본 연구에서는 기존에 존재하는 혈관 중간층의 내강 쪽 경계면인 내탄성판을 기준으로 내강을 면적을 정의하고 신생혈관내막과형성 후의 경계면을 따라 줄어든 내강을 재정의하여 비율을 계산하였음
그 림 설 명
열적 인발 공정(thermal drawing method) 으로 마이크로니들 배열 구조를 만들고 침지코팅(dip-coating) 방식으로 약물제형을 마이크로니들 표면에 저장하고 열처리 과정을 거쳐 혈관 외벽 장착에 용이한 곡면형태로 만들었다. 후에 병변이 있는 혈관 병변의 외벽을 감싸 마이크로니들을 삽입하여 국소적이고 효율적인 약물전달이 가능하도록 하였다.
(a,b) 마이크로니들이 혈관 중간층으로 침투된 것과 전달약물 로다민비(rhodamine B)가 혈관중간층(tunica media)을 중심으로 전체적으로 분포된 것을 확인하였다.
(c,d) 증식억제제 파클리탁셀(paclitaxel)을 사용하여 약물을 혈관외막(adventitia)이 아닌 원하는 혈관 중간층에 집중적으로 분포되는 것을 확인하였다.
풍선확장술로 야기된 신생혈관내막과형성 영역(노란색 화살표)이 있는 토끼의 혈관(b)과 달리 개발된 마이크로니들 기반의 약물전달장치로 약물을 전달한 토끼의 혈관(c)은 신생혈관내막과형성 (노란색 화살표) 영역이 현저히 줄어 토끼의 정상혈관(a)과 유사해지는 것을 볼 수 있다.
(*영역이 혈관 내강)
혈관개통성은 기존 혈관 대비 혈관민무늬근세포 이상성장에 의해 내강이 줄어든 비율로써 본 연구에서는 기존에 존재하는 혈관 중간층의 내강 쪽 경계면인 내탄성판을 기준으로 내강을 면적을 정의하고 신생혈관내막과형성 후의 경계면을 따라 줄어든 내강을 재정의하여 비율을 계산하였다. 장치가 장착된 혈관을 mid, 앞뒤로 5mm 떨어진 혈관을 proximal, distal 로 정의하였다. 장착 실험군 (MN + PTx) 의 신생혈관내막과형성이 최저 8% (mid, 4주) 로 질병모델 (control) 의 30% 대비 약 70% 이상의 혈관개통성을 확보한 것을 확인할 수 있다.
