특정 암세포에만 약물을 전달하기 위해 약물을 유기 고분자 캡슐로 감쌉니다. 체내 pH 변화에 따라 고분자의 구조가 변하며 약물을 방출하는 원리를 설명해주세요.

Question

이충흔 · Accepted Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.암세포 부위에서만 약물을 방출하는 유기 고분자 캡슐은 우리 몸의 부위별 산성도 차이를 정밀하게 감지하는 스위치 역할을 합니다. 일반적으로 정상 조직의 혈액은 pH 7.4 정도의 중성을 유지하지만, 암세포 주변은 빠른 성장과 대사 과정에서 생성되는 젖산 때문에 pH 6.5 내외의 약산성을 띱니다. 특히 암세포가 영양분을 섭취하는 통로인 리소좀 내부는 pH 5.0 이하로 산성도가 더욱 높습니다.​약물을 감싸는 유기 고분자 캡슐은 이러한 pH 변화에 민감하게 반응하는 특수 작용기를 포함하도록 설계됩니다. 중성인 혈액 속을 이동할 때는 고분자 사슬들이 서로 단단히 엉겨 붙어 약물이 밖으로 새 나가지 못하게 껍질 구조를 유지합니다. 하지만 산성도가 높은 암세포 부위에 도달하면 주변에 풍부한 수소 이온이 고분자의 특정 부위와 결합하기 시작합니다.​이때 고분자 사슬에 전하가 생기면서 서로를 밀어내는 정전기적 반발력이 발생하거나, 물을 싫어하던 소수성 성질이 물과 친한 친수성으로 급격히 변하게 됩니다. 이 과정에서 꽉 짜여 있던 캡슐 구조가 느슨하게 풀리거나 팽창하며 물리적인 변형이 일어나고, 그 틈을 통해 내부에 갇혀 있던 약물이 암세포 표적 부위에서만 집중적으로 쏟아져 나옵니다. 이러한 원리는 약물이 정상 세포를 공격해 발생하는 부작용을 획기적으로 줄이고 치료 효율을 극대화하는 스마트한 약물 전달 체계의 근간이 됩니다.

김지호 · Answer

안녕하세요.암 치료에 사용되는 pH 반응성 고분자 약물전달 시스템은 정상 조직과 암 조직 사이의 미세한 화학 환경 차이를 이용하는 기술인데요, 본래 암세포 주변 환경은 정상 조직보다 대개 더 산성인 경우가 많습니다. 정상 혈액과 대부분 조직의 pH는 약 7.4 정도로 유지되지만, 빠르게 증식하는 암세포는 산소가 충분해도 해당작용을 활발히 사용하는 경우가 많아 젖산과 산성 대사산물이 축적되다보니, 종양 미세환경은 보통 pH 6.5~6.9 정도로 더 낮아질 수 있습니다. 게다가 세포 내부의 엔도솜이나 리소좀은 pH가 더 낮은 산성 환경을 가집니다. 이 점을 이용해 약물을 유기 고분자로 감싸면, 혈액 속에서는 안정하게 이동하다가 암 조직에 도달했을 때만 약물을 방출하도록 설계할 수 있는데요, 이때 고분자 사슬에 들어 있는 이온화 가능한 작용기를 활용합니다. 카복실기나 아민기, 이미다졸기와 같은 작용기들은 pH에 따라 수소 이온을 받거나 내놓으면서 전하 상태가 변합니다.예를 들어 고분자에 아민기가 많다고 생각해보면, 중성 pH에서는 전하가 적어 비교적 조밀하게 접혀 있을 수 있는데요, 암 조직처럼 산성 환경으로 들어가면 주변 H⁺ 농도가 높아지고, 아민기가 양성자를 받아 양전하를 띠게 됩니다. 결과적으로 같은 고분자 사슬 내 또는 인접한 사슬 사이에서 양전하끼리 정전기적 반발이 생깁니다. 그 결과 고분자 캡슐이 팽창하거나 구조가 느슨해집니다. 반대로 일부 고분자는 산성 환경에서 특정 결합 자체가 끊어지도록 설계되는데요, 예를 들어 산에 약한 아세탈 결합, 하이드라존 결합 같은 구조가 포함되면, 산성 환경에서 결합이 분해되며 캡슐이 무너지고 내부 약물이 방출됩니다. 이와 같이 pH 반응성 고분자 전달체는 약물이 암 조직 근처에서 더 많이 방출되도록 유도할 수 있어, 정상 조직 손상을 줄이고 치료 효율을 높일 가능성이 있습니다. 감사합니다.