신약 개발만큼 중요한 약물 전달 시스템의 이해

[푸른희망(여/1962/1991/대구/미국)]

신약 개발만큼 중요한 약물 전달 시스템의 이해

사람은 크고 작게 다치고 또 아프게 마련이고, 그럴때마다 우리를 치료해 주었던 것은 의사의 손길(?)과 ‘약’이었다.

이렇듯 제약 분야(Pharmaceutics)는 인간의 삶과 직접적으로 관계하고 있다. 치료를 위한 약물은 수많은 생명을 살렸고, 삶의 질을 향상 시켰으며 인간의 기대 수명을 연장 시키는데 큰 역할을 하였다. 누구든 살면서 ‘약’ 한 번 안 먹어 본 사람은 아마 없을 것이다. 적어도 발라는 봤겠지…아니면 한약이라도…

오늘의 주제는 약의 성능을 극대화 하기 위한 제약 사용방법에 관한 약물 전달 시스템(Drug delivery system)이다. 멕시코에서 텍사스로 약(Drug)이 전달되는 방법에 관한 이야기가 아니다. 타이레놀을 하루에 두번 먹을지 한번 먹을지 가루로 먹을지 알약으로 먹을지, 빨간 약은 바르는게 효과적인게 맞는지에 관한 연구를 이야기 해보고자 한다.

약물 전달 시스템을 이야기 하기 전에 제약 산업 및 시장 전반에 대하여 간략히 알아보고 가도록 하자.

제약 분야와 생명의 강한 ‘연결고리’는 제약 산업의 큰 성장(연 1,000조원 규모,  전세계 시장)을 이끌어냈고, 인간이 유전적으로 질병들을 모두 극복하지 않는 이상 그 성장세(연 4~5%)는 계속 지속될 것이라고 전망되고 있다.

제약 산업은 대부분 다국적 거대 기업들(사노피 Sanofi, 노바티스 Novatis, 화이자 Pfizer, 로슈 Roche 외)의 주도로  발전하고 있다. 이 기업들의 영업 이익률은 최대 40%에 육박할 정도로 황금 알을 마구마구 낳아내는 산업처럼 보이지만, 막상 삼성과 같은 세계 굴지의 대기업들도 산업 진입에 도전을 해보지만 매번 실패를 맛보고 손가락만 빨고 있는 실정이다. 

그 이유는 바로 신약 개발 프로세스에 있다. 신약 개발은 영겁의 시간과 어마어마한 자금을 필요로 한다.  1만개의 시도 중 보통 1개만 신약으로 출시되고 개발 및 임상 시험 기간에 평균 15년과 1조원이 넘는 돈이 들어간다.

신약 개발 프로세스 및 비용

그림1. 비용과 시간이 많이 드는 신약 개발 프로세스

말하자면 당신이 신약 개발 관련 연구를 대학원 입학과 동시에 시작했을 지라도 이제 곧 나이 40을 바라보는 포닥이 되어 머리가 빠지기 시작 할 때 쯤 연구 성과를 확인 할 수 있는 단계에 도달하는데, 그나마 성공할 확률이 1/10000밖에 되지 않는다는 것이다. 물론 연구비를 따오기 위해 수도 없는 제안서를 10여년 동안 끊임 없이 써야 한다. 물론 여러 비약이 있기는 하지만 어쨋든 신약 개발 과정은 이처럼 만만치 않다.

이런 고된 과정을 겪어야 하는데 비하여, 인류가 감내하고 있는 질병들은 너무나도 많다. 모든 질병을 새로운 슈퍼 알약의 개발로 커버 할 수 없기 때문에 기존에 우리가 가지고 있는 약들을 얼마나 현명하게 활용하고 효율적으로 약물이 필요한 부분으로 전달하는 지도 신약 개발 못지 않게 중요하다.

따라서 오늘날 약물 전달 시스템은 신약 개발 못지 않게 학계과 산업계에서 주목을 받고 있으며, 바이오/제약 산업의 패러다임이 약 물질 개발에서 약물 및 전달 시스템 전체를 아우르는 방향으로 바뀌고 있다.

Bio:pharmaceutical paradigm

그림 2. Chemical/Biopharmaceutical drug 개발 위주에서 Nanomedicine 등을 활용한 약물 전달 시스템에 초점이 맞춰지고 있는 Bio/Pharmaceutical 패러다임.

약물 전달 시스템 개발의 기본적인 목표는 약물 농도의 시공간적 제어에 있다. 정교한 약물 전달 시스템을 통하여 제어된 투약의 경우 아래와 같은 의학적, 경제적 효과를 가질 수 있다.

약물의 효능을 높임

독성을 감소

환자의 편의성과 약물 수용성 증가

신약 개발에 필요한 비용 절감

약물 전달 시스템 자체 시장의 확장

약물 전달 시스템은 원하는 약물 농도 프로파일(ex. 즉시 높은 농도/천천히 오랜 시간 낮은 농도 유지), 환자의 상태(ex. 주사 알러지, 무의식 외), 질병 상태(ex. 급성/만성) 등에 따라 달라지게 된다. 의사들은 앞서 언급한 요소들을 전제로 적합한 투약 경로 및 투약 방법을 선택하게 된다.

DDS

그림 3. 일반적으로 사용되는 약물 전달 경로

일반적으로 투약 경로는 크게 5가지로 나뉘어 지는데, 몸 전체 순환 시스템에 약물을 전달시키는 점막(mucosal), 비경구(parenteral), 경구 (oral), 피부(transdermal) 투약 경로가 있고, 타겟 조직에만 제한적으로 투약하는 국부(local) 투약 경로가 있다(그림 4.).

DDS 비교

그림 4. 전통적 약물 전달 시스템과 약물 전달 제어 시스템의 비교.

체내로 전달된 약물의 효과를 극대화 시키기 위해서는 체내 약물 농도를 특정 범위에서 지속 시키는 것이 중요하다. 일반적인 경우, 체내 약물의 농도는 투약 즉시 급격히 상승하였다가 체외로 배출되면서 다시 감소한다(그림 4. 좌). 환자에게 필요한 적정 농도 보다 약물 농도가 높아진다면 체내에서 독성을 가질 것이고, 적정 농도보다 약물 농도가 떨어진다면 제대로 약효를 발휘하지 못할 것이다. 지속적인 약효를 위해서, 즉 체내에서 일정한 약물 농도(그림 4. 청색 구간)를 유지  하기 위해서는 약물 전달 제어 시스템(그림 4. 우)이 필요하다.

적정 농도의 약물을 체내에 최대한 오랜 시간동안 지속될 수 있도록 하고자 하는 것이 약물 전달 제어 시스템은 기본적인 개발 목표이며, 나아가 약효가 필요한 조직 혹은 환부에만 선택적으로 약물을 전달할 수 있도록 발전 되고 있다.

그렇다면 과연 현재 개발되고 있는 최신 약물 전달 시스템(투약 방법)은 무엇이 있을까.

cutting edge

그림 5. 최신 약물 전달 시스템

Chemotheraphy wafer: 젤 형태의 웨이퍼(Wafer) 안에 항암제 등의 약물이 내장되어 있고, 이를 암과 같은 병변에 심어 일정 기간동안 약물이 지속적으로 방출되도록 고안된 시스템.

Microchips: 약물을 포함하고 있는 심박 제세 동기 크기의 칩으로 몸속에 삽입. 골다공증, 울혈심부전증, 다발성 경화증증, 항응고증, 당뇨 등 만성 질환 치료에 사용되며 외부 신호에 따라 칩 내부에 저장 되어 있는 약물 방출.

Conjugate: 약물을 고분자, 단백질 등의 구조물에 화학적으로 부착하여 병변 조직에서만 작용하게 하거나(targeted drug delivery), 체내에 오래 머물러 있으면서 작용 시간을 늘리거나(Long-acting), 원하는 시점/장소에서만 약물 물질이 구조물에서 떨어져서 나오거나(controlled release), 조직 침투도를 높임(enhanced permeability).

Microsphere: 고분자 등을 이용하여 마이크로 미터 수준의 구 모양의 저장체를 만들고, 그 안에 약물을 저장하여 일정 시간 동안 서서히 약물 방출.

Microneedle Patch: 마이크로 미터 수준의 바늘 어레이(150 개 수준)를 사용하여 피부 표피층에서 약물 전달. 기존 바늘에 비하여 피부 침습 정도가 훨씬 작아 투약 시 통증 없음(표피에는 통각 수용체 없음).

Osmotic pump: 약물이 포함되어 있는 미세 관 형태의 구조물. 몸 속에 삽입되어 다공성 나노막에 의해 조절되는 약물 확산 속도에 따라 원하는 농도로 약물 전달.

Liposome: 친수성(hydrophilic) 그룹과 소수성(hydrophobic) 그룹을 가지는 리포좀 안에 물에 잘 녹지 않는 소수성의 약물을 담아서 전달 시키는 시스템.

이러한 최신 약물 전달 시스템들은 보통 BT, IT, NT 외 여러 분야의 융합 산물이다. 이런 시스템들이 아직 활발하게 활용되고 있지는 않지만, IoT 산업의 발전 및 기타 공정 기술의 발전에 힘입어 더욱 빠르게 발전할 것으로 기대되고, 해당 기술들이 우리들 몸에 활용될 날이 멀지 않은 것은 분명하다. 곧 유산균을 100프로 장에 전달 시켜 준다는 요쿠르트가 나올지도 모른다.

Posted by JINSUNGYOON on 8월 30, 2015

https://postechtechreview.wordpress.com/2015/08/30/%EC%8B%A0%EC%95%BD-%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EB%A7%8C%ED%81%BC-%EC%A4%91%EC%9A%94%ED%95%9C-%EC%95%BD%EB%AC%BC%EC%A0%84%EB%8B%AC-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%EC%9D%98-%EC%9D%B4%ED%95%B4/

[동행(남편 1969/2018/서울)]

임상실험 성공적으로 거쳐서 모든 질병님들께 적용하여 좋은 반응 나오기를 희망가져 봅니다.
항상 좋은 정보 감사합니다.