서     론

   최근까지도 암치료의 주된 방법은 국소치료로 수술 및 방사선치료, 전신치료로 항암화학요법 및 분자표적치료가 주를 이루고 있다. 이러한 치료방법들은 종양의 세포형태, 병기, 재발유무 및 환자의 치료에 대한 순응도에 따라 단독, 또는 다양한 병합요법으로 환자에게 적용된다. 그러나 multidisciplinary approach를 비롯하여 암 치료율을 개선하려는 다양한 노력에도 불구하고 지난 수십 년 동안 환자 생존율의 개선은 미미한 형편이다. 최근 들어 환자의 삶의 질과 관련하여 장기보존 치료방법의 비중이 커지고, 또한 원격전이가 생존율에 미치는 지대한 영향을 고려하여 암종을 전신질환으로 보는 관점이 부각됨에 따라 항암화학요법을 포함한 전신치료 요법이 암치료에 있어 그 중요성을 더해가고 있다.
   기존 항암화학제의 경우에는 정상세포와 암세포의 구분 없이 비특이적으로 체내에 분포함으로서 암세포를 죽일 수 있는 충분한 종양세포 내 약물농도를 얻기가 어려우며, 동시에 정상세포에 미치는 독성으로 인하여 불충분한 치료가 이루어져 왔다. 더욱이 몇몇 불수용성 항암제의 경우 약물의 정맥투여에 어려움이 따르며, 약물을 녹이기 위해 사용되는 유기용제에 따른 다양한 부작용이 또한 문제가 되고 있다. 이러한 기존 항암제의 비특이적 분포성을 극복하기 위한 노력의 일환으로 분자표적치료(molecular tar-geted therapy)가 최근 소개되어 많은 연구가 이루어지고 있다.¹⁾ 이 치료방법에는 종양세포의 증식 및 생존을 관장하는 세포표면 수용체나 세포 내 신호전달체계를 억제 및 차단하는 monoclonal antibody나 tyrosine kinase inhibitor와 같은 소분자(small molecule)가 주로 이용된다. 그러나 기존의 항암화학제를 비롯하여 이러한 새로운 분자표적치료제에 대해서도 약물저항(multi-drug resistance)이 발생함에 따라 그 치료효과에 큰 제약이 따르고 있다.^2,3)
   나노 입자(nanoparticles：NPs)는 마이크론 이하(주로 3~200 nm) 크기의 입자, 기구, 또는 체계를 이르며 금속, 세라믹(ceramic), 폴리머(polymer), 지방, 단백질 등 다양한 물질로 만들 수 있다. 이와 같이 크기가 매우 작기 때문에 혈관-뇌 장벽(blood-brain barrier)과 같은 우리 체내의 다양한 장벽을 통과할 수 있으며, 또한 크기에 비하여 상대적인 부피의 비율이 크기 때문에 많은 양의 약물을 실어 전달할 수 있다.⁴⁾ 약물전달체계(drug delivery system)에 이용되는 대부분의 나노입자들은 정맥투여가 가능토록 수용성이며, 체내에 축적되지 않고 정상적인 대사기능을 통하여 배출될 수 있는 성질을 가지고 있다.^5,6)
   종양조직에 분포하는 혈관의 경우 특징적으로 내피세포들의 간격이 벌어져 있으며, 림프배액의 장애를 보인다. 이러한 종양혈관의 조직병리적인 특징은 정상혈관과는 분명히 구분되는 것으로 나노입자를 포함한 다양한 고분자(macromolecule)들이 종양의 간질(interstitium)에 집적될 수 있는 중요한 기전이다[투과상승 및 저류효과(enhanced permeability and retention, EPR, effect)-수동표적기전(passive targeting mechanism)의 한 가지].⁷⁾ 더 나아가 정상세포에서는 보이지 않으나 종양세포에서만 발현되는 수용체나 항원을 특이적으로 표적(target)할 수 있는 리간드(ligand)나 항체를 나노 입자에 결합할 경우 약물독성을 피하면서 종양세포 내 약물농도를 높여 그 치료효과를 극대화 할 수 있다[능동표적기전(active targeting mechanism)].⁸⁾ 뿐만 아니라 이와 같이 종양 특이 표면수용체와 결합한 나노입자는 수용체-매개 내포화(receptor-mediated endocytosis)을 통하여 내포체(endosome)에 싸여 세포 내로 유입(internalization)되는데 이 과정에서 주된 약물저항성 기전들 중의 하나인 피당단백(p-glycoprotein)의 인지를 피할 수 있어 약물저항성을 극복할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.^9,10) 
   그러나, 이와 같이 나노 입자가 약물전달체(carrier)로서 많은 장점을 가지고 있긴 하지만 아직도 구강 투여에 있어 그 효용성이 떨어지며, 혈액순환 중의 불안정성, 불충분한 조직분포, 독성과 같이 해결하여야 할 문제점들을 많이 안고 있다.
   이에 저자는 이 논문에서 첫째, 나노 입자의 종류와 특성, 둘째, 암의 치료 및 약물저항성의 극복을 위하여 나노 입자가 어떻게 이용되어 왔는가, 마지막으로 앞으로 암치료에 있어 치료효과 및 기능의 향상을 위하여 나노 입자는 어떻게 개발될 것인가에 대하여 기술하고자 한다.

약물전달체계에 이용되는 나노 입자의 종류

   약물전달체계에 이용되는 나노 입자는 주로 폴리머(polymeric NPs, micelles, dendrimers)와 지방(liposomes)으로 만들어지며, 그 밖에 nanocrystal, nanotube 등이 약물전달에 이용된다.

폴리머 약물전달체(Polymer-based drug carriers)
   지난 수십 년간 폴리머는 암치료를 위하여 가장 광범위하게 연구되어 온 약물전달체이며, 특히 생체 내 자연분해 폴리머(biodegradable polymer)가 소개되면서 암치료에 있어서의 그 영역이 확대되고 있다. 합성방법에 따라 약물은 폴리머 matrix에 결합(covalent linkage)되거나 그 내부에 함입(encapsulation)된다. 그 결과 capsule[polymeric NPs], amphiphilic core/shell[polymeric micelle], hyper-branched macromolecule[dendrimer]과 같은 세 종류의 구조(형태)를 보이게 된다.¹¹⁾ 이러한 약물전달 폴리머는 수용성, 비독성, 생체친화성, 생체 내 자연분해성의 특성을 가져야 하며, 자연 및 합성 폴리머 두 가지로 구분된다.¹²⁾

폴리머-약물접합체(Polymeric NPs, polymer-drug conjugate)
   알부민, 치토산, 헤파린과 같은 자연 폴리머는 그 동안 약물뿐만 아니라 올리고 핵산염, DNA, 단백과 같은 물질의 전달체로 이용되어 왔다. 최근 알부민을 전달체로 탁솔(Taxol^TM：paclitaxel)과 결합한 형태의 나노 입자인 아브락산(Abraxane^TM)이 FDA의 승인을 받아 전이성 유방암환자의 치료에 적용되고 있다. 탁솔은 두경부암을 포함한 다양한 암종의 치료에 가장 광범위하게 이용되는 항암화학제의 하나이다.¹³⁾ 그러나 불수용성이기 때문에 불가피하게 정맥투여를 위하여 50%의 castor oil과 50%의 absolute alcohol(Cremophor EL)로 이루어진 유기용제에 녹여 사용하여야 하며 그로 인한 알러지반응, 신경병증 및 신병증과 같은 부작용이 문제가 되어 왔다.^14,15) 아브락산은 수용성을 띄기 때문에 이러한 유기용제관련 부작용을 피할 수 있으며 독특한 약물전달기전을 통하여 탁솔의 치료효과를 증대시켰다. 아브락산은 혈관내피세포 표면에 위치하는 알부민 수용체(albumin receptor)와 전이성 유방암세포에서 과발현되는 알부민 결합단백(albumin-binding protein)을 통하여 약물을 유방암세포 내로 효과적으로 전달하게 된다.¹⁶⁾ 전이성 유방암 환자들을 대상으로 한 임상 3상 시험에서 아브락산은 유리 탁솔(free Taxol^TM)에 비하여 두 배의 반응률과 오랜 종양 진행기를 보여 월등한 치료효과를 보였다.¹⁶⁾ 현재 아브락산은 전이성 유방암 이외에도 비소세포폐암(임상 2상) 및 비혈액성 진행암(임상 1상 및 약물역학시험) 환자들을 대상으로 임상시험 중에 있다.^17,18)
   자연 폴리머 이외에도 많은 합성 폴리머가 폴리머-약물접합체의 제작에 성공적으로 사용되어 왔다. 이들 접합체들 중 N-(2-hydroxypropyl)-methacrylamide copolymer(HPMA), polystyrene-maleic anhydride copolymer(SMA), polyethylene glycol(PEG), or poly-L-glutamic acid(PGA)와 같은 합성 폴리머를 이용한 접합체들은 현재 임상시험 중에 있다. PGA는 접합체 제작에 이용된 최초의 생체 내 자연분해 폴리머이다.¹⁹⁾ 임상에서 현재 사용 중인 대표적인 항암제의 대부분이 PGA와의 접합체로 합성되어 임상시험 전 연구(preclinical study)가 진행되었으며 유리 항암제의 단점 및 한계를 극복할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.¹⁹⁾ PGA-약물 접합체에 이용된 항암제 중 Xyotax(PGA-Taxol^TM)와 CT-2106(PGA-camptothecin)가 현재 임상시험 중이다. Xyotax는 현재 임상시험이 가장 진행된 폴리머-약물 접합체이다. 일차치료에 반응이 없거나 재발한 난소암과 일차 치료를 시행하지 않았으며 이미 진행된 고위험군 비소세포폐암(NSCLC) 환자를 대상으로 한 임상 2상 시험을 마쳤다.^20,21) 현재 비소세포폐암 환자를 대상으로 3개의 3상 임상시험(STEL-LAR 2 in relapsed NSCLC, STELLAR 3 and 4 in PS=2 NSCLC)이 진행 중이다. CT-2106은 PGA와 camptothecin의 접합체로 동물실험에서 free camptothecin에 비하여 더 강력한 종양성장 억제 효과를 보여주었으며, 현재 임상 1상 시험 중에 있다.^22,23,24)
   생체 내에서 자연 분해되지 않는 합성 폴리머로는 HPMA와 PEG가 가장 널리 이용되고 있다.²⁵⁾ PK1은 HPMA와 doxorubicin(DOX)의 결합체로 임상시험에 들어간 최초의 합성 폴리머-항암제 접합체이다. 항암화학요법 및 방사선치료를 포함한 초 치료에 반응이 없거나 재발한 다양한 암종을 대상으로 한 임상 1상 시험을 마쳤으며 향후 다음 단계의 임상시험 결과가 주목된다.²⁶⁾ 

폴리머 미셀[Polymeric micelle(amphiphilic block copolymer)] 
   미셀의 기능적 특성은 수용상태에서 스스로 모여 중심/껍질(바깥)구조를 형성하는 양친성(amphiphilic) 블록 폴리머를 근간으로 한다. 소수성(hydrophobic) 중심부위는 소수성(불수용성) 약물을 저장하는 역할을 하며, 친수성(hydrophilic) 바깥부위는 소수성 중심부위를 에워쌈으로써 안정화시키고 동시에 나노 입자에 수용성을 부여한다.²⁷⁾ 따라서 폴리머 미셀의 이와 같은 독특한 구조 및 성질은 소수성 약물의 훌륭한 전달체 역할을 가능케 한다.
   Doxorubicin을 함유한 pluronic block copolymer micelle(PEG-pluronic-DOX)은 최초의 미셀 형태를 갖는 doxorubicin이다. Pluronic이 소수성 중심부위를 이루며 DOX를 함유하고 친수성 폴리머인 PEG가 표면을 덮어 이렇게 구성된 미셀 형태의 나노 입자는 수용성을 갖게 된다.²⁸⁾ 이와 달리 또다른 미셀 형태의 doxorubicin인 NK-911[PEG-poly(L-aspartate)-DOX]은 약물이 미셀의 중앙에 함유된 형태가 아니고 폴리머에 결합된 형태를 보이는 최초의 나노 입자이다.²⁹⁾ 미셀 형태의 두 나노 입자 모두 임상시험 전 연구에서 유리 DOX에 비하여 더 강력한 항암억제효과를 보였으며 NK911의 경우에는 현재 임상 1상 시험 중에 있다.^28,29) 최초의 폴리머 미셀 형태의 탁솔인 Genexol-PM[PEG-poly(D,L-lactide)- Taxol^TM]은 진행암 환자를 대상으로 임상 1상 시험을 마쳤으며 역시 다음 단계의 임상시험 결과가 주목된다.^30,31) 표적 리간드와 영상 및 치료약물을 동시에 함유한 다기능 폴리머 미셀(Multifunctional polymeric micelle)이 현재 활발히 개발 중이며,³²⁾ 가까운 미래에 미셀 형태 나노 입자의 주력 모델이 될 것이다.

덴드리머(Dendrimer)
   덴드리머는 중심으로부터 방사형으로 뻗어 나가는 다분지 모노머(hyperbranched monomers)로 구성된 나노 크기의 합성 폴리머 고분자이다. 균질한 크기분포, 표면 변형을 통한 다양한 기능성, 다가성(multivalency), 수용성, 약물을 함유할 수 있는 내부공간 등 다양한 특성으로 인하여 영상, 나노 골격(nano-scaffolds), 나노 약물(nano-drugs), 유전자 및 약물전달을 위한 전달체로서 다양한 생물학적 분야에 적용되어 왔다.^33,34) 약물 전달체로는 polyamidoamine이 가장 널리 이용되며, dendrimer-cisplatin 접합체의 경우 유리 cisplatin에 비하여 수용성이 뛰어나며, 동물실험 모델에서도 더 우월한 종양성장 억제효과를 보였다.³⁵⁾ 덴드리머 역시 표면을 쉽게 변형시킬 수 있다는 특성을 이용하여 동시에 여러 분자(표적 리간드, 영상 조영제, 치료약물 등)를 표면에 결합시킨 다기능 나노 입자의 제작이 가능하다.³⁶⁾

지방 약물전달체(Lipid-based drug carriers)

리포좀(Liposome)
   리포좀은 두 층의 지방으로 구성된 자가결집(self-assembled) colloidal 구형 구조로 바깥쪽의 이중 지방층이 중앙의 수용성 공간을 에워싸고 있는 형태를 보인다. 리포좀은 지방층의 개수(lamellarity)와 크기에 따라 두 가지 형태로 분류된다.³⁷⁾ 단층 리포좀(unilamellar vesicle)은 한 개의 이중 지방층을 갖고 있으며, 중앙에 친수성 약물을 포함할 수 있다. 이와 달리 다층 리포좀(multilamellar ves-icle)은 마치 양파 껍질과 같이 수용층에 의해 분리되는 여러 겹의 이중 지방층으로 구성되어 있으며, 소수성 약물을 지방층 사이에 함유할 수 있다. 최근 다양한 종류의 항암제들이 다양한 제작방법을 통하여 리포좀의 형태로 제작되고 있으며 그들 중 리포좀 형태의 anthracycline인 doxorubicin(Doxil, Myocet)과 daunorubicin(DaunoXome)이 전이성 유방암 및 AIDS-related Kaposi 육종에 대한 치료로 승인을 받아 현재 임상에서 사용 중에 있다.^38,39,40,41) 이와 같은 승인된 약물 이외에도 다양한 항암제들이 리포좀의 형태로 합성되어 현재 임상시험 중에 있다.⁴²⁾ 차세대 리포좀 약물은 이중 지방층의 바깥면에 표적 리간드나 항체를 부착한 면역 리포좀(immunoliposome)이 될 것이며, 종양세포로의 선택적 약물전달이 한층 더 개선될 것이다.⁴³⁾

나노 튜브(Carbon nanotube)
   나노 튜브는 벤젠환으로 구성된 탄소원통 형태를 보이며 DNA나 단백을 감지하는 sensor, 혈액샘플 내의 서로 다른 단백을 감별하는 진단기구, 백신이나 단백을 전달하기 위한 전달체 등 다양한 생물학적 분야에 적용되고 있다.⁴⁴⁾ 원래 나노 튜브는 어떠한 용제에도 녹지 않아 그로 인한 독성 및 유해성으로 인하여 생물학적 이용에 큰 제약이 따랐다. 그러나 튜브의 표면을 화학적으로 변형시켜 유기화(organization)함으로써 수용성이 부여되고 동시에 펩타이드, 단백, 핵산, 약물과 같은 다양한 물질들을 표면에 부착시킬 수 있게 되어 그 생물학적 적용이 가능해지고 확대되게 되었다.⁴⁵⁾
   항진균제(amphotericin B) 또는 항암제(methotrexate)를 표면에 부착한 형태의 나노 튜브의 경우 시험관 내 실험에서 효과적으로 세포 내로 유입됨이 관찰되었고 유리 약물 단독과 비교하여 우월한 항진균 효과를 보여주었다.^46,47) 나노 튜브의 표면 변형을 통하여 여러 분자를 부착함으로써 다양한 기능성을 부여할 수 있다.⁴⁸⁾

나노 입자를 이용한 표적 전달(Targeted Delivery of NPs)

   항암제 및 그 전달체계가 암치료를 위하여 효과적이기 위해서는 다음의 두 가지 조건을 갖추어야 이상적이다. 첫째, 투여 후 혈행(blood stream) 내에서 약물의 손실 없이 다양한 해부학적 또는 면역학적 장벽들을 뚫고 목표로 하는 종양조직에 도달할 수 있어야 하며, 둘째, 도달한 후에는 정상세포에는 영향을 미치지 않으면서 종양세포만을 선택적으로 죽일 수 있어야 한다. 이러한 두 가지 기본 전략은 또한 약물의 세포 내 농도를 높이고 동시에 약물의 치료농도를 제약하는 독성을 줄임으로써 환자의 생존율과 삶의 질을 개선시키는데도 크게 작용한다. 이와 같은 효과적인 약물전달체계가 갖추어야 할 구비 조건들을 만족시킬 수 있는 역량을 나노 입자가 가지고 있다.

나노 입자의 크기 및 표면특성(Size and surface characteristics of NPs)
   목표로 하는 표적 종양조직으로 약물을 효과적으로 전달하기 위해서는 우선 제거되지 않고 상당 기간 혈행 내에 잔존할 수 있는 나노 입자의 능력이 필수적이다. 일반적으로 표면을 변형시키지 않은, 즉 소수성 표면을 갖는 나노 입자는 간, 비장과 같은 세망내피계(reticulo-endothelial system)에 위치하는 대식세포(macrophage)에 잡혀 제거된다.⁴⁹⁾ 따라서 투여된 나노 입자의 운명은 이러한 면역학적 장벽을 통과할 수 있도록 어떻게 그 크기와 표면 특성을 최적화하느냐에 달려있다.

나노 입자의 크기
   나노 입자의 장점 중 하나는 제작 시 그 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 것이다. 예를 들면 20 nm 이하의 크기로 만든 초자성(supermagnetic) 나노 입자의 경우에는 정상 혈관벽을 통과하여 림프관으로 배액(drainage)될 수 있기 때문에 림프절로의 종양전이를 진단 및 영상화할 수 있다.⁵⁰⁾ 그러나 약물 전달체로서의 나노 입자는 이와 같이 너무 작으면 안되며, 즉 혈행 중 정상혈관을 통과할 수 없을 정도로 커야 하며 동시에 대식세포의 포식을 피할 수 있을 만큼 작아야 한다. 비장의 sinusoid와 간에 위치하는 Kupffer 세포의 fenestra의 크기는 150~200 nm 사이이며,^51,52) 종양에 분포하는 혈관의 내피세포 간의 간격은 100~600 nm 사이이다.⁵³⁾ 따라서 이러한 특징적인 두 가지 종류의 혈관 구조를 통과하여 종양에 도달하기 위해서는 나노 입자의 크기가 100 nm 미만이어야 한다.

나노 입자의 표면 특성
   크기와 더불어 표면특성 또한 혈행 중 나노 입자의 운명과 수명을 좌우하는 중요한 요소이다. 혈행 내에서 소수성 표면을 가진 나노 입자에는 fibronectin, complements, IgG 등과 같은 혈장단백들이 달라붙게 되며(opsonization) 이들(opsonins)은 다시 세망내피계의 대식세포에 의하여 인지되어 결과적으로 나노 입자는 포식, 제거되게 된다.^54,55) 따라서 이러한 대식세포의 포식으로부터 벗어나기 위해서는 나노 입자의 표면을 친수성으로 만드는 것이 필수적이다.^54,56) 두 가지 방법이 있으며, PEG와 같은 친수성 폴리머로 나노 입자의 표면을 덮어주거나, 소수성 및 친수성을 가진 양친성 블록 copolymer를 이용하여 micelle형태의 나노 입자를 만들어 표면에 친수성 폴리머가 위치하도록 하는 것이다.^57,58)

나노 입자에 의한 수동 표적 기전(Passive targeting by NPs)

투과상승 및 저류효과(Enhanced permeability and retention, EPR, effect)
   이와 같이 그 크기와 표면특성을 최적화함으로써 세망내피계의 포식을 피한 나노 입자는 혈행 내에서 오랫동안 잔존할 수 있게 됨에 따라 그만큼 표적 종양조직에 다다를 수 있는 기회를 갖게 된다. 종양조직에 분포하는 혈관의 독특한 병리조직적 특성으로 인하여 나노 입자를 포함한 고분자들이 종양조직에만 선택적으로 집적될 수 있게 된다.⁷⁾ 급격히 빠른 속도로 성장하는 종양은 그만큼 그 대사기능을 유지하기 위한 많은 양의 영양분 및 산소를 필요로 하며 따라서 그 영양분과 산소를 공급해 줄 새로운 혈관의 생성 및 기존 혈관의 재배열을 유발한다.⁵⁹⁾ 이러한 과정에서 성장인자 및 matrix metalloproteinases(MMPs)와 같은 혈관형성 조절인자들 간의 불균형이 초래되어, 형성된 종양혈관은 확장되고 여러 개의 구멍이 생기는 불완전한 형태를 보이게 된다. 따라서, 내피세포 간의 간격이 넓어지고 림프계 배액에 장애가 생기게 된다.⁵⁹⁾ 이러한 현상을“투과상승 및 저류효과”라 부르며, 나노 입자를 포함한 분자량 50-kDa 이상의 고분자들이 종양조직 간질에만 선택적으로 집적될 수 있는 중요한 기전이 된다(Fig. 1).⁷⁾

종양 주위 미세환경(Tumor microenvironment)
   수동 표적의 또 다른 기전으로 정상세포에서는 볼 수 없는, 종양세포 주위의 독특한 주위 미세환경을 이용하는 것이다. 빠르게 성장하는 과증식 암세포들의 높은 대사율을 유지하기에 산소와 영양분의 공급은 늘 충분치 않다. 따라서 종양세포들은 추가적인 에너지의 보충을 위하여 저 산소 환경의 대사기능으로 당 분해(glycolysis)를 주로 이용하며 결과적으로 산성(acidic) 환경을 초래하게 된다.⁶⁰⁾ 또한 암세포들은 그들의 전이 및 침윤과 관련된 MMPs 와 같은 독특한 효소를 발현 및 분비한다.⁶¹⁾
종양에 의하여 활성화 되는 전구 약물 치료(tumor-activated pro-drug therapy)가 그 일례로⁶²⁾ 운반체인 알부민과 항암제인 doxorubicin을 MMP-2에 의하여 특이적으로 분해되는 octapeptide sequence(linker)로 연결하여 만들어진 나노 입자의 경우, 시험관 내 실험에서 약물이 MMP-2에 의하여 특이적이고도 효과적으로 분리, 유리됨이 관찰되었다. 또한 MMP-2를 과발현하는 피부 흑색종(melanoma)을 이용한 동물실험에서 유리 약물에 비하여 더 탁월한 종양성장억제 효과를 보였다.⁶³⁾
   산성도에 민감한 물질을 이용한 리포좀의 형태도 수동 표적 기전의 한 예이다. 이와 같이 산성도에 민감한 리포좀 들은 pH 7.4의 생리적 산성도의 범위 내에서는 안정성을 보이나 종양조직 주위환경과 같이 산성을 띄는 경우에는 분해되어 활성약물을 유리하도록 고안되어 있다.⁶⁴⁾

나노 입자에 의한 능동 표적 기전(Active targeting by NPs)
   앞에서 언급된 대로 "투과상승 및 저류효과"와 "종양주위 특이 미세환경" 등을 이용한 수동 표적 기전은 분명 종양조직을 선택적으로 표적할 수 있는 기전이나, 세포 단계에서 볼 때 종양세포만을 특이적으로 표적하기에는 한계가 있다.“투과상승 및 저류효과”의 경우를 보면, 림프관 배액 장애로 인하여 혈관을 빠져 나온 약물이 종양의 간질에 저류될 수 있는 반면 또 한편으로는 간질 내 삼투압을 높이는 결과를 초래하여 세포 내에서 외로의 흐름이 생겨 간질에서 유리된 약물의 세포 내 유입을 방해하게 된다.⁶⁵⁾“종양에 의하여 활성화되는 전구약물 치료”의 경우에도 약물을 활성화시킬 효소가 실제로는 종양으로부터 충분한 양이 발현 또는 분비되지 않는다는 것이다.⁶⁶⁾ 따라서 분명한 것은 수동 표적 기전에만 의존한 약물전달체계는 불가피하게 특이성의 제한이라는 한계점을 가질 수 밖에 없다.
   이러한 특이성의 한계점을 극복하기 위한 노력의 일환으로 운반체-약물의 이중 구조 나노 입자에 표적 리간드나 항체를 결합시킨 표적 나노 입자가 시도되었다.⁸⁾ 이러한 표적 나노 입자들은 정상세포에 비하여 과 발현 또는 종양세포에서만 발현되는 수용체나 항원을 인지하고 선택적으로 결합할 수 있다.
   처음에는 항체에 약물을 직접 부착한 형태의 나노 입자가 시도되었으며 이러한 단순 구조의 면역접합체(immunoconjugate)가 항체에 의한 능동 표적을 통하여 효과적인 종양억제작용을 보이리라 기대했었다. 그러나 지금까지 진행된 임상 시험에서 그다지 효과적인 결과를 얻지 못하였다.⁶⁷⁾ 그 이유 중 하나는 표적 항체의 활성을 유지하면서 항체에 부착할 수 있는 약물의 양에 한계가 있다는 것이다.
   최근 폴리머나 리포좀과 같은 다양한 종류의 약물 전달체들이 개발되고 소개됨에 따라 초기의 항체-약물 직접접합체와 달리 항체의 친화도에 영향을 주지 않으면서 보다 많은 약물을 표적 나노 입자에 결합할 수 있게 되었다. 따라서 최근에 개발된 능동 표적 약물접합체의 경우에는 삼중 구조(a ligand or antibody as a targeting moiety, a polymer or lipid as a carrier, and an active chemotherapeutic drug)를 택하고 있다. 이러한 삼중 구조의 나노 입자를 만들 때에는 보다 효과적인 약물전달을 위하여 몇 가지 고려하여야 할 점들이 있다.

종양세포 표면 항원 및 수용체 발현
   종양 특이 표적이 되기 위해서 종양세포 표면 항원 및 수용체들은 다음과 같은 특성을 갖추어야 이상적이다.⁸⁾ 첫째, 정상세포에서는 발현되지 않고 종양세포에서만 발현되어야 한다. 그러나 실제로는 대부분의 항원들이 정상세포에서도 발현되고 다만 상대적으로 종양세포에서 과발현될 뿐이며 따라서 표적 종양세포 표면에 위치하는 수용체의 밀집도(density)가 중요하다. 둘째, 모든 표적 종양세포에서 균질(homogenous)하게 발현되어야 한다. 그러나 잘 알려진 대로 종양세포들은 조직학적, 유전자적, 분자생물학적으로 이질성(heterogeneity)을 보이기 때문에 같은 종양 내에서도 서로 다른 표현형(phenotype)을 보이는 경우가 많다. 따라서 항원의 발현 역시 균질하지 않다. 마지막으로 혈액 내로 유리되어서는 안 된다. 그럴 경우 유리된 항원이 세포표면 항원과 경쟁하여 표적 나노 입자와 결합함으로써 약물의 효과를 떨어뜨리게 된다.

표적 나노 입자의 세포 내 유입
   표적 나노 입자가 목표로 하는 세포표면에 결합한 후 세포 내로 유입될 수 있는가 하는 것은 적절한 표적 리간드를 선택하는 데 있어 중요한 기준이다. 세포 내로 유입되지 않는 항체 또는 리간드를 이용하여 접합체를 만든 경우 세포 표면 또는 바깥 근처에서 약물이 유리되기 때문에 유리된 약물이 세포 내로 유입되지 못하는 경우가 생길 수 있다. 따라서 세포 내로 유입된 후 세포질 내에서 약물이 유리되는 경우에 비하여 세포 내 약물 농도가 낮을 수 밖에 없다.^8,68,69)
   세포 내 유입은 흔히 수용체 매개 내포화(receptor-mediated endocytosis)를 통하여 이루어진다(Fig. 2). 엽산 수용체의 예를 들면, 이 수용체를 표적으로 하는 엽산(folic acid)과 연결된 나노 입자가 세포표면의 수용체와 결합하면 세포막이 함몰되면서 수용체와 결합된 나노 입자를 에워싸 내포(endosome)를 형성하게 된다. 세포질 내로 이동한 내포 내의 산성화 또는 효소(lysozyme)의 활성화를 통하여 엽산-약물접합체로부터 약물이 세포질 내로 유리되게 되고 이후 각 약물의 작용 기전에 따라 세포 내에서 효과를 발휘하게 된다.
   한편, 엽산 수용체는 다시 세포막 표면으로 이동하여 재발현됨으로써 새로운 엽산-약물접합체와 결합, 같은 과정이 반복되게 된다.⁷⁰⁾ 수용체 매개 내포화 과정에서 보이는 이러한 엽산 수용체의 세포 내 회전율(recycling rate)은 종양세포의 종류에 따라 다양하며, 약물 투여의 빈도를 결정하는 데 중요한 지표가 된다.⁷¹⁾ 만일 수용체의 회전율보다 더 빈번하게 약물을 투여할 경우, 결국 수용체와 결합하지 못하는 약물접합체가 세포 외에 축적되어 치료의 효과는 떨어지고 부작용만을 야기할 수 있다. 수용체의 회전율 이외에도 수용체 또는 항원의 종류, 밀집도, 친화도 등도 이러한 세포 내 유입과정에 영향을 미칠 수 있다.⁷²⁾

항체와 리간드
   리간드는 엽산, transferrin, 성장인자와 같은 자연 물질이며 주로 세포표면 수용체와 결합을 한다. 항체에 비하여 분자량이 작고 면역반응이 적은 장점이 있다. 이러한 리간드를 이용하여 제작된 수용체 표적 접합체들은 주로 수용체 매개 내포화를 통하여 세포 내로 유입된다.^8,73)
   최근 항체제작 공학의 발전에 힘입어 다양한 종류의 항체들이 능동표적기전에 적용되고 있다. whole monoclonal antibody(mAb) 또는 이가성 항체 절편(divalent engineered antibody fragment)의 경우에는 높은 결합력을 갖는 최소한 2개 이상의 결합 부위를 갖는다. 그러나 반면 항체 Fc 부위(antibody Fc domain)가 면역반응을 유발하여 대식세포에 의하여 혈행 내에서 급격히 제거되는 단점도 있다.⁸⁾ 쥐 항체(murine antibody)를 암치료를 위하여 처음 사용하였을 때 심각한 면역반응이 문제였다.⁷⁴⁾ 그러나, 이후 chimeric mAb, humanized mAb, 마침내 full human mAb가 개발되면서 이러한 부작용은 점차 감소하였다.⁸⁾
   항체 절편[antibody fragments：F(ab)², Fab, scFv]의 경우에는 Fc 부위가 없기 때문에 면역반응이 줄어 혈행 내에서 오랫동안 잔존할 수 있게 되었으며, whole monoclonal antibody에 비하여 크기가 작기 때문에 보다 효과적으로 종양조직 내로 침투, 축적될 수 있는 장점을 겸비하고 있다.^75,76) 그러나 다가성(multivalent) 결합부위의 소실로 인한 항원과의 결합력 약화가 문제이다. 이런 경우 전달체의 표면에 여러 개의 항체절편을 동시에 부착하거나 이가성, 또는 다가성 항체절편을 만들어 항체의 결합력을 향상시킬 수 있다.⁸⁾

리간드를 이용한 수용체 표적 나노 입자의 치료 적용 예

엽산(Folic acid)
   엽산 수용체는 가장 잘 알려진 종양 마커로 비타민인 엽산 및 엽산-약물접합체와 높은 친화도로 결합하며, 수용체 매개 내포화를 통하여 세포 내로 유입된다.⁷⁰⁾ 그러나 비록 종양세포에서 과발현되기는 하지만 일부 정상세포에서도 발견된다.⁷⁷⁾ Saba 등이 두경부 원발 및 전이암 환자의 종양조직을 이용하여 엽산 수용체의 발현빈도를 조사하여 보았는데, 대조군인 정상 골수에서는 전혀 발현이 되지 않은 반면 53%의 종양조직에서 수용체의 발현이 관찰되었다.⁷⁸⁾ Cho 등은 또한 최근 헤파린을 전달체로 하는 엽산수용체 표적 탁솔 접합체[Heparin-Folate-Taxol^TM：HFT]를 개발하여 시험관 내 및 동물 실험을 시행하였다. 형광물질이 부착된 탁솔을 이용하여 제작된 HFT로 세포를 처리한 후 형광을 관찰하였다. 그 결과 엽산 수용체를 발현하는 KB-3-1세포에서는 세포 표면과 세포질 내에서 형광이 관찰된 반면, 항 엽산수용체 siRNA를 이용하여 만든 엽산 수용체 결핍 KB-3-1세포에서는 관찰되지 않아 HFT가 엽산 수용체에 특이적으로 결합하여 세포 내로 유입됨을 확인할 수 있었다. 또한 KB 세포 및 탁솔-저항 KB 세포(Taxol-resistant KB cell derivatives)를 이용한 이종이식 종양(xenograft) 동물 실험에서 유리약물(탁솔)이나 이중 구조 나노 입자(Heparin-Taxol)에 비하여 월등한 종양성장억제 효과를 보였다.⁷⁹⁾

Aptamer
   Aptamer는 표적항원과 높은 특이성과 친화도로 결합할 수 있으며, 독특한 3차원 구조를 가진 올리고 핵산 또는 펩티드를 말한다.⁸⁰⁾ 그 자체가 진단 및 치료제로서 쓰여왔으며,^81,82,83) 또한 약물전달체계에서는 선택성을 높이기 위한 특이 리간드로도 사용되었다.⁸⁴⁾ 전립선 특이 막항원(prostate specific membrane antigen)을 표적할 수 있는 aptamer를 이용하여 제작된 docetaxel 합입 나노 입자로 동물실험을 시행하였을 때, 유리약물(docetaxel)이나 이중 구조 나노 입자(PLGA-Docetaxel)에 비하여 종양성장 억제효과는 더 뛰어나면서 백혈구 감소나 체중 감소와 같은 독성은 더 적은 결과를 보여 주었다.⁸⁵⁾

Transferrin
   Transferrin은 혈청 당단백으로 그 수용체와 결합한 후 수용체 매개 내포화를 통하여 세포 내로 유입됨으로써 혈액 내의 철분을 세포 내로 운반하는 전달체 역할을 하는 물질이다.⁸⁶⁾ 이러한 transferrin 수용체는 정상세포에 비하여 종양세포에서 과발현되기 때문에 이전부터 종양특이 약물전달을 위한 표적으로 연구되어 왔다.^87,88) Transferrin-conjugated paclitaxel-loaded(PLGA polymer) 나노 입자의 경우 free paclitaxel에 비하여 MCF-7 and MCF-7/Adr 세포의 성장을 더 강력하게 억제하는 결과를 보여 주었다.⁸⁹⁾ transferrin을 이용한 리포좀 형태의 나노 입자 또한 단순 리포좀에 비하여 시험관 내 및 동물 실험에서 더 용이하게 종양세포 및 조직으로 집적되었고 더 높은 생존율을 보였다.^90,91,92)

Lectin
   Lectin은 세포막의 세포외면에 위치하는 단백에 부착된 탄수화물 부위(glycan)를 인지하고 결합할 수 있는 단백 물질이다. 그런데 lectin의 결합부위인 세포표면의 당화 단백(glycosylated protein：glycan)은 세포 종류 및 당의 결합비율에 따라 서로 다른 화학적 구조를 보인다. 또한, 종양세포의 경우에도 정상세포와는 다른 구조의 glycan을 종종 발현한다. 따라서 lectin은 목표로 하는 세포나 조직으로 특정 약물을 선택적으로 운반할 수 있는 표적분자(targeting moiety)로 사용될 수 있다.⁹³⁾ 나노 입자의 제작 시 두 가지 형태의 lectin-carbohydrate interaction을 이용할 수 있다. 하나는 lectin을 세포표면 탄수화물 부위를 향하는 표적분자로 이용하는 것이며(direct lectin-targeting), 다른 하나는 반대로 탄수화물과 연결된 나노 입자로 세포표면의 lectin을 타겟하는 것이다(reverse lectin-targeting).⁹⁴⁾ 이 중 reverse lectin-targeting을 이용한 약물접합체의 한 예가 PK2이다. 이미 개발된 PK1의 능동 표적모델로, 간세포의 표면에서 발현되는 asialoglycoprotein 수용체가 특이적으로 terminal beta-D-galactose 또는 N-acetyl-galactosamine-residues와 결합하는 현상을 이용하여 galactosamine을 표적분자로 사용하였다.^95,96) 감마카메라를 이용한 영상에서 PK1과 대조적으로 PK2는 효과적으로 간을 표적하는 것이 관찰되었다.⁹⁷⁾ PK2는 표적 리간드를 부착한 폴리머-약물접합체 중 유일하게 임상시험에 들어간 나노 입자이며, 현재 원발 또는 전이성 간암 환자들을 대상으로 한 임상 1상 시험을 마친 상태이다.⁹⁷⁾

나노 입자를 이용한 약물저항성의 극복(Potential of NPs to Overcome Drug Resistance)

   약물저항은 항암제의 치료효과를 제한하는 주된 원인이다. 첫째로는 불충분한 혈관분포, 산성환경, 높은 간질압력과 같은 종양주위의 환경이 우선 약물이 종양에 도달하는데 방해요소가 되며,^98,99,100) 둘째로는 비록 이러한 난관을 뚫고 약물이 종양에 도달하였다 하더라도 세포 외로의 약물배출 증가, 세포 내로의 약물유입 감소, DNA 재건 활성화, 세포사멸 억제와 같은 다양한 저항 기전을 통하여 종양세포 자체가 약물의 작용을 피해간다.³⁾ 이러한 세포에서 발생되는 다양한 약물저항 기전 중 피당단백(p-glycoprotein)이 가장 널리 알려지고 연구된 기전이다. 피당단백은 분자량 170-kDa의 경세포막(transmembrane) 당단백으로 MDR1유전자의 산물이며, 약물을 세포 외로 제거하는 배출펌프(efflux pump)역할을 함으로써 약물의 세포 내 농도를 낮추는 결과를 초래하여 저항성을 보인다.³⁾ 
   폴리머, 리포좀, 미셀 등 다양한 형태의 나노 입자들을 이용하여 약물저항을 극복하고자 하는 노력이 있어왔으며, 다음의 두 가지 기전을 통하여 피당단백 매개 저항성을 극복할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 첫째는 나노 입자가 세포 내로 유입될 때 내포에 싸여서¹⁰¹⁾ 또는 피당단백이 인지할 수 없는 형태(masking)로¹⁰²⁾ 세포 내로 들어감으로써 피당단백의 인지로부터 벗어날 수 있다는 것이다. 두 번째 기전은 피당단백이 약물을 세포 외로 퍼내는 펌프 작용을 하기 위해서는 에너지가 필요한데 이 때 필요한 에너지인 ATP를 고갈시키거나 억제하는 것이다.^103,104) 수용체 표적 리간드를 이용한 방법은 앞서 기술한 대로 수용체-리간드 결합체가 수용체 매개 내포화를 통하여 세포 내로 들어 가기 때문에 약물저항성을 극복할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 따라서 folate receptor-targeted pH-sensitive polymeric micelle containing DOX와 transferrin-conjugated paclitaxel-loaded NPs의 경우 drug-resistant MCF-7 cells and/or xenografts에 대한 성장억제효과가 유리약물에 비하여 더 월등한 결과를 보여주고 있다.^89,105)

향후 전망(Future Direction and Opportunities)

   최근의 분자생물학적, 유전자적 진단방법의 발달로 종양의 발생 및 진행과 관련된 종양마커들이 많이 밝혀지고 있다.¹⁰⁶⁾ 이러한 종양 행동양상에 대한 분자생물학적 이해가 분자표적치료의 토대가 되었으며 치료목표로 하는 표적분자의 발현 유무가 그 치료의 성패를 좌우한다고 할 수 있겠다.¹⁾ 최근 multiplexing quantum dots 개발과 같은 나노 공학의 발전에 힘입어 아무리 작은 종양조직에서도 여러 개의 종양 관련 마커 단백들을 동시에 신속하고 정확하게 확인할 수 있게 되었다.¹⁰⁷⁾
   이와 같이 조직을 대상으로 한 초기암의 진단이나 종양마커분자들의 profiling 이외에도 나노 입자를 이용한 생체 내 종양의 영상 또한 광범위하게 연구되고 있는 분야이다.¹⁰⁸⁾ 이러한 생체 내 영상기법의 발달은 나노 입자를 이용한 약물전달체계의 발전과 더불어 다기능 나노 입자(multifunctional NPs)의 개발을 가능케 하였으며 그 결과 개개인의 종양 특성에 따른 맞춤 치료(individualized, tailored therapy)의 현실화가 더 한층 가까워 지고 있다. 현재까지 폴리머 나노입자,¹⁰⁹⁾ 나노 크리스탈,¹¹⁰⁾ 폴리머 미셀,³²⁾ 덴드리머,³⁶⁾ 나노 튜브⁴⁸⁾ 등 거의 모든 종류의 나노 입자들이 생체 내 종양 영상과 치료를 동시에 할 수 있는 다기능 나노 입자의 형태로 개발되었으며 비록 아직 임상시험까지는 이르지 못하였으나 희망적인 임상 전 실험결과를 보여주고 있다. 결국 나노 입자를 이용한 암치료의 최종 목표는 각 개인의 종양특성에 맞는 맞춤 치료이며 이러한 목적에 부합되는 나노 입자는 다음과 같은 특성을 동시에 갖춘 multiplex NPs이 될 것이다. 즉, 종양세포를 감지한 후 체내에서 그 위치를 영상화하여 보여주고 동시에 정상세포에는 영향을 미치지 않으면서 종양 세포만을 죽이며 더 나아가 치료효과를 확인할 수 있는 나노 입자가 곧 임상시험을 거쳐 실용화될 날이 멀지 않았다.

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