Polyamidoamine (PAMAM) dendrimer consisting of biodegradable functional groups is one of the non-viral vectors and has showed relatively low cytotoxicity. However, its poor transfection efficiency acts as a barrier of in vivo research and medical application. To overcome this problem, we introduced amphiphilic KF dipeptides to PAMAM generation 3 and 4, and evaluated transfection efficiency. Compared with those of native PAMAM generation 3 and 4, PAMAM generation 4-KF showed enhanced transfection efficiency in HeLa and HepG2 cell lines. These results imply that introduction of KF dipeptide to polymers can improve the transfection efficiency.

폴리아미도아민(PAMAM) 덴드리머는 널리 이용되는 비바이러스성 벡터 중 하나이며 생분해성 잔기를 가지고 있기 때문에 비교적 낮은 세포독성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 빈약한 유전자 전달 능력은 폴리아미도아민 덴드리머의 생체 내 연구 및 임상적용에 장벽으로 작용하고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 폴리아미도아민 덴드리머 3차와 4차에 양친매성의 디펩티드인 라이신과 페닐알라닌을 도입하고 형질주입 능력을 평가하였다. 표면개질되지 않은 폴리아미도아민 덴드리머 3차, 4차와 비교할 때, 라이신과 페닐알라닌을 도입한 폴리아미도아민 덴드리머 4차는 HeLa, HepG2 세포 주에서 향상된 형질주입 효율을 나타내었고 또한 비교적 낮은 세포독성을 나타내었다. 이러한 결과들은 고분자들에 라이신, 페닐알라닌 디펩티드의 도입은 빈약한 유전자 전달 능력을 향상시킬 수 있음을 암시한다.

Keywords: gene delivery, non-viral vector, polyamidoamine, transfection efficiency, cytotoxicity

유전자 치료란 외부로부터 치료유전자의 도입을 통해 유전자 수준에서 질병의 치료를 목적으로 하는 모든 기술들을 일컬으며 치료 유전자를 전달하는 방법으로는 전기천공법(electroporation), 유전자총(gene gun), 미량주사법(microinjection)등과 같은 물리적 방법과 “벡터” 라고 불리는 전달체를 이용하는 방법이 있다.¹
“벡터”는 바이러스를 이용하는 바이러스성 벡터와 비바이러스성 벡터로 나뉘어진다.
바이러스성 벡터는 우수한 유전자 전달 능력을 나타내지만, 레트로바이러스(retrovirus) 벡터들의 경우 무작위로 숙주세포에 유전자를 삽입하기 때문에 점 돌연변이에 의한 암 발생 가능성을 내포하고 있으며 아데노바이러스(adenovirus) 벡터들의 경우 대부분의 사람들이 감기에 의한 아데노바이러스에 감염 경험이 있기 때문에 체내 항체들을 가지고 있으며 실제 임상에 적용할 때 면역반응에 의해 유전자 전달 효율이 급격히 감소할 수 있는 단점을 가지고 있다.
이외에도 바이러스 벡터들은 공통적으로 비교적 큰 면역반응을 보이며 심할 경우 환자의 사망가능성을 가지는 등, 안전성 측면에서 많은 문제들을 가지고 있으므로 이러한 단점을 보완하기 위해 비바이러스성 벡터들의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
비바이러스 벡터들에는 양이온성 고분자(cationic polymer), 양이온성 리피드(cationic lipid), 무기나노입자(inorganic nanoparticle) 등이 있다.^1,2
비바이러스 백터들 중에서, 양이온성 고분자들은 표면의 개질과 대량생산이 용이하며 낮은 면역원성과 정전기적 인력을 통한 비교적 높은 세포침투능력을 가지기 때문에 유전자 전달을 위한 유망한 수단으로 여겨진다.
고분자들을 기반으로 하는 유전자 전달의 경우 음전하를 띠는 핵산(nucleic acid)들과 정전기적 인력에 의한 결합으로 폴리플렉스(polyplex)라고 불리는 나노 입자를 형성하는데 이폴리플렉스들은 내포작용(endocytosis)을 통해 엔도좀(endosome)에 둘러쌓여 세포 내로 유입되는데 엔도좀으로부터 폴리플렉스들의 탈출이 어렵다는 단점이 있다.³
따라서 바이러스성 벡터들과 비교할 때 낮은 유전자 전달 효율을 지니며, 비교적 좋지 않은 생분해성 문제와 세포 표면 및 소기관과 강한 정전기적 결합에 의해 야기되는 세포독성은 해결해야 할 과제로 남아 있다.
이러한 생분해성 문제를 극복하기 위해서 개발된 고분자가폴리아미도아민(polyamidoamine) 덴드리머이며, 폴리아미도아민 덴드리머는 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 코어로 하여 마이클첨가(micheal addition)를 통해 펩티드 결합(peptide bond)으로 구성된 고분자로 좋은 생분해성을 지니게 되었으나 생분해성 잔기가 없는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine)과 비교할 때 여전히 낮은 유전자 전달능력을 지니고 있다. 여러 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해서 고분자 말단의 잔기에 아미노산(amino acid), 세포에 존재하는 특이적 수용체(receptor)에 대한 리간드(ligand) 및 소수성 리간드, 항체(antibody), 핵 수송 신호 펩티드(nuclear localization signal peptide) 등을 도입하여 유전자 전달 능력을 향상시켰다.⁴
본 연구에서는 안정적인 폴리플렉스가 형성되고 세포침투성을 지닌다면 유전자 전달 효율을 향상시킬 수 있을 것이라는 가설을 세우고, 폴리아미도아민 덴드리머의 유전자 전달능력을 향상시키기 위해 2개의 일차 아민(primary amine)을 가지고 있으며 pKa 값이 높아서 수용액상에서 이온화가 잘되어 양전하를 띠기 때문에 핵산과 잘 결합하여 안정적인 폴리플렉스 형성을 유도하는 라이신(lysine)과 소수성을 띠는 세포막과 세포소기관 막에 대한 높은 침투성을 가지는 것으로 알려진 페닐알라닌(phenylalanine)을 폴리아미도아민 덴드리머 말단 잔기에 도입하고, 이를 이용한 폴리플렉스 형성과 크기 및 전하와 같은 물리적 특성을 확인하고 세포에 대한 유전자 전달 효율과 독성 평가실험을 통한 유전자 전달체로서 의 기능을 확인하였다.