초록 ▼

Ⅰ. 제 목
새로운 PDT 항암제 개발에 관한 연구
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
가. 연구개발의 목적
부작용과 독성을 수반하는 기존의 항암 치료를 개선하고 궁극적으로 환자의 삶의 질을 향상시킨다는 관점에서 암치료에 대한 새로운 기술개발의 요구가 급증되어왔다. 이러한 요구조건에 가장 부합되는 새로운 기술로써 광역학 치료법(Photodynamic Therapy, PDT)이 선진국을 중심으로 각광받고 있으며 이러한 광역학 치료법에 쓰여지는 차세대 광민감성 물질(photosensitizer)의 개발을 연구

Ⅰ. 제 목
새로운 PDT 항암제 개발에 관한 연구
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
가. 연구개발의 목적
부작용과 독성을 수반하는 기존의 항암 치료를 개선하고 궁극적으로 환자의 삶의 질을 향상시킨다는 관점에서 암치료에 대한 새로운 기술개발의 요구가 급증되어왔다. 이러한 요구조건에 가장 부합되는 새로운 기술로써 광역학 치료법(Photodynamic Therapy, PDT)이 선진국을 중심으로 각광받고 있으며 이러한 광역학 치료법에 쓰여지는 차세대 광민감성 물질(photosensitizer)의 개발을 연구의 목적으로 한다.
나. 연구개발의 필요성
지금까지 개발되어 활용되고 있는 대부분의 암 치료 기술은 수술을 통해 종양 세포를 제거하거나 전신 투약을 통한 암 세포 억제 방법이 그 주를 이루고 있어 많은 부작용과 고통을 수반하고 있다. 특히 수술을 할 수 없는 장기에 암이 발생하거나 일단 수술한 부위에 암이 재발될 경우에는 더 이상 치료를 할 수 없는 것이 현실이다. 한편 전신 투약 항암제 역시 뚜렷한 치료제가 없는데다가 일단 발병이 확인된 이후에는 일반적으로 고통스러운 치료 단계를 거치게 되고 그 동안 많은 사람들이 목숨을 잃는 것이 일반적이다.
따라서 항암치료에만 머물지 않고 환자의 삶의 질(QOL: Quality of Life)을 향상시킨다는 관점이 최근 의학 분야에 가장 중요한 고려 요소로 간주되고 있어 새로운 암 치료 기술 개발에 대한 요구가 급증되고 있다. '광역학 치료기술 (PDT: Photodynamic Therapy)' 이 선진국을 중심으로 각광을 받고 있으며 암세포만을 선택적으로 공격하여 부작용이나 독성이 없고 재발되더라도 지속적으로 치료가 가능한 획기적인 항암 치료 기술이며 아울러 매우 낮은 독성, 매우 낮은 재발율, 반복 시술, 높은 암세포 선택성, 일상생활의 영위, 치료의 간편성 등을 특징으로 새로운 암 치료 기술로 점차 그 중요성이 부상하고있다.
이 기술은 체내 세포에 존재하는 무독성의 산소 분자와 광민감성 천연 물질, 그리고 장파장의 빛을 이용하여 암세포만 선택적으로 괴사시켜 이미 시행되고 있는 일부 항암치료에서 높은 치유율을 보여주고 있다. 이 기술의 핵심은 낮은 에너지의 빛에 의해서도 효과적으로 산소분자를 활성이 높은 singlet oxygen으로 변환시켜 주는 효과적인 광민감성물질(photosensitizer)의 개발이 그 핵심이라고 할 수 있다. 따라서 광역학 치료기술에 특이하게 활용될 수 있는 새로운 광민감성 물질을 개발하는 연구는 암의 치료 또는 암의 진단뿐만 아니라 AIDS등의 난치성 질병 치료에도 활용될 수가 있어 많은 연구가 집중되어야할 분야로 알려지고 있다. 본 연구는 현재 일부 국가에서 사용되고 있는 기존의 PDT용 광민감성물질보다 효능이 뛰어난 차세대 광역학 치료제 개발을 그 목적으로 하고 있다. 기존의 photofrin 또는 benzoporphyrin 등이 630nm의 흡수 파장대를 크게 벗어나지 못함으로 종양 크기에 따라 사용이 제한되는 단점을 보완하고 세포내에 존재하는 산소분자의 활성화에만 의존하여 세포내의 산소 분자가 부족한 말기 암환자의 종양을 치료하지 못했던 단점들을 보완하기 위해 기존의 광민감성 물질보다 긴 장파장에서 효과적으로 산소분자를 활성화시키거나 산소분자가 없는 곳에서는 산소 radical을 활용해 종양 세포를 괴사시키는 새로운 메카니즘(Type III mechanism)에 근거한 광민감성물질을 개발하려고 한다.
이 기술의 발전으로 종합적인 암 치료 기술이 확립될 것이며 암의 조기진단 기술, 난치병 치료에의 적용 기술 등이 개발될 것이다. 더욱이 환자의 삶의 질(Quality Of Life; QOL)을 크게 향상시키는 치료 기술의 활용으로 사회 문화적 효과가 매우 클 것이다. 뿐만 아니라 시판되고 있는 항암제의 종류와 개발회사가 다른 질병의 치료제 부문에 비하여 상대적으로 적기 때문에 높은 가격이 유지되고 있는 특징에 따라 연구 개발로 인한 경제적 고수익을?전 될 것이 확실시되고 있기 때문에 이 기술의 활용은 더욱 확대 될 것이며 그에 따른 시장 확보는 더욱 안정적으로 증가할 것이다.
인간을 포함한 모든 호기성 생물들은 산소를 최종 전자수용체로 하는 호흡을 통해 에너지를 획득한다. 그러나 이와 같이 생명유지에 절대적으로 필요한 산소이지만 안정한 분자상태인 기저삼중항산소가 각종 물리적, 화학적, 환경적 요인 등에 의하여 수퍼옥사이드 라디칼 (O2-), 하이드록실 라디칼 (HO·), 과산화수소 (H2O2), 일중항산소 (1O2)와 같은 반응성이 매우 큰 프리라디칼 (free radical) 또는 활성산소 (reactive oxygen species)로 전환되면 생체에 치명적인 산소독성을 일으키는 양면성을 지니고 있다. 즉, 이들 활성산소는 세포구성 성분들인 지질, 단백질, 당, DNA 등에 대하여 비선택적, 비가역적인 파괴작용을 함으로써 암을 비롯하여 뇌졸중, 파킨슨병, 알츠하이머병 등의 뇌질환과 노화, 심장질환, 허혈, 동맥경화, 피부질환, 소화기질환, 염증, 류마티스, 자기면역질환 등의 각종 질병 및 노화를 일으키는 것으로 알려져 있다.
한편, 정상적인 세포에서도 대사과정 중 어느 정도의 free radical과 기타 활성산소 및 과산화물이 생성되고 있으나 생체 내에는 이들에 대한 방어기구로서 superoxide dismutase (SOD), catalase, peroxidase 등의 항산화 효소와 함께 vitamin E, vitamin C, glutathione, ubiquinone, 요산 등과 같은 저분자 항산화물질이 존재하여 산화적 손상으로부터 스스로를 보호하고 있다. 그러나 이와 같은 생체 방어기구에 이상이 초래되거나 각종 물리적, 화학적 요인들에 의하여 활성산소의 생성이 생체방어계의 용량을 초과하게 될 경우 산소독성에 의한 세포파괴가 야기된다. 따라서 이와 같은 free radical을 소거할 수 있는 활성을 갖거나 (free radical scavengers) 또는 과산화물의 생성을 저해할 수 있는 활성산소 소거물질과 같은 항산화물질들은 이들 산화물들에 의하여 야기되는 각종 질환 치료제 및 노화억제제로의 개발 가능성이 이미 잘 알려져 있다.
특히, 최근 항산화 방어기구로서의 천연 항산화제 및 이들의 oxidative damage에 대한 항산화방어 작용기작 연구가 주목받으면서 산화적 손상으로 야기된 여러 가지 질병치료에 이용하기 위하여 천연 활성산소 소거물질들을 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 많은 연구들이 oxidative damage와 항산화 방어기구, 노화와 수명연장간의 관계를 구명하는 방향으로 집중되고 있는 상황이다.
따라서, oxidative damage를 유발하는 생체내 free radical을 소거함으로써 산화적 스트레스에 의해 야기되는 각종 질환을 치료할 수 있는 신규 free radical 소거물질을 개발하는 연구는 인류의 건강과 수명연장을 위한 새로운 방법을 모색하는데 크게 기여할 수 있을 것이다.
III. 연구 개발의 내용 및 범위
현재 일부 국가에서 사용되고 있는 Photofrin Ⅱ 또는 개발 중인 Benzoporphyrin을 대조물질로 하여, 이보다 효능이 뛰어난 차세대의 신규 활성산소 이용 PDT계 항암제를 개발하기 위한 기반 시설의 확립과 후보 물질의 창출을 연구 개발에 포함 시켰다. 연차적인 연구 개발의 결과 특허 등록을 통하여 지적 소유권을 획득하고 최종적으로 적당한 단계에서 국내외적으로 라이센싱할 수 있도록 한다. 이를 위해 현재 Photofrin II가 630nm에서 흡수 파장대를 보이는 것에 비해 장파장에서도 활성화를 시키면서 absorption coefficient가 크게 증대된 화합물을 합성하고 아울러 광역학 치료에 있어서 새로운 TYPE III 메카니즘에 근거한 radical scavenger linked porphyrin 화합물의 합성을 포함한다. 후보물질 창출에 필수적인 각종 분자계산을 실시하였으며 필요한 출발 물질들을 합성하고 이들을 바탕으로 porphyrin 및 chlorophyll 유도체를 합성하였다.
한편 국내 천연 미생물이나 천연자원물질의 탐색, 정제, 구조결정 등 일련의 연구를 수?? 등을 채집하여 분류, 확보하였다. 신규 세포증식제어 활성산소 소거물질 탐색계를 다수 확립하였고, 확립된 활성산소 소거물질 탐색계를 이용하여 확보된 천연물 및 미생물 탐색원으로부터 강력한 활성산소소거물질 생산 균주 및 천연물을 선발한 결과 곰팡이 균주인 F80161를 비롯한 활성산소 소거물질 생산 곰팡이 균주와 수집된 버섯 자실체중에서 강력한 활성산소 소거물질을 생산하는 찔레꽃 버섯 등을 선발하였으며, 버섯 균사체 배양액중 강한 활성을 나타내는 균사체를 선발하는 등, 확보된 탐색자원으로부터 활성산소 소거활성이 우수한 탐색자원을 선발, 확보하였다. 선발된 활성산소 소거물질 생산 미생물 및 천연물 자원으로부터 활성물질을 유기용매 추출, column chromatography, TLC, HPLC 등의 각종 분리· 정제기술을 이용하여 순수 분리하여 물리화학적 특성을 조사하고 화학 구조를 분석하였다. 뿐만 아니라 합성된 photosensitizers의 약효 test를 수행하여 유망한 후보물질을 확보하였으며 신규 radical scavenger와 porphyrin계를 결합시켜 새로운 개념의 더욱 강력한 신규 PDT용 항암제를 개발해 가고 있다.
Ⅳ. 연구개발 결과
가. 연구내용
1. 분자설계
기본적으로 지용성과 수용성을 도시에 갖는 porphyrin을 합성하여 혈액내 광민감성 물질인 porphyrin 유도체의 운반체로 알려진 단백질 albumin과의 결합을 향상시키고 세포주위에서 종양 세포 내부로 운반이 용이한 구조를 갖는 물질의 분자설계를 시작하였다.
본 분자설계에 있어 기본 출발물질인 pyrrole의 선정이 가장 중요한 바 다양한 양쪽성 porphyrin의 building block이 되는 3,4-disubstituted pyrrole의 합성과 관련된 1-benzenesulfonyl-3-benzenesulfoxy-2,5-dimethylpyrrole 의 전자구조를 계산하여 부위별 반응성과 반응 기작을 조사하였다. 또한, 후보물질인 bacteriochlorin의 반응성을 규명하기 위하여 반경험적인 방법과 SCF(Self Consistant Field) - HF(Hartree Fock) 계산 방법을 이용하여 원자간 결합거리, 결합각, 이면각, 그리고 부위별 하전량과 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) - LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) gap, 전자 친화도, 이온화 에너지, 분자의 편극성 등을 계산하였다.
2. 새로운 광민감성물질의 합성.
Photosensitizer의 개발에 중요한 대표물질로 쓰이는 octaethylporphyrin을 포함하는 octaalkylporphyrin의 새로운 합성법으로써 2,5-dimethylpyrrole을 Friedel-Crafts alkylation과 acylation을 이용해 동시에 3,4번 위치가 치환된 pyrrole을 합성하였고 이들을 cyclization 시켜 porphyrin 유도체를 합성하였다.
Oxygen radical과 porphyrin triplet state와의 radical interaction에 의해 암세포를 제거하는 Type Ⅲ mechanism에 적합한 antioxidant photosensitizer(AOP)을 합성에 대한 것이다. Antioxidant가 도입된 porphyrin을 합성하는데 필요한 aldehyde 화합물을 Lindsey 합성법과 Rothemund 합성법을 사용하여 pyrrole과 반응시켜 one-pot으로 meso-substituted porphyrin 유도체들을 합성하였다. 또한, 이들 porphyrin을 환원시켜 동일한 치환체의 chlorin과 bacteriochlorn도 합성하여 photosensitizer로서 응용 가능하도록 했다.
Bacteriochlorin의 3-vinyl group을 변형시켜 다양한 유도체를 합성하기 위해 출발물질인 methyl pheophorbide a는 하와이산 조류(algae)인 Spirulina pacifica를 구입해 아세톤 추출하여 얻었으며 hydrobromination으로 bromo 화합물을, acid hydration으로 hydroxy 유도체를 합성하였다.
Fullerene(C60)의 광물리학적, 생화학적 성질을 이용하여 chlorin 화합물과 결합시킨 chlorin-C60, porphyrin-chlorin-C60등의 dyad, triad 화합물들을 합성하여 이들 화합물의 광감광제로서의 역할과 화합물 내부에서의 전자 및 에너지 전달정도를 시도하였다.
3. 세포증식제어 활성산소 소거물질 탐색 및 개발연구
천연물자원은 국내자생버섯을 지리산, 오대산, 한라산 등을 중심으로 채집하였고 미생물자원은 국내의 토양을 채취한 후 미생물을 분리하여 활성산소 소거물질 탐색자원으로 확보하였다.
(1) 토양방선균 4,000여주, 곰팡이 300여주, 담자균류 80여주 및 약용식물 15종 등을 분리, 채집하여 분류·확보하였으며, 이를 지질과산화 저해물질의 탐색원으로 이용하였다.
(2) 활성산소물질 탐색을 위하여 xanthine/xanthine oxidase 효소계, superoxide radical (O2-) 소거활성 탐색계, hydroxyl radical (·OH) 소거물질 탐색계, 항광산화 활성물질 탐색법, alkoxy radical 소거활성물질 탐색법을 확립하였다.
(3) 확립된 활성산소 소거물질 탐색계를 이용하여 곰팡이 균주인 F80161, F50905, F80768, F90092 를 비롯한 강력한 활성산소 소거물질을 생산하는 찔레꽃 버섯 또는 기와층 버섯으로 알려져 있는 Inonotus xeranticus와 꽃구름버섯 (Stearum ostrea) 등을 선발하였다.
(4) 활성물질의 분리 및 정제를 실시하여 신규화합물로서 강력한 활성산소 소거물질인 hispidin계 화합물 2종을 창출하여 각각 inoscavin A와 inoscavin B로 명명하였다. 또한 제주도 한라산 일대에서 수집한 꽃구름버섯 (Stearum ostrea)의 자실체 추출물로부터는 신규 화합물 2종을 창출하여 각각 stearin A 및 stearin B로 명명하였다. 그리고 이들 버섯들의 추출물로부터 강력한 활성산소 소거활성을 갖는 화합물을 다수 분리 정제하였다.
(5) 상기와 같이 확보한 각각의 화합물에 대한 활성산소 소거활성을 검토하였다.
4. 광역학 치료에 사용되는 새로운 광민감성물질의 효율성과 독성에 관한 연구
헝가리 Central Research Institute for Chemistry에서는 새로운 MTO mechanism에 근거한 photosensitizer ACS1(Antioxidant Carrying Sensitizer 1)과 ACS2 화합물을 합성하였고 이들에 대한 PDT효과를 측정하였다. 이들 물질은 특히 기존의 Photofrin보다 우수한 항암 활성을 보여 주어 Type Ⅲ mechanism에 의한 신규 PDT 치료제 개발의 가능성을 입증해 주었다.
Ⅴ. 연구개발 결과의 활용계획
Porphyrin의 치환기에 대한 연구뿐만 아니라, 실험적인 연구 결과와의 상관성을 조사하고, 다양한 분자 설계를 통해 거대 분자인 porphyrin, bacteriochlorin, isobacteriochlorin 등의 분자 수준에서의 이해가 높아졌으며 이는 장차 구조-활성 관계(QSAR) 연구에 빈번하게 적용될 것이다. 다양한 pyrrole 유도체들을 확보하여 광민감성 물질로서 사용되어질 다양한 porphyrin 유도체의 합성에 활용될 것이다.
세포증식제어 활성산소 소거활성을 갖는 신규 Inoscavins 화합물은 강한 활성에 비하여 독성이 현저히 낮아 임상적으로 사용될 가능성이 매우 높은 우수한 화합물이라 할 수 있다. 또한 꽃구름버섯에서 분리한 신규 활성산소 소거물질인 Stearins 화합물들도 강한 활성을 나타내고 있다. 따라서 이들 신규 선도물질들은 활성산소 소거물질로서 암, 노화, 염증, 류마티스, 피부질환 등 산화적 스트레스에 의한 각종 질병치료제로서 뿐만 아니라 신경보호제로의 개발 및 응용 가능성이 매우 높다.
따라서 향후 계속적인 과제를 통해 관련기업과 연계하여 신규 선도물질로 탐색 개발된 활성산소 소거물질의 대량 생산공정 기술, 생합성 및 화학합성 기술을 확립하고 약물 동력학적 연구, 전임상, 임상 등을 거쳐 산업적 응용성 개발 및 새로운 의약품개발 연구에 응용할 수 있도록 할 계획이다.
본 연구 결과는 광역학치료 분야에서 뿐만아니라 거대 발색분자의 산업적 응용에도 광범위하게 활용될 것을 기대한다. 즉, electronic device, coloring material, recording material, catalysis, 인공광합성 등에 매우 중요하게 활용될 것이다.

Abstract ▼

Photodynamic Therapy (PDT) is one of the frontier research in cancer treatment due to its low toxicity, low recurrency, repeatability of treatment, and high selectivity to the tumor cells. Thus, development of this methods apparently will promotes a development of medicinal and medical techniques an

Photodynamic Therapy (PDT) is one of the frontier research in cancer treatment due to its low toxicity, low recurrency, repeatability of treatment, and high selectivity to the tumor cells. Thus, development of this methods apparently will promotes a development of medicinal and medical techniques and further more improves quality of life.
Because this technique uses the cell-rich molecular oxygen, natural compounds like porphyrin and chlorophylls, and low energy red light, this patients-friendly therapy will be applied more and more frequently.
First of all, potent photosensitizers should be generated for this purpose. Molecular design is planned from the beginning of the research and several molecular calculations have been done on porphyrins. Synthesis of porphyrin derivatives depend on the kind of starting pyrroles, so different forms of new pyrroles were sought. One of the synthetic methodologies for new pyrroles is phenylsulfonylation, and phenylsulfonylation on the substituted pyrrole gave unexpected sulfonylsulfinyl compounds, which were identified as new species of phenylsulfonylation.
New porphyrin derivatives have been synthesized also based on Type III mechanism and several radical scavenger linked porphyrins and chlorins are made. All the new compounds will be screened under light source of 630nm-700nm. Because the radical scavenger linked compounds, generally show more potency by irradiation of proper wavelength of laser light, those new developed derivatives will be expected as proper leading compounds.
All the experimentals were described thoroughly for open uses and reported at several papers and seminars. This research results will be widely cited for other related researches, like electronic device research, coloring material research, recording material research, catalyst research, and artificial photosynthesis etc.
Except for certain anaerobic microorganisms, oxygen is indispensible for life, and acts as the terminal oxidant in cell respiration. The oxygen molecule is very stable in the ground state, but it can be converted to the reactive oxygen species such as superoxide anion (O2-), hydroxyl radical (·OH), hydrogen peroxide (H2O2) and singlet oxygen (1O2) under certain physical and chemical conditions. Reactive oxygen species are reactive and toxic enough to cause cell injury by destruction of cell components (nucleotides, proteins, lipids, sugars, etc.). This oxidative damage has long been known to be a risk factor for the degenerative processes and closely related to a lot of diseases such as cancer, aging, ischemia, inflammation, rheumatoid arthritis, diabetes, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, brain/nervous system disorder, etc..
Reactive oxygen species are continuously produced in living cells by various enzymatic reactions, metabolisms, or in response to xenobiotics. However, living cells have well-developed antioxidant defense systems to protect themselves from oxidative damage. These include low molecular-weight antioxidants and antioxidant enzymes such as superoxide dismutase(SOD), catalase, glutathione peroxidase. Therefore, it is well established that the lipid peroxidation inhibitors with antioxidative activity and free radical scavenging activity are good in protection and therapeutic means against diseases caused by oxidative damage.
Recently, much attention has been paid to the natural lipid peroxidation inhibitors as a defense system against oxidative stress and their action mechanisms in antioxidant defense network, and also much research has been directed towards establishing correlations among oxidative damage, antioxidant defense systems, aging and life span.
It is plausible that the development of new natural lipid peroxidation inhibitors which can treat various diseases caused by oxidative damage will lead to the discovery of interventions to improve health and increase life spans.

목차 Contents

• 제 1 장. 서론
  제 1 절. 연구 개발의 목적 및 필요성
  제 2 절. 연구범위
  1. 분자설계
  2. 새로운 광민감성물질의 합성.
  3. 세포증식제어 활성산소 소거물질 탐색 및 개발연구
  4. 광역학치료에 사용될 새로운 광민감성물질의 효율성과 독성에 관한 연구
  제 2 장 국내·외 기술개발 현황
  제 1 절. 국내.외 기술개발 현황
  제 2 절. 국내외 기술개발 현황에서 차지하는 위치
  제 3 장. 연구개발 수행내용 및 결과
  제 1 절. 새로운 PDT 항암제의 개발
  1. 분자설계
  2.새로운 광민감성물질의 합성
  제 2 절. 세포증식제어 활성산소 탐색 및 개발연구(생명공학연구소)
  1. 신규 활성산소 소거물질 탐색법 확립
  2. 활성산소 소거물질 생산균주의 탐색
  3. 활성산소 소거물질의 추출정제 및 화학구조결정
  4. 신규 활성산소 소거물질의 생물활성
  5. 결과
  제 3 절. Efficiency and Toxicity Studies of New Photosenxitizers to be used in Photodynamic Therapy(PDT)/헝가리 Chemical Research Center
  1. INTRODUCTION
  2 QUANTITATIV STUDIES ON PHOTODYNAMIC EFFECTS
  3. PRELIMINARY RESULTS WITH NEW PHOTOSENSITIZERS
  4. STUDIES ON THE APPLICABILITY OF LUMINOL DEPENDENT CHEMILUMINESCENCE METHOD FOR PHOTODYNAMIC EFFECTS.
  5. A NEW APPROACH TO QUANTITATIVE SPIN TRAPPING
  6. DETAILED IN VIVO MEASUREMENTS ON THE PHOTODYNAMIC EFFECTS OF ACS1, ACS2 AND PHOTOFRIN II (AS STANDARD) ON TUMOR BEARING MICE
  7. SPIN TRAPPING IN A COMPLETELY MIXED OPEN SYSTEM.
  8. CONCLUSIONS
  제 4 장. 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도
  제 1