Synthesis and Development of Photosensitizers for Photodynamic Therapy

Abstract

항생제의 남용과 내성을 가진 슈퍼박테리아들의 등장함에 따라 내성균에 대응하는 치료 물질을 개발하는 것이 중요한 문제로 대두되었다. 이러한 문제를 해결하는 방법 중, 질병의 이미징과 동시에 치료까지 담당하는 광역학 치료 (Photodynamic Therapy, PDT)가 그 중 하나이다. 광역학치료는 빛 흡수가 가능하고 singlet oxygen 같은 활성 산소종의 생성을 가능하게 하는 감광제 분자를 사용한 치료 요법이다. 주로 암 및 피부와 관련한 질환을 치료하는 데 사용되었으나, 최근에는 향균성 치료에도 그 영역을 확장하고 있다. 광역학치료는 빛에 민감한 반응을 보이는 광민감제를 매개체로 하는데, 이를 활성화시키는 특정 파장의 빛을 조사하여 생기는 활성산소 및 일중항산소가 표적으로 하는 세포를 사멸시키는 방법이다. 본 연구에서는 박테리아 표면에 잘 결합하는 boronic acid 그룹을 도입한 프탈로시아닌 (phthlocyanine, Pc)과 포르피린 (porphyrin, Pp) 기반의 광민감제를 이용해 연구를 진행하였다. 첫 번째 장에서는, 프탈로시아닌을 기반으로 한 광민감제에 대한 연구를 하였다. 대부분의 광민감제가 낮은 수용성으로 인해 물에서 응집하게 되면 대부분의 경우 활성산소 생성 능력이 감소해 PDT 효과가 억제된다. 그러나 본 연구에서는 이러한 광민감제의 결함을 역이용해 아연 프탈로시아닌 기반의 구조가 자가조립을 통해 형성한 나노 입자가 응집을 했을 때에도 활성산소를 잘 내는 특성으로 PDT 효과를 내었다. 또한, 박테리아 표면에 많이 분포해 있는 다당류에 잘 결합하는 phenyl boronic acid를 구조에 도입했으며, 아민 그룹의 양전하가 음전하를 띠는 박테리아 표면에 더 잘 흡착되는 것을 이용해 프탈로시아닌 기반의 다른 광민감제 보다 박테리아 표적 및 향균 효과를 더 증가시킬 것으로 예상된다. 본 연구에서는 이러한 특성들을 이용해 응집을 통한 PDT 작용 기전을 밝혀내고 그람-양성과 음성 박테리아 모두에 박테리아 사멸 효과를 확인할 수 있었다. 두 번째로, 광역학 치료에서 자주 쓰이고 연구되는 porphyrin 분자에 boronic acid를 도용하였다. 수많은 보로닉 산 중에서도, phenyl 보로닉 산과 그 파생물들은 다양한 carbohydrates의 수용체로 많이 연구되고 있다. 본 연구에서, 우리는 보로닉 산과 diol을 가지고 있는 L-DOPA, Dopamine과의 반응을 고려한 광민감제의 변화에 주목하고자 했다. 루이스 산으로써 보로닉 산은 수용액 상에서 1,2-diols 또는 1.3-diols와 가역적으로 반응해 cyclic ester를 형성할 수 있다. 보로닉 산이 도입된 포르피린을 단독적으로 사용할 때 보다 과도한 응집을 방지함으로써 나노입자 형성을 하는 것에 주목했다. 결과적으로, 에스터의 형성이 형광의 변화를 가져오고 더 효율적으로 ROS 형성을 보였으므로 이를 이용해 도파민에 반응하는 세포나 도파민에 반응하는 유방암 세포에서 약물 전달 시스템으로의 효과를 기대해 볼 수 있다. 세 번째는 보로닉 산 포르피린을 도입한 그래핀 나노판에 대한 연구이다. 본 연구에서는, 보로닉 산을 가진 형광을 잘 내는 포피린을 그래핀 나노판을 도입하여 형광이 사라지는 것을 확인하였다. 그러나 이것이 박테리아 표면의 LPS (lipopolysaccharide)와 만나 반응하여 형광이 다시 회복되는 점을 이용해 활성화 광민감제를 개발하고자 하였다. 또한 그래핀은 광열치료법 (Photothermal Therapy) 에 많이 쓰이는 물질로, 포르피린을 도입해 그 효과를 더욱 높이고자 하였다. 고분자를 도입하는 등 용해도를 높이기 위한 개선점을 고려한다면 광열치료에 쓰이는 광민감제로의 효과를 기대해 볼 수 있다. ;Most conventional photosensitizers often have a large conjugated molecular structure, which aggregates into aqueous solutions. However, it usually makes low or no production of reactive oxygen species (ROS) because of the quenching caused by aggregation, which severely interferes with photodynamic effect of photosensitizers. In Chapter Ⅰ, we found that boric acid functionalized phthalocyanine (PcN4-BA) is a rare phenomenon, displaying interesting aggregate-enhanced photodynamic effects. The ability to form uniform nanostructured self-assemblies in water, highly efficient ROS generation and boronic acid-induced targeting, gives PcN4-BA excellent performance in antimicrobial PDTs. In Chapter Ⅱ-A, we developed a photosensitizer Pp4B based on boronic acid functionalized porphyrin. This agent exhibited high ROS generation as well as high fluorescence and can be PDT therapeutic agent with increased fluorescence and ROS generation after conjugation with the DOPA materials (L-DOPA, Dopamine) with cis-diols. It is expected to enhance specific dopaminergic neuron-specific photo-inactivation activity of Pp4B when it is conjugated to it. In Chapter Ⅱ-B, Pp4B loaded GNP was developed as an activatable photosensitizer targeting LPS in bacterial membrane. Pp4B loaded GNP exhibited excellent quenching in fluorescence at particular concentration of GNP and recovered after incubation Pp4B loaded GNP with LPS (lipopolysaccharide). Therefore, we expect that this results can show the potential of Pp4B loaded GNP as a PTT agent and it will be useful tools for anti-bacteria effect in this study.