Enhancing solubility and antibacterial properties of Cefpodoxime Proxetil by using rice husk derived nanocellulose as a drug carrier: A novel approach

기술 요약: 쌀겨 유래 나노셀룰로오스를 통한 세포도심 프록세틸(Cefpodoxime Proxetil)의 용해도 및 항균 특성 향상

문제 제ル
제약 산업은 용해도가 낮은 약물의 제형화와 관련하여 상당한 어려움에 직면해 있으며, 이는 종종 낮은 생체 이용률과 감소된 치료 효능을 초きた합니다. 세미 합성 세팔로스포린계 항생제인 세포도심 프록세틸(CP)은 생물약제학적 분류 체계(BCS) Class IV 약물로 분류됩니다. 이 약물은 낮은 수용성(400 μg/ml)과 제한적인 절대적 생체 이용률(130 mg 정제 기준 약 50%)로 인해 문제를 겪고 있습니다. 주요 제한 사항에는 장관 내 콜린에스테라아제에 의한 에스테르 측쇄의 가수분해와 용해 제한적 장내 흡수가 포함됩니다. 또한, 농업 생물 폐기물, 특히 쌀겨(RH)의 처리는 높은 실리카 함량과 연소 시 과도한 재를 생성하는 경향성으로 인해 환경적 문제를 야기합니다. 따라서 약물 용해도를 높이는 동시에 농업 잔류물을 활용할 수 있는 지속 가능하고 친환경적인 약물 운반체에 대한 절실한 필요성이 존재합니다.

연구 방법론
본 연구는 쌀겨로부터 나노셀룰로오스 결정(NCCs)을 추출하고 이를 CP의 운반체로 활용하기 위해 다단계 접근 방식을 채택하였습니다.

1. NCCs의 합성: 쌀겨를 수집하여 다음과 같은 3단계 화학 처리 과정을 거쳤습니다:
   • 산 가수분해: 헤미셀룰로오스를 가수분해하고 유기 불순물을 제거하기 위해 5N H₂SO₄를 사용하여 90°C에서 2시간 동안 처리했습니다.
   • 알칼리 처리 및 증기 폭쇄: 잔여물을 110°C에서 3시간 동안 수산화나트륨으로 처리한 후, 121°C에서 45분간 오토클레이브 처리를 수행했습니다. 탈리그닌 효과를 극대화하고 비셀룰로오스 성분을 제거하기 위해 이 증기 폭쇄 과정을 두 차례 반복했습니다.
   • 표백: 순백색 셀룰로오스 섬유를 얻기 위해 알칼리 처리된 잔여물을 수소 퍼옥사이드와 빙초식 아세트산의 1:1 혼합물로 80°C에서 8시간 동안 표백했습니다.
2. 약물 로딩: CP는 30°C에서 등온 흡착 연구를 통해 NCCs에 로딩되었습니다. 1:1 에탄올/디클로로메탄(DCM) 혼합액에 녹인 CP 포화 용액을 NCCs와 혼합하고 24시간 동안 흔들어 주었습니다. 약물이 로딩된 운반체(CP-NCCs)는 원심 분리와 여과를 통해 분리되었습니다.
3. 특성 분석: 합성된 NCCs 및 CP-NCCs는 다음을 사용하여 분석되었습니다:
   • FTIR: 작용기 및 상호작용 메커니즘 식별.
   • SEM & EDS: 형태학적 분석 및 원소 구성 분석.
   • DLS: 입자 크기 분포 및 다분산 지수(PDI) 결정.
   • XRD: 결정성 및 결정 구조 평가.
   • BET 분석: 비표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포 측정.
   • 분자 모델링: CP와 NCCs 사이의 상호작용 시각화.
4. 성능 평가:
   • 약물 방출: 위 환경을 모사하기 위해 37°C, PBS(pH 1.2) 조건에서 in vitro 방출 연구를 수행하였으며, UV-Vis 분광광도계를 사용하여 샘플을 분석했습니다. 방출 역학은 Zero-order, First-order, Higuchi, 및 Korsmeyer-Peppas 모델을 사용하여 모델링되었습니다.
   • 항균 활성: Bacillus subtilis(그람 양성) 및 Escherichia coli(그람 음성)를 대상으로 디스크 확산법을 수행하여 순수 CP, 순수 NCCs, 그리고 CP-NCCs 복합체의 저해원(ZOI)을 측정했습니다.

주요 결과

• 재료 특성: 추출 결과 쌀겨로부터 약 20%의 NCCs를 얻었습니다. NCCs는 평균 입자 직경 166.1 nm(P기 0.560)의 나노미터 크기를 나타냈으며, 구형의 응집된 형태를 보였습니다. XRD 분석 결과, 결정성 지수(CI)가 47.44%인 셀룰로오스 Iβ 결정 구조를 확인했습니다. BET 분석 결과, 비표면적은 6.63 m²/g, 평균 기공 크기는 16.93 nm로 나타났으며, 이는 약물 로딩에 적합한 메조포러스 구조임을 나타냅니다.
• 약물 로딩 및 상호작용: 최대 약물 로딩 용량은 NCCs 1g당 약 200 μg의 CP로 결정되었습니다. CP-NCCs 복합체에 대한 FTIR 분석 결과, 피크 이동(예: 1461 cm⁻¹에서 1451 cm⁻¹로)과 강도 변화가 관찰되었으며, 이는 공유 결합이나 깊은 포함 복합체 형성보다는 약한 반데르발스 상호작용 및 표면 흡착이 일와났음을 나타냅니다. 분자 모델링 또한 이를 뒷받부하며, 부피가 큰 CP 분자(길이 10.986 Å)가 NCCs 공동 내부로 들어가지 못하고 표면 흡착 및 수소 결합을 통해 상호작용함을 시사했습니다.
• 방출 역학: CP-NCCs 제형은 pH 1.2 PBS에서 지속 방출 프로파일을 보여주었습니다. 첫 30분 동안 약 4.47%의 약물이 방출되었으며, 10시간에 걸쳐 누적 방출량 99%를 달-성했습니다. 역학 모델링 결과, 농도와 무관하게 일정한 방출 속도를 갖는 Zero-order 모델(R² = 0.91)에 가장 잘 부합하였으며, Higuchi 모델(R² = 0.81)이 그 뒤를 이었습니다.
• 항균 효능: CP-NCCs 복합체는 E. coli에 대해 6 mm의 저해원(ZOI)을 보이며 향상된 항균 활성을 나타냈습니다. 이는 순수 CP(3 mm) 및 순수 NCCs(5 mm)보다 우수한 결과로, 약물 침투 또는 국소 농도를 개선할 수 있는 시너지 효과가 있음을 시사합니다. 테스트된 모든 샘플에 대해 B. subtilis에 대한 긍정적인 항균 효과는 관찰되지 않았습니다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 고성능 나노 운반체로서 쌀겨 생물 폐기물을 가치 있는 자원으로 전환함으로써, 약물 전달에 대한 새롭고 지속 가능한 접근 방식을 제공한다고 주장합니다. 본 연구는 쌀겨 유래 NCCs가 세포도심 프록세틸과 같이 용해도가 낮은 약물의 용해도와 생체 이용률을 효과적으로 높일 수 있음을 입증했습니다. 주요 기여는 다음과 같습니다:

1. 지속 가능성: 쌀겨 생물 폐기물로부터 NCCs를 성공적으로 추출한 것은 순환 경제 원칙과 일치하며, 환경적 영향을 줄이는 동시에 부가가치가 높은 의약품 재료를 창출합니다.
2. 성능 향상: CP-NCCs 제형은 약물의 방출 프로파일을 개선하여 산성 환경에서의 지속적인 전달을 가능하게 했으며, E. coli에 대한 항균 효능의 시너지 효과를 입증했습니다.
3. 타당성: 본 연구는 화학적으로 처리된 쌀겨를 약물 운반체로 사용하는 기술적 타당성을 검증하였으며, 이는 BCS Class IV 약물의 부작용을 줄이고 치료 결과를 개선할 수 있는 잠재력을 강조합니다.

본 논문은 현재의 연구가 중요한 진전이지만, 향후 연구는 생산 규모를 확대하고 특정 방출 프로파일을 위해 나노셀룰로오스-약물 복합체의 물리화학적 특성을 더욱 정교하게 조정하는 데 집중해야 한다고 결론짓습니다.