정성기 교수 연구실 : 혈뇌장벽(Blood-brain barrier : BBB)을 투과할 수 있는 약물전달기술 개발

- 뇌에 침투한 인간면역결핍바이러스의 증식을 억제 -

□ 교육과학기술부(장관 안병만)는 포항공과대학교 정성기 교수팀이 생체기능조절물질개발사업단(단장 유성은)

과 BK21사업(포항공대 분자과학사업단 주관) 지원으로 혈뇌장벽(Blood-brain barrier : BBB)을 투과할 수

있는 약물전달체를 개발하였다고 밝혔다.

○ 정성기 교수팀은 “소르비톨이라는 약물전달체를 이용하여 인간면역결핍바이러스(HIV)의 증식을 억제하는

대표적 약물인 AZT (azidothymidine;지도부딘)를 생쥐의 혈뇌장벽을 투과하여 뇌조직으로 전달하는 데 성공

하였다.”고 밝혔다. 이 연구 결과는 영국화학회에서 발간하는 화학분야의 세계적 권위지인 “Chemical

Communications“의 인터넷판(advance article, 2009.6.22)에 게재되었다. <혈뇌장벽을 극복하는 NRTI(AZT)의 전달기술 개념도>

□ 에이즈를 일으키는 병원체로 알려진 인간면역결핍바이러스(HIV) 에 인체세포가 감염되면, 역전사효소

(reverse transcriptase)에 의하여 HIV의 유전물질이 인체세포의 염색체에 편입이 되고 인체세포는 더 많은

HIV를 생산하는 방식으로 바이러스는 증식하게 된다.

□ 일반적으로 에이즈 치료는 HIV 역전사효소의 활동을 억제하여 HIV의 증식을 저지시킬 수 있는 치료제를 이용

하고 있으며, 이러한 원리의 약물들을 뉴클레오시드 역전사효소억제제(NRTI: nucleoside reverse

transcriptase inhibitor)라고 부른다.

○ 그러나 뇌를 포함한 중추신경계는 그 기능적 중요성 때문에 혈뇌장벽(Blood-brain barrier)이라는 특수한

보호체계를 가지고 있어서, 해로운 외부 물질들이 뇌에 쉽게 침투를 못할 뿐만 아니라 질병 치료에 유용한

대부분의 약물성분들도 뇌로 전달되지 못한다.따라서 약물전달을 위한 혈뇌장벽의 극복은 뇌신경계질환

치료제의 개발에 있어서 풀어야 할 최우선 과제로 평가되고 있다.

○ 치료제 약물성분이 혈뇌장벽을 통과하여 뇌조직으로 유입되기 위해서는 적절한 약물전달체 개발과 이 약물

전달체와 치료제의 합성 기술 개발 등이 필요하며, 이 부분에 대한 연구는 매우 활발하게 이루어지고 있으나
 
아직까지 완전히 해결되지 못한 과제로 남아있다.

○ 합성물이 혈뇌장벽을 통과하기 위해서는 적정의 분자량, 전하, 수용성 및 지용성의 균형 등이 까다롭게 요구되는데,

이러한 조건들을 충족하는 약물 또는 약물전달체의 디자인과 합성의 어려움이 현재 기술의 한계이다.

□ 연구팀은 2007년 소르비톨이라는 당질(carbohydrate)을 근간으로 하는 약물전달체를 개발한 바 있으며,

동 연구는 이를 이용하여 뇌조직으로 감염된 에이즈(AIDS)의 치료를 가능케 하는 뉴클레오시드 역전사효소

억제제(NRTI)의 전달기술을 개발한 것이다.

○ 약물전달체와 약물의 고유한 기능을 침해하지 않으면서 두 물질을 결합시켜야하는 어려움을 극복하기 위하여,
 
연결기(linker)를 도입하여 약물전달체와 AZT를 쉽게 결합할 수있었으며, 이때 AZT는 피전달체(cargo)로서
 
약물전달체의 도움을 얻어 혈뇌장벽을 통과할 수 있었다.

○ 쥐를 이용한 생체(in vivo) 실험을 통하여 약물전달체와 대표적 NRTI인 AZT의 결합체가 쥐의 혈뇌장벽을

통과하여 뇌조직까지 효율적으로 전달됨을 관찰하였다.

□ 정성기 교수팀은 이번에 새롭게 개발한 약물전달체 시스템에 기반하여 뇌종양, 알츠하이머병 등의 난치성

중추신경계(central nervous system: CNS)질환 치료에 필수적인 약물개발 연구가 더욱 가속화 될 것으로 전망하였다.

붙임 1】용어설명
붙임 2】관련사진
붙임 3】연구책임자 이력
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[붙임 1] 용어설명

□ 역전사효소(reverse transcriptase)

○ 역전사효소는 RNA를 주형(template)으로 하여 상보적 DNA를 합성하는 효소를 말한다. 이러한 역전사 효소의 활동은 보통의 세포에서 일어나는 유전정보의 흐름(DNA로 부터 RNA의 합성)과 정반대이다. 역전사 효소는 유전정보가 RNA의 형태로 보존되어있는 바이러스에서 대부분 발견되며 HIV가 그 예이다. 인체세포가 HIV에 감염되면, 역전사효소에 의하여 바이러스의 RNA을 모델로 하여 상보적 DNA가 합성되고, 이 DNA가 숙주세포의 염색체에 편입이 되며 숙주세포는 더 많은 바이러스들을 생산한다.

□ 약물전달체(Drug delivery vector)

○ 상당히 많은 수의 높은 생리활성을 가진 약물들, 특히 수용성약품, 단백질의약품, 핵산/유전자 등은 생체막(세포막, BBB-혈뇌장벽, 등)을 잘 통과할 수 없기 때문에 치료제로서 개발되지 못하고 있다. 이러한 약물전달문제는 특히 중추신경계(뇌) 질환치료나 유전자치료 등에서는 심각한 문제로 대두되고 있다. 이 문제를 해결하는 방법의 하나로 'vector-mediated delivery'가 연구되고 있다. 여기의 delivery vector는 전달매개체라고 번역될 수 있고, 그 자체는 생체막을 잘 통과할 수 있는 성질을 지녀야 하지만 어떤 분자구조가 생체막을 잘 통과할 수 있는지에 대한 이해가 부족한 상태이므로, delivery vector로 사용될 수 있는 화합물을 설계하는 것은 어려운 문제로 남아 있다.

□ 혈뇌장벽(Blood-brain barrier)

○ 혈뇌장벽은 중추신경계에 존재하는 특수한 세포막 구조를 가리키며, 혈관내 내피세포(endothelial cell)들이 밀착결합(tight junction)에 의하여 치밀하게 연결되어 있어서 중추신경계 내로의 물질이동을 제한하고 있다. 신진대사를 위한 물질들은 혈뇌장벽을 통과할
수 있지만 박테리아, 화학물질 같은 유해 가능성이 있는 비천연물질들은 차단되므로 중추신경계가 보호될 수 있다.

[붙임 2] 관련사진 본 연구 결과의 핵심적 내용은 1) AZT를 예로 하여 약물전달체와 결합함으로써 세포막뿐 아니라 혈뇌장벽(Blood-brain barrier)을 잘 통과하여 생쥐의 뇌조직으로 잘 전달된다는 것을 보여준다는 것이며, 2) 이 기술은 AIDS 치료에 필수적인 다른 모든 NRTI에도 응용 가능하다는 것이고, 3) 이 약물전달체에 부착된 많은 종류의 약품이 사립체(mitochondria)에 높은 선택성을 보임으로서 사립체질환으로 알려진 헌팅턴 병(Huntington's disease), 루게릭 병(ALS, Lou Gehrig's disease), 알츠하이머 병(Alzheimer's disease), 등과 같은 난치성 중추신경계 질환의 치료제를 뇌조직으로 전달하는 데에 응용이 가능하다는 것이다.

[붙임 3] 과제개요 및 연구책임자 이력 Ⅰ. 과제개요 ○ 과제명 : 약물의 생체막 투과도 향상을 위한 분자수송체의 개발 (해당사업 : 21세기프론티어연구개발사업 중 생체기능조절물질개발사업단) ○ 연구책임자 : 정성기 박사 (포항공과대학)