허혈성 심질환 치료용 단백질 약물의 서방성ㆍ주입형 미립구/하이드로젤 복합시스템

Abstract

Myocardial infarction causes high rate of morbidity and mortality world widely. A family of heat shock protein as a molecular chaperone has been attractive in protecting cells under environmental stimuli. A heat shock protein 27 (HSP27) was fused with transcriptional activator (TAT) derived from human immunodeficiency virus (HIV) as a protein transduction domain (PTD) in order to enhance penetration of the protein across cell membranes. As TAT-HSP27 can be cleared from the body within comparatively short time periods, due to enzymatic degradation localized delivery systems for this fusion protein (e.g., hydrogels and microspheres) have attracted wide attention to date. Hydrogels, however, may release their hydrophilic contents too rapidly in a large initial burst, and phagocytes may clear microspheres within a relatively short time period after administration. We hypothesized that systems prepared with microspheres and hydrogels in combination could achieve a controlled and sustained release of proteins as an injectable delivery system. To test this hypothesis, we investigated the effects of particle size, protein loading contents, and relative proportions of each component (i.e., mixing ratio) on the release of protein drugs from the microsphere/hydrogel combination delivery system. The mixing ratio between PLGA microspheres and alginate hydrogels was found to be the primary controller of the release of BSA, a model protein drug. Based on these results, we prepared a fusion protein (TAT-HSP27)-loaded microsphere/hydrogel combination delivery systems to control the release behavior for a prolonged time periods, and the release behavior of TAT-HSP27 was also able to be controlled by varying the mixing ratio between PLGA microspheres and alginate hydrogels. The released fusion protein maintained its bioactivity and was useful to recover the proliferation of cardiomyoblasts (H9c2 cells) cultured under hypoxia condition. This approach to controlling the release behavior of TAT-HSP27 using microsphere/hydrogel combination delivery systems may find useful applications in treatment of myocardial infarction in a minimally invasive manner. Furthermore, this technique to controlling the release behavior of protein drugs using microsphere/hydrogel combination systems could be useful for development of injectable systems for drug delivery and tissue engineering applications.; 심근경색은 전세계적으로 높은 사망률과 사상자를 발생시킨다. 최근 분자 차페론 (Molecular chaperone) 기능을 지닌 열충격 단백질(Heat Shock Protein) 그룹이 여러 환경적 자극으로부터 세포를 보호하는 역할로 각광 받고 있다. 이 단백질의 세포막 통과 효율성을 향상시키기 위해 열충격 단백질 27(분자량 27kD, HSP27)을 단백질 형질 변환 도메인 (Protein transduction domain, PTD)중 하나인 인간 면역결핍 바이러스 (Human immunodeficiency virus, HIV)에서 유래된 전사 활성체 (Transcriptional activator, TAT)에 융합시켰다. 이 융합단백질 (TAT-HSP27)이 저산소증을 통한 세포 괴사를 억제하는 효과를 가짐에도 불구하고 효소분해로 인해 비교적 빠른 시간 내에 체내에서 사라지기 때문에, 요즈음 이 융합단백질을 위한 하이드로젤 및 미립구 같은 국소 전달 시스템이 주목 받고 있다. 그러나, 하이드로젤은 강력한 초기 방출을 통해 친수성 물질을 매우 빠르게 방출하고, 미립구의 경우 식세포 작용을 통해 체내에서 상대적으로 짧은 시간 안에 제거된다. 우리는 미립구와 하이드로젤을 결합시킴으로써 주입형 전달 시스템을 개발하였고 이는 단백질 약물의 서방성 방출 제어가 가능할 것이라 가정했다. 이를 위해 하이드로젤 내의 다양한 크기와 모델 단백질 (bovine serum albumin, BSA)을 함유한 미립구를 포함시켰고 또한, 미립구와 하이드로젤에 혼합시킨 모델 단백질의 비율을 조절한 뒤 이 단백질의 방출 거동을 확인해 보았다. 그 결과, 미립구와 하이드로젤 사이의 혼합비 조절이 단백질 방출 거동 제어의 중요한 변수임을 확인했고, 이것을 주입형 융합단백질 (TAT-HSP27) 전달 시스템에 적용시켜 보았다. 마찬가지로 혼합비 조절을 통해 융합단백질의 방출 거동을 조절할 수 있었고, 이 방출된 융합단백질의 생물 활성이 유지되었으며 저산소성 환경에서 감소하는 심근세포의 증식력이 회복되어짐을 확인했다. 미립구/하이드로젤 결합 전달 시스템을 이용하여 융합단백질의 방출을 조절한 이 연구는 최소한의 침습성 방법으로 심근경색의 치료에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 약물전달 및 조직공학 응용을 위한 주입형 시스템 개발에 유용할 것이라 전망된다.