Therapeutic patch delivery in the gastrointestinal tract using magnetically actuated capsule = 자기 구동 캡슐을 이용한 위장관으로의 치료용 패치 전달

국문 초록 (Abstract)

최근 위장관 내 질병 발생 빈도가 증가하고 있으며 캡슐 내시경을 이용한 위장관 약물 전달 및 치료에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 캡슐 내시경을 이용한 약물 전달 및 치료에서, 빠르고 정확하며 캡슐이 병변 부위로 이동하는 동안 약물을 보호하는 것은 중요한 문제이다. 또한, 위장관 내의 두 군데 이상의 표적 병변에 약물을 여러 번 전달하는 것은 도전적인 문제이다. 본 연구에서는 자기 구동 캡슐을 이용한 위장관에서의 치료 패치 전달을 제안한다. 치료용 패치는 생분해성, 생체 적합성 및 생체 접착 특성을 가진 재료로 만들어진다. 또한 두 군데 이상의 병변에 여러 번 전달될 수 있도록 제작되었다. 치료용 패치는 자기 구동 캡슐에 탑재되어 위장관 내 표적 병변으로 전달된다. 자기 구동 캡슐은 전자기 작동 시스템에 의해 생성된 외부 자기장에 의해 위장관에서 정확하고 빠르게 이동할 수 있다.
첫 번째로, 자기 구동 캡슐을 사용한 다중 층 약물 담지 마이크로니들 패치 전달이 연구되었다. 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 제작된 connecting layer을 포함하는 다중 층 마이크로 니들 패치는 둘 이상의 표적 병변에 전달될 수 있다. 또한, 자기 구동 캡슐을 이용하여 외부 자기장에 의해 신속하고 정확하게 약물 담지 마이크로니들 패치 전달을 가능하게 한다. 다음으로, 개폐 메커니즘이 적용된 자기 구동 캡슐을 이용한 지혈용 마이크로니들 패치 전달이 연구되었다. 지혈 마이크로니들 패치는 생체 적합성, 생분해성 및 지혈 특성을 지닌 젤라틴과 키토산으로 제작되었다. 지혈 마이크로니들 패치는 개폐 메커니즘이 적용된 자기 구동 캡슐에 탑재된다. 제안된 개폐 메커니즘을 통해, 캡슐은 닫힌 상태에서 마이크로니들 패치를 보호하면서 이동한다. 열린 상태에서는 마이크로니들이 캡슐 외부로 돌출되어 병변 부위로 전달된다. 마지막으로, 개폐 메커니즘을 갖는 자기 구동 캡슐을 사용한 키토산-카테콜 패치 전달이 연구되었다. 카테콜은 홍합에서 영감을 얻은 단백질의 작용기이며 습한 환경에서도 접착력을 유지하는 특성이 있다. 즉, 제안된 키토산-카테콜 패치는 점액이 존재하는 장내 환경에서도 우수한 접착력을 갖는다. 제안된 패치에는 자성 나노 입자와 대표적인 암 치료제인 독소루비신이 담지된다. 패치는 alternating magnetic field(AMF)에 의해 온도가 상승되어 탑재된 독소루비신의 방출을 촉진하여 패치의 치료 성능을 증가시킨다.
패치의 특성화를 포함한 다양한 성능 실험을 수행하여 제안된 패치의 전달 및 치료 능력이 입증되었다. 또한 자기 구동 캡슐의 이동 및 작동 능력을 평가하기 위해 다양한 실험이 수행되었다. 마지막으로, 자기 구동 캡슐을 이용한 위장관 내의 표적 병변으로의 패치의 전달 가능성을 확인하기 위해 Ex-vivo 실험이 수행되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, there has been an increase in the frequency of gastrointestinal diseases and various studies on drug delivery and treatment in the gastrointestinal tract using capsule endoscopes have been conducted. In drug delivery and treatment using capsule endoscopy, along with rapid, accurate, protecting the drug while the capsule moves to the lesion site is an important issue. In addition, multiple delivery of the drug to the two or more target lesions in the gastrointestinal tract is challenging issue. In this study, we propose the therapeutic patch delivery in the gastrointestinal tract using magnetically actuated capsule. The therapeutic patch is made of materials with biodegradability, biocompatibility, and bioadhesive property. In addition, it is designed to enable multiple deliveries to two or more lesions. The therapeutic patch is equipped in the magnetically actuated capsule and delivered to target lesions in the gastrointestinal tract. The magnetically actuated capsule can accurately and rapidly move in the gastrointestinal tract by the external magnetic field generated by the electromagnetic actuation system.
First, multi-layer drug-loaded microneedle patch delivery using a magnetically driven capsule was studied. Proposed multi-layer microneedle patches including a connecting layer made of polydimethylsiloxane (PDMS) can be delivered to two or more target lesions. In addition, the magnetically driven capsule enables rapid and accurate drug-loaded microneedle patches delivery by an external magnetic field. Next, hemostatic microneedle patch delivery using magnetically actuated capsule with opening-closing mechanism was studied. The hemostatic microneedle patch was made of gelatin and chitosan, which are biocompatible, biodegradable and have hemostatic properties. Also, through the proposed opening-closing mechanism, the capsule is closed to protect the microneedle patches during its locomotion state and is opened to protrude and deliver them to the lesion sites during its delivery state. Finally, chitosan-catechol patch delivery using magnetically actuated capsule with the opening-closing mechanism was studied. Catechol is a functional group of mussel-inspired protein and has the characteristic of maintaining adhesion even in a wet environment. That is, the proposed chitosan-catechol patch has excellent adhesion in the intestinal environment with mucus. In addition, the proposed patch is loaded with magnetic nanoparticles and doxorubicin, a representative cancer treatment. The patch is heated by an alternating magnetic field, which promotes the release of loaded doxorubicin, thereby increasing the therapeutic performance.
Various performance experiments including characterization of the patch were conducted to demonstrate the delivery and therapeutic capabilities of the proposed patch. In addition, various experiments were conducted to evaluate the operation ability of the magnetically actuated capsule. Finally, an ex-vivo test was performed to confirm the delivery feasibility of the patches equipped in the capsule to target lesions in the gastrointestinal tract.