chitosan 키토산 통시적 리뷰연구!!!

[문형철]

키토산을

“하나의 정의된 고분자”가 아니라 조성·크기·단량체 배열이 다른 분자군으로 보고,

용해도 한계와 그 화학적 해결, 생물활성–물리화학 특성의 관계,

그리고 그린 공정·약물전달 응용을 정리한 총설입니다.

한 줄 결론

키토산의 점막부착·항균·항산화·지혈·상처치유 가능성은 분명하지만,

효과는

탈아세틸화도(DD),

분자량(Mw),

아세틸기 분포,

결정성,

pH에 강하게 의존합니다.

규제기관은

키토산과 키토산 염산염을 치료제가 아니라 부형제로만 인정합니다.

저자들은 일부 생물활성 주장이 근거가 약하다고 직접 지적합니다.

물질 정의

키틴과 그 탈아세틸 유도체 키토산은

β-1,4로 연결된 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)과 글루코사민(GlcN)의 선형 다당입니다.

주로 갑각류 키틴의 화학적 탈아세틸로 만들고, 곤충 표피 원료도 늘고 있습니다.

아민기(C2)와 수산기(C6, C3)가 반응 부위라서 유도체화가 쉽습니다.

표 1에 정리된 대표 성질은

점막부착,

항염증,

항산화,

항균, 항진균,

항고혈당,

항종양,

상처치유입니다.

다만 이는 “보고된 활성”의 목록이지,

임상 효능의 확정이 아닙니다.

핵심 문제 두 가지

1. 중성·염기성에서 잘 안 녹습니다. 아민이 양성자화되는 산성 수용액에서만 잘 녹고, Mw가 크면 DD가 높아도 중성에서는 침전합니다. pH 6.5 이상이 되면 사용이 막힙니다.
2. 천연 유래라 배치마다 DD, Mw, 아세틸 패턴, 순도가 다릅니다. 그래서 같은 “키토산”이라도 항균·항산화 결과가 엇갈립니다.

용해도는

pH, 온도, 결정성, 아세틸화도에도 좌우됩니다.

0 °C 균질 탈아세틸은 글루코사민이 고르게 퍼져 수용성이 좋아지고,

고온 불균질 탈아세틸은 블록형 분포와 높은 결정성으로 용해도가 떨어집니다.

완전 탈아세틸 후 재아세틸하면 결정성이 낮아져 pH 7.4까지 녹는 범위가 넓어지기도 합니다.

요소·구아니딘 염산염처럼 수소결합을 깨면 용해도 창이 더 넓어집니다.

기술 특성

점도는 Mw와 DD에 비례하고, 저장 중 분해되면 점도가 떨어집니다. Mark–Houwink–Sakurada 식 η=KMvα\eta = K M_v^\alphaη=KMvα​로 점도평균분자량을 추정하지만, KKK와 α\alphaα는 용매·pH·이온강도에 따라 달라 절대법은 아닙니다. DD가 높으면 전하밀도가 커 사슬이 펼쳐지고 전단점도가 커집니다(예: DD 91% vs 75%).

화학으로 한계를 푸는 방법

수용성 개선의 대표 경로는 추가 탈아세틸, 해중합(키토올리고당), 4급 암모늄화입니다.

설페이트화·인산화·카복시메틸화는 새 기능을 붙입니다.

예로 6-O-설페이트 키토산은 신경분화 촉진, 인산화 키토산은 부식 억제가 보고되었습니다.

항균용으로는 설페이트 키토산, N-트리메틸키토산, N-디에틸메틸키토산, 2,6-디아미노키토산처럼 산성 용매 없이 쓰는 유도체가 있습니다.

생물활성과 기전

항균 기전은 아직 확정되지 않았습니다.

원인은 고분자 특성 미기재, 순도, 균주·방법 불일치입니다.

제안된 경로는 두 가지입니다.

• 키토산 −NH2\mathrm{-NH_2}−NH2​가 세균막 −COO−\mathrm{-COO^-}−COO−와 붙어 막을 코팅하고 영양 유입을 막음. 아세틸화도에 의존.
• 세포 내로 들어가 DNA에 흡착해 RNA 전사를 방해.

둘이 배타적이지 않다고 봅니다. 내인 인자는 Mw, 아세틸화도, 점도, 농도이고 용매도 영향을 줍니다. pH 6.5 이상에서는 수용성 키토올리고당이 다가양이온 살균제로 검토됩니다. 염산염은 효과가 강하고, 올리고당·N-아세틸글루코사민은 효과가 없거나 약하다는 대조도 있습니다. 상처 관리에서는 항균, 수축·치유 촉진, 지혈, 진통이 함께 거론됩니다.

항산화는 아미노·수산기가 라디칼을 잡는 능력에서 옵니다.

설페이트 키토산, N-2-카복시에틸키토산, 갈산·페놀 수식 올리고당이 모체보다 강합니다.

평가는 DPPH, ABTS, FRAP, 과산화·수산기 소거, 대식세포 모델입니다.

산화스트레스가 알츠하이머·파킨슨·암·당뇨 합병증과 연결된다는 맥락에서 관심이 있지만,

이 논문 자체가 질병 치료 근거를 제시하지는 않습니다.

항염·항종양은 표에 올라가 있으나,

초록에서 “일부 생물학적 성질 주장은 discrete(근거가 약하거나 일관되지 않음)”라고 선을 긋습니다.

응용 세 갈래

그린 합성. 키토산이 금속이온을 환원·안정화해 Ag, Au, Pd 등 금속 나노입자를 만듭니다. 캡핑제로 응집을 막고, 나노테라노스틱 후보로 거론됩니다.

생체촉매 지지체. 아민·수산기로 효소를 고정합니다. 재사용, 안정성, 분리 용이성이 장점입니다.

약물전달. 필름, 스펀지, 스캐폴드, 나노입자, 마이크로스피어, 하이드로겔, 에어로겔, 섬유, 마이크로니들, 리포솜 코팅, 복합체가 가능합니다. 점막부착과 양전하 때문에 경점막·국소 전달에 쓰이고, 혈액–뇌장벽 통과 가능성도 문헌에서 언급됩니다. 이것도 부형제·전달체로서의 역할입니다.

임상·연구에 쓸 때

• 제품 비교 시 DD, Mw, 아세틸 패턴, 순도, 용해 pH를 반드시 확인해야 합니다. “키토산”이라는 이름만으로는 효과가 재현되지 않습니다.
• 경구·중성 pH 제형이면 올리고당, 4급화, 카복시메틸 유도체가 모체보다 현실적입니다.
• 상처·점막 국소, 지혈, 항균 코팅은 문헌이 상대적으로 두껍습니다. 전신 항종양·혈당 조절로 쓰면 이 총설의 근거 수준을 넘습니다.
• 2011–2021년 Scopus에서 논문·특허가 계속 늘었고, 농업·식품은 시장에 이미 들어가 있습니다. 의약에서는 아직 부형제 지위입니다.

C6 일차 수산기(위쪽 파란 화살표). 입체 장애가 가장 작아 유도체화의 주 표적입니다. 에스터화(황산화·설폰화), 카복시메틸화, 알킬화가 여기서 일어납니다. 6-O-설페이트 키토산, O-카복시메틸키토산이 이 경로입니다. 금속 배위, 화학 결합, 가교, 그라프트 공중합도 이 수산기를 쓸 수 있습니다.

C3 이차 수산기(초록 화살표). 반응이 느립니다. 설폰화·알카노일화가 표시된 자리입니다. 선택적으로 건드리고 싶으면 보통 C6이나 C2를 먼저 보호합니다.

C2 아민(빨간 화살표). 키토산 성질의 핵심입니다. 아래 빨간 상자가 아민 고유 반응입니다.

• 알킬화: N-트리메틸키토산처럼 4급화하면 중성 pH에서도 녹습니다.
• 아실화: 아미드를 만들어 전하와 용해도를 바꿉니다.
• 시프 염기: 알데하이드와 –N=CH–를 형성합니다. 약물 접합, 가교에 자주 씁니다.

같은 아민으로 금속 배위(그린 나노입자 합성의 환원·안정화), 화학 커플링, 가교, 그라프트도 합니다. 항균의 –NH₂와 세균막 –COO⁻ 결합도 이 자리입니다.

글리코시드 결합(분홍 화살표). 개질이 아니라 절단입니다.

산·효소·산화로 끊으면 분자량이 줄고 키토올리고당이 됩니다.

pH 6.5 이상에서 녹이는 현실적 방법입니다.

읽는 요점

한 사슬에 반응이 겹칩니다. 위 파란 상자와 아래 빨간 상자가 둘 다 “금속 배위·커플링·가교·그라프트”인 이유는, 그 반응을 수산기와 아민이 같이 할 수 있기 때문입니다. 그래서 조절하지 않으면 O-치환과 N-치환이 섞인 불균일 유도체가 나옵니다.

임상·제형에서 보면, 수용성·양전하·점막부착을 지키려면 C2 아민을 남기거나 4급화하고, 황산화·카복시메틸화는 C6을 쓰는 쪽이 설계와 맞습니다. 글리코시드 절단은 효과를 새로 만드는 개질이 아니라 분자량을 낮춰 용해도를 여는 전처리입니다.

이 그림은 키토산 C2 아민에 메틸렌인산기를 붙이는 인산화 반응입니다. 수산기는 그대로 두고 질소만 바뀝니다.

왼쪽은 글루코사민 반복 단위입니다. 인산(H₃PO₄)과 포름알데하이드(CH₂O)를 1% 아세트산에 넣고 70 °C에서 반응시킵니다. 아세트산은 키토산을 녹이는 용매이고, 포름알데하이드는 아민과 인산 사이의 가교 탄소(–CH₂–)를 공급합니다.

경로는 Mannich형입니다. 아민이 포름알데하이드와 이민(시프 염기) 또는 이미늄을 만든 뒤, 인산이 그 탄소에 붙어 –NH–CH₂PO₃H₂가 됩니다. 두 번째 치환이 되면 –N(CH₂PO₃H₂)₂도 생깁니다. 그래서 그림의 R이 H 또는 CH₂PO₃H₂입니다. 모든 아민이 바뀌지 않고, 미반응 아민과 인산화 아민이 한 사슬에 섞입니다.

생성물은 N-메틸렌포스폰산 키토산입니다. 인산기 때문에 수용성·금속 결합·음전하가 늘고, 남은 아민은 양전하를 일부 유지합니다. 이 논문에서는 이 인산화 키토산을 부식 억제 예로 듭니다. 칼슘 결합, 금속 이온 흡착, 골 재생 지지체로도 쓰이지만 그 용도는 이 그림 자체가 보여주는 범위 밖입니다.

치환도(몇 %의 아민이 CH₂PO₃H₂로 바뀌었는지)가 적히지 않았습니다. 같은 조건이라도 포름알데하이드·인산 비율과 시간에 따라 수용성과 전하가 달라집니다.

표 2는 키토산을 효소로 자를 때 주로 무엇이 나오는지를 효소별로 정리한 것입니다. 목적은 분자량을 낮춰 용해도와 점도를 조절하고, 올리고당의 길이 분포를 고르는 것입니다. 산·과산화수소·아질산 분해보다 효소가 결합 선택성이 높습니다.

표 각주의 “DP: depolymerization degree”는 잘못입니다. 본문과 표의 DP 2–3, DP 2–6은 중합도(degree of polymerization), 즉 단당이 몇 개 연결됐는지를 뜻합니다. DP 2는 이당, DP 6은 육당입니다.

효소주 생성물의미

Chitosanase	DP 2–3 올리고머	키토산 전용 글리코실 가수분해효소(EC 3.2.1.132). GlcN–GlcN, GlcN–GlcNAc 뒤를 잘라 짧은 키토올리고당을 만들고 단당은 거의 안 냄
Hemicellulase	이당–육당	엔도형. DD 85% 시료에서 4시간 후 DP 2–6이 보이고 N-아세틸글루코사민 단당은 검출되지 않음. 분해 정도는 DD에 의존
Pepsin	글루코사민 + DP 2–6	비특이 단백분해효소인데 글리코시드도 자름. 단당까지 감
Pronase	4–10 kDa	올리고당이 아니라 저분자 키토산. 단당·짧은 올리고머 패턴이 다름
Papain	글루코사민 + DP 2–6	펩신과 같은 짧은 올리고머·단당 구간
Lipase	High DP	분해가 느림. 초기에는 엔도형이라 점도가 급감하고, 시간이 늘면 엑소형으로 단당도 생김. 시간을 짧게 하면 높은 DP 올리고머에 머무름

키토산에는 –D–D–, –A–A–, –A–D–, –D–A– 네 가지 글리코시드가 있습니다(D = 글루코사민, A = N-아세틸글루코사민). 키토산분해효소는 D 다음 결합을 선호하고, 다른 효소는 패턴이 다릅니다. 그래서 같은 원료라도 효소를 바꾸면 길이가 비슷해도 배열이 다른 산물이 나옵니다. 본문은 생물활성이 크기·아세틸화도뿐 아니라 이 절단 패턴에 더 좌우된다고 봅니다.

제형으로 보면, 중성 pH에서 녹는 짧은 올리고당은 키토산분해효소·헤미셀룰라아제·파파인·펩신 쪽이 맞고, 점도만 낮춘 저분자 키토산은 프로나아제(4–10 kDa)나 반응 시간을 제한한 리파아제가 맞습니다.

표 3은 키토산과 그 제형이 어떤 미생물에 얼마나 억제를 보였는지를 문헌별로 모은 것입니다. 최소억제농도(MIC)나 탈아세틸화도·분자량이 표 안에 없어서, “강하다”는 원 논문의 정성 평가이지 서로 비교할 수 있는 수치가 아닙니다.

수산 세균용 키토산 [50]. Aeromonas hydrophila는 완전 억제, Edwardsiella ictaluri는 0.4%에서 Edwardsiella ictaluri, Flavobacterium columnare는 0.8%에서 A. hydrophila로 적혀 있습니다. 괄호는 균주 약어로 보이며, 어류 병원균 대상입니다. 농도가 적힌 거의 유일한 행입니다.

식품·일반 세균 [51,52]. 그람양성(Bacillus cereus, S. aureus, B. megaterium, Lactobacillus 속, Listeria monocytogenes)과 그람음성(Salmonella typhimurium, E. coli, Pseudomonas, Vibrio, Enterobacter)에 “strong and safe effect”라고만 되어 있습니다. 유산균까지 표적에 들어가 있어, 장내 유익균도 같이 맞을 수 있다는 뜻입니다. 안전하다는 표현은 이 총설의 요약이지 임상 안전성 결론이 아닙니다.

칸디다 [53]. 표적이 C. krusei, C. albicans, C. glabrata이고, 제형에 따라 갈립니다.

• 효과 없음: 키토산 올리고당, N-아세틸-D-글루코사민
• 약함: 카복시메틸키토산
• 강함: 키토산 염산염

아민이 양성자화된 고분자 염이 짧거나 아세틸화된 단위, 카복시메틸로 전하가 바뀐 유도체보다 강하다는 대조입니다. 앞 절의 막 코팅 기전과 맞습니다.

상처 드레싱 [54–57]. P. aeruginosa, B. cereus, L. monocytogenes에 강하다고 하면서, 근거를 항균만이 아니라 상처 수축·치유 촉진, 지혈, 진통까지 묶어 적었습니다. 미생물 억제 수치와 창상 치유 효과가 한 칸에 섞여 있습니다.

스펀지 [58,59]. S. aureus, E. coli가 표적이고 억제 칸은 비어 있습니다. 원문에서 정량 억제를 뽑지 않은 행입니다.

마이크로·나노입자 [60–62]. E. coli, V. cholerae, S. enterica, Streptococcus uberis, K. pneumoniae, S. aureus, S. choleraesuis, S. typhimurium에 “strong effect”입니다. 입자화하면 표면적과 국소 농도가 커져 같은 고분자보다 접촉 억제가 잘 나온다는 취지입니다.

읽는 기준은 세 가지입니다. 고분자·염산염·입자·드레싱은 반복해서 강한 편이고, 올리고당과 단당은 이 표에서 항진균 효과가 없습니다. 그람 양성·음성 둘 다 표적입니다. 농도와 고분자 규격이 거의 없어, 프로토콜에 넣으려면 [50]의 0.4–0.8%처럼 원 논문의 MIC와 DD, Mw를 따로 확인해야 합니다.

그림 3은 키토산의 항산화를 재는 시험이 어떤 반응인지를 두 갈래로 나눈 것입니다.

왼쪽의 R•는 라디칼, A–H는 항산화제(여기서는 키토산의 아민·수산기)입니다.

위 경로는 전자 이동입니다.

항산화제가 전자(e⁻)를 주면 라디칼은 R⁻가 되고, 항산화제는 A•와 H⁺로 남습니다.

그림은 여기에 DPPH, ABTS, FRAP를 넣었습니다.

• DPPH는 보라색 라디칼이 환원되면 색이 빠지는 시험입니다.
• ABTS는 ABTS•⁺ 양이온 라디칼의 탈색입니다.
• FRAP는 라디칼 소거가 아니라 Fe³⁺를 Fe²⁺로 환원하고, 그 이온이 발색단과 결합하는 환원력 시험입니다.

아래 경로는 수소 원자 이동(HAT)입니다. A–H의 H•가 라디칼로 건너가 R–H가 되고 항산화제는 A•가 됩니다. 그림은 이 경로에 ORAC를 넣었습니다. ORAC는 형광 프로브가 퍼옥실 라디칼에 깨지는 것을 항산화제가 얼마나 늦추는지 봅니다.

논문 본문은 그림보다 조금 더 cautiously 적습니다. DPPH와 ABTS는 전자 이동과 수소 원자 이동이 같이 일어날 수 있고, FRAP는 전자 이동 반응이라고 구분합니다. 과산화수소·수산기 소거와 대식세포 모델은 이 그림에 없습니다.

그래서 키토산 논문끼리 “항산화가 높다”를 비교할 때 숫자가 같은 척도인지 봐야 합니다. DPPH·ABTS 탈색, FRAP 환원력, ORAC 수소 공여는 서로 다른 반응입니다. 아민·수산기가 어느 경로에 더 기여하는지도 시험마다 달라집니다.

그림 4는 키토산으로 금속 나노입자를 만들고 뭉치지 않게 붙잡아 두는 과정입니다. 왼쪽 점들은 금속 이온(Ag⁺, Au³⁺ 등)입니다.

환원제 단계에서 이온이 전자를 받아 금속 핵(metal nuclei)이 됩니다. 키토산의 아민·수산기가 이 환원제 역할을 할 수 있어, 별도 화학 환원제 없이 만드는 경로를 그린 합성이라고 부릅니다. 그림은 환원제를 화살표에, 키토산 사슬은 그다음 단계에 따로 그렸습니다.

합체(coalescence) 단계에서 핵이 서로 붙어 금속 클러스터가 됩니다. 물결선이 키토산 사슬이고, 클러스터 겉에 붙습니다. 사슬의 –NH₃⁺가 표면에 양전하를 띄웁니다.

마지막 금속 나노입자(metal NPs)는 그 클러스터가 키토산으로 둘러싸인 상태입니다. 겉의 + 전하가 입자끼리 밀치게 해서 침전과 무한 성장을 막습니다. 그래서 키토산은 여기서 환원제와 캡핑제(안정화제)를 겸합니다. 배위는 그림 1의 C2 아민, C6 수산기가 합니다.

크기는 이온/키토산 비율, pH, 온도, 반응 시간에 따라 달라지고, 이 그림에는 입자 크기나 항균 수치가 없습니다. 양이온 껍질 때문에 세균막에 붙는 성질이 입자 자체의 금속 효과와 겹칩니다.

이 표는 키토산으로 안정화한 금속 나노입자를 금속·환원제·키토산 규격·크기·모양별로 모은 것입니다. 크기는 nm이고, Cs는 키토산, COS는 키토올리고당, TMC는 N-트리메틸키토산, DD는 탈아세틸화도, DA는 아세틸화도입니다. n.c.는 규격 미기재, nd는 미측정입니다. >200,000 cps는 분자량이 아니라 점도(센티푸아즈)입니다. *가 붙은 크기는 응집체 크기입니다.

환원제는 두 종류입니다. 키토산 자신이 환원·캡핑을 같이 하는 행(Cs, COS)과, 아스코르브산·NaBH₄·메탄올·하이드라진·감마선이 환원하고 키토산은 겉만 덮는 행입니다. 그림 4의 두 단계가 표에서는 이렇게 갈립니다.

팔라듐. 아스코르브산과 DD 75–85% 키토산은 구형 5–20 nm, 꽃형 30–150 nm까지 조건에 따라 벌어집니다. TMC 20 kDa는 구형 55–120 nm입니다. NaBH₄와 약 400 kDa 키토산은 2 nm 구형으로 가장 작습니다. 메탄올은 2–5 nm지만 Pd:MeOH 10:1에서 큰 응집, 하이드라진은 20 nm*의 심한 응집입니다. 강한 환원제일수록 핵은 작아지나 안정화가 부족하면 다시 붙습니다.

백금. NaBH₄·메탄올과 400 kDa 키토산은 2–5 nm 구형입니다. 하이드라진은 17–25 nm* 응집입니다. 팔라듐과 같은 패턴입니다.

금. 키토산만으로도 환원됩니다. 1278 kDa는 16 nm, 817 kDa는 5 nm 구형, DD >85%·고점도는 5–20 nm 구형입니다. COS 5 kDa는 7–15 nm 구형이라 짧은 사슬도 충분합니다. NaBH₄는 6–20 nm의 구형·다면체입니다. DD 53–95%, Mw 2.6–490 kDa를 아우른 행은 5–200 nm에 구형·삼각형·다면체가 섞입니다. 규격이 넓으면 모양도 흩어집니다.

은. 키토산 단독은 5 nm 구형부터 10–150 nm, 보관이 길면 삼각형이 생깁니다. 고점도 키토산은 20–200 nm의 구형·프랙탈입니다. 아스코르브산은 5–20 nm 또는 8 nm 구형, NaBH₄는 30–200 nm 구형 클러스터, 감마선은 4–5 nm 구형입니다. 일부 행은 프랙탈만 적혀 크기가 없습니다.

표에서 반복되는 경향은 세 가지입니다. NaBH₄·메탄올·감마선은 수 nm 구형을 만들기 쉽고, 하이드라진과 고점도·장시간 반응은 응집·꽃형·프랙탈로 갑니다. DD는 대개 75–100%로 높아 아민이 환원과 양이온 캡핑에 쓰입니다. 같은 금속이라도 Mw와 환원제만 바꾸면 2 nm에서 200 nm까지 벌어지므로, “키토산–은 나노입자”라는 이름만으로는 크기와 모양을 특정할 수 없습니다.

그림 5는 같은 키토산을 효소로 자른 뒤 은 나노입자(AgNP)를 만들고, 90 °C에서 5시간 둔 뒤 눈으로 안정성을 본 것입니다. 화살표는 바닥에 가라앉은 응집체입니다.

원료(G)는 538 kDa, DD 52% 키토산입니다. 은 이온은 환원되지만 안정화는 거의 못 해 전체가 뿌연 현탁액입니다.

이것을 두 효소로 잘랐습니다. Q는 키토산분해효소(chitosanase), L은 라이소자임입니다. 반응액을 한외여과로 세 분획으로 나눴습니다. F1은 30 kDa 초과, F2는 30–10 kDa, F3는 10–5 kDa입니다. 자른 뒤 DD는 62–74%로 올랐습니다. 분자량은 비슷하게 맞추고, 절단 패턴만 다르게 본 실험입니다.

튜브              분획                                                                                보이는 것

A	F1Q, >30 kDa	맑은 주황·호박색. 응집 없음
B	F2Q, 30–10 kDa	적갈색, 화살표 위치에 침전
C	F3Q, 10–5 kDa	더 진한 갈색, 검은 응집
D	F1L, >30 kDa	옅은 노랑, 투명
E	F2L	노랑, 투명
F	F3L	노랑, 투명
G	원료 538 kDa	유백색 혼탁

노랑·호박색은 작은 은 입자의 표면 플라스몬 색입니다. 적갈·침전은 입자가 커지거나 붙은 상태입니다. 키토산분해효소로 자른 F2Q·F3Q는 크고 불안정해 눈으로 보이는 응집이 생겼습니다. 라이소자임 분획은 어느 크기에서나 더 작고 안정했습니다. 분획 분자량이 낮을수록 다분산성도 줄었습니다.

한 달 뒤 안정성은 F1Q와 F1L이 가장 나았습니다. 너무 짧은 Q 분획은 초기에 잘 붙잡지 못했습니다. 본문 결론은 분자량·DD가 비슷해도 효소가 남긴 단량체 배열이 은 입자 안정화를 가른다는 것입니다. 라이소자임 절단 패턴이 키토산분해효소 패턴보다 캡핑에 유리했습니다.

그림 6은 키토산에 고정한 두 효소로, 라세미 원료에서 항생제 측쇄인 D-p-하이드록시페닐글리신(D-p-HPG)만 뽑는 경로입니다. 논문의 생체촉매 지지체 응용입니다.

왼쪽 위 D-HPH와 아래 L-HPH는 p-하이드록시페닐히단토인(HPH)의 두 거울상입니다. 염기성 pH에서 둘이 계속 뒤집히므로(dynamic equilibrium), D형만 빼 써도 L형이 다시 D형으로 채워집니다. 그래서 이론 수율이 50%를 넘습니다. 이것이 DKR(dynamic kinetic resolution)입니다.

노란 테두리의 파란·분홍 쌍은 키토산으로 캡슐화한 세포 추출물입니다. 안에 D-히단토이나제와 D-카르바모일라제가 같이 들어 있습니다. 키토산은 여기서 반응물이 아니라 효소를 가두고 재사용할 담체입니다.

반응은 두 단계입니다.

1. D-히단토이나제가 D-HPH의 히단토인 고리를 열어 N-카바모일-D-p-HPG(C-p-HPG)를 만듭니다.
2. D-카르바모일라제가 카바모일기를 떼어 오른쪽 위 D-p-HPG를 만듭니다. 페놀, 아민, 카복실기가 있는 아미노산입니다.

이 D-p-HPG가 아래 네 항생제의 빨간 부분입니다. 아목시실린, 세파드록실, 세프프로질, 세포페라존의 측쇄입니다. 베타락탐 핵에 이 측쇄를 붙여 반합성 항생제를 만듭니다.

한 줄로 보면, 라세미 HPH를 염기에서 평형을 돌리면서 D형만 키토산 캡슐 속 두 효소가 D-p-HPG로 바꾸고, 그 산물을 페니실린·세팔로스포린 측쇄로 쓰는 공정입니다.

그림 7은 자성 키토산 비드에 Lactobacillus reuteri의 재조합 뉴클레오사이드 2′-디옥시리보실전이효소(LrNDT)를 고정한 구조입니다. Fernández-Lucas 등에서 가져와 이 논문의 생체촉매 절에 넣은 그림입니다.

노란 타원이 비드입니다. 안은 키토산 사슬이고, Fe₃O₄가 박혀 있어 반응 뒤 자석으로 걷어낼 수 있습니다. 사슬은 C2 아민이 알데하이드 가교제와 시프 염기(C=N)를 만들어 서로 묶여 있습니다. 그림에서 두 사슬을 잇는 –N=CH–와 에테르성 산소가 그 가교입니다. 가교해야 산성 용매에 비드가 녹지 않습니다.

효소도 같은 화학으로 붙습니다. LrNDT 표면 아민이 비드에 남은 알데하이드와 C=N으로 연결됩니다. 오른쪽 단순 그림이 그 결과입니다. 자성 키토산 알갱이에 효소 한 단위가 공유결합된 형태입니다.

쓰는 이유는 분리입니다. LrNDT는 뉴클레오사이드 염기를 바꿔 뉴클레오사이드 유사체를 만드는 효소라, 반응 후 생성물과 효소를 나눠야 합니다. 비드째 자석으로 빼면 효소를 다시 넣고, 키토산은 아민이 많아 공유 고정 자리가 됩니다. 그림은 활성·재사용 횟수를 보여 주지 않고, 고정 방식만 보여 줍니다.

그림 8은 그림 7의 자성 키토산–LrNDT로 실제로 염기를 바꾼 결과입니다. 효소는 당은 그대로 두고 염기만 교환하는 2′-디옥시리보실전이효소입니다. 반응 뒤 우라실(Ura)이 떨어져 나옵니다.

공통 형식은 뉴클레오사이드 공여체 + 새 염기 → 새 뉴클레오사이드 + Ura입니다. 수율은 염기와 당에 따라 크게 갈립니다.

디옥시리보스, dUrd 공여체. 티민(Thy)을 넣으면 테스트 반응으로 dThd가 됩니다. 수율은 적지 않았습니다. 5-트라이플루오로티민(5-tFThy)은 5-tFdThd가 40%입니다. 2,6-다이아미노퓨린(2,6-DAP)은 2,6-DAPdRib가 83%로 이 그림에서 가장 높습니다.

2′-플루오로 당, 2′-FdUrd 공여체. 아데닌은 2′-FdAdo 10%, 사이토신은 2′-FdCyd 67%입니다. 같은 당인데 퓨린보다 피리미딘 교환이 잘 됐습니다.

아라비노스 당, Ara-U 공여체. 2′ 수산기가 위를 향합니다. 아데닌은 Ara-A 14%, 사이토신은 Ara-C 17%로 둘 다 낮습니다. 당의 입체 구조가 효소 수용을 떨어뜨립니다.

정리하면 천연 디옥시리보스에 피리미딘·2,6-DAP를 넣는 반응이 잘 되고, 2′-플루오로 아데닌과 아라비노스 계열은 10%대로 낮습니다. 키토산 비드는 합성을 촉매하는 것이 아니라 효소를 붙잡아 반응 후 자석으로 회수하는 담체입니다. 그림은 1회 수율만 있고 재사용 횟수는 없습니다.

표 5는 키토산으로 만드는 약물전달 제형을 나열한 목록입니다. 효과·적응증·용량은 없고, 가공 형태와 참고문헌만 있습니다. 본문은 키토산이 필름부터 복합체까지 여러 형태로 가공되기 때문에 전달체로 많이 쓰인다고 이 표를 연결합니다. 규제상 지위는 여전히 부형제입니다.

제형                             형태와 쓰는 이유

Films	얇은 막. 구강·창상·점막에 붙여 약물을 국소로 냄. 점막부착은 아민의 양전하 때문
Sponges	동결건조 다공체. 삼출을 흡수하고 지혈·창상에 씀. 표 3의 스펀지와 같은 계열
Scaffolds	세포가 들어가는 3차원 지지체. 약물·성장인자를 같이 실어 조직재생에 씀
Nanoparticles	수십–수백 nm. 점막 통과, 세포 이입, 표면 양전하로 체류를 늘림. 표의 금속 나노입자와는 다른, 키토산 자체 입자
Microspheres	µm 크기 구. 주사·경구·폐 흡입에서 방출 속도를 조절
Hydrogels	물을 많이 품은 그물. pH·온도에 부풀며 약물을 냄. 주사형 겔로도 만듦
Aerogels	하이드로겔의 물을 기체로 바꾼 초경량 다공체. 표면적이 커 흡착·방출에 씀
Fibers	전기방사 섬유. 창상 피복, 봉합, 국소 방출
Microneedles	각질층을 뚫는 미세침. 통증이 적은 경피 전달. 키토산은 녹거나 부풀어 약물을 남김
Coated Liposomes	지질 소포 겉에 키토산 코팅. 점막 체류와 안정성을 더함
Nanocomposites	키토산에 점토·금속·무기 입자를 나노 규모로 섞음. 기계적 강도와 방출을 조절
Composites	다른 고분자·무기물과 섞은 복합재. 나노 규모가 아닐 수 있음

공통 성질은 산성에서 녹고, 중성에서 침전·겔화하며, 양전하로 점막·음전하 약물에 붙고, 아민으로 가교·유도체화가 된다는 점입니다. 표는 “이런 형태로 만들 수 있다”는 범위이지, 어느 제형이 임상에서 우월하다는 비교가 아닙니다.

그림 9는 Scopus에서 키토산 약물전달 논문 수를 제형별로 쌓아 1987–2020년을 본 것입니다. 가로축은 오른쪽이 1987년, 왼쪽이 2019년이라 최신이 왼쪽입니다. 눈금은 2년 간격이고, 세로는 논문 수입니다.

1987–1999년은 막대가 바닥에 붙을 정도입니다. 2001–2005년부터 늘기 시작해 2007년 이후 가팔라지고, 2019년 막대는 약 5,500편에 가깝습니다. 2017년은 약 4,800편, 2011년은 약 2,300편, 2007년은 약 800편 수준으로 읽힙니다. 문헌량이지 임상 승인 수가 아닙니다.

색으로 보면 노란 나노입자가 2007년 이후 가장 두껍습니다. 최근 막대의 상당 부분이 나노입자 논문입니다. 그다음이 파란 필름, 회색 스캐폴드, 하늘색 하이드로겔입니다. 주황 스펀지는 얇지만 꾸준합니다. 에어로겔, 섬유, 마이크로니들, 코팅 리포솜, 나노복합체는 막대 맨 위 얇은 띠라, 표 5에 이름은 있어도 출판량은 적습니다.

그래서 표 5의 제형 목록과 실제 연구 비중은 다릅니다. 출판은 나노입자·필름·스캐폴드·하이드로겔에 몰려 있고, 증가는 2000년대 후반 나노전달 연구가 키토산으로 번진 시기와 겹칩니다. 논문이 많다는 것이 그 제형의 임상 우월을 뜻하지는 않습니다.

그림 10은 키토산 약물전달 문헌을 논문(Scopus, 빨간 세모)과 특허(Lens, 파란 원)로 나눠 1987–2020년을 그린 것입니다. 그림 9와 같이 왼쪽이 최근, 오른쪽이 1987년입니다.

두 선 모두 1990년대 후반까지는 바닥에 가깝습니다. 특허는 2002년 전후에 기울기가 커지고, 왼쪽 끝(2019–2020년 부근)에서 약 6,800–7,000건입니다. 논문은 같은 방향으로 완만히 늘어 왼쪽 끝에서 약 1,600–1,800건입니다. 최근으로 올수록 특허 기울기가 논문보다 가파릅니다.

그림 9의 2019년 막대가 약 5,500편이었던 것과 이 빨간 선은 높이가 다릅니다. 검색식이나 집계 단위가 같지 않으므로, 두 그림의 절대 수를 그대로 이어 붙이면 안 됩니다. Lens 특허 수도 등록 특허만이 아니라 출원·패밀리가 섞일 수 있어, 논문 1편과 특허 1건이 같은 단위가 아닙니다.

읽는 핵심은 절대값보다 형태입니다. 키토산 약물전달은 2000년대 초부터 논문보다 특허가 빨리 늘었습니다. 다만 특허가 많다는 것은 권리 출원이지, 허가된 치료제 수를 뜻하지 않습니다. 이 논문은 키토산을 치료제가 아닌 부형제로 본다고 이미 밝혀 두었습니다.

그림 11은 약물전달만이 아니라 Scopus에서 chitosan이 제목·초록·키워드에 들어간 전체 논문입니다. 기간은 2011–2021년이고, 왼쪽이 연도별 편수, 오른쪽이 분야 비율입니다.

연도별로는 2011년 약 3,700편에서 계속 늘어 2020년 약 8,100편으로 정점입니다. 2021년은 약 6,200편으로 내려가 있는데, 논문 출간이 2021년 9월이라 그해 집계가 덜 끝난 것으로 보는 편이 맞습니다. 10년 사이 대략 두 배가 됐습니다.

파이에서 가장 큰 조각은 재료과학이고, 그다음이 화학입니다. 생화학·유전·분자생물, 공학, 화학공학이 뒤를 잇습니다. 약리·독성·약학은 중간 크기이고, 농업·생물과학과 환경은 더 작습니다. 의학(Medicine) 조각은 눈에 띄게 얇습니다.

그래서 키토산 문헌의 무게중심은 임상이 아니라 재료·화학·공학입니다. 앞의 그림 9·10이 약물전달만 잘라 본 것이고, 이 그림은 그 주변까지 포함한 전체입니다. 논문 수 증가가 의학 적응증의 확대를 뜻하지는 않습니다.