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문제 정의
- 본 연구팀은 25 nm 크기의 리포솜을 시뮬레이션하여, PEGylated lipid의 농도가 자기조립에 미치는 영향을 연구하였다. PEGylated lipid의 농도가 적을수록 리포솜으로 자기조립되며 농도가 클수록 바이셀과 마이셀이 형성되는 것을 구현하였으며 실험결과와도 일치함을 보였다.
- 본 특집에서는, 분자모델링과 고분자 이론을 적용하여 고분자 기반 약물전달체의 구조적 특성, 지질막 작용 및 약물방출 메커니즘 규명에 관한 최신 연구 동향을 살펴보았다. 기존의 실험 연구에서 관찰하기 힘들었던 약물전달체의 구조적 현상 및 메커니즘을 나노스케일, 즉 분자 단위의 시뮬레이션을 통하여 규명함으로서, 약물전달체 개발에 컴퓨터 시뮬레이션을 접목시키는 색다른 연구 접근법을 소개하였다.
- 본 특집에서는, 펩타이드, 덴드리머, 카본나노튜브의 표면에 접합된 폴리머의 길이 및 grafting density가 이들의 구조적 특성, 자기조립, 지질막과의 상호작용에 미치는 영향 및 메커니즘 규명에 관한 분자모델링 연구의 일부를 소개하고자 한다. 특히, all-atom 및 coarse-grained 시뮬레이션 결과들을 실험결과 및 고분자 이론과 비교 분석하여 실험 결과로부터 도출된 가설들을 검증한 뒤, 약물전달체의 circulating lifetime, 세포독성, 수용성, 타겟 정확도에 영향을 미치는 주요한 요인을 결정함과 동시에, 실험으로부터 관찰할 수 없었던 분자단위 레벨의 메커니즘을 규명하는 과정에 중점을 두었다.
- 실험결과(in vivo & in vitro)에서 도출된 가설들을 검증하고 다음 실험의 방향을 제시하며, 고분자 이론(de Gennes, Flory, Stokes 이론 등)을 약물전달체 개발에 적용하여 이에 맞는 고분자 이론을 확인하고, 약물전달체의 효율을 높일 수 있는 고분자 결합상태를 밝혀내어 최적의 약물전달체를 디자인하는 것에 도움을 주는 것이 궁극적 목표이다.
- 본 연구팀은 고분자 기반 약물전달 시스템의 구조적 특성 및 세포막과의 반응메커니즘 규명 연구를 위하여 분자모델링 기법을 활용하고 있다. 펩타이드, 덴드리머, 카본나노튜브, 리포솜 등에 PEG 및 polypeptide를 적정 수준에서 접합시키고, 이러한 폴리머 접합이 전달 효율에 미치는 영향 및 그 메커니즘 규명에 관하여 연구하고 있다. 단일 스케일이 아닌 멀티스케일로 시뮬레이션을 하여 실험 결과를 구현하고 고분자 이론과 비교하여, 궁극적으로 실험 그룹과의 공동 연구를 통하여 실험 결과를 검증하고, 특정 구조 및 상호작용에 관한 메커니즘을 규명하는 동시에 후속 실험 방향을 제시한다.
제안 방법
- AMP외에도, 나선 구조를 갖는 2개 이상의 펩타이드가 hydrophobic작용에 의해 뭉쳐서 superhelix 구조를 이루는 coiled coil 펩타이드에 PEG을 접합시켜 시뮬레이션하였다. 실험적으로, 버클리대학 Xu 그룹은 lipid의 꼬리부분에 PEGylated coiled coil을 접합시켜서 PEG의 길이와 접합 위치에 따른 구조적 특성을 분석하였으며, 특히 이러한 PEGylated coiled coil이 자기조립되어 형성되는 마이셀의 크기 및 모양을 분석하고, 이렇게 형성된 ~15 nm 크기의 마이셀이 매우 높은 약물전달효과를 갖는 것을 보여주었다.
- 본 특집에서는, 분자모델링과 고분자 이론을 적용하여 고분자 기반 약물전달체의 구조적 특성, 지질막 작용 및 약물방출 메커니즘 규명에 관한 최신 연구 동향을 살펴보았다. 기존의 실험 연구에서 관찰하기 힘들었던 약물전달체의 구조적 현상 및 메커니즘을 나노스케일, 즉 분자 단위의 시뮬레이션을 통하여 규명함으로서, 약물전달체 개발에 컴퓨터 시뮬레이션을 접목시키는 색다른 연구 접근법을 소개하였다. 특히, 기존 시뮬레이션이 갖는 시스템 크기와 시간의 한계를 극복하기 위해 새로운 coarse-grained 모델을 개발함으로서, 실제 실험과의 차이점을 좁히고 실험에 실질적인 도움을 줄 수 있는 독창적 연구방법을 고안하였다.
- 단일 스케일이 아닌 멀티스케일로 시뮬레이션을 하여 실험 결과를 구현하고 고분자 이론과 비교하여, 궁극적으로 실험 그룹과의 공동 연구를 통하여 실험 결과를 검증하고, 특정 구조 및 상호작용에 관한 메커니즘을 규명하는 동시에 후속 실험 방향을 제시한다. 대부분의 force field 개발과 시뮬레이션은 GROMACS와 CHARMM 팩키지를 이용하였고, 팩키지에 포함된 분석툴 또는 직접 개발한 툴을 이용하여 분석하였다.
- 특히, 덴드리머의 외형적, 전기적 특성 및 외부 요인에 따른 덴드리머의 크기와 내부구조 변화를 집중적으로 연구하였으며, PEG이나 polypeptide 등의 여러 가지 conjugates에 따른 역학적, 구조적 변화를 밝혀냈다. 덴드리머에 더욱 많은 PEG이 접합될수록, PEG 끼리의 crowding 현상이 심해지면서 덴드리머 표면을 밖으로 당기므로, 덴드리머의 구조가 dense-core에서 dense-shell로 변함을 알아내었다. 특히, 접합된 길이가 길 때에는, PEG가 덴드리머의 중심을 향하는 self-penetration을 보임을 밝혀냄으로서, PEG 간의 상호작용이 덴드리머 aggregation을 일으킬지 모른다는 실험 가설이 잘못되었음을 입증하였다(그림 7).
- 또한 본 연구팀에서는, 프로틴 흡착과 관련하여 CNT표면에 흡착된 PEG이 CNT를 감싸는 정도를 이해하기 위하여, 접합된 PEG의 길이와 grafting density에 따른 PEG의 형태를 de Gennes의 mushroom-brush 이론과 비교하였다.20 비 공유결합의 경우 PEG이 균등하게 분포되지 않으므로 폴리머 이론과 비교가 불가했지만, 공유결합의 경우 PEG의 길이와 grafting density에 따른 PEG의 형태 변화를 비교한 결과, mushroom-brush transition을 잘 따름을 볼 수 있었다(그림 10).
- 폴리아미도아민 덴드리머(PAMAM dendrimer)는 곁가지 모양으로 반복되어 구 모양을 가지고 있는 고분자 물질로서, 높은 수용성과 표면 작용기뿐만 아니라 크기 및 분자량의 조절이 용이하므로 약물전달체 후보로서 실험적으로 활발하게 연구되고 있다. 본 연구팀에서는, 덴드리머 분자모델을 직접 개발한 뒤, 덴드리머, 고분자, 펩타이드, 지질막 간의 상호작용에 관한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 특히, 덴드리머의 외형적, 전기적 특성 및 외부 요인에 따른 덴드리머의 크기와 내부구조 변화를 집중적으로 연구하였으며, PEG이나 polypeptide 등의 여러 가지 conjugates에 따른 역학적, 구조적 변화를 밝혀냈다.
- 본 연구팀은 고분자 기반 약물전달 시스템의 구조적 특성 및 세포막과의 반응메커니즘 규명 연구를 위하여 분자모델링 기법을 활용하고 있다. 펩타이드, 덴드리머, 카본나노튜브, 리포솜 등에 PEG 및 polypeptide를 적정 수준에서 접합시키고, 이러한 폴리머 접합이 전달 효율에 미치는 영향 및 그 메커니즘 규명에 관하여 연구하고 있다.
- 이러한 덴드리머-폴리머 복합체가 여러 종류의 지질막과 상호작용 하는 것을 시뮬레이션하였다.15,16 지질막과 작용할때 나타나는 특정 구조와 상호작용을 밝혀내고, 그 결과가 실험과 일치함을 보여주었다.
- 본 특집에서는, 펩타이드, 덴드리머, 카본나노튜브의 표면에 접합된 폴리머의 길이 및 grafting density가 이들의 구조적 특성, 자기조립, 지질막과의 상호작용에 미치는 영향 및 메커니즘 규명에 관한 분자모델링 연구의 일부를 소개하고자 한다. 특히, all-atom 및 coarse-grained 시뮬레이션 결과들을 실험결과 및 고분자 이론과 비교 분석하여 실험 결과로부터 도출된 가설들을 검증한 뒤, 약물전달체의 circulating lifetime, 세포독성, 수용성, 타겟 정확도에 영향을 미치는 주요한 요인을 결정함과 동시에, 실험으로부터 관찰할 수 없었던 분자단위 레벨의 메커니즘을 규명하는 과정에 중점을 두었다.
- 기존의 실험 연구에서 관찰하기 힘들었던 약물전달체의 구조적 현상 및 메커니즘을 나노스케일, 즉 분자 단위의 시뮬레이션을 통하여 규명함으로서, 약물전달체 개발에 컴퓨터 시뮬레이션을 접목시키는 색다른 연구 접근법을 소개하였다. 특히, 기존 시뮬레이션이 갖는 시스템 크기와 시간의 한계를 극복하기 위해 새로운 coarse-grained 모델을 개발함으로서, 실제 실험과의 차이점을 좁히고 실험에 실질적인 도움을 줄 수 있는 독창적 연구방법을 고안하였다. 실험결과(in vivo & in vitro)에서 도출된 가설들을 검증하고 다음 실험의 방향을 제시하며, 고분자 이론(de Gennes, Flory, Stokes 이론 등)을 약물전달체 개발에 적용하여 이에 맞는 고분자 이론을 확인하고, 약물전달체의 효율을 높일 수 있는 고분자 결합상태를 밝혀내어 최적의 약물전달체를 디자인하는 것에 도움을 주는 것이 궁극적 목표이다.
- 본 연구팀에서는, 덴드리머 분자모델을 직접 개발한 뒤, 덴드리머, 고분자, 펩타이드, 지질막 간의 상호작용에 관한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 특히, 덴드리머의 외형적, 전기적 특성 및 외부 요인에 따른 덴드리머의 크기와 내부구조 변화를 집중적으로 연구하였으며, PEG이나 polypeptide 등의 여러 가지 conjugates에 따른 역학적, 구조적 변화를 밝혀냈다. 덴드리머에 더욱 많은 PEG이 접합될수록, PEG 끼리의 crowding 현상이 심해지면서 덴드리머 표면을 밖으로 당기므로, 덴드리머의 구조가 dense-core에서 dense-shell로 변함을 알아내었다.
- 실험에서는 관찰할 수 없는 나노 또는 옹스트롬 스케일에서 분석함에 따라, 특정 구조와 상호작용에 영향을 미치는 주요 요인을 밝혀냈다. 특히, 지질막을 통과하는 메카니즘에 관한 연구를 실험 그룹과 공동 연구해왔으며, 덴드리머의 크기, 모양, 전기적 특성, 농도에 따라서 다르게 나타나는 지질막의 curvature 및 pore 형성 현상을 규명하고 실험 가설들과 비교하였다. 덴드리머가 toroidal pore을 형성함을 볼 수 있었으며, 이는 항균 펩타이드가 세포막에서 일으킬 것으로 추정되는 pore 형태와 비슷하다는 점에서 매우 흥미롭다.
이론/모형
- 예를 들면, crystallography를 통하여 분자의 구조를 알아낸다 하더라도 이는 physiological condition과는 큰 차이가 있으며, physiological condition을 나타내는 aqueous environment에서 NMR, scattering 등의 실험을 통해 구조적 요인을 구하더라도 실험의 resolution에 한계가 있으므로 분자단위 레벨의 상호작용을 관찰하기는 힘들다. 이러한 실험의 한계점을 극복할 수 있는 방법으로 분자모델링(molecular dynamics simulation)을 이용할 수 있다. 정확하게 parameterization된 force field를 이용한 분자모델링을 통하여, 실험에서 보여준 macro-scale의 실험결과를 정확하게 구현할 수 있고, 더 나아가 실험에서 보여주지 못하는 분자단위 레벨의 메커니즘을 규명해 줄 수 있다.
성능/효과
- PEG 외에도, 펩타이드(histidine, arginine)를 덴드리머 표면에 부착하여, pH 변화에 따른 덴드리머의 내부구조 변화를 밝혀냈다.14 이러한 시뮬레이션 연구들을 통하여, 덴드리머의 표면에 부착하는 폴리머 및 펩타이드가 덴드리머의 구조 변화를 일으키고, 이러한 변화는 덴드리머의 약물 encapsulation효율 및 세포독성 정도에 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다.
- 15,16 지질막과 작용할때 나타나는 특정 구조와 상호작용을 밝혀내고, 그 결과가 실험과 일치함을 보여주었다. 실험에서는 관찰할 수 없는 나노 또는 옹스트롬 스케일에서 분석함에 따라, 특정 구조와 상호작용에 영향을 미치는 주요 요인을 밝혀냈다.
- 9 특히, magainin 2의 α-helical 구조는 불안정해지는 반면, tachyplesin I의 구조는 β-sheet을 유지하는 것을 시뮬레이션을 통하여 볼 수 있었고, 이는 Matsuzaki의 실험과도 일치하는 결과이다.
- 최근까지 대부분의 이론 및 시뮬레이션 연구는 AMP의 이차구조, 또는 AMP와 lipid bilayer와의 상호작용 및 pore 형성 과정을 밝히는데 집중되어 왔으며, 최근 우리 그룹에서는 PEG을 접합시킨 AMP에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. Matsuzaki의 실험과 같이, magainin 2 와 tachyplesin I에 PEG을 접합시키고 물에서 시뮬레이션을 한 결과, 두 펩타이드 모두 PEG에 둘러싸이는 것을 볼 수 있었다.9 특히, magainin 2의 α-helical 구조는 불안정해지는 반면, tachyplesin I의 구조는 β-sheet을 유지하는 것을 시뮬레이션을 통하여 볼 수 있었고, 이는 Matsuzaki의 실험과도 일치하는 결과이다.
- 본 연구팀은 25 nm 크기의 리포솜을 시뮬레이션하여, PEGylated lipid의 농도가 자기조립에 미치는 영향을 연구하였다. PEGylated lipid의 농도가 적을수록 리포솜으로 자기조립되며 농도가 클수록 바이셀과 마이셀이 형성되는 것을 구현하였으며 실험결과와도 일치함을 보였다.21 또한, elastin-like polypeptide(ELP)가 접합된 리포솜이 온도 변화에 따라서 gel phase와 liquid phase 사이에서 transition하는 것을 볼 수 있었다(그림 11).
- 9 특히, magainin 2의 α-helical 구조는 불안정해지는 반면, tachyplesin I의 구조는 β-sheet을 유지하는 것을 시뮬레이션을 통하여 볼 수 있었고, 이는 Matsuzaki의 실험과도 일치하는 결과이다. PEG을 접합시킨 펩타이드와 접합시키지 않은 펩타이드를 lipid bilayer와 시뮬레이션 한 결과에서는, 펩타이드를 둘러싸는 PEG chain들이 펩타이드와 lipid head group 간의 정전기적 상호작용을 방해하여 펩타이드가 lipid bilayer의 표면에 결합하는 것을 막는 것을 볼 수 있었다. 이러한 PEGylation 효과는 tachyplesin I보다 magainin 2에서 더 크게 나타났는데, 시뮬레이션 결과의 분석을 통하여 그 이유는 random coil 형태를 갖는 magainin 2가 상대적으로 더욱 완벽하게 PEG에 둘러싸여 있으므로, tachyplesin I에 비하여 bilayer 표면과 상호작용을 덜하기 때문인 것으로 밝혀졌다(그림 5).
- 첫 번째 단계에서는, 혈관을 따라 흐르는 약물전달체의 표면에 plasma protein의 흡착이 많으면 전달체의 약물이 제대로 보호될 수 없을 뿐만 아니라 타겟세포와 상호작용을 할 수 없게 되므로 plasma protein과의 흡착을 최소화하는 것이 중요하다. 두 번째 단계인 세포막과의 상호작용에서는, 약물전달체가 정상세포와 작용을 하지 않도록 하는 것이 중요하며, 결국 cytotoxicity를 낮추는 것이 전달체의 효율에 매우 중요한 영향을 미친다. 전달체가 세포막과 상호작용을 하면서, 마지막 단계에서는 약물을 방출하게 되는데, 이 때 최대한 많은 양의 약물이 방출되어야 하며, 약물전달체에 접합되어 있는 다른 요소들이 약물 방출을 방해하지 않고 극대화할 수 있도록 도울 수 있어야 한다.
- 본 연구팀에서는, quantum mechanics(QM) 결과를 기반으로 PEG의 all-atom force field를 개발하였으며,2 이 all-atom 모델이 PEG의 conformation과 hydrodynamics 측면에서 실험 결과 및 Flory 이론을 매우 정확히 예측함을 보여주었다. 또한, coarse-grained force field를 개발하기 위하여, Lennard-Jones, bond, angle, dihedral potentials을 위한 potential of mean force를 계산한 뒤, distribution function을 이용하여 all-atom 모델과 distribution을 일치시키는 방법으로 coarse-grained 모델을 개발하였다(그림 3).
- 22-24 리포솜이 liquid phase일 때는 ELP가 lipid bilayer안으로 삽입되며 리포솜을 disorder시키고 안정도를 떨어뜨리는 반면, 리포솜이 gel phase일 때는 ELP가 lipid bilayer 안으로 삽입되지 않고 리포솜의 안정도를 떨어뜨리지 않는 것을 볼 수 있었으며, 이는 리포솜 표면에 접합된 ELP와 리포솜의 bilayer 간의 상호작용이 bilayer phase에 따라서 다르게 나타난다는 점을 보여주었다. 시뮬레이션이 폴리머 접합에 따른 리포솜의 상변화와 구조적 안정도 변화를 성공적으로 구현할 수 있음을 볼 수 있었고, 리포솜의 내, 외부에 접합된 PEG과 polypeptide의 영향이 매우 크다는 점을 알 수 있었다.
- 15,16 지질막과 작용할때 나타나는 특정 구조와 상호작용을 밝혀내고, 그 결과가 실험과 일치함을 보여주었다. 실험에서는 관찰할 수 없는 나노 또는 옹스트롬 스케일에서 분석함에 따라, 특정 구조와 상호작용에 영향을 미치는 주요 요인을 밝혀냈다. 특히, 지질막을 통과하는 메카니즘에 관한 연구를 실험 그룹과 공동 연구해왔으며, 덴드리머의 크기, 모양, 전기적 특성, 농도에 따라서 다르게 나타나는 지질막의 curvature 및 pore 형성 현상을 규명하고 실험 가설들과 비교하였다.
- AMP외에도, 나선 구조를 갖는 2개 이상의 펩타이드가 hydrophobic작용에 의해 뭉쳐서 superhelix 구조를 이루는 coiled coil 펩타이드에 PEG을 접합시켜 시뮬레이션하였다. 실험적으로, 버클리대학 Xu 그룹은 lipid의 꼬리부분에 PEGylated coiled coil을 접합시켜서 PEG의 길이와 접합 위치에 따른 구조적 특성을 분석하였으며, 특히 이러한 PEGylated coiled coil이 자기조립되어 형성되는 마이셀의 크기 및 모양을 분석하고, 이렇게 형성된 ~15 nm 크기의 마이셀이 매우 높은 약물전달효과를 갖는 것을 보여주었다.10,11 본 연구팀에서는 Xu의 실험에서 사용된 PEGylated coiled-coil trimers을 시뮬레이션 하여, PEG의 길이와 접합 위치(펩타이드의 끝부분 또는 중간부분)에 따라서 trimer의 전체 구조, 접합된 PEG의 길이 및 coiled coil을 감싸는 정도를 분석하였으며, Xu의 실험 결과와 일치함을 보여주었다(그림 6).
- 20 비 공유결합의 경우 PEG이 균등하게 분포되지 않으므로 폴리머 이론과 비교가 불가했지만, 공유결합의 경우 PEG의 길이와 grafting density에 따른 PEG의 형태 변화를 비교한 결과, mushroom-brush transition을 잘 따름을 볼 수 있었다(그림 10). 이는, 본 연구팀에서 개발한 PEG 모델이 실험 결과 및 고분자 이론을 정확히 구현해 낼 수 있을 만큼 매우 정확도가 높음을 입증함과 동시에, PEG의 mushroom-brush 모양 변화에 따라서 PEG이 CNT 표면을 감싸는 정도가 달라지므로 CNT 표면으로의 단백질 흡착에 영향을 미칠 수 있다는 실험 가설을 검증하였다.
- 이러한 PEGylation 효과는 tachyplesin I보다 magainin 2에서 더 크게 나타났는데, 시뮬레이션 결과의 분석을 통하여 그 이유는 random coil 형태를 갖는 magainin 2가 상대적으로 더욱 완벽하게 PEG에 둘러싸여 있으므로, tachyplesin I에 비하여 bilayer 표면과 상호작용을 덜하기 때문인 것으로 밝혀졌다(그림 5). 이는, 펩타이드의 구조에 따라서 PEGylation 이 antimicrobial activity에 미치는 영향이 다르게 나타난다는 Matsuzaki의 실험 결과를 시뮬레이션이 성공적으로 구현함과 동시에, 그 주요 요인과 메커니즘을 규명할 수 있음을 보여주고 있다.
- 3 이렇게 개발된 coarse-grained PEG 모델의 경우, endto-end distance, radius of gyration, persistence length 및 Flory 이론을 정확히 구현해 냈다. 특히, PEG의 분자량에 따라서 ideal chain(no excluded volume)과 real chain (excluded volume)의 transition이 PEG 분자량 1,600-2,000 근처임을 보여주었고, 이는 실험과 정확히 일치하는 값으로서(그림 4), coarse-grained 모델임에도 불구하고 all-atom 모델만큼 실험과 고분자 이론을 정확히 예측함을 보여주었다. 이 외에도, 덴드리머와 CNT의 coarse-grained 모델을 개발하고 실험결과 및 고분자 이론을 통하여 검증하였으며,4-6 이렇게 본 연구팀에서 개발된 force fields는 세계적으로 많은 시뮬레이션 그룹들이 사용하고 있다.
- 특히, magainin 2 와 tachyplesin I에 PEGylation을 적용시킨 결과, 두 AMP의 antimicrobial activity가 현저히 감소하는 것을 볼 수 있었는데, α-helical 구조를 가지고 있는 magainin 2보다 β-sheet 형태의 tachyplesin I에서 더 크게 감소함을 보여주었다.
후속연구
- NMR, atomic force microscopy, X-ray scattering 등의 실험을 통하여 약물전달 복합체의 구조나 상호작용을 알아낼 수 있으나, 그 주요 요인 및 메커니즘을 규명하는 데에는 분자단위 레벨의 연구가 필요하므로 실험만으로는 한계가 있다. 예를 들면, crystallography를 통하여 분자의 구조를 알아낸다 하더라도 이는 physiological condition과는 큰 차이가 있으며, physiological condition을 나타내는 aqueous environment에서 NMR, scattering 등의 실험을 통해 구조적 요인을 구하더라도 실험의 resolution에 한계가 있으므로 분자단위 레벨의 상호작용을 관찰하기는 힘들다.
- 이러한 문제점을 극복하기 위하여, CNT의 표면에 PEG을 공유결합 또는 비공유결합으로 접합시키는 실험 연구가 진행되었으며, 공유결합을 할 때에는 CNT표면에 PEG이 안정하게 붙어있지만 PEGylated CNT의 합성이 까다로우며 CNT의 강도 및 안정도를 낮추는 단점이 있으며, 비공유결합을 할 때는 CNT의 구조 및 강도에 영향을 미치지 않고 합성이 비교적 수월한 반면 단백질이나 세포막과 작용하여 PEG-coating이 벗겨질 수도 있다는 단점이 밝혀졌다. 그러나, 접합된 PEG의 길이와 양에 따라서 CNT의 구조적 특성과 접합된 PEG의 모양, 단백질의 흡착 정도 및 세포막과의 상호작용에 대한 메커니즘은 실험 결과를 토대로 가설이 세워졌을 뿐, 분자단위 레벨에서 규명되지 못하였다.
- 펩타이드, 덴드리머, 카본나노튜브, 리포솜 등에 PEG 및 polypeptide를 적정 수준에서 접합시키고, 이러한 폴리머 접합이 전달 효율에 미치는 영향 및 그 메커니즘 규명에 관하여 연구하고 있다. 단일 스케일이 아닌 멀티스케일로 시뮬레이션을 하여 실험 결과를 구현하고 고분자 이론과 비교하여, 궁극적으로 실험 그룹과의 공동 연구를 통하여 실험 결과를 검증하고, 특정 구조 및 상호작용에 관한 메커니즘을 규명하는 동시에 후속 실험 방향을 제시한다. 대부분의 force field 개발과 시뮬레이션은 GROMACS와 CHARMM 팩키지를 이용하였고, 팩키지에 포함된 분석툴 또는 직접 개발한 툴을 이용하여 분석하였다.
- 실험결과(in vivo & in vitro)에서 도출된 가설들을 검증하고 다음 실험의 방향을 제시하며, 고분자 이론(de Gennes, Flory, Stokes 이론 등)을 약물전달체 개발에 적용하여 이에 맞는 고분자 이론을 확인하고, 약물전달체의 효율을 높일 수 있는 고분자 결합상태를 밝혀내어 최적의 약물전달체를 디자인하는 것에 도움을 주는 것이 궁극적 목표이다. 본 기고에서 소개한 바와 같이, 고효율의 약물전달체나 신약을 모델링하기 위한 새로운 분자모델의 개발은 컴퓨터를 이용한 약물전달체 디자인 기술, 고분자 이론, 계산화학 등의 기초학문 발전에 기여할 뿐 아니라, 약물전달체의 개발 및 실용화와 관련된 과학 기술 분야에 반드시 필요한 기초지식을 제공함으로서, 국내 고분자 의약산업 발전에 큰 역할을 할 것으로 전망된다.
- 12 또한, 실험에서 보여주었던 C18-PEGylated coiled coil(위의 PEGylated coiled-coil trimer에 lipid tail을 접합시킨 형태)의 마이셀 형성을 자기조립 시뮬레이션을 통해 구현하였으며, density profile로부터 구한 마이셀의 크기와 diffusivity로부터 계산한 hydrodynamic 크기를 비교한 결과, 마이셀의 크기가 ~14 nm로서 실험 결과와 매우 근접함을 보여주었다. 이렇게 마이셀의 크기가 실험값과 근접하게 나온 반면, 마이셀을 형성하는 C18-PEGylated coiled coil의 개수는 실험값에 비하여 많이 적었는데, 이는 실험에서 여러 가정과 함께 이론으로부터 제안된 값이 다소 높을 수 있다는 점을 보여주었고, 더 높은 resolution에서 실험을 통하여 다시 검증될 필요가 있음을 제안하고 있다.
- 이러한 실험의 한계점을 극복할 수 있는 방법으로 분자모델링(molecular dynamics simulation)을 이용할 수 있다. 정확하게 parameterization된 force field를 이용한 분자모델링을 통하여, 실험에서 보여준 macro-scale의 실험결과를 정확하게 구현할 수 있고, 더 나아가 실험에서 보여주지 못하는 분자단위 레벨의 메커니즘을 규명해 줄 수 있다. 과거에는, 컴퓨터 시뮬레이션 시스템의 크기가 작고 시간이 짧아서 실질적인 실험 결과 구현이 매우 힘들었지만, 오늘날에는 컴퓨터의 급속한 발전과 시뮬레이션 기법의 개발로 인하여 실험결과 구현은 물론, 중요한 메커니즘 규명이 가능하게 되었다.
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