제2형 당뇨병 치료를 위한 경구흡수형 GLP-1 유전자치료제 개발

Abstract

제 2형 당뇨병은 신진대사 질병으로 장기간 지속되는 고혈당증과 인슐린 저항성으로 특성 지어진다. 또한 생활방식과 유전적 요인으로 인해 발병하므로, 생활방식의 개선과 약물의 치료가 함께 이루어져야 한다. 사실, 현재도 사용되고 있는 치료제가 있지만 구토와 구역질, 저혈당증 등의 단점을 갖고 있다. 위의 단점을 최소화 하고, 2형당뇨병에 대한 치료를 극대화 하기 위해 치료물질로 GLP-1을 사용하였다. GLP-1 은 세포 내 신호를 자극하여 췌장 β 세포와 인슐린의 작용에 영향을 미치기에 2형 당뇨병 치료제로서 효과를 보인다는 것이 증명되었다. 하지만 GLP-1 단백질은 체내효소인 DPP-4 에 의해 2분 이라는 매우 짧은 반감기를 보였고, 이는 곧 미미한 치료효과로 나타났다. 이러한 단점을 극복하고자 지속적으로 발현이 가능한 GLP-1 유전자를 치료물질로 사용하였다. 또한, 약물의 경구투여방법을 시도하여 환자들이 약물을 투여하는데 편안함을 제공하였다. 이때, 견고한 형태를 유지하여 치료 유전자 GLP-1 의 체내 흡수율을 높일 수 있도록 음성의 유전자와 양성의 branched poly-ethyleneimine (bPEI)를 결합시켜 안정성을 부여하였고, 겉 표면에는 Heparin 과 taurocholic acid 를 화학적으로 결합하여, 안정적인 약물(HTCA-GLP-1) 을 만들었다. 양성의 GLP-1 유전자/bPEI 를 더욱 안정화 시키기 위해 음성의 Heparin이 사용되었고, 소수성의taurocholic acid 는 소장의 bile acid transporter에 의해 소장에서의 specific한 흡수를 위해 사용되었다. 약물 HTCA-GLP-1 (100 ㎍ GLP-1 유전자)을 60 % 고지방 사료를 3개월간 섭취하여 2형 당뇨병이 유도된 쥐에 경구 투여하였을 때, 혈당이 정상범위 (150mg/dL) 까지 감소 하는 것을 보았다. 또한 약물을 먹이지 않은 그룹은 지속적으로 체중이 증가하는데 반해, 약물을 투여한 그룹에서는 약 10 % 의 체중 감소 효과를 보였다. 이때의 사료 섭취량은 미량 감소하는 것을 보였다. 또한 혈액검사를 통해 체내 인슐린과 GLP-1 단백질의 농도를 확인한 결과 약물을 먹이지 않은 그룹과 대비에 각각 3배 이상의 차이를 보이는 것을 확인하였다. 조직검사를 통하여 경구로 투여해준 HTCA-GLP-1 약물의 흡수를 확인하였다. Control 그룹과 비교하여, 췌장 β 세포에서 GLP-1의 발현 정도가 더 뛰어난 것을 확인할 수 있었고, 그로 인해 인슐린의 발현 정도가 두드러지게 많이 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 소장, 신장, 간, 비장을 조직검사 하였을 때 각각 소장과 신장, 간 에서 GLP-1 유전자가 발현하는 것을 확인하였다. 위의 결과를 종합하여, Heparin-Taurocholic acid 결합체를 이용하여 GLP-1 유전자의 경구 투여 하였을 때, 체내 유전자의 흡수가 효과적으로 이루어진다는 것을 알 수 있었다. 또한 GLP-1 유전자에 의해 췌장의 β 세포수가 증가하고 그에 따라 인슐린의 분비량이 증가하는 것을 확인하였다. 증가한 인슐린 양에 의해 체내 포도당의 농도는 감소하며, 활발해진 신진대사로 인해 체중이 감소하는 것을 확인하였다. 이번 논문에서 우리는 HTCA-GLP-1 유전자 결합체가 소장에서 효과적인 흡수를 보이며 췌장의 β 수를 증가시켜 신진대사를 정상으로 돌리고 2형 당뇨를 치료하는데 효과적이라는 것을 증명하였다. |Type 2 diabetes is a metabolic disease characterized by prolonged hyperglycemia and insulin resistance. Type 2 diabetes patients should be cared with improved lifestyle and treatment for disease. Actually, a number of medications used for treatment type 2 diabetes. But there are some side effects like vomiting, nausea, hypoglycemia, weight gain and so on.

We choose the effective molecule GLP-1 to treatment effect for type 2 diabetes. GLP-1 increases intracellular signaling levels in the cells associated with βcell mass and insulinotropic effect. All of the GLP-1 properties should help to treat the blood glucose level in type 2 diabetes mellitus.

To overcome the short half-life of GLP-1 protein by the endogenous enzyme dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4), we designed the research as a GLP-1 gene therapy for type 2 diabetes. Also, Oral drug delivery system was used for convenient drug administration methods.

To stabilize the nanoparticles in the GI tract and intestines and overcome the above limitation of gene therapy, we choose heparin-taurocholic acid bio conjugate form. Taurocholic acid receptor is highly expressed in small intestine. So, oral absorption and targeting efficacy of small intestine were increased by the interaction between bile acid transporter and taurocholic acid. Bile acid transporter proteins aid the transport of bile acid conjugated molecules in the small intestine organ.

We designed the concepts as positively charged branched PEI shield GLP-1 gene, and heparin-taurocholic acid (HTCA) more wrap the branched PEI-GLP-1 gene polyplex. And then, GLP-1 gene polyplex more wrapped by heparin-taurocholic acid can keep their particle stability in the GI tract. HTCA-GLP-1 throw the bloodstream by the receptor mediated endocytosis via bile acid transporter-taurocholic acid interaction.

When GLP-1/HTCA-PP complex was orally administered every 4 days for one month, the blood glucose levels were stably normalized within 150 mg/dL, continuously. Also, in the case of administration of HTCA-GLP-1 complex, the body weight of all mice was significantly reduced while the amount of food intake was slightly decreased. Also, from the immunohistological analysis, GLP-1 protein expression was observed around islets in the pancreas organ and also in the small intestine organ. Finally, our oral gene delivery system of HTCA-GLP-1 complex demonstrated a promising therapeutic potential to cure type 2 diabetes mellitus.; Type 2 diabetes is a metabolic disease characterized by prolonged hyperglycemia and insulin resistance. Type 2 diabetes patients should be cared with improved lifestyle and treatment for disease. Actually, a number of medications used for treatment type 2 diabetes. But there are some side effects like vomiting, nausea, hypoglycemia, weight gain and so on.

We choose the effective molecule GLP-1 to treatment effect for type 2 diabetes. GLP-1 increases intracellular signaling levels in the cells associated with βcell mass and insulinotropic effect. All of the GLP-1 properties should help to treat the blood glucose level in type 2 diabetes mellitus.

To overcome the short half-life of GLP-1 protein by the endogenous enzyme dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4), we designed the research as a GLP-1 gene therapy for type 2 diabetes. Also, Oral drug delivery system was used for convenient drug administration methods.

To stabilize the nanoparticles in the GI tract and intestines and overcome the above limitation of gene therapy, we choose heparin-taurocholic acid bio conjugate form. Taurocholic acid receptor is highly expressed in small intestine. So, oral absorption and targeting efficacy of small intestine were increased by the interaction between bile acid transporter and taurocholic acid. Bile acid transporter proteins aid the transport of bile acid conjugated molecules in the small intestine organ.

We designed the concepts as positively charged branched PEI shield GLP-1 gene, and heparin-taurocholic acid (HTCA) more wrap the branched PEI-GLP-1 gene polyplex. And then, GLP-1 gene polyplex more wrapped by heparin-taurocholic acid can keep their particle stability in the GI tract. HTCA-GLP-1 throw the bloodstream by the receptor mediated endocytosis via bile acid transporter-taurocholic acid interaction.

When GLP-1/HTCA-PP complex was orally administered every 4 days for one month, the blood glucose levels were stably normalized within 150 mg/dL, continuously. Also, in the case of administration of HTCA-GLP-1 complex, the body weight of all mice was significantly reduced while the amount of food intake was slightly decreased. Also, from the immunohistological analysis, GLP-1 protein expression was observed around islets in the pancreas organ and also in the small intestine organ. Finally, our oral gene delivery system of HTCA-GLP-1 complex demonstrated a promising therapeutic potential to cure type 2 diabetes mellitus.