단백질 나노입자

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단백질 나노기술은 단백질의 다양한 물리화학적 특성과 나노스케일 기술을 통합하는 급성장하는 연구 분야입니다.이 분야는 제약 연구에 동화되어 단백질(또는 단백질 기반) 나노 입자(PNP)라는 새로운 나노 입자 분류를 생성했습니다.PNP는 높은 생체 적합성, 생분해성 및 낮은^{[1][2][3][4][5]} 독성과 같은 유리한 약물 동태 특성으로 인해 상당한 관심을 받았습니다. 이러한 특성은 합성 NP 약물 전달 전략에서 직면하는 문제를 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.낮은 생물학적 가용성, 느린 배설 속도, 높은 독성 및 비용이 많이 드는 제조 공정을 포함한 이러한 기존 과제는 종양학, 마취제 및 임상 번역 ^[2][4]연구에서 상당한 치료 발전의 문을 열 것입니다.

PNP의 임상 번역을 위해서는 이 분야 내에서 지속적인 발전이 필요합니다.2022년 기준으로 임상 사용을 위해 FDA의 승인을 받은 것은 PNP 제제 1종(Abraxane)과 VLP 5종(Gardasil, Ceravix, Moscirix, Sci-B-Vac, Gardasil9)뿐입니다.PNP 제제의 FDA 승인은 PNP와 ^[6][7]생물학적 환경 사이의 생체 내 상호작용으로 인해 발생하는 합병증으로 인해 제한됩니다.예를 들어, PNP는 단백질 형태 변화를 겪거나, 단백질 코로나를 형성하거나, 염증을 유발하고 환자의 ^[4]건강을 해칠 수 있습니다.

합성법

PNP의 유리한 특성을 활용하기 위해 PNP 합성 방법 내의 개선이 광범위하게 탐구되고 있습니다.기존의 방법(소노케미컬, 열분해, 콜로이드/수열/마이크로에멀션 방법)은 전신 독성에 기여하고 친수성 약물에 한정되기 때문에 새로운 합성 방법의 발전 또는 개발이 바람직합니다.결과적으로, 최근의 발전은 이러한 문제를 극복하고 상업적 규모의 ^{[2][8][9][10][11]}생산을 달성하고자 합니다.

또한 전기분무 또는 탈용해와 같은 새롭게 개발된 PNP 합성 방법은 기존의 나노 입자 ^[2][9]방법에 비해 더 지속 가능한 접근 방식을 제공합니다.합성 나노 입자와 달리 PNP는 약한 조건에서 독성 화학 물질이나 유기 용매 없이 합성될 수 있습니다.PNP는 또한 자연적으로 공급되며 쉽게 분해될 수 있습니다.그러나 이러한 장점과 새로운 합성 방법의 추가에도 불구하고, 이 방법은 상대적으로 비용이 많이 들고 PNP 크기의 완전한 제어를 제공하지 않아 생물 의학에서의^[2][12] 적용을 크게 제한합니다.

표 1: 일반적인 PNP 합성 방법

방법	묘사	힘	한계	크기	영향 요인	일반 단백질	레퍼런스
유화	단백질 용액은 기계적 교반 또는 초음파 처리를 통해 생성되어 에멀젼 시스템을 생성합니다. 에멀젼 시스템은 용매/비용매를 제거하여 나노 입자를 형성합니다.	높은 캡슐화 속도 높은 안정성 형상 제어 비용 효율적 빠른	더 큰 NP 크기를 제조할 수 없습니다. 열역학적 안정성을 위해 계면활성제, 안정제가 필요	크기 범위 100-800nm	단백질 농도 물과 기름의 상대 부피비	젤라틴 카제인	[13][11][1]
탈용해	단백질의 용해도를 감소시키고 PNP를 침전시키는 단백질 입체구조 변화를 유도하기 위해 단백질 용액에 용해제를 첨가합니다.	높은 안정성 심플 작은 NP 높은 캡슐화 효율 - 형상 및 크기 제어	통합 위험 증가 운반체 단백질에 의해 희석될 수 있는 단백질로 제한됨	크기 범위 100-700nm	단백질 농도 용해제의 속도, pH, 온도 및 첨가율 용해제의 종류 및 농도 교반 속도 버퍼 유형 이온 강도 가교시 온도, pH	젤라틴 알부민 제인 케이스인	[2][11][1]
일렉트로스프레이	고압이 단백질 용액으로 전달되어 노즐을 통해 용액을 추진하여 액체 제트 스트림을 생성하고 에어로졸화된 NP 방울을 형성합니다.	캡슐화 효율성 향상 심플 저비용 연속제조 고수율 높은 안정성 스몰사이즈 양산	전단 또는 열응력으로 인한 열화 위험 저유량	크기 범위 50-500nm	노즐 직경 인가 전압의 크기 유량	글리아딘 ELP	[9][11][1]
자체 조립	단백질 용액이 임계 미셀 농도와 임계 용액 온도를 초과하여 NP 미셀을 생성함	높은 캡슐화 속도 스몰사이즈 높은 안정성	크기와 모양을 조절하기 어려움 스트레인에 의한 열화 위험	크기 범위 10-150nm	단백질 전하, 표면적 및 입체력 단백질과 핵산의 상호작용	젤라틴 케이스인 알부민 제인	[2][10][14]
나노 스프레이 건조	단백질 용액은 질소와 이산화탄소 가스와 결합되어 노즐을 통해 배출됩니다.전극은 에어로졸화된 NP를 수집하는 데 사용됩니다.	비용 효율적 빠른 심플 친수성 또는 열에 민감한 약물을 쉽게 캡슐화 입자 크기 제어	소규모 생산 소수성 약물을 통합하기 어려움	크기 범위 300-5000nm	노즐 크기 유량	알부민	[8][1]

단백질의 종류

PNP 합성에는 수많은 단백질이 사용됩니다.그것들은 종종 동물과 식물로부터 자연적으로 공급됩니다.따라서, 일반적으로 동물성 단백질의 공통된 장점은 높은 생체적합성, 생분해성, 비면역성, 약물 로딩 효율성, 세포 흡수 및 쉽고 비용 효율적인 생산을 포함합니다.^[15] 아래 표 2-4는 PNP 합성에 사용되는 일반적인 단백질을 정리한 것입니다.PNP의 유형은 높은 생체적합성, 비면역성, 높은 약물 효율성, 높은 생분해성 및 높은 세포 ^[3][16][17]흡수와 같은 유사한 물리적 특성을 공유합니다.신체의 적절한 기능에 필요한 단백질의 풍부함 때문에, 신체는 단백질을 조직과 세포로 업데이트하는 과정을 개발했습니다. PNP는 세포 흡수를 향상시키기 위해 이러한 자연적인 과정을 이용합니다.이러한 풍부함과 단백질의 자연적 소싱 후속 정제는 또한 면역원성 반응을 감소시키고 신체에서 낮은 독성 수준을 생성합니다.PNP가 분해되면 조직은 아미노산을 에너지 또는 단백질 ^[4]생산으로 동화시킵니다.

표 2: PNP를 제조하는 데 사용되는 일반적인 동물 단백질

단백질	원본	힘	한계	나노 아키텍처	레퍼런스
젤라틴	동물의 피부, 뼈, 그리고 결합 조직	생체적합성 생분해성 FDA 승인 안전성 상호 연결이 용이함 살균이 용이함 저렴한	낮은 기계적 강도 빠른 성능 저하	마이크로스피어	[18]
알부민	블러드	무독성 비면역성 생체적합성 생분해성 높은 바인딩 용량 다재능 수용성 간단한 준비	비용이 많이 드는 조달	나노권 나노캡슐	[19]
케이스인	우유	비용효과 높은 안정성 간편한 조달 높은 안정성 높은 바인딩 용량 고온 저항 기계적 힘에 대한 내구성	알레르기 반응 또는 면역 억제 가능성	미셀	[20]
실크	누에와 거미의 배설물	낮은 염증 반응 낮은 분해율 기계적으로 유연함 높은 기계적 강도 양호한 안정성 낮은 면역원성 생분해성 생체적합성 비용 효율적	알레르기 반응의 가능성	나노권 미셀	[21][22]

표 3: PNP 제조에 사용되는 일반적인 식물 단백질

단백질	원본	힘	한계	나노 아키텍처	레퍼런스
제인	옥수수(메이즈)	생분해성 소수성 약물을 운반할 수 있음 무독성 흡수율 낮음 고온 저항	물에 쉽게 응집됨 효소 분해에 민감함	나노권 나노캡슐	[16][23]
글리아딘	밀 글루텐	생체적합성 생분해성 비독성 높은 안정성 낮은 용해도 비면역성	큰 입자 크기 급속한 성능 저하	나노권	[16][24]
렉틴	식물과 동물의 고기, 우유, 달걀	높은 안정성 저독성 낮은 면역원성 성능 저하에 대한 저항성	임상적 민감도 및 특이성 저하	나노권	[16]
레구민	콩	스몰사이즈 높은 안정성 저항원성	낮은 수익률	나노권	[16]

표 4: PNP를 제조하는 데 사용되는 재조합

단백질	원본	힘	한계	나노 아키텍처	레퍼런스
엘라스틴 유사 폴리펩타이드(ELP)	인간 트로포엘라스틴	- 비면역성 분자량 조절 단일 크기 고분자의 생산 한 번에 여러 약물에 결합할 수 있습니다. 조절 가능한 약물 동태 특성 환경 대응성	약물 동태 특성의 제한된 예측 가능성	미셀	[16][25][17][26][27]
바이러스 유사 단백질(VLP)	바이러스 단백질(유전자 물질 없음) 및 재조합 바이러스 단백질	대상 EPR 효과 기존 백신보다 안전함 스몰사이즈	불안정성 고유 면역원성	나노캡슐	[2][28]

단백질 나노입자 변형

PNP는 입자 안정성을 높이고, 분해를 줄이며, 유리한 특성을 향상시키기 위해 화학적으로 수정될 수 있습니다.가교는 합성 또는 천연 가교를 사용할 수 있는 일반적인 수정입니다.천연 가교제는 합성 ^[27]가교제보다 독성이 현저히 낮습니다.

PNP 수정의 원동력은 표면 특성(표면 전하, 소수성, 작용기 등)에서 비롯됩니다.기능 그룹은 표적 약물 전달을 위해 조직 특이적 리간드에 결합할 수 있습니다.기능적 리간드는 단백질 수용체, 항체 및 더 작은 펩타이드를 포함할 수 있습니다.리간드 결합의 목적은 PNP를 표적 세포로 유도하여 전신 독성을 줄이고 조직 내 PNP의 유지 및 배설을 개선하는 것입니다.PNP 수정을 위한 최적의 리간드는 대상 셀에 따라 다릅니다.리간드를 사용한 PNP 표면의 수정은 화학적 활용을 통해 달성될 수 있지만 이미징을 위한 화학 염료 및 면역 활성화를 위한 펩타이드도 부착될 수 있습니다 [11,33,34].하나의 예는 유방암 세포를 표적으로 하는 리간드 항인간 표피 성장인자 수용체 2입니다.다음은 리간드 수정의 추가적인 적용과 그 치료적 적용을 제공합니다 [12].

화학적 결합 외에도, 유전자 변형은 수정 단백질 단량체를 PNP 표면에 직접 부착하는 것을 촉진할 수 있습니다.이로 인해 직접 부착물 또는 큰 단백질이 있는 기존 과제에 대한 공동 조립 및 해결책이 생성됩니다.PNP에 큰 단백질을 부착하면 자기 조립 과정을 방해하고 입체 상호 작용을 유도합니다.그러나, 더 작은 단백질 부착은 일반적으로 단백질 NP에 의해 허용됩니다.단백질 단량체의 유전자 변형을 통한 직접 부착의 중요한 한계는 여러 구성 요소의 부착을 수용할 수 없다는 것입니다.효소 결합은 PNP 조립 후 PNP 표면에 부위별 공유 결합 링크를 제공함으로써 이러한 한계를 극복하는 데 도움이 됩니다.이 전략은 또한 부착된 ^[26]단백질의 밀도와 비율을 더 잘 제어할 수 있습니다.

VLP의 수정은 나노케이지 아키텍처로 인해 독특합니다.케이지 구조를 가진 PNP는 내부에서 공동 캡슐화라고 불리는 기능적 구성요소를 완전히 캡슐화할 수 있습니다.VLP 케이지 내의 약물 캡슐화는 두 가지 프로세스를 통해 발생할 수 있습니다.이 첫 번째 프로세스는 체외에서 발생하며, 캡슐화될 약물 성분이 있는 상태에서 케이지를 분해하고 재조립해야 합니다 [8].로딩 효율은 정전기 상호작용을 통해 영향을 받기 때문에 VLP 케이지 자체 조립을 방해하지 않고는 약물 화합물을 완전히 캡슐화할 수 없습니다.또 다른 과정은 약물 성분을 생체 내에서 캡슐화하는 것입니다.여기에는 VLP 케이지 내부에 약물 성분을 직접 유전적으로 부착하는 작업이 포함됩니다.이 프로세스는 캡슐화를 위한 약물을 케이지 ^[28][2]내부로 직접 안내합니다.

치료용 약물 전달 애플리케이션

PNP는 높은 생체적합성, 높은 생분해성, 높은 수정성, 낮은 독성, 높은 세포 흡수 및 빠른 배설률과 같은 유리한 약동학적 특성의 폭으로 인해 항암 치료의 주요 후보입니다.이전의 항암 치료법은 종양 내에 수동적으로 축적하기 위해 강화된 투과성 효과에 의존했습니다.이로 인해 중요한 약물 효능 수준을 달성하는 데 필요한 높은 농도로 인해 독성이 증가했습니다.PNP는 새로운 전략을 통해 리간드 및 부위별 단백질 수용체의 부착을 통해 종양 미세 환경을 능동적으로 표적화할 수 있습니다.적극적인 타겟팅은 효과적인 용량을 전달하는 데 필요한 약물의 총 농도를 감소시켜 ^[29][30]전신 부작용을 줄입니다.

활성 종양 표적화 외에도 PNP는 pH, 온도 또는 효소 농도와 같은 변화하는 외부 환경에 대응하도록 설계될 수 있습니다.종양 미세 환경은 약간 산성이므로 PNP는 특정 종양 ^[28]생리 조건에서만 약물 화물을 방출하도록 설계될 수 있습니다.

또 다른 응용 분야는 광열 또는 광역학적 치료입니다.PNP는 선택적으로 종양 미세 환경에 축적되며, 여기서 1064 nm 파장 레이저를 사용하여 조사됩니다.빛 에너지는 열 에너지로 전달되어 종양 미세 환경의 온도를 증가시켜 종양 성장을 억제합니다.페리틴은 높은 ^[28][14]열 안정성으로 인해 이러한 용도에 적합한 단백질입니다.

생체 내 영상은 PNP의 또 다른 응용 프로그램입니다.PNP는 종양 미세 환경에 선택적으로 축적되는 형광 염료를 운반할 수 있습니다.이것은 종양 영상을 위한 표준 단백질인 녹색 형광 단백질의 중요한 한계가 그것의 불충분한 깊은 조직 침투이기 때문에 중요합니다.PNP는 크기가 작기 때문에 형광 염료를 조직 깊숙이 전달하여 이 문제를 극복하고 보다 정확한 종양 이미징을 제공할 수 있습니다.이 전략은 후속 ^[31][32][33]스캔을 위해 종양 미세 환경으로 자성 성분을 운반하는 PNP를 사용한 MRI 영상에도 적용될 수 있습니다.

다른 응용 프로그램에는 면역원성 성분을 운반하는 VLP를 통한 백신 개발이 포함됩니다.VLP는 약화된 유전 물질을 가지고 있지 않기 때문에, 이러한 백신은 특히 면역 결핍 또는 노인에게 더 안전한 대안이 됩니다. PNP는 또한 혈액 뇌 장벽을 넘을 수 있기 때문에 신경 질환을 치료할 수 있습니다 [28].마지막으로 PNP는 ^[34]안약보다 눈의 순환 시간이 상당히 길기 때문에 안과 약물 전달 내에서 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.

의약품 전달 문제 및 규정

PNP의 수많은 약동학적 이점에도 불구하고, 임상 번역에는 몇 가지 중요한 과제가 남아 있습니다.현재까지 50개 이상의 PNP 제형에도 불구하고 FDA 승인을 받은 PNP는 2개뿐입니다(2022년).FDA 승인을 받은 두 개의 약은 유방암, 비소세포 폐암, 췌장암 치료에 사용되는 파클리탁셀을 운반하는 알부민 나노입자인 Abraxane입니다.FDA가 승인한 두 번째 PNP는 L-2와 Diptheria 독소를 운반하는 단백질 결합체인 Ontak으로 피부 T세포 ^[6][7]림프종에 사용됩니다.승인된 두 가지 공식은 아래 표 5에 요약되어 있습니다.PNP의 낮은 승인률은 약물 캡슐화에 대한 제한된 기존 제어와 PNP 배치 간 약동학적 변동성 때문입니다.이 두 특성의 반복성과 상대적 상호작용의 균형을 맞추는 것은 임상 결과의 예측 가능성을 보장하고, 환자의 안전성을 높이고, 단백질 부하가 PNP의 ^{[2][10][11][7]}특성을 방해하지 않기 때문에 중요합니다.

또 다른 한계는 대규모 생산의 비용과 능력을 둘러싼 것입니다.생산된 나노 입자 간에 더 큰 동질성을 제공할 수 있는 많은 합성 방법은 또한 더 많은 비용이 드는 옵션이거나 대량 생산을 달성할 수 없습니다.이러한 한계는 PNP 제조의 낮은 수율로 인해 더욱 악화됩니다.이는 광범위한 임상 채택에 대한 PNP의 가용성을 제한합니다 [20,29].^[7]

레퍼런스