경구용 생물의약품의 개발연구 동향
2020-06-27
org.kosen.entty.User@214b246
이재현(jaelee122)
경구용 생물의약품의 개발연구 동향
이재현, jaelee122@hanmail.net
한국산업기술진흥협회
Keywords
Oral, peptide, Drug delivery, Permeability, Nanoparticle, formulation
경구, 펩티드, 약물전달, 침투력, 나노입자, 조제
1. 서론
1982년에 미국 FDA가 인간 재조합 인슐린을 생물치료제로 허가한 후 생물의약 치료가 빠르게 발전하여 2011년 1월부터 2016년 8월까지 62개 품목이 미국 FDA의 허가를 받았다[1]. 생물치료의 지대한 관심은 크고 복잡한 분자로서 분자 내 여러 곳에 서열 조절이 가능하여 많은 유도체들을 만들 수 있기 때문이다. 이 분자구조의 다양성은 저분자 약제보다 특정성이 높아 부작용을 줄일 수 있다[2]. 그러나 큰 크기 (단일클론항체의 경우 150kDa) 및 정교한 구조 때문에 경구전달은 큰 문제가 된다. 치료 효과가 분자의 물리적 배열과 관계가 있어 단백질 활성 장소 구조의 어떤 변형으로도 위장 통과에 지장을 주고 약효를 잃어 구조 유지에 주의를 요한다.
초기 FDA 허가된 경구 펩티드 중 하나는 Linaclotide이다[3]. 이 약품은 산으로, 펩신 저항성이 있는 14개 아미노산 펩티드이며 만성변비와 과민성대장증후군 (irritable bowel syndrome, IBS)의 약제로 2012년에 미국과 유럽에서 허가되었다[3]. 이 약제는 pH 민감 아스파르트산을 cysteine 잔기로 대치하여 세 번째 disulfide 가교를 도입하였으며, N-말단에 pH 민감 잔기인 아스파르트산 및 아스파라긴을 제거하였다. 이 두 변형으로 분자의 유연성을 줄이고, 활성 배열 분자를 만들고, 강하고 안전하며 활성이 있는 약제로 만들었다.
2. 생물의약품의 현재 경향
생물의약품은 급속도로 유행하고 있어 2018년에는 허가 품목들의 30%를 차지한다[4]. 더구나 생물의약품의 특허들이 만료됨에 따라 많은 바이오시밀러 약제들이 다음 [표 1]에서와 같이 나타나고 있다. 이 바이오시밀러 약제들은 잠재력, 안정성 및 효능이 기존 허가된 단백질-근거 약제와 매우 비슷하다. 따라서 시장에서 기존 제품과 경쟁하여 약품 가격을 내려 환자들의 호응을 얻고 있다.
이러한 현상은 미국 의료시스템에 경제적으로 크게 도움이 되어, 2017~2026년 기간 동안 $540억을 줄일 수 있을 것이라고 한다. 더구나 이 바이오시밀러 약제들은 특정상 좋은 안정성 및 내성 양상을 보인다. 저분자 약제들은 종종 표적을 벗어나 결합하여 부작용을 초래하지만 생물약제들은 복잡하나 정확한 결합으로 부작용이 적다.
표 1. 현재 FDA 허가된 바이오시밀러 약제들
Biosimilar Reference Product. company Approval Date
27 Nyvepria
(pegfilgrastim-apgf) Neulasta
Pfizer Inc. June 10, 2020
26 Avsola
(infliximab-axxq) Remicade
Amgen Inc. December 6, 2019
25 Abrilada
(adalimumab-afzb) Humira
Pfizer Inc. November 15, 2019
24 Ziextenzo
(pegfilgrastim-bmez) Neulasta
Sandoz Inc. November 4, 2019
23 Hadlima
(adalimumab-bwwd) Humira
Samsung Bioepis Co., Ltd. July 23, 2019
22 Ruxience
(rituximab-pvvr) Rituxan
Pfizer Inc. July 23, 2019
21 Zirabev
(bevacizumab-bvzr) Avastin
Pfizer Inc. June 27, 2019
20 Kanjinti
(trastuzumab-anns) Herceptin
Amgen Inc. June 13, 2019
19 Eticovo
(etanercept-ykro) Enbrel
Samsung Bioepis Co., Ltd. April 25, 2019
18 Trazimera
(trastuzumab-qyyp) Herceptin
Pfizer Inc. March 11, 2019
17 Ontruzant
(trastuzumab-dttb) Herceptin
Samsung Bioepis Co., Ltd. January 18, 2019
16 Herzuma
(trastuzumab-pkrb) Herceptin
Celltrion, Inc. December 14, 2018
15 Truxima
(rituximab-abbs) Rituxan
Celltrion, Inc. November 28, 2018
14 Udenyca
(pegfilgrastim-cbqv) Neulasta
Coherus BioSciences, Inc. November 2, 2018
13 Hyrimoz
(adalimumab-adaz) Humira
Sandoz Inc. October 30, 2018
12 Nivestym
(filgrastim-aafi) Neupogen
Pfizer Inc. July 20, 2018
Biosimilar Reference Product Company Approval Date
11 Fulphila
(pegfilgrastim-jmdb) Neulasta
Mylan N.V. June 4, 2018
10 Retacrit
(epoetin alfa-epbx) Epogen / Procrit
Hospira Inc. May 15, 2018
9 Ixifi
(infliximab-qbtx) Remicade
Pfizer Inc. December 13, 2017
8 Ogivri
(trastuzumab-dkst) Herceptin
Mylan GmbH December 1, 2017
7 Mvasi
(bevacizumab-awwb) Avastin
Amgen Inc. September 14, 2017
6 Cyltezo
(adalimumab-adbm) Humira
Boehringer Ingelheim Pharmaceuticals, Inc. August 25, 2017
5 Renflexis
(infliximab-abda) Remicade
Samsung Bioepis Co., Ltd. April 21, 2017
4 Amjevita
(adalimumab-atto) Humira
Amgen Inc. September 23, 2016
3 Erelzi
(etanercept-szzs) Enbrel
Sandoz Inc. August 30, 2016
2 Inflectra
(infliximab-dyyb) Remicade
Celltrion, Inc. April 5, 2016
1 Zarxio
(filgrastim-sndz) Neupogen
Sandoz Inc. March 6, 2015
현재 3개의 약제가 FDA 허가를 받았는데, 이들은 Linzess®, Trulance® 그리고 Rybelsus®다. Linzess®와 Trulance®는 만성변비와 IBS 약제이며 장내에서 작용한다. 이 방법은 위 보호 가능성을 보이지만 장내 침투에 어려운 점이 있다. Rybelsus®은 타입 2 당뇨에 대한 첫 번째 경구 GLP-1 치료제이다. 조제는 많은 양의 침투향상제를 사용하여 semaglutide가 위점막을 통과하도록 하여 약량-의존 플라스마 농도의 증가를 가져온다. 또한 많은 강한 침투성 경구 펩티드 전달시스템이 임상시험들에 들어가 있는데 대부분이 나노입자 및 침투향상제를 사용하고 있다.
3. 생물의약품 경구전달의 장애
생물의약품의 허가 수의 증가에도 불구하고(표 1)[5] 대부분의 약제들은 경구용으로 어려움이 있다. 그러나 환자의 91%가 주삿바늘 공포를 가지고 있어 경구전달 방식이 치료에 적합하다. 경구용의 문제는 화학적, 효소적 그리고 물리적 형태의 장애를 받는다. 위장 통과에서 보호 없이는 이 연약한 약제들은 급속히 분해되어 흡수가 되지 않아 비활성 분자로 제거된다. 또한 경구 흡수는 연령, 위장의 건강 및 식사 습관에 따라 약효가 불규칙적인 양상을 보인다
3.1. 흡수에 있어 화학 및 효소의 장애
소화기 내, 특히 위에 일반적인 기능은 식품 성분을 흡수 가능한 분자로 분쇄하는 것이다. 이는 단백질의 소화를 의미하여 단백질 치료제에 심각한 장애가 된다. 이에 대응하여 입자를 캡슐화하면 거센 위 환경을 극복할 수 있다. 또한 산-저항 고분자로 치료제를 코팅한다. 많이 쓰이는 것이 Eudragit 고분자이다. Sun 등은 pH 5.5 이상에서 녹는 음이온 고분자 Eudragit L100-55를 사용하여 인슐린의 경구 사용을 가능하게 하였다[6]. 생화학적 분해(그림 1)도 pH < 5 환경에서 펩신에 의하여 일어나며, GI 관 내 중성 지역에서는 단백질분해효소 트립신, α-chymotrypsin, elastase 및 carboxypepti-dase 등이 동시에 작용하여 작은 펩티드들을 흡수 가능한 아미노산으로 분해한다. 이에 대항하여 효소저해제들을 활용한다.
3.2. 점액의 흡수장애
장의상피를 덮은 진한 점액층은 소화하는 동안 연약한 세포층에 가해지는 기계적인 스트레스를 막아준다. 그러나 이것이 약물의 흡수에 장애가 되어 상피와의 접촉을 제한하며 약물 수송을 감소시킨다. 점액은 주로 글리코단백질들인 뮤신으로 구성된 수화겔이다. 이 뮤신 파이버들은 이황화 결합으로 체와 같은 구조를 하며 점도 감소 특성이 있다[7]. 관 내의 뮤신은 3개의 층이 있으며 이들은 glycocalyx, 강한 내부 부착층 및 느슨한 외부 부착층이다. 나노입자 시스템이 위장관 점액과 상호작용으로 장내에 체류를 연장할 수 있다. N-acetylcysteine 혹은 파파인과 같은 점액분해효소를 표면에 가진 나노입자들과 Self-nanoemulsifying-drug-delivery-systems 또한 새로운 나노전달 방법으로 점액 침투 특성이 있다.
3.3. 세포의 흡수장애
소장 세포는 주요 영양과 물의 흡수를 통해 항상성을 유지하여 발병 이물질들의 침입을 막아 신체를 보호한다. 그러나 이것이 큰 친수성 생물분자들의 신체적 전달에 큰 장애가 된 다약물과 영양이 이 세포층을 지날 때 크게 활성 및 수동적 기전이 있다. 수동적 통과 기전은 세포 사이 및 세포 횡단 경로가 있다. 충분한 소수성 약제들은 세포층을 통과하고 세포 사이 수송 크기가 작고 친수성인 약제들은 밀접 부위가 형성한 세포 사이의 물 채널에 의하여 확산된다. 이 밀접 부위는 IBD 및 Clostridium perfringens 장독소에 의한 식중독과 같은 여러 질병 상태로 해가된다. 그럼에도 불구하고 거대 약제들은 큰 크기와 친수성 때문에 세포 내 섭취가 제한을 받지만, 다음 그림 1에서와 같이 네 가지 중 하나의 방법으로 세포 내 흡수가 가능하다.
그림 1. 장 상피세포의 흡수 기전[8]
4. 위, 장내 침투의 in vitro 모델
4.1. 합성 모델
현재 수용성 및 침투성에 있어 정확한 in vitro 모델이 요구되고 있다. 위, 장으로 침투성은 활성 약제들에 필수적이며 경구 생물약재와 나노입자 시스템에 주요 장애가 되고 있다. 현재 사용되고 있는 모델들은 Parallel Artificial Membrane Permeation Assay(PAMPA)[9], Phospholipid Vesicle-Based Permeation Assay(PVPA)[10], PermeaPadTM[11], Artificial Membrane Inert(AMI)[12] 시스템이다. 장단점은 다음 표 2에 명시하였다.
？
표 2. 침투 in vitro 모델들
모델 이점 단점
PMPA 생체묘사 표현에 절충 가능 장애 성분
pH 2~8에서 안정적
약물-멤브레인 상호작용
지질막 용해
Cremophor EL, Na taurocholate>15nM과 양립 불가
PVPA
유기용매 분리 부족
생체묘사 표현에 절충 가능 장애 성분
-80°C에서 2주 저장 가능
점막층 추가
pH 2~8에서 안정적
Brij 35, Tween 80 및 Cremophor EL과 양립 불가
PermeaPadTM
보조 용지들이 지질막 용해 저지
즉시 사용 가능
막을 6-well, 96-well 플레이트 이전 가능
양쪽 확산 세포
pH 1~9에서 안정적
지질분해 매체에서 4h까지 양립
Cremophor EL과 양립 불가
FeSSOV(vI) 매체와 양립 불가
AMI 준비 과정 한계
점막층 추가 인지질 성분 부족
침투 교반-속도에 의존
4.2. Cacao-2 세포-근거 시스템
현재 소장 침투 모델의 표준은 Cacao-2 세포들의 Transwell 세포배양 모델이다. 이 세포들은 인간 결장 선암으로부터 분리하였으며 인간 위, 장 모델 중 가장 대표적으로 꼽히고 있다. 엄격한 조건하에서 배양하면 이 세포는 타이트하게 합류된 단층을 생산하고, 미세융모, 밀접 연결점 및 GIT에 존재하는 많은 대사효소를 가진 상피세포를 제공한다. Li 등은 인슐린이 함유된 SNEDDs 조제를 Caco-2 단층에 전달하는 것을 분석한 결과 컨트롤에 비해 증가한 전달현상을 보였다. 쥐의 경구투여에서 증가한 혈당은 컨트롤 인슐린 용액 침투의 향상을 보였다[13]. 그 밖에 이 세포모델을 절충하는 ‘intestine-on-a chip(IOAC)’ 마이크로흐름장치[14], Ussing chamber를 이용한 위장조직의 흡수 및 침투 분석[15], 모델 간의 침투 측정 비교 방법[15] 등이 있다.
5. 결론
치료 펩티드와 단백질들은 저분자 약제들에 비해 그 특수성 및 환자의 호응도 때문에 많은 이점을 보여준다. 그러나 블록버스터 약품 가능성에도 불구하고 경구 약품전달 경로 때문에 한계점들이 있다. 이들의 경구전달 방법들이 나노입자 제제 및 침투향상제를 사용하여 주요 침투장애를 극복하고 임상에 들어가고 있다. 더 나아가 복잡한 in vitro 생화학적 침투 모델을 통해 고난도 침투 분석을 하게 되었다. 약제 단백질의 분해를 유도하는 특정 단백질분해효소를 확인하고, 세포에 결합한 수용체를 특정적으로 표적화하여 흡수를 향상하는 성공적인 조제로 이점을 살리고 있다. 이리하여 다수의 경구 단백질 전달 연구 플랫폼이 형성되어 상업적 전달시스템이 탄생하게 되었다. Emisphere Tech.의 Eligen® 시스템이 선구자 역할을 하며 많은 긍정적 결과를 가져오고 있다. Caco-2 세포모델은 in vitro 침투 모델의 표준형이 되고 있다.
References
1. H.A.D. Lagasse et al. Recent advances in (therapeutic protein) drug development. 6 F1000Research, 2017. 113.
2. B. Leader Q.J. Baca D.E. Golan Protein therapeutics: a summary and pharmacological classification Nature Reviews Drug Discovery 7 2008 21.
3. McWilliams, V., Whiteside, G., McKeage, K., 2012. Linaclotide. Drugs 72 (16), 2167？2175.
4. Mullard, A., 2020. 2019 FDA drug approvals. Nat. Rev. Drug Discovery.
5. Official Answer by Drugs.com
6. Sun, L., et al., 2019. Scalable Manufacturing of Enteric Encapsulation Systems for Site-Specific Oral Insulin Delivery. Biomacromolecules 20 (1), 528？538.
7. Ensign, L.M., Cone, R., Hanes, J., 2012. Oral drug delivery with polymeric nanoparticles: the gastrointestinal mucus barriers. Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (6), 557？570.
8. Leah Wright, Timothy J. Barnesa, Clive A. Prestidge . Oral delivery of protein-based therapeutics: Gastroprotective strategies, physiological barriers and in vitro permeability prediction, International Journal of Pharmaceutics 585 (2020) 119488.
9. Kansy, M., Senner, F., Gubernator, K., 1998. Physicochemical high throughput screening: parallel artificial membrane permeation assay in the description of passive absorption processes. J. Med. Chem. 41 (7), 1007？1010.
10. Flaten, G.E., et al., 2006. Drug permeability across a phospholipid vesicle based barrier: a novel approach for studying passive diffusion. Eur. J. Pharm. Sci. 27 (1), 80？90.
11. di Cagno, M., Bibi, H.A., Bauer-Brandl, A., 2015. New biomimetic barrier Permeapad™ for efficient investigation of passive permeability of drugs. Eur. J. Pharm. Sci. 73, 29？34.
12. Berben, P., Brouwers, J., Augustijns, P., 2018. Assessment of passive intestinal permeability using an artificial membrane insert system. J. Pharm. Sci. 107 (1), 250？256.
13. Li, P., et al., 2014. Self-nanoemulsifying drug delivery systems for oral insulin delivery: In vitro and in vivo evaluations of enteric coating and drug loading. Int. J. Pharm. 477 (1), 390？398.
14. Pocock, K., et al., Uptake of silica particulate drug carriers in an intestine-on-a-chip: towards a better in vitro model of nanoparticulate carrier and mucus interactions. 2019. 7(6): p. 2410-2420.
15. Faria, M., et al., 2018. Minimum information reporting in bio？nano experimental literature. Nat. Nanotechnol. 13 (9), 777？785.
이재현, jaelee122@hanmail.net
한국산업기술진흥협회
Keywords
Oral, peptide, Drug delivery, Permeability, Nanoparticle, formulation
경구, 펩티드, 약물전달, 침투력, 나노입자, 조제
1. 서론
1982년에 미국 FDA가 인간 재조합 인슐린을 생물치료제로 허가한 후 생물의약 치료가 빠르게 발전하여 2011년 1월부터 2016년 8월까지 62개 품목이 미국 FDA의 허가를 받았다[1]. 생물치료의 지대한 관심은 크고 복잡한 분자로서 분자 내 여러 곳에 서열 조절이 가능하여 많은 유도체들을 만들 수 있기 때문이다. 이 분자구조의 다양성은 저분자 약제보다 특정성이 높아 부작용을 줄일 수 있다[2]. 그러나 큰 크기 (단일클론항체의 경우 150kDa) 및 정교한 구조 때문에 경구전달은 큰 문제가 된다. 치료 효과가 분자의 물리적 배열과 관계가 있어 단백질 활성 장소 구조의 어떤 변형으로도 위장 통과에 지장을 주고 약효를 잃어 구조 유지에 주의를 요한다.
초기 FDA 허가된 경구 펩티드 중 하나는 Linaclotide이다[3]. 이 약품은 산으로, 펩신 저항성이 있는 14개 아미노산 펩티드이며 만성변비와 과민성대장증후군 (irritable bowel syndrome, IBS)의 약제로 2012년에 미국과 유럽에서 허가되었다[3]. 이 약제는 pH 민감 아스파르트산을 cysteine 잔기로 대치하여 세 번째 disulfide 가교를 도입하였으며, N-말단에 pH 민감 잔기인 아스파르트산 및 아스파라긴을 제거하였다. 이 두 변형으로 분자의 유연성을 줄이고, 활성 배열 분자를 만들고, 강하고 안전하며 활성이 있는 약제로 만들었다.
2. 생물의약품의 현재 경향
생물의약품은 급속도로 유행하고 있어 2018년에는 허가 품목들의 30%를 차지한다[4]. 더구나 생물의약품의 특허들이 만료됨에 따라 많은 바이오시밀러 약제들이 다음 [표 1]에서와 같이 나타나고 있다. 이 바이오시밀러 약제들은 잠재력, 안정성 및 효능이 기존 허가된 단백질-근거 약제와 매우 비슷하다. 따라서 시장에서 기존 제품과 경쟁하여 약품 가격을 내려 환자들의 호응을 얻고 있다.
이러한 현상은 미국 의료시스템에 경제적으로 크게 도움이 되어, 2017~2026년 기간 동안 $540억을 줄일 수 있을 것이라고 한다. 더구나 이 바이오시밀러 약제들은 특정상 좋은 안정성 및 내성 양상을 보인다. 저분자 약제들은 종종 표적을 벗어나 결합하여 부작용을 초래하지만 생물약제들은 복잡하나 정확한 결합으로 부작용이 적다.
표 1. 현재 FDA 허가된 바이오시밀러 약제들
Biosimilar Reference Product. company Approval Date
27 Nyvepria
(pegfilgrastim-apgf) Neulasta
Pfizer Inc. June 10, 2020
26 Avsola
(infliximab-axxq) Remicade
Amgen Inc. December 6, 2019
25 Abrilada
(adalimumab-afzb) Humira
Pfizer Inc. November 15, 2019
24 Ziextenzo
(pegfilgrastim-bmez) Neulasta
Sandoz Inc. November 4, 2019
23 Hadlima
(adalimumab-bwwd) Humira
Samsung Bioepis Co., Ltd. July 23, 2019
22 Ruxience
(rituximab-pvvr) Rituxan
Pfizer Inc. July 23, 2019
21 Zirabev
(bevacizumab-bvzr) Avastin
Pfizer Inc. June 27, 2019
20 Kanjinti
(trastuzumab-anns) Herceptin
Amgen Inc. June 13, 2019
19 Eticovo
(etanercept-ykro) Enbrel
Samsung Bioepis Co., Ltd. April 25, 2019
18 Trazimera
(trastuzumab-qyyp) Herceptin
Pfizer Inc. March 11, 2019
17 Ontruzant
(trastuzumab-dttb) Herceptin
Samsung Bioepis Co., Ltd. January 18, 2019
16 Herzuma
(trastuzumab-pkrb) Herceptin
Celltrion, Inc. December 14, 2018
15 Truxima
(rituximab-abbs) Rituxan
Celltrion, Inc. November 28, 2018
14 Udenyca
(pegfilgrastim-cbqv) Neulasta
Coherus BioSciences, Inc. November 2, 2018
13 Hyrimoz
(adalimumab-adaz) Humira
Sandoz Inc. October 30, 2018
12 Nivestym
(filgrastim-aafi) Neupogen
Pfizer Inc. July 20, 2018
Biosimilar Reference Product Company Approval Date
11 Fulphila
(pegfilgrastim-jmdb) Neulasta
Mylan N.V. June 4, 2018
10 Retacrit
(epoetin alfa-epbx) Epogen / Procrit
Hospira Inc. May 15, 2018
9 Ixifi
(infliximab-qbtx) Remicade
Pfizer Inc. December 13, 2017
8 Ogivri
(trastuzumab-dkst) Herceptin
Mylan GmbH December 1, 2017
7 Mvasi
(bevacizumab-awwb) Avastin
Amgen Inc. September 14, 2017
6 Cyltezo
(adalimumab-adbm) Humira
Boehringer Ingelheim Pharmaceuticals, Inc. August 25, 2017
5 Renflexis
(infliximab-abda) Remicade
Samsung Bioepis Co., Ltd. April 21, 2017
4 Amjevita
(adalimumab-atto) Humira
Amgen Inc. September 23, 2016
3 Erelzi
(etanercept-szzs) Enbrel
Sandoz Inc. August 30, 2016
2 Inflectra
(infliximab-dyyb) Remicade
Celltrion, Inc. April 5, 2016
1 Zarxio
(filgrastim-sndz) Neupogen
Sandoz Inc. March 6, 2015
현재 3개의 약제가 FDA 허가를 받았는데, 이들은 Linzess®, Trulance® 그리고 Rybelsus®다. Linzess®와 Trulance®는 만성변비와 IBS 약제이며 장내에서 작용한다. 이 방법은 위 보호 가능성을 보이지만 장내 침투에 어려운 점이 있다. Rybelsus®은 타입 2 당뇨에 대한 첫 번째 경구 GLP-1 치료제이다. 조제는 많은 양의 침투향상제를 사용하여 semaglutide가 위점막을 통과하도록 하여 약량-의존 플라스마 농도의 증가를 가져온다. 또한 많은 강한 침투성 경구 펩티드 전달시스템이 임상시험들에 들어가 있는데 대부분이 나노입자 및 침투향상제를 사용하고 있다.
3. 생물의약품 경구전달의 장애
생물의약품의 허가 수의 증가에도 불구하고(표 1)[5] 대부분의 약제들은 경구용으로 어려움이 있다. 그러나 환자의 91%가 주삿바늘 공포를 가지고 있어 경구전달 방식이 치료에 적합하다. 경구용의 문제는 화학적, 효소적 그리고 물리적 형태의 장애를 받는다. 위장 통과에서 보호 없이는 이 연약한 약제들은 급속히 분해되어 흡수가 되지 않아 비활성 분자로 제거된다. 또한 경구 흡수는 연령, 위장의 건강 및 식사 습관에 따라 약효가 불규칙적인 양상을 보인다
3.1. 흡수에 있어 화학 및 효소의 장애
소화기 내, 특히 위에 일반적인 기능은 식품 성분을 흡수 가능한 분자로 분쇄하는 것이다. 이는 단백질의 소화를 의미하여 단백질 치료제에 심각한 장애가 된다. 이에 대응하여 입자를 캡슐화하면 거센 위 환경을 극복할 수 있다. 또한 산-저항 고분자로 치료제를 코팅한다. 많이 쓰이는 것이 Eudragit 고분자이다. Sun 등은 pH 5.5 이상에서 녹는 음이온 고분자 Eudragit L100-55를 사용하여 인슐린의 경구 사용을 가능하게 하였다[6]. 생화학적 분해(그림 1)도 pH < 5 환경에서 펩신에 의하여 일어나며, GI 관 내 중성 지역에서는 단백질분해효소 트립신, α-chymotrypsin, elastase 및 carboxypepti-dase 등이 동시에 작용하여 작은 펩티드들을 흡수 가능한 아미노산으로 분해한다. 이에 대항하여 효소저해제들을 활용한다.
3.2. 점액의 흡수장애
장의상피를 덮은 진한 점액층은 소화하는 동안 연약한 세포층에 가해지는 기계적인 스트레스를 막아준다. 그러나 이것이 약물의 흡수에 장애가 되어 상피와의 접촉을 제한하며 약물 수송을 감소시킨다. 점액은 주로 글리코단백질들인 뮤신으로 구성된 수화겔이다. 이 뮤신 파이버들은 이황화 결합으로 체와 같은 구조를 하며 점도 감소 특성이 있다[7]. 관 내의 뮤신은 3개의 층이 있으며 이들은 glycocalyx, 강한 내부 부착층 및 느슨한 외부 부착층이다. 나노입자 시스템이 위장관 점액과 상호작용으로 장내에 체류를 연장할 수 있다. N-acetylcysteine 혹은 파파인과 같은 점액분해효소를 표면에 가진 나노입자들과 Self-nanoemulsifying-drug-delivery-systems 또한 새로운 나노전달 방법으로 점액 침투 특성이 있다.
3.3. 세포의 흡수장애
소장 세포는 주요 영양과 물의 흡수를 통해 항상성을 유지하여 발병 이물질들의 침입을 막아 신체를 보호한다. 그러나 이것이 큰 친수성 생물분자들의 신체적 전달에 큰 장애가 된 다약물과 영양이 이 세포층을 지날 때 크게 활성 및 수동적 기전이 있다. 수동적 통과 기전은 세포 사이 및 세포 횡단 경로가 있다. 충분한 소수성 약제들은 세포층을 통과하고 세포 사이 수송 크기가 작고 친수성인 약제들은 밀접 부위가 형성한 세포 사이의 물 채널에 의하여 확산된다. 이 밀접 부위는 IBD 및 Clostridium perfringens 장독소에 의한 식중독과 같은 여러 질병 상태로 해가된다. 그럼에도 불구하고 거대 약제들은 큰 크기와 친수성 때문에 세포 내 섭취가 제한을 받지만, 다음 그림 1에서와 같이 네 가지 중 하나의 방법으로 세포 내 흡수가 가능하다.
그림 1. 장 상피세포의 흡수 기전[8]
4. 위, 장내 침투의 in vitro 모델
4.1. 합성 모델
현재 수용성 및 침투성에 있어 정확한 in vitro 모델이 요구되고 있다. 위, 장으로 침투성은 활성 약제들에 필수적이며 경구 생물약재와 나노입자 시스템에 주요 장애가 되고 있다. 현재 사용되고 있는 모델들은 Parallel Artificial Membrane Permeation Assay(PAMPA)[9], Phospholipid Vesicle-Based Permeation Assay(PVPA)[10], PermeaPadTM[11], Artificial Membrane Inert(AMI)[12] 시스템이다. 장단점은 다음 표 2에 명시하였다.
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표 2. 침투 in vitro 모델들
모델 이점 단점
PMPA 생체묘사 표현에 절충 가능 장애 성분
pH 2~8에서 안정적
약물-멤브레인 상호작용
지질막 용해
Cremophor EL, Na taurocholate>15nM과 양립 불가
PVPA
유기용매 분리 부족
생체묘사 표현에 절충 가능 장애 성분
-80°C에서 2주 저장 가능
점막층 추가
pH 2~8에서 안정적
Brij 35, Tween 80 및 Cremophor EL과 양립 불가
PermeaPadTM
보조 용지들이 지질막 용해 저지
즉시 사용 가능
막을 6-well, 96-well 플레이트 이전 가능
양쪽 확산 세포
pH 1~9에서 안정적
지질분해 매체에서 4h까지 양립
Cremophor EL과 양립 불가
FeSSOV(vI) 매체와 양립 불가
AMI 준비 과정 한계
점막층 추가 인지질 성분 부족
침투 교반-속도에 의존
4.2. Cacao-2 세포-근거 시스템
현재 소장 침투 모델의 표준은 Cacao-2 세포들의 Transwell 세포배양 모델이다. 이 세포들은 인간 결장 선암으로부터 분리하였으며 인간 위, 장 모델 중 가장 대표적으로 꼽히고 있다. 엄격한 조건하에서 배양하면 이 세포는 타이트하게 합류된 단층을 생산하고, 미세융모, 밀접 연결점 및 GIT에 존재하는 많은 대사효소를 가진 상피세포를 제공한다. Li 등은 인슐린이 함유된 SNEDDs 조제를 Caco-2 단층에 전달하는 것을 분석한 결과 컨트롤에 비해 증가한 전달현상을 보였다. 쥐의 경구투여에서 증가한 혈당은 컨트롤 인슐린 용액 침투의 향상을 보였다[13]. 그 밖에 이 세포모델을 절충하는 ‘intestine-on-a chip(IOAC)’ 마이크로흐름장치[14], Ussing chamber를 이용한 위장조직의 흡수 및 침투 분석[15], 모델 간의 침투 측정 비교 방법[15] 등이 있다.
5. 결론
치료 펩티드와 단백질들은 저분자 약제들에 비해 그 특수성 및 환자의 호응도 때문에 많은 이점을 보여준다. 그러나 블록버스터 약품 가능성에도 불구하고 경구 약품전달 경로 때문에 한계점들이 있다. 이들의 경구전달 방법들이 나노입자 제제 및 침투향상제를 사용하여 주요 침투장애를 극복하고 임상에 들어가고 있다. 더 나아가 복잡한 in vitro 생화학적 침투 모델을 통해 고난도 침투 분석을 하게 되었다. 약제 단백질의 분해를 유도하는 특정 단백질분해효소를 확인하고, 세포에 결합한 수용체를 특정적으로 표적화하여 흡수를 향상하는 성공적인 조제로 이점을 살리고 있다. 이리하여 다수의 경구 단백질 전달 연구 플랫폼이 형성되어 상업적 전달시스템이 탄생하게 되었다. Emisphere Tech.의 Eligen® 시스템이 선구자 역할을 하며 많은 긍정적 결과를 가져오고 있다. Caco-2 세포모델은 in vitro 침투 모델의 표준형이 되고 있다.
References
1. H.A.D. Lagasse et al. Recent advances in (therapeutic protein) drug development. 6 F1000Research, 2017. 113.
2. B. Leader Q.J. Baca D.E. Golan Protein therapeutics: a summary and pharmacological classification Nature Reviews Drug Discovery 7 2008 21.
3. McWilliams, V., Whiteside, G., McKeage, K., 2012. Linaclotide. Drugs 72 (16), 2167？2175.
4. Mullard, A., 2020. 2019 FDA drug approvals. Nat. Rev. Drug Discovery.
5. Official Answer by Drugs.com
6. Sun, L., et al., 2019. Scalable Manufacturing of Enteric Encapsulation Systems for Site-Specific Oral Insulin Delivery. Biomacromolecules 20 (1), 528？538.
7. Ensign, L.M., Cone, R., Hanes, J., 2012. Oral drug delivery with polymeric nanoparticles: the gastrointestinal mucus barriers. Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (6), 557？570.
8. Leah Wright, Timothy J. Barnesa, Clive A. Prestidge . Oral delivery of protein-based therapeutics: Gastroprotective strategies, physiological barriers and in vitro permeability prediction, International Journal of Pharmaceutics 585 (2020) 119488.
9. Kansy, M., Senner, F., Gubernator, K., 1998. Physicochemical high throughput screening: parallel artificial membrane permeation assay in the description of passive absorption processes. J. Med. Chem. 41 (7), 1007？1010.
10. Flaten, G.E., et al., 2006. Drug permeability across a phospholipid vesicle based barrier: a novel approach for studying passive diffusion. Eur. J. Pharm. Sci. 27 (1), 80？90.
11. di Cagno, M., Bibi, H.A., Bauer-Brandl, A., 2015. New biomimetic barrier Permeapad™ for efficient investigation of passive permeability of drugs. Eur. J. Pharm. Sci. 73, 29？34.
12. Berben, P., Brouwers, J., Augustijns, P., 2018. Assessment of passive intestinal permeability using an artificial membrane insert system. J. Pharm. Sci. 107 (1), 250？256.
13. Li, P., et al., 2014. Self-nanoemulsifying drug delivery systems for oral insulin delivery: In vitro and in vivo evaluations of enteric coating and drug loading. Int. J. Pharm. 477 (1), 390？398.
14. Pocock, K., et al., Uptake of silica particulate drug carriers in an intestine-on-a-chip: towards a better in vitro model of nanoparticulate carrier and mucus interactions. 2019. 7(6): p. 2410-2420.
15. Faria, M., et al., 2018. Minimum information reporting in bio？nano experimental literature. Nat. Nanotechnol. 13 (9), 777？785.