[학술자료] 난청 치료제를 개발하기 위해 알아야할 내용

난청의 원인은 다양하게 있지만 가장 큰 원인은 소음 노출과 노화 그리고 이어폰 사용이라고 할 수 있습니다. 환자수는 증가하고 있지만 일단 난청이 시작되면 딱히 치료할 수 있는 방법이 없습니다. 달팽이관까지 약물을 전달하기가 매우 어렵기 때문입니다. 직접적으로 달팽이관에 약물을 주입하려면 고막을 뚫고, 중이를 통과해서 내이까지 뚫어서 넣어야 하기 때문입니다. 이렇게 난청 치료제를 전달하기도 어렵고 약물을 개발하기도 어렵습니다. 하지만 많은 제약사들이 도전하고 있습니다. 난청 치료제를 개발하기 위해 고려해야 하는 내용을 알아보고 연구 개발되고 있는 약물에 대해 알아보겠습니다.

 

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1. 난청이란?

1) 정의:

난청(hearing loss)은 말, 소리를 듣는 데 어려움이 있는 증상을 의미함.

2) 원인:

외부 소리를 인식하는 과정 중 어느 부분에 문제가 있느냐에 따라 크게 두 종류로 나뉩니다.

• 전음성 난청: 소리 전달 과정 중에 문제가 발생
• 감각신경성 난청: 달팽이관의 감각신경 세포와 신경의 문제

난청 치료제를 개발하는 전략은 크게 세 가지로 나뉩니다. <Otoprotection>, <Regeneration>, <Tinnitus symptoms>입니다. otoprotection은 내이 구조를 보호하는 것이고, Regeneration은 손상당한 세포와 신경을 회복하는 것입니다. 그리고 가장 귀에서 가장 많이 발생하는 이명을 제어하는 약물이 있습니다.

Strategies in hearing loss medicine discovery

<Otoprotection>	<Regeneration>	<Tinnitus symptoms>
Aminoglycoside/cisplatin Noise Ageing	Ribbon synapse loss Hair cell loss Stria competency	Modulation of spontaneous CNS activity

약물 개발에 가장 중요한 것은 <Patient selection, Medicine delivery, Target engagement>입니다.

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2. 귀의 구조

난청의 치료를 위해서는 귀의 구조를 알아야 합니다. 약물의 타깃은 <전음성 난청>이 아닌 <감각신경성 난청>입니다. 한마디로 내이입니다. 달팽이관 안에 있는 섬모 세포(hair cells) 또는 신경입니다. 그래도 조금은 섬모 세포가 더 쉬워 보이는 타깃입니다.

귀_구조

난청 치료제가 아무리 좋아도 약물은 전달하는데 큰 어려움이 있습니다. 4가지의 physical barrier에 대해서 말씀드리겠습니다.

1) Tympanic membrane (고막)

0.6mm 두께의 케라틴과 lipid-rich 각질층으로 작고, moderately lipophilic molecules도 통과하지 못하는 불투과막입니다. 내이로 가기 위해서는 고막을 뚫어야 합니다.

2) Round window membrane (RWM, 정원창)

탄성력과 반투과성(semi-permeable) 특징을 갖는 RWM은 와우각(cochlea)으로 약물을 전달하는 주요한 경로로 사용될 수 있습니다. 와우각으로 약물이 쉽게 들어가지는 못하지만 정원창을 통해 조금이라도 가능성이 생긴 것입니다.

ROUND WINDOW MEMBRANE 특징

• 70um thickness, 2.2 mm2 in human, 10-14um thickness, 1 mm2 in rodents
• aminoglycoside antibiotics and corticosteroid (~500Da), mAb (~150 kDa) 통과한 결과가 있음. 알부민 (70 kDa)은 통과 못함 (정상적인 상태).
• cationic ferritin (450 kDa)은 통과한 반면, anionic ferritin은 통과하기 어려움.
• lipophilic steroid은 hydrophilic steroid보다 더 잘 통과함.
• benzyl alcohol은 RWM의 투과성을 3~5배 높이고 osmolality를 300에서 620 mOsm/kg 높이면 2~3배 투과성이 높아진다고 추정됨.

3) Oval window (OW, 난원창)

perilymph of the vestibule (정전 기관의 외림프)로 약물을 투여하는 경로 사용될 수 있습니다. 하지만 이런 경로는 약물이 얼마나 들어갔는지 측정하기 매우 어렵습니다. 연구에서 난원 창 경로를 통해 형광 표지 된 bisphosphonate compound가 apical cochlear까지 전달된 것을 사람에서 확인했습니다.

• 정원창보다 약물 전달에 비효율적 임.

4) Blood-perilymph barrier (BPB)/ blood-endolymph barrier (BEB)

• 혈관과 와우각(cochlea) 사이의 물리적 생화학적 장벽. BBB와 유사하여 작은 지용성 분자만 통과할 수 있음.
• 분자량이 크거나 수용성, 전하를 띠는 분자는 분자량이 크면 확산이 어려움.

혈관_외이림프_장막

뇌의 BBB가 있듯이 와우각 쪽에도 혈관과 외림프 사이에도 물질이 함부로 통과하지 못하도록 막이 있습니다. 여기도 약물을 전달하기 쉬운 루트는 아니지만 도전할 수 있는 약물 투여경로가 되겠습니다.

외림프와 내림프의 성분은 변화, pH, 오스몰, volume 등 작은 변화에도 청력 감소가 나타날 수 있습니다. 특히 국소 투여제의 보존제는 정원창의 투과성에 영향을 줄 수 있으며, 독성으로 작용할 수 있어서 사용하면 안 됩니다. 내이의 여러 가지 특징을 고려하고, 구조적인 특징을 알아야만 난청 치료제가 개발될 수 있습니다.

 

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3. 약물 투여 경로

난청 치료제의 가장 어려운 점은 약물 전달입니다. 전신 약물은 경구투여, 정맥주사 등이 있고, 국소 투여 방법은 크게 4가지가 있습니다.
<topical, Transtympanic, Intratympanic, Intracochlear>가 있습니다. 난청 치료제의 투여 경로의 특장점을 알아보겠습니다.

난청치료제_투여경로

1) Transtympanic drug administration

drug diffusion에 의해 약물이 중이, 내이로 전달됩니다. Chemical permeation enhancer를 이용하여 항생제와 같은 약물은 Tympanic membrane을 통과함.

• rat연구에서 peptide와 gene therapy vector가 고막을 통과한 연구 결과 있습니다. 하지만 이 루트를 통과할 수 있는 약물의 양이 매우 제한적입니다.
• 장점: Non-invasive

2) Intratympanic drug administration

중이에 약물을 주입한 약물은 확산을 통해 정원창을 통과하여 내이의 perilymph-filled scala tympani로 이동합니다. 단점은 고막을 뚫고 중이에 약물을 넣는다는 것입니다.

• 약물 용량은 0.3 – 0.5ml까지 가능합니다.
• intratympanic drug delivery의 한계(유스타키오관을 통한 제거)를 극복하기 위해 hydrogel, nanoparticle을 지속시간 및 투과성을 높이는 방법을 이용합니다.

고실내_약물주입

3) Intracochlear drug administration

다른 투여방법에 비해 더 나은 drug bioavailability를 보입니다. 문제는 고막 뚫고, 정원창까지 뚫어서 직접 와우각에 넣는다는 것입니다.
이러한 방법은 현재 동물실험에서만 가능합니다.

• Intracochlear administration은 직접 주사, 달팽이관 이식, 삼투성 미니 펌프 등 이 있습니다.
• micro needle syringe를 이용한 직접 주사를 통해 소량의 약물 주입(약 5ul)이 가능합니다.

Intratympanic VS Intracochlear administration 특장점

	Intratympanic administration	Intracochlear administration
Benefits	1. Treatment of middle ear and inner ear diseases 2. Minimized systemic exposure 3. Short and middle term local drug delivery (several days to weeks) 4. Minimally invasive 5. Usually outpatient procedure 6. Adapted for nanocarriers, hydrogels and medical devices	1. Treatment of inner ear diseases 2. Minimized systemic exposure 3. Long term local drug delivery (several months to years) 4. Avoids the diffusion through the round window, direct access to the cochlea 5. Adapted for nanocarriers, liquid formulations and medical devices 6. Drugs can be delivered along with a cochlear implant
Limitations	1. Require diffusion through the round window for access to the cochlea 2. High inter-individual variability (variable thickness of the round window, potential obstruction of the round window) 3. Clearance through the Eustachian tube 4. Not adapted for liquid formulations 5. Risk of introducing pathogens in the middle ear 6. Risk of tympanic membrane perforation	1. Invasive 2. Requires hospitalization 3. Potential toxicity of a high drug concentration in the cochlea 4. Risk of introducing pathogens in the inner ear

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4. 난청 치료제 formulation 개발 전략

1) Intratympanic drug delivery

cochlea는 민감한 기관으로 약물은 pH7.1-7.4, sterile, isotonic, preservative free이어야 합니다.
Formulation은
1> Hydrogel formulation : chitosan, hyaluronic acid, poloxamer 407, PLGA ->약물 전달 시간이 늘어남
2> Nanoparticle drug delivery system: liposome, lipid nanocapsules, PLGA nanoparticle, polymersome, superparamagnetic nanoparticle.

• 수용성이 낮은 물질을 전달에 장점이 있음.
• 현재는 상용화 된 nanoparticle 제품은 없음.
• 동물 모델에서 inner ear로 전달 효과 우수

2) Intracochlear drug delivery

• 이 방법은 대부분 동물에서 실행되는 방법임

3) Round Window Membrane Permeability

정원창_투과성

• MW300~500의 약물은 diffusion에 의해 inner ear fluids로 잘 들어감.
• MW45,000인 horseradish peroxidase는 정상적인 조건에서는 RWM을 통과하기 어렵지만 기니피그 모델에서 반복적인 약물을 투여한 경우에 내이에서 검출됨.
• 알부민 (MW67,000)경우는 정상적인 조건에서는 RWM을 통과할 수 없지만 inflammation 상태일때는 통과할 수 있음.
• Human serum albumin(HSA)는 중이에서 어느정도 농도이상이 되어야 Perilymph로 통과할 수 있음.
• Ferritin (MW 445,000)는 정상적인 상태에서는 RWM 통과 못함. 심각한 염증반응이 일어난뒤 1-2주 뒤에 RWM layer에서 관찰됨.
• Bacterial toxin (staphylococcal exotoxin, MW12,000)는 정상적인 상태에서도 RWM을 투과할 수 있음.
• Ig G: golimumab과 mineral oil을 이용하여 RWM을 통과하는것을 관찰.

 

 

4) 한계

1. Inner ear로 약물 전달을 평가할 수 있는 표준 방법이 없습니다.
2. Inner ear안에 fluid는 매우 소량이므로 민감도가 높은 방법이 필요하며, Perilymph pharmacokinetics 연구에 기술적인 어려움이 있습니다.
3. Cochlea는 민감한 기관으로 약물은 pH7.1-7.4, sterile, isotonic, preservative free이어야 합니다. Formulation은 solutions, suspensions, hydrogels, nanoparticles 사용이 가능합니다.
4. 계속적인 injection이 어려운 만큼 Single injection으로 효과가 나타나야합니다.

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이어서 난청 치료제 개발에 대해서 전달하겠습니다.
2022.01.29 - [심각한_질병이야기] - [학술자료] 과연 난청을 치료할 수 있을까?

[학술자료] 과연 난청을 치료할 수 있을까?