생분해성 Poly [(amino acid ester) phosphazenes]의 합성과 Ciprofloxacin 이식제의 제조 및 평가 = Synthesis of biodegredable poly[(amino acid ester) phosphazenes] and evaluation of ciprofloxacin implants

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

An implant is a dosage form that increasess bioavailability, reduces the dose frequency by extending the duration of drug in blood and maintains the concentration in the body through controlled-release of drug. Using the biodegradable polymer as the matrix of implant attains lots of benefits that it has no need to get rid of the remnant matrix after the completion of drug release and controls release mechanism through the degradation of matrix. Polyphosphazene satisfied biocompatibility and can be synthesized as polymers of various physical characteristics through the induction of many kinds of substituents. In this paper, physicochemical characteristics such as Tg, degradability, hydrophilicity and solubility could be changed by substitution of various hydrophilic and hydrophobic amino acids.
Ciprofloxacin loaded implants with synthesized polyphosphazenes as matrices were prepared and in vitro degradation test revealed that the degradation profiles were different according to the matrices. Serine and hydrophobic phenylalanine or leucine substituted polymers were degraded rapidly within 24 hours. It was occured by the rapid degradation of serine-rich portion of polymers and the initial burst release of CFX from PPSP and PLSP matrices was also due to it. On the other hand, it was not occured in glycine substituted polymers instead of serine. Degradations of PGGP and PTGP showed that acceleration of degradation by hydroxyl group as well as catalytic action of carboxylic acid played an important role. Surface morphologies were varied according to the substituted amino acids. Surfaces of hydrophobic PLGP and PPGP were porous but the tyrosine substituted polymers had fine surfaces. The release of drug from PPGP and PLGP with low degradability was based on the porous surfaces.
In vitro release experiment showed that the drug was released at zero-order from the implants. Compared with degradation ratio, the main mechanism of drug release was drug diffusion through the polymer matrix. The hydrophilicity and degradation profiles of polymer were contributed to the zero order release.
The result of pharmacokinetic assessment of the implantation into rabbit showed good applicability as sustained release formulation with the fact that the implant of antibiotics CFX, using biodegradable poly[(amino acid ester)phosphazenes] as the matrix, satisfied the appropriate pharmaceutical condition such as bioavailibility, biodegradability and biocompatibility, and that the effective drug concentration in plasma was maintained for more than 600 hours. The implants made by PTGP or PGGP showed the most excellent properties in the comparison of AUC, MRT and Tmax. PPGP and PLGP had strong point of low initial burst effect having similar sustained effect. It was also verified that POT concept can be the proper standard of evaluation in addition to in vivo quality evaluation of the implants by AUC and MRT, and Css used in POT was applied as the standard of initial burst effect that mostly matters for a matrix material.
The applicability of biodegradable poly[(amino acid ester) phosphazenes] as a matrix of sustained-release long-term drug delivery system was verified from above results.

Keywords : Poly[(amino acid ester)phosphazenes], Controlled release implant, Ciprofloxacin, Degradation, Pharmacokinetic parameter, Bioavailability, POT

국문 초록 (Abstract)

이식제는 약의 생체 내 효능을 높이고 혈중 약물의 지속시간을 연장시켜 투여 횟수를 줄일 수 있으며 약물의 조절방출로 체내 농도를 일정하게 유지시키는 장점이 있는 제형이다. 특히 생분해성 고분자를 이식제에 사용한 경우 약물의 용출이 끝난 후 남아있는 기제를 제거할 필요가 없고 매트릭스의 분해에 의해 약물의 방출 기전이 조절되는 등 많은 장점이 있다. Poly- phosphazene도 생체적합성이 확립된 고분자로 여러 가지 치환기의 도입으로 다양한 물성의 고분자로 합성할 수 있다. 본 논문에서는 polyphosphazene에 aromatic hydrocarbon, aliphatic hydrocarbon, carboxylic aicd, hydroxyl기 등 각각 다른 기능기를 갖는 아미노산을 치환시킴으로 Tg, 분해성, hydrophilicity, 용해도 등의 고분자의 물리화학적 성질을 변화시킬 수 있었다.
또한 합성한 생분해성 poly[(amino acid ester)phosphazenes]가 매트릭스이고 항생제인 ciprofloxacin이 봉입된 이식제를 제조하고 이에 대한 in vitro 분해 시험에서, 매트릭스의 종류에 따른 분해양상의 차이가 있었다. Hydrophobic한 phenylalanine과 leucine과 함께 serine이 치환된 고분자 매트릭스에서 초기 분해가 매우 크게 나타났는데 이는 수용성 serine이 주로 치환된 부분이 먼저 빨리 분해되기 때문이었다. 반면에 phenylalanine과 leucine이 glycine과 함께 치환된 고분자 매트릭스는 초기의 빠른 분해가 나타나지 않았다. 이러한 초기 분해의 차이에 의해 in vitro 용출시험에서 PPSP와 PLSP 이식제에서 initial burst release가 나타났다. 표면 형태도 다양하였는데 leucine과 phenylalanine이 치환된 고분자는 다공성 표면이었으나 tyrocine이 함유된 고분자의 표면에는 pore가 없었다. 분해율이 낮은 PPGP와 PLGP에서도 용출량에 차이가 없었던 것은 pore에 의해 표면적이 증가되었기 때문으로 생각되었다. 또한 PGGP보다 PTGP가 더 많이 분해되는 것으로 보아 carboxylic aicd에 의한 분해의 촉매작용도 중요하지만 hydroxyl기에 의한 분해 촉진 작용이 크게 작용함을 알 수 있었다.
이식제로부터 CFX의 in vitro 용출은 0차 속도로 일어나며 주된 용출 기전은 고분자내 약물의 확산이며 고분자의 hydrophilicity와 고분자 분해 등이 보완적 작용을 하여 0차 용출 속도로 나타나는 것으로 확인하였다.
제조된 이식제를 토끼에 이식하여 약물속도론적 평가를 행한 결과 생분해성 poly[(amino acid ester)phosphazenes]을 매트릭스로 한 항생제 CFX의 이식제는 생체내이용율, 생분해성, 생체적합성 등의 면에서 제제학적 조건을 충족시켰으며 혈중 유효 약물농도가 600시간 이상까지 유지되는 등 지속성 제제로서의 사용 가능성을 시사하였다. 특히 PTGP, PGGP로 제조한 이식제가 AUC, MRT 등으로 종합적으로 평가하였을 때 가장 우수하였으며 PPGP, PLGP로 제조한 이식제도 지속효과에서는 유의적인 차이가 없었으나 initial burst effect가 낮다는 면에서 장점을 찾을 수 있었다. 또한 AUC, MRT에 의한 제제의 in vivo 품질 평가 외에 POT 개념을 사용한 결과 적절한 평가 기준이 됨을 확인하였고 매트릭스 제제에서 가장 문제시 되는 initial burst effect의 기준으로 POT에서 사용되는 Css를 적용하여 평가할 수 있었다.
이상의 결과로부터 생체분해성 poly[(amino acid ester)phosphazene]을 매트릭스로하는 이식제의 지속방출형 장기 투여 제제로 사용 가능성을 확인하였다.

주요어 : poly[(amino acid ester)phosphazene], 이식제, ciprofloxacin, 분해, 용출, 약물동력학적 파라미터, 생체내이용율, POT

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 ------------------------------------------------------ 1
• Ⅱ. 실험 방법 ------------------------------------------------------- 14
• A. 시약 및 기기 ---------------------------------------------------- 14
• 1. 시약 ----------------------------------------------------------- 14
• 2. 기기 ----------------------------------------------------------- 15
• B. Poly[(amino acid ester)phosphazenes]의 합성 --------------------- 17
• 1. Poly[dichlorophosphazene] -------------------------------------- 17
• 2. Phenylalanine-glycine substituted polyphosphazene -------------- 18
• 3. Glutamic acid-glycine substituted polyphosphazene -------------- 21
• 4. Leucine-glycine substituted polyphosphazene -------------------- 21
• 5. Tyrosine-glycine substituted polyphosphazene ------------------- 21
• 6. Tyrosine-Leucine(1:2)-glycine substituted polyphosphazene ------ 21
• 7. Tyrosine-Leucine(2:1)-glycine substituted polyphosphazene ------ 22
• 8. Phenylalanine-serine substituted polyphosphazene --------------- 22
• 9. Leucine-serine substituted polyphosphazene --------------------- 22
• C. 합성 고분자의 확인 및 물리적 성질 측정 -------------------------- 22
• 1. 합성 고분자의 확인 --------------------------------------------- 22
• 2. 합성 고분자의 물리적 성질 측정 --------------------------------- 23
• D. 약물을 함유한 이식제제의 제조 ----------------------------------- 23
• E. 이식제의 분해 시험 ---------------------------------------------- 24
• F. 이식제의 표면 관찰 ---------------------------------------------- 25
• G. In vitro 용출 시험 ---------------------------------------------- 25
• H. In vivo 투여 시험 ----------------------------------------------- 26
• 1. 실험 동물 및 사육 조건 ----------------------------------------- 26
• 2. 실험 설계 ------------------------------------------------------ 27
• 3. 정맥주사 ------------------------------------------------------- 27
• 4. 피하주사 ------------------------------------------------------- 28
• 5. 이식제의 투여와 채혈 ------------------------------------------- 28
• 6. 이식 동물의 독성 관찰 ------------------------------------------ 28
• 7. 혈장중 ciprofloxacin 농도 정량 --------------------------------- 30
• 7-1. 혈장중 ciprofloxacin 추출 ----------------------------------- 30
• 7-2. HPLC 조건 --------------------------------------------------- 30
• 8. 약물동력학적 파라미터의 계산 ----------------------------------- 31
• I. 결과의 통계 분석 ------------------------------------------------ 32
• Ⅲ. 실험 결과 및 고찰 ----------------------------------------------- 33
• A. Poly[(amino acid ester)phosphazenes]의 합성 --------------------- 33
• B. 분해 시험과 고분자 표면 관찰 ------------------------------------ 45
• C. In vitro 용출 시험 ---------------------------------------------- 52
• 1. 용출액중의 ciprofloxacin의 정량 -------------------------------- 52
• 2. Ciprofloxacin의 용출 경향 -------------------------------------- 54
• D. In vivo 동물 시험 ----------------------------------------------- 63
• 1. 혈장중 ciprofloxacin 농도의 정량 ------------------------------ 63
• 2. 정맥주사 ------------------------------------------------------- 63
• 3. 피하주사 ------------------------------------------------------- 67
• 4. Ciprofloxacin를 함유하는 고분자 이식제의 토끼에의 이식시험 ----- 67
• Ⅳ. 결 론 -------------------------------------------------------- 91
• Ⅴ. 참고문헌 -------------------------------------------------------- 93
• Abstract ------------------------------------------------------------107