Optimization of Structure and Physicochemical Properties of Polyphosphazene-Platinum(II) Conjugate

Abstract

본 연구는 널리 사용되는 3세대 백금 항암제인 옥살리플라틴(oxaliplatin)의 비 표적장기에 대한 독성을 개선하고 암 조직 선택성을 증진시키고자, 고분자요법을 적용하여 폴리포스파젠(polyphosphazene)-백금(II) 컨쥬게이트(conjugate)를 새로이 합성하였다. 이의 이화학적 물성을 규명하고 항암 효능 및 암 선택성을 평가하였다. 일련의 친핵성 치환반응과 가수분해반응을 거쳐 메톡시폴리에틸렌글리콜(methoxy poly(ethylene glycol))과 2-아미노에탄올(2-aminoethanol), 약물 연결기로 시스아코니틴무수물(cis-aconitic anhydride)을 포함하는 약물전달체 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)]n 을 합성하였다. 옥살리플라틴의 항암 효능 활성부인 (dach)Pt(II) (dach: trans-(±)-1,2-diaminocyclohexane, Pt: Platinum)를 연결하여 최종물질 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 을 합성하였다. 합성된 물질은 수용액 상에서 자기 조립하여 평균 반지름 55.1 nm 의 안정한 마이셀(micelle)을 형성했고 이는 EPR(Enhanced Permeability and Retention) 효과에 적합한 크기이다. 임계마이셀농도(CMC: Critical Micelle concentration)는 증류수에서 52.2 mg/L, 생리식염수에서 23.2 mg/L의 값을 보임으로서, 본 약물이 체내 투여 후 희석되어도 매우 안정하게 마이셀을 형성할 수 있음을 확인하였다. 형광물질로 표지 한 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 을 암 유발마우스(mouse)에 투여하여 체내조직분포를 평가한 결과, 다른 장기에 비해 암 조직에 매우 선택적으로 도달함을 확인할 수 있었고, 특히 약물 투여 72시간 경과 후 근육조직과 비교하여 암 조직으로의 약물 이행 비율이 10배에 이르는 높은 TTR(tumor to tissue ratio) 값을 얻을 수 있었다. 본 물질의 체내동태를 평가하기 위해 옥살리플라틴(oxaliplatin)을 대조군으로 하여, 랫트(rat)에게 각각의 약물을 20 mg/kg의 농도로 정맥 투여하여 약동학적 지표를 도출하였다. [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 의 베타상(β phase)의 반감기는 옥살리플라틴보다 3배 가량 증가하였고, AUC 값은 18배 가량 증가하였다. 프로드럭(prodrug) 상태의 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 로부터 항암 활성부의 분리활성을 평가하기 위해 pH 5.4, 37 ℃ 의 인산완충액과 pH 7.4, 37 ℃ 의 인산완충액을 이용하였고, 10일 경과 후 각각의 완충액에서 (dach)Pt(II)가 각각 98%, 72% 분리되었다. 결과를 통해 약산성 조건에서 약물의 분리가 촉진됨을 확인하였고, 산도가 낮은 암 조직에서 본 약물의 특이적인 분리를 기대할 수 있다. 약물의 효능 평가를 위해 사람의 위암세포주가 이종이식 된 누드마우스를 이용하였으며, 그 결과 고농도의 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 는 옥살리플라틴보다 우수한 항암 효능과 낮은 전신 독성을 관찰할 수 있었다. 이번 연구로, 합성된 폴리포스파젠-백금(II) 컨쥬게이트의 우수한 물성뿐 아니라 높은 혈중 농도 및 지속적인 약물의 방출, 뛰어난 암 선택성 및 항암 효능을 확인하였다. 또한 비 표적장기에 대한 독성과 부작용 감소를 확인하였다. 이러한 결과를 통해 [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n 의 매우 유망한 신 항암제로의 발전 가능성을 기대할 수 있다.; The antitumor active moiety (dach)Pt(II) of oxaliplatin was conjugated to the polyphosphazene grafted with methoxy poly(ethylene glycol) (MPEG) and aminoethanol as side groups using aconitic acid as a linker, which was represented as a molecular formula of [NP(MPEG750)(AE)(ACA)Pt(dach)]n (MPEG750: MPEG with an average molecular weight of 750; (AE)(ACA): aminoethanol linked to aconitic acid; dach: trans-(±)-1,2-diaminocyclohexane). This polyphosphazene-Pt(II) conjugate drug molecule was self-assembled into very stable polymeric micelles with a mean diameter of 55.1 nm and a critical micelle concentration (CMC) of 52.2 mg/L in distilled water, but surprisingly, this CMC value decreased to 23.2 mg/L in saline solution, which indicated that the conjugate micelles became more stable in physiological condition. The ex vivo imaging study of the Cy-labelled polyphosphazene-Pt(II) conjugate has shown excellent tumor selectivity based on the EPR effect by showing high tumor to tissue ratio (TTR) of nearly 10 at 72 h post injection. The PK study of the polymer conjugate has shown much longer half-life (t1/2β) of 13.3 h compared with 5.21 h of oxaliplatin and about 18 times higher AUC value of 42850.8 ng•h/mL compared with 2320.4 ng•h/mL of oxaliplatin. The study on the in vitro release of the antitumor active moiety (dach)Pt(II) from the polymer conjugate micelles has shown that 98% of total (dach)Pt(II) was released over 10 days at pH 5.4, while only 72% of the total (dach)Pt(II) was released over 10 days at pH 7.4. The nude mouse xenograft trials of the polymer conjugate against the MKN-28 tumor cell line exhibited remarkably better tumor efficacy compared with oxaliplatin at higher tolerate dose with lower systemic toxicity.