비만 치료를 위한 마이크로니들 패치의 최신 연구와 가능성

비만 치료를 위한 마이크로니들 패치의 최신 연구와 가능성

비만은 에너지 섭취와 소비의 불균형으로 발생하며, 그 결과 지방이 과도하게 저장되어 체질량지수(BMI)가 증가합니다. 비만은 당뇨병, 암, 고혈압, 심장병, 수면 무호흡증, 만성 염증 등 여러 대사 질환과 관련이 있습니다. 2019년에는 비만과 관련된 질병으로 전 세계에서 500만 명이 사망했으며, 2020년에는 전 세계적으로 26억 명이 비만이나 과체중 진단을 받았고, 2025년에는 30억 명으로 증가할 것으로 예상됩니다. 비만으로 인한 글로벌 경제적 비용은 2022년에 약 2조 달러로 평가되었으며, 2035년까지 4조 달러를 초과할 것으로 예상됩니다. 현재 비만을 치료하기 위해 신체 운동, 조절된 식이요법, 생활 습관 변화가 일반적으로 시행되지만, 비만의 원인은 유전적, 환경적, 대사적 요인이 복합적으로 작용하기 때문에 결과가 좋지 않을 수 있습니다. 이에 따라 비만 치료의 또 다른 방법으로는 비만 관리의 표준 치료로 인정된 비만 수술과, 체질량지수(BMI) 30 이상 또는 비만 관련 질병을 가진 경우에 필요한 약물 치료가 있습니다. 현재 FDA 승인을 받은 비만 치료 약물로는 오르리스타트, 펜터민-토피라메이트 ER, 날트렉손-부프로피온, 리라글루타이드, 세마글루타이드, 티르제타파이드, 세트멜라노타이드가 있습니다. 그러나 이들 약물은 효과가 제한적이며 심혈관 문제, 뇌혈관 문제, 암, 우울증 등 여러 부작용이 있을 수 있습니다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 새로운 항비만 화합물과 그 전달 전략이 연구되고 있습니다. 특히, 경피 약물 전달 시스템(TDDS)은 주사보다 덜 침습적이며 경구 약물에 비해 장을 통과하지 않아 약물의 약리학적 프로필을 개선하고 부작용을 최소화할 수 있습니다. TDDS는 호르몬 요법, 생리 증후군, 피임, 통증 완화, 금연 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 2022년 글로벌 시장 규모는 319억 달러였고, 2032년까지 520억 달러를 초과할 것으로 예상됩니다.

그러나 TDDS는 피부층, 특히 각질층에 의해 약물의 투과가 제한되는 단점이 있습니다. 이를 해결하기 위해 이온포레시스, 초음파, 전기천공, 마이크로니들, 마이크로에멀전, 고형 지질 나노입자 등 다양한 전략이 개발되었습니다. 특히, 마이크로니들 패치(MP)는 피부를 안전하고 효율적으로 관통하여 약물을 전달할 수 있는 진보된 전략으로 주목받고 있습니다. 마이크로니들 패치는 피부의 장벽을 뚫고 약물을 더 깊은 피부층까지 전달할 수 있습니다. 비록 1976년에 첫 번째 마이크로니들 패치가 특허를 받은 이후, 최신 생체재료 기술과 제작 방법으로 인해 현재 상용화된 제품이 일부 있지만, 비만 치료를 위한 상용 제품은 아직 없습니다. 2023년에는 마이크로니들 패치의 시장 가치가 7억 6천 8백만 달러로 예상되며, 향후 10년간 두 배로 성장할 것으로 보입니다. 마이크로니들 패치는 비만, 당뇨병, 상처 치유, 암, 피부 질환 등 다양한 치료에 사용될 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 최근 연구에서는 마이크로니들 패치를 이용한 비만 치료에 대한 연구가 진행되고 있으며, 마이크로니들 재료, 제작 방법, 약물 전달 전략, 생물의학적 응용에 대한 리뷰가 이루어지고 있습니다. 이 연구는 최근 2017년부터 2023년까지의 비만 치료를 위한 마이크로니들 패치의 활용 현황을 자세히 분석하고, 사용된 재료, 약물 로딩, 전달 전략, 패치 디자인 등을 논의하고 있습니다. 또한, 마이크로니들 패치의 약물 로딩 방법과 각 사례에 대한 약리학적 데이터와 생물학적 효과를 다루고 있으며, 약물의 작용 메커니즘보다는 패치 내 약물의 삽입 전략에 중점을 두고 있습니다. 마지막으로, 비만 치료를 위한 마이크로니들 패치의 미래 전망과 결론을 제시합니다.

마이크로니들 패치를 통한 표적 경피 약물 전달의 효능과 가능성

마이크로니들 패치와 같은 경피 약물 전달 시스템(TDDS)은 약물을 제어된 방식으로 지속적으로 제공할 수 있는 방법입니다. 기존의 주사나 경구 약물과는 달리, 마이크로니들 패치는 비침습적이며 사용이 간편하고 모든 연령대의 환자에게 안전하게 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 피부의 다양한 층을 통과하여 약물을 효과적으로 전달하는 것을 목표로 합니다. 특히, 마이크로니들 패치는 피부의 모든 층을 성공적으로 관통하여 약물이 혈류에 도달할 수 있도록 해야 합니다. 피부의 구조를 이해하는 것은 마이크로니들 패치의 주요 기능을 이해하는 데 중요합니다. 피부는 여러 층으로 구성되어 있으며, 그 중 가장 바깥층인 각질층은 약물 침투의 주요 장애물입니다. 각질층은 약 1020마이크로미터 두께로, 각질세포가 벽돌처럼 쌓여 있어 약물의 침투를 제한합니다. 그 아래에는 투명한 상피층이 있으며, 이는 주로 손바닥과 발바닥에 존재합니다. 그 다음에는 과립층이 있으며, 이 층은 약 510마이크로미터 두께로, 케라토하이알린 과립을 포함하여 케라틴 필라멘트를 정렬하는 데 도움을 줍니다. 그 아래에는 가시층이 있으며, 이 층은 케라틴 생성과 면역 기능을 담당하는 세포로 구성됩니다. 마지막으로 기저층이 있으며, 이곳에는 피부의 색소와 감각 수용체 기능을 담당하는 세포들이 있습니다. 마이크로니들 패치는 이러한 피부의 모든 층을 관통하여 약물을 효과적으로 전달할 수 있어, 가장 많이 연구된 TDDS 중 하나로 자리잡았습니다. 다른 TDDS 방법들은 이온포레시스, 초음파, 전기천공 등 다양한 장비를 필요로 하기 때문에 실용성이 떨어질 수 있습니다. 마이크로니들 패치의 뛰어난 다재다능성 덕분에 여드름, 발암증, 탈모, 당뇨병, 다한증, 기미, 두통, 염증성 피부 질환, 골다공증, 통증 관리, 흉터, 피부 노화, 백신 전달 등 여러 치료 분야에서 임상 시험이 진행되고 있습니다. 이러한 다양한 응용 분야에서 마이크로니들 패치는 각기 다른 재료와 형태로 제작되어 약물 전달 방식에 따라 맞춤형 효과를 제공합니다. 이러한 배경에서, 마이크로니들 패치의 기능과 적용 가능성을 이해하는 것이 중요하며, 다음 섹션에서는 마이크로니들 패치의 다양한 유형과 주요 특징에 대해 설명합니다.

 

마이크로니들 패치의 종류와 특성

마이크로니들 패치는 미세한 바늘을 사용하여 피부의 표면 장벽을 뚫고 약물을 깊은 피부층으로 전달하는 장치입니다. 이 패치는 효율성이 높고 사용이 간편하며, 자가 투여가 가능하여 빠른 약물 전달을 제공합니다. 마이크로니들 패치의 개념은 1976년에 제안되었지만, 본격적으로 임상 사용을 염두에 두고 개발된 첫 패치는 1998년에 등장했습니다. 이후 마이크로니들 패치는 간단한 개발과 무통증 사용 덕분에 다양한 화합물 전달에 활용되기 시작했습니다. 마이크로니들 패치의 주요 요구 사항은 생체 적합성, 피부층을 뚫을 수 있는 강도, 약물의 적재와 방출 능력, 경우에 따라 생분해성입니다. 피부는 복잡하고 유연하기 때문에 마이크로니들이 삽입되거나 부러질 수 있는 문제를 고려해야 합니다. 따라서 마이크로니들의 설계는 형태, 바늘의 높이, 바닥의 폭, 바늘 간의 거리 등을 잘 고려해야 합니다. 다양한 형태의 마이크로니들이 사용되며, 이에는 직사각형, 원뿔형, 뾰족형, 피라미드형 등이 포함됩니다. 바늘의 높이는 약물 전달의 성공에 영향을 미치며, 피부를 뚫는 데 필요한 힘과 바늘 간의 간격도 중요합니다. 현재 마이크로니들은 다섯 가지 주요 유형으로 구분됩니다. 고형 마이크로니들은 최근에 많이 연구되었으며, 금속(티타늄, 스테인리스 스틸 등) 또는 폴리머(실리콘, 열가소성 폴리우레탄 등)로 제작됩니다. 고형 마이크로니들은 미세한 구멍을 만든 후 약물을 전달하는 방식입니다. 코팅된 마이크로니들은 바늘 표면에 약물이 코팅되어 있으며, 사용 후 코팅이 녹아 약물이 방출됩니다. 이러한 코팅은 금속이나 실리콘 재질로도 할 수 있으며, 약물의 안정성을 높이는 데 도움이 됩니다. 비어 있는 마이크로니들은 내부에 약물 용액을 전달할 수 있는 구멍이 있어 정확한 용량의 약물을 피부에 전달할 수 있습니다. 또한, 용해성 마이크로니들은 생분해성 폴리머로 제작되어 피부에 삽입된 후 분해되면서 약물이 방출됩니다. 이러한 폴리머로는 히알루론산, 폴리락틱코글리콜산 등이 사용됩니다. 마지막으로, 하이드로겔 마이크로니들은 최근에 개발된 유형으로, 물에 의해 부풀어 오르는 고분자 물질로 만들어집니다. 피부에 삽입된 후 하이드로겔이 부풀어 약물이 방출됩니다. 하이드로겔 마이크로니들은 약물 방출 속도를 조절할 수 있어 최소 침습적인 진단 및 약물 전달에 적합합니다. 이러한 다양한 마이크로니들 패치의 설계와 특성은 각기 다른 약물 전달 방식과 응용 분야에 따라 최적화됩니다.

 

비만 치료를 위한 마이크로니들(MP) 응용

마이크로니들은 다양한 의학적 응용이 가능한 기술이지만, 비만 치료에 대한 연구는 아직 부족합니다. 비만 치료를 위한 마이크로니들 개발은 최근 6년 동안 진행되어 왔으며, 주로 두 가지 전략이 사용됩니다. 첫째는 약물을 마이크로니들 폴리머 용액에 직접 용해하는 방식이고, 둘째는 약물을 나노입자에 캡슐화한 후 이 나노입자를 폴리머 용액에 녹여 사용하는 방식입니다. 비만 치료를 위한 마이크로니들에 사용되는 재료는 주로 히알루론산, 폴리(lactic-co-glycolic acid), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등입니다. 이러한 재료들은 주로 용해되는 마이크로니들 형태를 만듭니다. 이 섹션에서는 비만 치료를 위한 마이크로니들 개발에 사용된 다양한 전략을 자세히 설명합니다. 히알루론산(HA)은 N-아세틸-D-글루코사민과 D-글루쿠론산 잔기로 구성된 자연 폴리머로, 마이크로니들에서 가장 많이 사용되는 폴리머입니다. HA는 피부 장벽을 통과하고 약물을 조절된 방식으로 방출할 수 있는 뛰어난 물리적 특성을 가지고 있습니다. Than et al.은 HA를 사용하여 β3-아드레날린 수용체 작용제와 갑상선 호르몬 T3를 전달하는 마이크로니들을 개발하였고, 이 마이크로니들은 2분 이내에 용해되었습니다. T3를 통한 비만 치료는 혈중 농도 도달 시간이 길어져 반감기도 길어지는 경향이 있었습니다. 또한 β3-아드레날린 수용체 작용제의 경우, 마이크로니들을 이용한 투여가 동일 효과를 5배 낮은 농도로 얻을 수 있었습니다. Liao et al.은 HA에 석신산 용액을 추가하여 마이크로니들을 제작하였으며, 이 마이크로니들을 3일마다 7주 동안 적용하여 체중 증가를 3배 줄이는 효과를 보였습니다. Dangol et al.은 HA와 카페인을 혼합하여 마이크로니들을 제작했으며, 카페인은 6시간 내에 94% 이상 방출되었습니다. 카페인 함유 마이크로니들은 체중 증가를 줄이고, 혈중 렙틴을 감소시키며, 아디포넥틴 수준을 증가시켰습니다. Methacrylated HA(mHA)를 사용하여 제작된 마이크로니들은 로지글리타존을 전달하기 위해 개발되었습니다. Zhang et al.은 mHA와 산성 민감성 덱스트란 나노입자를 결합하여 제어된 약물 방출 시스템을 구현했습니다. Peng et al.은 mHA와 로지글리타존을 혼합하여 마이크로니들을 제작하고, 마이크로니들 위에 흑인화물 나노입자를 추가하여 약물 방출을 촉진시켰습니다. 이 방법은 체중 감소와 지방 조직 감소에 효과적이었습니다. PVA와 HA를 혼합하여 사용하면 기계적 성질을 개선하고 약물 방출을 조절할 수 있습니다. Bao et al.은 캡사이신을 α-락타알부민 나노미셀에 캡슐화하여 HA-PVA 혼합물에 포함시켜 마이크로니들을 제작하였습니다. 이 마이크로니들은 고지방식이 쥐에서 체중 감소를 유도했습니다. Mudhol & Serva Peddha는 캡사이신을 클로브 오일-나트륨 카제인 나노입자에 캡슐화하여 PVA-HA 혼합물에 포함시켰습니다. 이 방법은 캡사이신의 지방 조직 축적을 촉진했습니다. PLGA는 젖산과 글리콜산이 결합된 폴리머로, 수용액에서 쉽게 분해됩니다. Than et al.은 PLGA를 사용하여 β3-아드레날린 수용체 작용제와 T3를 전달하는 마이크로니들을 제작하였고, PLGA의 다양한 유형을 혼합하여 약물 방출을 조절했습니다. Abbasi et al.은 PLGA와 메트포르민을 사용하여 마이크로니들을 제작하였고, 이들을 이온토포레시스를 이용해 체내에 전달하였습니다. 메트포르민은 체중 감소와 에너지 소비 증가에 효과적이었습니다. PVP는 생체 적합성이 뛰어난 폴리머로, Rabiei et al.은 PVP와 PLGA 나노입자를 사용하여 리라글루타이드가 포함된 마이크로니들을 제작하였습니다. PVP-PVA 혼합물은 기계적 강도를 개선하였고, 메트포르민을 포함한 마이크로니들은 혈당 조절에 효과적이었습니다. 마지막으로, 젤라틴과 실리콘을 사용한 연구도 있었습니다. An et al.은 젤라틴 마이크로니들로 비만 치료 효과를 확인하였고, Liu et al.은 실리콘 마이크로니들에 AdPLA2 siRNAs를 적용하여 지방 분해를 촉진하는 효과를 보였습니다. 이와 같이 다양한 재료와 방법이 비만 치료를 위한 마이크로니들 개발에 사용되고 있으며, 앞으로도 연구와 개발이 계속될 것으로 기대됩니다.

 

전망과 결론

마이크로니들(MP)을 통한 항비만 물질의 경피 전달 시스템은 아직 초기 단계지만, 비만 치료에 대한 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 그러나 MP의 약물 방출 효과를 최대화하고 이해하기 위해서는 몇 가지 주요 문제를 해결해야 합니다. 우선, 약물 방출 속도를 조절할 수 있는 다양한 방법이 필요합니다. 현재까지 항비만 용도로 사용된 MP 재료는 대부분 빠르게 분해되며, 이상적으로는 지속적인 약물 공급이 요구됩니다. 현재까지 사용된 재료는 히알루론산(HA), 메타크릴레이트 히알루론산(mHA), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리락트이드-글리콜리드(PLGA) 등이며, 이들 재료의 혼합이 물리화학적 성질을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, HA와 PLGA를 혼합한 MP는 흥미로운 기회를 제공할 수 있습니다. 또한, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리카프로락톤, 키토산, 실크 단백질 등 다른 생체적합성 폴리머들도 MP 재료로 사용될 수 있습니다. 자극에 반응하는 재료를 사용하는 것도 효과적인 전략이 될 수 있습니다. 예를 들어, pH를 낮추는 효소를 이용한 나노입자나 열에 반응하는 MP는 특정 환경에서의 약물 방출을 조절할 수 있습니다. MP를 통한 항비만 약물의 효율성과 특이성은 약물의 성격과 전달 전략에 따라 달라집니다. 그러나 포르지네 젤라틴과 같은 특정 폴리머는 추가 약물 없이도 항비만 효과를 나타낼 수 있습니다. 또한, α-락토알부민 나노미셀과 같은 약물 전달 시스템은 추가 약물 없이도 항비만 활동을 보일 수 있습니다. 따라서 MP의 항비만 활동을 강화하기 위해서는 폴리머와 나노입자를 조합한 접근 방식이 유용할 수 있습니다. 예를 들어, 키토산과 그 유도체는 여러 메커니즘을 통해 항비만 효과를 나타내며, PLGA는 비어 있는 스캐폴드로도 항비만 효과를 보일 수 있습니다. 한편, 약물의 농도와 MP의 기하학적 형태는 아직 명확히 규명되지 않았습니다. 현재까지의 연구에서는 단일 농도와 기하학적 형태만 사용되었으며, 다양한 농도와 형태를 통해 최적의 효과를 연구할 필요가 있습니다. MP의 기하학적 형태는 피부 침투에 영향을 미치며, 적절한 적용이 이루어지지 않을 경우 약물 전달의 효율성이 저하될 수 있습니다. 따라서, MP의 표준화된 적용 전략이 필요합니다. 총체적으로 볼 때, MP는 비만 치료에 대한 유망한 대안이 될 수 있습니다. 그러나 최적화된 MP를 개발하기 위해서는 더 많은 항비만 물질을 시험하고, FDA 승인 약물도 포함하는 등 다양한 옵션을 확보할 필요가 있습니다. 비만의 전 세계적인 유병률이 증가하고 있는 가운데, 항비만 물질이 포함된 MP의 대량 생산에 대한 필요성이 커질 것입니다. 따라서, MP의 대량 제조 가능성도 검토되어야 합니다.

 

참고문헌

Sánchez-Trasviña C, Coronel-Meneses D, Escobar-Fernández AM, Mayolo-Deloisa K. Transdermal microneedle patches as a promising drug delivery system for anti-obesogenic molecules. Front Bioeng Biotechnol. 2024 Jun 11;12:1380537. doi: 10.3389/fbioe.2024.1380537. PMID: 38919379; PMCID: PMC11196754.