Gompertz modeling은 고령화 사회에 접어들기 시작하며 노령인구 예측에 성공적인 결과를 보여줌으로써 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한 항암 치료제의 독성으로 인해 발생할 수 있는 부작용을 미연에 방지하고자 보다 효과적인 치료제의 사용에 관한 의료 생체분야에서 활발한 개발이 시도되어 왔으나 전임상 및 임상실험으로의 응용이 가능한 모델링은 극히 제한적이며, 모델링의 검증을 위한 생체실험의 분석 시스템의 최적화가 힘들다는 한계가 있다. 본 논문에서는 Gompertz modeling을 응용하여 새로운 겸형적혈구의 약물유출 예측시스템을 개발하고, 여기된 광증감제의 겸형적혈구 부착을 통해 효과적인 약물유출 제어방법을 ex-vivo 실험을 통해 검증하여 최적화된 예측 시스템의 결과를 비교 분석 할 수 있었다. 따라서 이와 같이 최적화된 Gompertz modeling을 이용한 새로운 약물전달 시스템이 항암치료에 반영된다면 부작용에 기인한 환자들의 신체적 고통과 치료를 위한 경제적 부담을 경감시키는 효과를 유도하며, 나아가 항암 치료제의 정확한 전달률을 증가시켜 보다 효과적인 항암치료를 기대할 수 있다.
Gompertz modeling은 고령화 사회에 접어들기 시작하며 노령인구 예측에 성공적인 결과를 보여줌으로써 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한 항암 치료제의 독성으로 인해 발생할 수 있는 부작용을 미연에 방지하고자 보다 효과적인 치료제의 사용에 관한 의료 생체분야에서 활발한 개발이 시도되어 왔으나 전임상 및 임상실험으로의 응용이 가능한 모델링은 극히 제한적이며, 모델링의 검증을 위한 생체실험의 분석 시스템의 최적화가 힘들다는 한계가 있다. 본 논문에서는 Gompertz modeling을 응용하여 새로운 겸형적혈구의 약물유출 예측시스템을 개발하고, 여기된 광증감제의 겸형적혈구 부착을 통해 효과적인 약물유출 제어방법을 ex-vivo 실험을 통해 검증하여 최적화된 예측 시스템의 결과를 비교 분석 할 수 있었다. 따라서 이와 같이 최적화된 Gompertz modeling을 이용한 새로운 약물전달 시스템이 항암치료에 반영된다면 부작용에 기인한 환자들의 신체적 고통과 치료를 위한 경제적 부담을 경감시키는 효과를 유도하며, 나아가 항암 치료제의 정확한 전달률을 증가시켜 보다 효과적인 항암치료를 기대할 수 있다.
A Gompertz modeling, sigmoid in shape, is a widely used application for social science, natural science, engineering, and medical research to allow confident approximation and accurate analysis and has been applied to estimate an elderly population on aging of population. Due to the high toxicity of...
A Gompertz modeling, sigmoid in shape, is a widely used application for social science, natural science, engineering, and medical research to allow confident approximation and accurate analysis and has been applied to estimate an elderly population on aging of population. Due to the high toxicity of currently available drug delivery vehicles, various efforts have been made to reduce side-effects in clinical fields, but its application to preclinical and clinical studies is limited and there are some difficulties to optimize the parameters of Gompertz modeling applicable to preclinical studies. Therefore, in this study, we demonstrated the ability of sickle red blood cells loaded by hypotonic dialysis then photosensitized and light-activated ex vivo for controlled release and simultaneously optimized Gompertz function to evaluate controlled drug release properties of photosensitized sickle red blood cells to reduce pain-related treatments in cancer patients.
A Gompertz modeling, sigmoid in shape, is a widely used application for social science, natural science, engineering, and medical research to allow confident approximation and accurate analysis and has been applied to estimate an elderly population on aging of population. Due to the high toxicity of currently available drug delivery vehicles, various efforts have been made to reduce side-effects in clinical fields, but its application to preclinical and clinical studies is limited and there are some difficulties to optimize the parameters of Gompertz modeling applicable to preclinical studies. Therefore, in this study, we demonstrated the ability of sickle red blood cells loaded by hypotonic dialysis then photosensitized and light-activated ex vivo for controlled release and simultaneously optimized Gompertz function to evaluate controlled drug release properties of photosensitized sickle red blood cells to reduce pain-related treatments in cancer patients.
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문제 정의
따라서 광증감제의 특성이 결합된 겸형적혈구를 운반체로 이용을 하게 된다면 기존 DDS 가 가지고 있는 한계를 극복해 암 환자에게 보다 나은 치료방법을 제시할 수 있고 새로운 시스템으로 발전할 수 있는 가능성을 가지게 될 것으로 기대한다. 따라서 Gompertz modeling의 최적화를 통해 광증감제의 특성을 가지고 있는 겸형적혈구의 주관적 약물의 유출을 제어할 수 있는 새로운 예측 시스템을 제시하며, ex vivo 실험을 통해 그 효과를 검증하고자 한다.
가설 설정
이러한 방식을 이용하면 침습적으로 제어가 불가능한 약물 유출의 정도를 비침습적이며 다른 의료장비나 검사장비의 도움 없이도 보다 정확한 방법으로 체외에서 조절할 수 있게 된다. 샘플의 수집시간은 여기된 겸형적혈구를 체내에 주입한 후 인체 및 동물 순환계통 (systemic circulation)의 속도를 고려하여 약 48시간 이내가 최대 효과를 볼 수 있는 임계점으로 라고 가정하고 시행되었다.
제안 방법
Ex-vivo 형광물질의 유출제어실험의 개요 및 온도조절기를 이용한 약물 유출제어 측정 시스템은 그림 1과 그림 2에 설명되었다. 3ml의 광감응제가 결합된 겸형적혈구 용액을 유리큐벳에 넣고 온도제어기의 큐벳홀더에 고정시킨 후, 0.08W의 할로겐 램프로 조사시간 (tirr : irradiation time), 조사량, 조사시온도 (Tirr : irradiatio temperature), 배양 온도 (Tinc : incubation temperature) 등 을 변환해 가며 유출된 형광물질을 일정한 시간 간격으로 수집하여 HPLC를 이용하여 측정한다. 할로겐램프에 의해 여기 된 광증감제는 산소레디컬을 발생시키며 이는 tirr , Tirr, Tinc, 광증감제의 농도에 비례하며 이는 실험의 목적에 맞게 조절할 수 있다 .
본 실험에서는 항암치료제 대신 형광물질 (Calcein)을 담지하고 유출된 물질의 양은 HPLC (High Performance Liquid Chromatography)를 사용하여 측정한다. 겸형적혈구의 세포막은 기존의 적혈구처럼 변형이 쉽지 않기 때문에 일반 적혈구에 약물을 담지하기 위한 preswelling method를 기본으로 하되 많은 실험을 통해 얻어진 다음과 같은 겸형적혈구만을 위한 최적화된 방법을 사용하기로 한다. 담지방법은 기존의 방법과는 약 200ul로 분리된 겸형적혈구 용액을 삼투질 농도 0.
형광물질인 calcein이 담지된 겸형적혈구를 이용한 ex vivo 유출제어 실험을 통해 얻어진 결과와 Gompertz modeling을 이용한 결과 값은 그림 5에서 비교되었다. 광증감제의 농도는 20uM로 고정하여 calcein이 담지 된 겸형적혈구를 일정하게 여기 시킨 후 형광물질의 유출을 일정하게 그리고 사용자가 주관적으로 유도하기 위하여 0.08W 할로겐 램프의 조사시간인 tirr값을 1분에서 20분까지 임의로 변화시켰다.
또한 겸형적혈구에서 유출된 calcein의 측정값을 비교하기 위해 겸형적혈구와 담지된 것과 같은 양의 free-calcein 샘플을 준비하여 헤모글로빈의 양을 10%~100%로 용혈시켜 레이저를 이용해 HPLC로 측정하였고 결과 값은 그림 4과 같다.
본 실험에서는 우선 tirr 은 1분에서 20분까지 증가시키며 진행하였고, Tirr 은 24°C, Tinc 은 사람의 체온과 같은 37°C 로 유지하였고, 조사가 시작되는 시점부터 48시간동안 각 30ul의 겸형적혈구에서 유출된 형광물질 샘플을 수집하였다.
본 실험에서는 항암치료제 대신 형광물질 (Calcein)을 담지하고 유출된 물질의 양은 HPLC (High Performance Liquid Chromatography)를 사용하여 측정한다. 겸형적혈구의 세포막은 기존의 적혈구처럼 변형이 쉽지 않기 때문에 일반 적혈구에 약물을 담지하기 위한 preswelling method를 기본으로 하되 많은 실험을 통해 얻어진 다음과 같은 겸형적혈구만을 위한 최적화된 방법을 사용하기로 한다.
수집된 샘플은 즉시 4°C 로 냉각된 원심분리 과정 후 빛이 차단된 튜브로 옮겨진 후 HPLC의 495nm의 레이저를 이용해 상대농도를 측정한다.
본 실험에서는 광증감제와 항암치료제 등 다양한 용도로 쓰이고 있는 광증감제 대표물질 PpIX (Protoporphyrin IX)를 사용하도록 한다. 20uM의 농도를 갖는 광증감제 6ml PpIX용액에 200ul로 분리된 겸형적혈구를 4°C에서 추가한 후 37°C의 온도를 유지하고 있는 인큐베이터에서 약 30분 동안 보관한다.
데이터처리
실험을 통해 측정된 calcein의 유출량과 Gompertz modeling 을 이용하여 계산된 예측된 값들은 그림 5에서 비교되었다. 두 가지 방법을 통해 얻어진 photohemolysis의 결과 값 들은 least square algorithm을 통해 계산 되었고, 그 결과 조사량(tirr)이 1분부터 20분까지 변화하는 동안 최적화된 a, b, t50 값은 표 1에 정리되었다. 실험에 사용되었던 조사량과는 독립적으로 평균 a = 4.
또한 조사량, 조사시간, 광증감제의 농도, 조사온도 및 배양온도 등에 영향을 받는 유출량을 추가적으로 분석하여 항암치료물질의 전달체로서 광증감제와 결합된 겸형적혈구의 약물유출제어 가능성을 보여주었다. 여러 변수를 통해 얻어지는 미지수의 값은 반복된 실험을 통해 보정되었으며 그 결과는 결정계수의 분석을 통해 확인할 수 있었다. 이는 수학적 모델링을 이용해 보다 정확히 분석된 약물투여량을 통해 효과적인 항암치료를 수행할 수 있고 약물 부작용으로 인해 환자들이 받고 있는 신체적 고통과 과도한 약물치료로 인한 경제적 경감효과를 기대할 수 있다.
성능/효과
tirr이 길수록 여기된 광증감제의 정도가 많아짐으로써 짧은 tirr보다 약물의 유출량이 많아지게 되며 이와 마찬가지로 온도 (T) 역시 tirr의 효과와 비슷하게 높은 Tirr과 Tinc에서는 겸형적혈구에서의 calcein 유출량이 비례하여 유출되는 결과를 보여주었다. Tirr은 평균 대기온도인 24°C로 고정하였고 Tinc는 사람의 체온과 같은 37°C로 유지하였는데 그 이유는 향후 겸형적혈구를 이용한 항암치료 전달체로서 응용가능성을 충분히 고려할 때 이 결과가 중개의학 (transitional medicine) 분야에서 활발하게 이용될 수 있고 전임상과 임상실험으로의 연구 분야를 확대할 수 있는 가능성을 배제하지 않기 때문이다.
본 논문에서는 생체적합성과 생분해능력을 가진 겸형적혈구와 여기된 광증감제의 부착을 통해 새로운 체외 약물유출의 조절 제어방법을 제안하고 Gompertz modeling를 응용하여 분석이 불가능 했던 유출정도를 보다 정확하게 예측할 수 있었다. 또한 조사량, 조사시간, 광증감제의 농도, 조사온도 및 배양온도 등에 영향을 받는 유출량을 추가적으로 분석하여 항암치료물질의 전달체로서 광증감제와 결합된 겸형적혈구의 약물유출제어 가능성을 보여주었다. 여러 변수를 통해 얻어지는 미지수의 값은 반복된 실험을 통해 보정되었으며 그 결과는 결정계수의 분석을 통해 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 생체적합성과 생분해능력을 가진 겸형적혈구와 여기된 광증감제의 부착을 통해 새로운 체외 약물유출의 조절 제어방법을 제안하고 Gompertz modeling를 응용하여 분석이 불가능 했던 유출정도를 보다 정확하게 예측할 수 있었다. 또한 조사량, 조사시간, 광증감제의 농도, 조사온도 및 배양온도 등에 영향을 받는 유출량을 추가적으로 분석하여 항암치료물질의 전달체로서 광증감제와 결합된 겸형적혈구의 약물유출제어 가능성을 보여주었다.
실험에 사용되었던 조사량과는 독립적으로 평균 a = 4.22 ± 0.2335, b =0.0027 ± 0.00092 일 때 실험 치와 모델링의 결과로 얻어진 t50 은 r2 > 0.99 이상을 보였다.
99 이상을 보였다. 최적화된 Gompertz modeling은 겸형적혈구를 이용한 약물유출 예측시스템에 적합하다는 결과를 보여주었고, 이 방법은 겸형적혈구뿐만 아니라 nanoparticle, polymer micelles, polymeric conjugate, lipid microemulsion 및 liposome 등과 같은 새롭게 개발되는 전달물질을 이용한 약물전달 시스템에 응용이 가능하다.
평균적으로 80±4.23% 의 담지율을 보였으며 이는 기존의 일반적혈구를 이용한 preswelling method [13]의 방법보다 겸형적혈구를 이용했을 때 보다 나은 결과를 보여 준다 [14].
후속연구
이러한 특성을 이용한 다양한 농도의 광증감제를 적혈구 막에 부착시킴으로써 증상에 따라 치료제의 유출량과 시간을 제어하고 정확한 안착률을 위한 화학적 처리방법을 줄임으로 운반체에서 발생할 수 있는 추가적인 부작용 및 독성유출을 미연에 방지할 수 있을 것이다. 따라서 광증감제의 특성이 결합된 겸형적혈구를 운반체로 이용을 하게 된다면 기존 DDS 가 가지고 있는 한계를 극복해 암 환자에게 보다 나은 치료방법을 제시할 수 있고 새로운 시스템으로 발전할 수 있는 가능성을 가지게 될 것으로 기대한다. 따라서 Gompertz modeling의 최적화를 통해 광증감제의 특성을 가지고 있는 겸형적혈구의 주관적 약물의 유출을 제어할 수 있는 새로운 예측 시스템을 제시하며, ex vivo 실험을 통해 그 효과를 검증하고자 한다.
이와 같이 치료목적으로 쓰이는 광증감제는 일정 파장의 빛에 의해 여기 되어 산소 라디칼을 생성해 내게 되는데 이러한 산소 라디칼은 적혈구 막을 파괴 시킬 수 있다[8]. 이러한 특성을 이용한 다양한 농도의 광증감제를 적혈구 막에 부착시킴으로써 증상에 따라 치료제의 유출량과 시간을 제어하고 정확한 안착률을 위한 화학적 처리방법을 줄임으로 운반체에서 발생할 수 있는 추가적인 부작용 및 독성유출을 미연에 방지할 수 있을 것이다. 따라서 광증감제의 특성이 결합된 겸형적혈구를 운반체로 이용을 하게 된다면 기존 DDS 가 가지고 있는 한계를 극복해 암 환자에게 보다 나은 치료방법을 제시할 수 있고 새로운 시스템으로 발전할 수 있는 가능성을 가지게 될 것으로 기대한다.
향후 의료용으로 적용 가능한 연구를 진행하기 위하여 현재 상용화 되어있는 항암치료제를 겸형적혈구에 담지하고 암이 전이된 설치류에게 투여함으로써 체내유출 제어 및 약물 전달 효과에 관한 활발한 연구를 진행 중에 있으며, Gompertz modeling의 최적화를 통해 전임상 및 임상에서 효과적인 응용이 가능하도록 하는 추가연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광증감제는 어디에 많이 쓰이는가?
암 치료 방법 중 중요한 분야 중 하나인 광역학 치료법 (photodynamic therapy)에 많이 사용되는 광증감제 (photosensitizer)는 수술 후 방사선 요법과 약물요법 등에 많이 쓰이는 물질이다. 특히 선택적으로 축적된 광증감제의경우 광원에 의해 여기 된 부위에서만 세포 독성을 나타내며 머리카락 빠짐, 구토, 면역기능 저하 등이 포함된 부작용을 나타내지 않고 반복치료가 가능하며 암세포가 제거된 콜라젠조직으로 주변의 정상세포가 성장해 옴으로 외관상의 원형을 회복하게 된다.
Gompertz modeling란 무엇인가?
Gompertz modeling은 19세기 노인들의 수명에 관한 예측시스템을 목적으로 개발되었으며 Gompertz’s law라고도 불리운다 [9]. 이 모델링은 그 후 자연과학 [10] 뿐만이 아닌 사회과학 [11], 의학 [12]등 에도 다양하게 적용이 되었으며 특히 고령화 사회에 접어들기 시작하며 노령인구 예측에 성공적인 결과를 보여줌으로써 최근까지도 많은 주목을 받고 있다.
전달체를 이용하여 항암치료를 수행하는 화학적 치료방법에서 운반체는 어떤 조건을 만족하여야 하는가?
암 절제술치료 전/후에 시행되는 항암치료의 방법 중에는 nanoparticle, polymer micelles, polymeric conjugate, lipid microemulsion, liposome 등의 전달체를 이용하여 항암치료를 수행하는 화학적 치료방법이 환자들의 임상치료를 목적으로 활발하게 사용되고 있다 [1,2]. 이들 대부분의 항암치료를 목적으로 하는 운반체는 두 가지의 조건을 만족해야 하는데, 첫 번째는 일반세포가 아닌 운반체가 표적으로 하는 암세포 내에 상대적으로 높은 안착률을 보여야 하는 것 이며, 두 번째는 운반체가 목표로 하는 암세포를 치료할 만큼의 충분한 양의 항암치료제 유출이 선택적으로 제어가 되어야 한다는 것이다.
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