의약품 전달 시스템

경구 투여는 약물을 입을 통해 삼켜 위장관을 거쳐 흡수되도록 하는 가장 일반적인 의약품 투여 경로이다. 이 방법은 환자가 스스로 쉽게 투약할 수 있어 편의성이 높고, 주사와 같은 침습적 방법에 비해 통증이 없으며, 대부분의 약물에 적용 가능하다는 장점을 가진다. 정제, 캡슐, 시럽, 현탁액 등 다양한 제형으로 제조되어 환자의 필요에 맞게 선택될 수 있다.

그러나 경구 투여는 약물이 위산이나 소화 효소에 의해 분해될 수 있으며, 간을 통한 초회 통과 효과로 인해 생체이용률이 낮아질 수 있는 한계가 있다. 또한, 위장관에서의 흡수 속도와 정도는 음식물의 유무나 위장관의 운동 상태 등에 영향을 받아 약효 발현이 변동될 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 장용 코팅 제제나 지속성 방출 제제 등이 개발되어 특정 장관에서만 용출되거나 서서히 약물이 방출되도록 설계된다.

경구 투여용 나노 전달 시스템은 약물의 용해도와 안정성을 향상시키고, 표적 부위로의 선택적 전달을 가능하게 하는 중요한 연구 분야이다. 리포솜, 고분자 나노입자, 미셀 등을 활용한 시스템은 위장관 장벽을 통한 흡수를 촉진하고, 약물을 보호하며, 원하는 방출 프로파일을 구현하는 데 기여한다. 특히 단백질 기반 약물이나 펩타이드와 같이 경구 투여 시 쉽게 분해되는 물질의 전달에 유망한 기술로 주목받고 있다.

경피 투여는 약물을 피부를 통해 체내로 흡수시키는 투여 경로이다. 피부는 크게 표피, 진피, 피하 조직으로 구성되어 있으며, 약물은 주로 표피의 가장 바깥층인 각질층을 통과해야 한다. 각질층은 지질과 각질 세포가 교대로 쌓인 구조로, 친지성 약물의 투과에 비교적 유리한 반면, 친수성 약물이나 대분자 약물의 투과는 제한적이다. 따라서 경피 투여는 투과성이 높은 저분자량의 친지성 약물에 주로 적용된다.

경피 전달 시스템은 경피 패치가 대표적이다. 경피 패치는 약물을 함유한 저장고와 피부에 부착하는 접착층으로 구성되어 있으며, 약물이 지속적으로 일정한 속도로 피부를 통해 혈류로 흡수되도록 설계된다. 이는 약동학 프로필을 안정화시키고, 간의 초회 통과 효과를 회피할 수 있어 생체이용률을 높이는 장점이 있다. 또한 환자가 투약을 자주 하지 않아도 되어 치료 순응도를 향상시킨다. 니코틴 패치, 호르몬 패치, 진통제 패치 등이 임상에서 널리 사용되고 있다.

경피 투여의 한계를 극복하기 위한 새로운 기술도 개발되고 있다. 미세니들 패치는 미세한 바늘 배열로 각질층에 일시적인 미세 통로를 만들어 대분자 약물이나 백신 성분의 피부 투과를 가능하게 한다. 음파투과법이나 이온토포레시스와 같은 물리적 증강법은 약물 투과를 촉진시키는 보조 기술로 연구된다. 또한 나노 입자나 리포솜을 활용한 나노 전달 시스템을 통해 약물의 피부 침투성을 개선하는 접근법도 활발히 진행 중이다.

주사 투여는 약물을 주사 바늘과 주사기를 이용해 피부를 통과시켜 체내에 직접 주입하는 방법이다. 이 방법은 경구 투여나 경피 투여와 달리 소화관이나 피부 장벽을 우회하므로, 약물의 생체이용률이 거의 100%에 가깝고 효과가 빠르게 나타난다는 장점이 있다. 특히 긴급한 상황에서의 응급 처치나, 위장에서 분해되기 쉬운 단백질 기반 약물, 또는 정확한 혈중 농도 조절이 필요한 치료에 필수적으로 사용된다.

주사 투여는 주입되는 체내 부위에 따라 크게 정맥 주사, 근육 주사, 피하 주사로 구분된다. 정맥 주사는 약물을 직접 혈류에 도입하여 즉각적인 효과를 기대할 때 사용되며, 근육 주사는 약물을 근육 조직에 주입해 비교적 빠르면서도 지속적인 흡수를, 피하 주사는 피부 바로 아래 지방 조직에 서서히 약물을 방출하도록 할 때 주로 활용된다. 또한, 관절강 내 주사나 척수강 내 주사와 같이 특정 부위에 직접 약물을 전달하는 국소 주사법도 있다.

이러한 직접 투여법은 높은 생체이용률과 빠른 작용 발현이라는 명확한 장점이 있지만, 환자의 통증과 불편감을 유발하며 무균 조작이 필요해 전문적인 의료 훈련이 요구된다는 한계도 있다. 또한, 일회성 투여로 인해 혈중 약물 농도가 급격히 변동할 수 있어, 이를 보완하기 위해 지속성 방출 제제 형태의 주사제 개발이 활발히 진행되고 있다.

흡입 투여는 약물을 호흡기를 통해 체내로 흡입시키는 투여 경로이다. 주로 기관지와 폐에 직접 작용하는 약물을 전달하는 데 사용되며, 전신 효과를 목표로 할 수도 있다. 이 방법은 천식이나 만성 폐쇄성 폐질환 치료를 위한 흡입기, 인플루엔자 치료제, 그리고 일부 마취제의 투여에 널리 적용된다.

흡입 투여 시스템은 크게 미세입자를 생성하는 장치와 그 입자를 환자가 흡입할 수 있도록 하는 인터페이스로 구성된다. 대표적인 장치로는 계량 흡입기, 건조 분말 흡입기, 분무기 등이 있다. 이러한 장치들은 약물을 미세한 에어로졸 입자로 변환하여 호흡기 깊숙이 도달할 수 있도록 설계된다.

이 투여 경로의 주요 장점은 약물이 표적 장기에 직접 도달하여 신속한 효과를 발휘할 수 있다는 점이다. 또한 간을 통한 초회 통과 효과를 우회할 수 있어 생체이용률이 높고, 전신적인 부작용을 상대적으로 줄일 수 있다. 그러나 약물 입자의 크기와 침착 위치를 정밀하게 제어해야 하며, 환자의 호흡 패턴에 따라 투여 효율이 영향을 받을 수 있다는 한계도 있다.

최근 연구에서는 나노입자를 활용한 흡입형 항암제 전달이나 폐를 통한 단백질 및 펩타이드 약물, 유전자 치료제의 전달 시스템 개발이 활발히 진행되고 있다. 이는 호흡기를 통해 전신 치료가 가능한 새로운 가능성을 열고 있다.

점막 투여는 약물을 코, 입, 눈, 직장, 질 등의 점막을 통해 체내로 전달하는 방법이다. 이 경로는 점막 조직이 얇고 혈관이 풍부하여 약물이 빠르게 흡수될 수 있다는 장점이 있다. 특히 경구 투여가 어렵거나 간에서의 초회 통과 효과를 피하고자 할 때 유용하게 활용된다. 대표적인 점막 투여 부위로는 비강, 구강 점막, 안구, 직장 점막 등이 있다.

비강 점막을 통한 투여는 비강 스프레이 형태로 이루어지며, 천식 치료제나 일부 호르몬 제제, 백신 등에 적용된다. 구강 점막 투여는 설하정이나 점막 접착 필름 형태로, 협심증 치료제 니트로글리세린이 대표적이다. 직장 점막 투여는 좌약이나 관장 형태로 이루어지며, 메스꺼움 완화제나 어린이의 해열제로 사용된다.

이러한 점막 투여 시스템을 설계할 때는 점막의 생리적 장벽과 약물의 분자량, 친수성 등을 고려해야 한다. 점막 표면의 점액 층과 빠른 점막 세포 재생 속도는 약물 흡수를 방해할 수 있다. 따라서 점막 접착성을 높이거나 점액 침투를 용이하게 하는 전달체가 개발되고 있으며, 키토산과 같은 생분해성 고분자가 널리 연구된다.

점막 투여는 전신적 효과뿐만 아니라 국소 치료에도 사용된다. 예를 들어, 안약은 녹내장이나 안구 감염을 치료하기 위해 국소적으로 적용된다. 최근에는 백신을 비강이나 구강 점막을 통해 투여하여 점막 면역을 유도하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이는 호흡기나 소화기 감염병 예방에 유리한 방법으로 주목받고 있다.

일반 제제는 의약품 전달 시스템의 가장 기본적인 형태로, 약물을 단순히 운반하여 체내에 투여하는 것을 목표로 한다. 이는 경구 투여를 위한 정제나 캡슐, 주사 투여를 위한 앰플, 경피 투여를 위한 연고나 패치 등 전통적인 의약품 형태를 포괄한다. 주요 목적은 약물을 체내에 효과적으로 도입하는 것이며, 약물의 생체이용률을 높이고 투여의 편의성을 제공한다. 그러나 이러한 제제는 대부분 비표적성으로, 약물이 원하는 치료 부위뿐만 아니라 전신에 광범위하게 분포할 수 있어 원하지 않는 부위에서의 부작용 발생 가능성이 있다.

일반 제제는 약물의 방출 속도에 따라 즉시 방출 제제와 지속 방출 제제로 크게 나눌 수 있다. 즉시 방출 제제는 투여 후 빠르게 약물을 방출하여 신속한 치료 효과를 목표로 하며, 대부분의 일반적인 정제나 캡슐이 이에 해당한다. 반면, 지속 방출 제제는 특수한 코팅 기술이나 고분자 매트릭스를 이용해 약물이 서서히 방출되도록 설계되어, 혈중 약물 농도를 장시간 유지하고 투여 횟수를 줄일 수 있다. 이는 환자의 순응도 향상에 기여한다.

이러한 제제의 설계에는 약동학적 특성이 중요한 고려 사항이다. 약물이 체내에서 어떻게 흡수, 분포, 대사, 배설되는지를 이해해야 적절한 제형을 선택할 수 있다. 예를 들어, 간에서 쉽게 대사되는 약물은 경구 투여 시 생체이용률이 낮을 수 있어, 피하 주사나 피부 패치와 같은 대체 경로가 고려될 수 있다. 또한, 제제에 사용되는 첨가제나 담체는 약물의 안정성과 환자의 안전성에 직접적인 영향을 미친다.

일반 제제는 여전히 임상에서 가장 널리 사용되는 형태지만, 표적 전달 시스템이나 나노 전달 시스템과 같은 고도화된 시스템의 기반을 제공한다. 새로운 의약품 개발 시, 먼저 일반 제제 형태로의 제형화 가능성을 평가하는 것이 일반적이다. 이는 제조 공정이 비교적 단순하고 비용 효율적이며, 안전성 프로파일이 잘 확립되어 있기 때문이다.

지속성 방출 제제와 조절성 방출 제제는 약물이 체내에서 일정 기간 동안 지속적으로 방출되거나, 외부 자극에 반응하여 방출 속도가 조절되도록 설계된 의약품 전달 시스템이다. 이는 약물의 혈중 농도를 치료 창 내에 오래 유지함으로써 투여 횟수를 줄이고 약효를 극대화하며, 혈중 농도의 급격한 변동으로 인한 부작용을 감소시키는 것을 목표로 한다. 경구 투여용 정제나 캡슐, 경피 투여용 패치, 주사 투여용 주사제 등 다양한 투여 경로에 적용된다.

지속성 방출 제제는 일반적으로 고분자 기반의 매트릭스나 코팅 기술을 사용한다. 약물이 서서히 확산되거나, 고분자가 분해되면서 약물이 방출되는 방식이다. 예를 들어, 경구 서방형 제제는 위장관을 통과하는 수 시간 동안 약물을 꾸준히 방출하도록 설계된다. 반면, 조절성 방출 제제는 pH, 온도, 효소, 광 또는 자기장과 같은 특정 생체 내·외부 자극에 반응하여 약물 방출을 정밀하게 제어한다. 이는 암 치료와 같이 특정 병리학적 환경을 표적으로 하는 데 유용하다.

이러한 시스템의 설계에는 약동학과 약력학에 대한 깊은 이해가 필요하다. 약물의 적절한 방출 속도를 결정하기 위해서는 약물의 반감기, 분포 용적, 표적 부위의 특성 등을 종합적으로 고려해야 한다. 사용되는 재료 과학도 매우 중요한데, 생분해성 고분자나 하이드로겔과 같은 물질이 약물을 담지하고 방출을 조절하는 매체로 널리 연구되고 활용된다.

지속성/조절성 방출 제제는 당뇨병 환자를 위한 인슐린 서방형 제제, 심혈관계 질환 치료를 위한 니트로글리세린 패치, 통증 관리를 위한 마약성 진통제 서방형 제제 등 다양한 만성 질환의 관리에 핵심적인 역할을 하고 있다. 이는 환자의 약물 순응도를 높이고 삶의 질을 개선하는 데 기여한다.

표적 전달 시스템은 약물을 체내의 특정 부위, 즉 질병 부위나 특정 세포로 선택적으로 전달하도록 설계된 기술이다. 이 시스템의 핵심 목표는 약물이 정상 조직에는 영향을 최소화하면서 표적 부위에서만 높은 농도로 작용하게 하여 치료 효과를 극대화하고 부작용을 줄이는 것이다. 이를 위해 시스템은 약물, 약물을 운반하는 전달체, 그리고 표적을 인식하는 항체나 리간드 같은 표적 인지 요소로 구성된다.

표적 전달 시스템은 크게 수동적 표적화와 능동적 표적화로 나눌 수 있다. 수동적 표형화는 종양 조직과 같이 혈관이 비정상적으로 발달한 부위에서 나노입자와 같은 전달체가 누출되고 축적되는 현상을 이용한다. 반면, 능동적 표적화는 표적 세포 표면에 특이적으로 존재하는 수용체나 항원에 결합하는 인지 요소를 전달체 표면에 부착하여, 세포 내 섭취를 유도하는 방식을 말한다.

이러한 시스템은 다양한 투여 경로를 통해 적용된다. 정맥 주사를 통한 전신 순환 경로가 가장 일반적이지만, 경구 투여를 위한 코팅 기술이나, 피부를 통한 경피 투여, 폐를 표적으로 하는 흡입 투여 등에도 활용된다. 특히 암 치료 분야에서 화학요법 약물의 표적 전달은 정상 세포에 대한 독성을 줄이는 데 핵심적인 역할을 한다.

표적 전달 시스템의 설계에는 약동학, 생체이용률, 약물 방출 속도, 그리고 전달체의 생체 적합성과 생분해성이 중요한 고려 사항이다. 리포솜, 고분자 미셀, 덴드리머 등 다양한 나노 소재가 전달체로 연구되며, 표적 인지를 위한 생체 분자의 정밀한 공학적 설계가 치료의 성패를 가른다.

나노 전달 시스템은 약물을 운반하는 운반체의 크기가 나노미터(10^-9m) 수준인 의약품 전달 시스템을 가리킨다. 이 시스템은 나노기술을 활용하여 약물의 용해도와 안정성을 높이고, 생체장벽을 극복하며, 질병 부위에 선택적으로 약물을 집중시킬 수 있도록 설계된다. 리포솜, 고분자 나노입자, 미셀, 덴드리머 등 다양한 나노 물질이 전달체로 사용되며, 각각의 특성에 따라 약물의 포장, 보호, 방출 방식이 달라진다.

이 시스템의 가장 큰 장점은 표적 치료가 가능하다는 점이다. 암 치료에서 항암제를 종양 조직에 선택적으로 전달함으로써 정상 세포에 대한 독성을 줄이고 치료 효과를 높이는 것이 대표적인 예이다. 또한 생체이용률이 낮은 약물을 나노 크기로 제형화하면 체내 흡수율을 개선할 수 있으며, 혈뇌장벽과 같은 난공불락의 장벽을 통과하여 중추신경계 질환 치료제를 전달하는 데에도 활용된다.

나노 전달 시스템은 투여 경로에 따라 그 형태와 특성이 조절된다. 경구 투여용으로는 위산에서 분해되지 않고 장에서 흡수되도록 설계된 나노캡슐이 개발되며, 정맥 주사를 통한 전신 순환 시에는 혈액 내에서 긴 체류 시간을 갖도록 표면을 폴리에틸렌글리콜로 코팅하기도 한다. 피부 경피 투여를 위한 나노에멀젼이나 미세니들 패치 기술도 활발히 연구 중이다.

하지만 임상 적용에는 몇 가지 과제가 남아있다. 나노 물질의 장기적 안전성과 독성에 대한 평가가 필요하며, 대량 생산의 어려움과 높은 제조 원가가 실용화의 걸림돌이 되고 있다. 또한 복잡한 생체 환경 내에서 의도한 표적 부위까지 정확하게 도달하고 약물을 방출하는 효율을 극대화하는 것은 여전히 해결해야 할 핵심 과제이다.

약동학은 약물이 체내에 흡수, 분포, 대사, 배설되는 과정을 정량적으로 연구하는 학문이다. 의약품 전달 시스템을 설계할 때는 약동학적 특성을 고려하여 약물이 목표하는 표적 부위에 적절한 농도와 시간 동안 도달하도록 해야 한다. 이는 약물의 생체이용률을 높이고 원하지 않는 부위에서의 노출을 줄여 치료 효과를 극대화하고 부작용을 최소화하는 데 핵심적이다.

약동학은 크게 네 가지 주요 과정, 즉 흡수, 분포, 대사, 배설로 구성된다. 의약품 전달 시스템은 이러한 과정을 조절하거나 우회하는 방식으로 작동한다. 예를 들어, 경구 투여 시 간에서의 초회 통과 효과로 인해 생체이용률이 낮아지는 약물은 피부를 통한 경피 투여나 점막 투여 방식을 통해 흡수 경로를 변경할 수 있다. 또한 지속성 방출 제제는 약물의 분포와 배설 속도를 조절하여 혈중 농도를 장시간 유지시킨다.

특히 표적 전달 시스템은 약동학의 분포 단계를 정밀하게 제어하는 것을 목표로 한다. 리포솜이나 나노입자와 같은 전달체를 이용하면 약물이 특정 장기나 세포에 선택적으로 축적되도록 유도할 수 있다. 이는 정상 조직에 대한 독성을 줄이고 종양 같은 질병 부위에 대한 약물 농도를 높이는 데 필수적이다. 따라서 약동학적 분석은 새로운 전달 시스템의 효능과 안전성을 평가하는 데 있어 표준적인 도구로 활용된다.

생체이용률은 투여된 약물이 전신 순환계에 도달하여 이용 가능한 비율을 의미한다. 이는 약물의 치료 효과를 결정하는 핵심적인 약동학적 지표 중 하나이다. 생체이용률은 주로 경구 투여된 약물이 간에서 받는 초회 통과 효과에 크게 영향을 받으며, 이를 극복하기 위한 다양한 의약품 전달 시스템이 연구되고 있다.

생체이용률을 높이기 위한 전략은 다양하다. 약물의 용해도와 막 투과성을 개선하거나, 전달체를 이용해 약물을 보호하는 방법이 있다. 예를 들어, 리포솜이나 미셀과 같은 나노 전달 시스템은 약물을 감싸 위장관에서의 분해를 막고, 흡수를 촉진할 수 있다. 또한 점막 투여나 경피 투여와 같은 비경구 투여 경로를 활용하여 초회 통과 효과를 우회하는 접근도 이루어진다.

생체이용률은 단순히 혈중 농도만을 의미하는 것이 아니라, 약물이 실제 작용 부위인 표적 부위에 얼마나 효과적으로 도달하는지를 평가하는 데에도 중요하다. 따라서 이상적인 의약품 전달 시스템은 높은 생체이용률을 확보하면서도, 원하는 조직이나 세포에 선택적으로 약물을 전달하는 표적 전달을 동시에 이루는 것을 목표로 한다.

표적 부위는 의약품 전달 시스템 설계의 핵심 고려 사항 중 하나로, 약물이 체내에서 작용해야 하는 특정 세포, 조직, 장기 또는 생물학적 경로를 의미한다. 효과적인 치료를 위해서는 약물이 병변 부위에 선택적으로 도달하고, 필요한 시간 동안 적정 농도를 유지해야 하며, 이 과정에서 건강한 조직에 대한 노출과 이로 인한 부작용은 최소화되어야 한다.

전통적인 경구 투여나 주사 투여 방식은 약물이 전신에 골고루 분포하게 되어, 표적이 아닌 부위에서도 작용하여 독성을 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해 개발된 표적 전달 시스템은 항체, 펩타이드, 당질 또는 특정 리간드와 같은 표적 인지 요소를 전달체 표면에 결합시켜, 암세포 표면의 과발현 수용체나 염증 부위의 특이적 분자 등을 인지하고 선택적으로 결합하도록 설계된다.

표적화 전략은 크게 수동적 표적화와 능동적 표적화로 나눌 수 있다. 수동적 표적화는 종양 조직과 같이 혈관이 비정상적으로 발달하여 투과성이 증가한 부위에서, 나노입자와 같은 전달체가 누출되어 축적되는 고형암에서의 고관류 및 고투과성 효과를 이용한다. 능동적 표적화는 앞서 언급한 표적 인지 요소를 활용한 특이적 결합을 통해 이루어진다.

표적 부위의 정확한 설정은 약동학과 약력학을 최적화하고, 생체이용률을 향상시키며, 궁극적으로 치료 효능을 높이고 독성을 낮추는 데 기여한다. 특히 항암제, 항염증제, 유전자 치료제 및 일부 백신의 개발에서 표적 전달 기술은 필수적인 요소로 자리 잡고 있다.

의약품 전달 시스템 설계 시 안전성은 가장 핵심적인 고려 사항 중 하나이다. 시스템은 약물 자체의 독성을 줄이고, 원하지 않는 부위에서의 약물 노출을 최소화하며, 전달체나 보조제로 인한 새로운 독성이나 면역 반응을 일으키지 않아야 한다. 특히 나노입자나 생분해성 고분자와 같은 새로운 재료를 사용하는 경우, 이들의 체내 분포, 대사, 배설 경로 및 장기적 독성에 대한 철저한 평가가 필수적이다.

안전성을 확보하기 위해서는 전달 시스템의 생체적합성이 매우 중요하다. 즉, 시스템을 구성하는 물질이 체내에서 과도한 염증 반응이나 면역 반응을 유발하지 않고, 최종적으로 안전하게 분해되거나 배설되어야 한다. 리포솜이나 덴드리머와 같은 담체는 그 구성 성분이 체내에서 자연적으로 존재하는 물질이거나 무독성으로 알려진 물질로 만들어지는 경우가 많다. 또한 미세니들 패치와 같은 새로운 투여 경로는 통증을 줄이고 감염 위험을 낮춰 전반적인 치료의 안전성을 높이는 장점이 있다.

안전성 평가는 표적 전달 시스템에서 특히 복잡한 문제에 직면한다. 암 조직과 같은 특정 부위에만 선택적으로 약물을 전달하도록 설계된 시스템이라도, 표적이 아닌 정상 세포에 어느 정도는 도달할 수 있다. 이때 항암제와 같은 강력한 약물이 정상 조직에 미치는 영향은 심각할 수 있다. 따라서 표적 인지 요소의 정확성과 표적 부위에서만 약물이 방출되도록 하는 트리거 메커니즘의 신뢰성이 안전성의 핵심이 된다.

궁극적으로, 모든 의약품 전달 시스템은 임상 적용 전에 엄격한 전임상 및 임상 시험을 통해 그 안전성이 입증되어야 한다. 이 과정에서는 약물의 약동학과 약력학 변화, 새로운 부작용 발생 가능성, 그리고 기존 투여 방식 대비 얻을 수 있는 이점이 종합적으로 평가된다. 안전성과 효능 사이의 적절한 균형을 찾는 것이 성공적인 전달 시스템 개발의 관건이다.

생분해성 고분자는 약물을 운반하고 방출한 후 체내에서 자연적으로 분해되어 제거되는 고분자 물질을 말한다. 이는 약물이 목표 부위에 도달할 때까지 보호하고, 원하는 속도로 방출되도록 조절하며, 최종적으로 체내에 잔류물을 남기지 않는다는 점에서 의약품 전달 시스템의 핵심 재료로 널리 사용된다. 특히 지속성 방출 제제나 나노 전달 시스템을 구성하는 데 필수적이다.

주로 사용되는 생분해성 고분자에는 폴리락틱산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 그리고 이들의 공중합체인 폴리락틱-co-글리콜산(PLGA)이 있다. 이들 고분자는 분해 속도와 기계적 강도를 조절할 수 있어 다양한 형태의 주사제나 임플란트 제제로 가공된다. 또한 천연 유래 물질인 키토산이나 젤라틴도 생체 적합성이 뛰어나 점막 접착 제제나 나노입자 제조에 활용된다.

이러한 고분자를 이용하면 약물이 간이나 신장을 통해 빠르게 대사·배설되는 것을 막아 생체이용률을 높일 수 있으며, 장기간에 걸쳐 지속적으로 약물을 방출함으로써 투여 횟수를 줄여 환자의 순응도를 개선할 수 있다. 또한 암 치료를 위한 항암제 전달 시, 고분자 미셀이나 나노캡슐에 약물을 봉입하여 종양 부위에 선택적으로 축적되도록 하는 표적 전달에도 응용된다.

리포솜은 인지질 이중층으로 구성된 인공 소포체이다. 물과 기름에 대한 친화성 차이를 가진 인지질 분자가 수용액 내에서 자발적으로 응집하여 형성되며, 내부 수성 공간과 소수성 이중층 막을 가진다. 이러한 독특한 구조 덕분에 친수성 약물은 내부 수성 공간에, 소수성 약물은 지질 이중층 내에 각각 봉쇄하여 운반할 수 있다. 리포솜은 생체 적합성이 높고 생체 내에서 분해될 수 있어 약물 전달체로 널리 연구되고 있다.

리포솜의 주요 장점은 약물을 보호하고 표적 부위로의 선택적 전달을 가능하게 한다는 점이다. 리포솜에 싸인 약물은 신체 순환 과정에서 조기 분해나 불필요한 조직으로의 확산을 줄일 수 있다. 특히 암 치료 분야에서 표적 약물 전달을 위한 리포솜이 활발히 개발되었는데, 종양 조직의 특이적인 환경(예: 낮은 pH, 특정 효소)에 반응하거나 표면에 항체를 부착하여 암세포를 인지하도록 설계된다.

이 기술은 다양한 투여 경로에 적용 가능하다. 정맥 주사를 통한 전신 순환 투여가 가장 일반적이지만, 피부를 통한 경피 투여, 눈에 대한 점안액, 또는 폐로의 흡입 투여를 위한 형태로도 연구된다. 리포솜은 약물의 생체이용률을 향상시키고 투여 빈도를 줄여 환자 순응도를 높이는 데 기여한다.

그러나 리포솜 기반 전달 시스템은 제조 과정이 복잡하고 안정성 유지에 어려움이 있으며, 대규모 생산 시 비용이 높다는 한계를 지닌다. 또한 체내에서 조기 파괴되지 않고 표적에 충분히 도달하도록 하는 것도 중요한 과제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 표면을 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 코팅하여 혈중 체류 시간을 늘리는 스텔스 리포솜과 같은 새로운 형태의 연구가 지속되고 있다.

덴드리머는 반복적인 분지 구조를 가진 합성 고분자 나노 입자이다. 이 구조는 표면에 많은 작용기(-NH2, -COOH 등)를 가지게 하여, 약물 분자, 표적 인지 리간드, 또는 영상 진단제를 화학적으로 결합시킬 수 있는 다중 부위를 제공한다. 이러한 특성 덕분에 덴드리머는 하나의 입자에 높은 농도의 약물을 담지할 수 있으며, 크기와 표면 특성을 정밀하게 조절할 수 있어 표적 전달 시스템의 이상적인 운반체로 주목받고 있다.

덴드리머 기반 전달 시스템의 설계는 주로 약물을 덴드리머의 내부 공동에 봉쇄하거나 표면에 공유 결합시키는 방식을 따른다. 특히, 암 치료 분야에서 덴드리머는 화학요법 약물을 암 조직까지 선택적으로 운반하는 데 활용된다. 덴드리머 표면에 항체나 펩타이드 같은 표적 인지 분자를 부착하면, 암 세포에 과발현된 수용체를 인지하여 약물 방출을 정확한 부위에서 일으킬 수 있다. 이는 정상 세포에 대한 독성을 줄이고 치료 효능을 높이는 데 기여한다.

덴드리머의 활용은 치료 영역을 넘어 진단 분야로도 확장되고 있다. 하나의 덴드리머 입자에 여러 개의 조영제 분자를 부착하면 자기 공명 영상(MRI)이나 형광 이미징의 민감도를 크게 높일 수 있다. 그러나 덴드리머의 상용화를 가로막는 주요 과제는 생체 내 안전성 문제이다. 특히 양전하를 띤 덴드리머는 세포 독성을 나타낼 수 있어, 표면을 폴리에틸렌글리콜(PEG) 같은 생체 적합성 물질로 코팅하는 등 생체 적합성을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.

미세니들 패치는 피부의 각질층을 통한 약물 전달의 장벽을 극복하기 위해 개발된 경피 투여 시스템이다. 수백 마이크로미터 길이의 미세한 바늘 배열로 구성되어 있으며, 통증을 유발하지 않으면서도 피부의 진피층까지 약물을 직접 전달할 수 있다. 이 기술은 기존의 주사나 경구 투여의 단점을 보완하여 환자의 순응도를 높이고, 생체이용률을 개선하는 데 기여한다.

미세니들 패치는 재료와 약물 전달 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 고체 미세니들은 피부에 미세한 통로를 생성한 후 제거되고, 별도의 패치나 겔을 통해 약물이 투여된다. 용해성 미세니들은 피부 내에서 생체 적합성 물질로 만들어진 바늘이 서서히 용해되면서 약물을 방출한다. 또한, 중공형 미세니들은 바늘 내부의 채널을 통해 약액을 주입하는 방식으로 작동한다.

이 시스템의 주요 응용 분야는 인슐린이나 백신과 같은 단백질 기반 약물의 무통 투여, 그리고 국소 마취 등이다. 특히 당뇨병 환자의 빈번한 인슐린 주사를 대체할 수 있는 방법으로 주목받고 있으며, 피임 목적의 호르몬 전달에도 연구가 진행되고 있다. 표로 정리하면 주요 유형과 특징은 다음과 같다.

미세니들 패치는 무통 주사와 편리한 자가 투약을 가능하게 하지만, 일부 약물의 투여량 한계나 제조 비용, 장기간 피부에 대한 안전성 데이터 확보 등 해결해야 할 과제도 남아 있다. 현재는 다양한 생체의약품과 예방접종 분야로의 적용을 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

암 치료는 의약품 전달 시스템이 가장 활발히 연구되고 응용되는 분야 중 하나이다. 기존의 전신 항암제 치료는 암세포뿐만 아니라 정상 세포에도 영향을 미쳐 심각한 부작용을 초래하는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 약물이 종양 부위에 선택적으로 축적되도록 하는 표적 전달 시스템의 개발이 중요해졌다.

표적 전달을 구현하는 주요 전략으로는 수동적 표적화와 능동적 표적화가 있다. 수동적 표적화는 종양 조직의 특이적인 혈관 구조, 즉 높은 투과성과 정체 효과를 이용한다. 나노 크기의 전달체는 이러한 혈관을 통해 누출되어 종양 조직에 오래 머무르게 된다. 능동적 표적화는 종양 세포 표면에 과발현된 특정 수용체나 항원을 인지하는 리간드(예: 항체, 펩타이드)를 전달체 표면에 부착하여 암세포를 선택적으로 공격한다.

암 치료용 전달 시스템의 구체적인 예로는 항체-약물 접합체, 리포솜, 고분자 나노입자 등이 있다. 항체-약물 접합체는 단일클론항체에 세포독성 약물을 화학적으로 결합시킨 형태로, 항체가 암 표지자를 인지해 약물을 정확히 전달한다. 독소루비신을 함유한 리포솜 제제는 심장 독성을 줄이면서도 종양 부위에 약물을 집중시키는 데 기여한다. 또한, 약물 방출을 외부 자극(광, 열, 자장, 초음파)에 반응하도록 조절하는 지능형 전달 시스템 연구도 진행 중이다.

이러한 첨단 전달 시스템은 약물의 생체이용률을 높이고, 전신 독성을 감소시키며, 약물 내성을 극복하는 데 기여할 수 있다. 특히, 다제내성을 보이는 난치성 암이나 뇌종양과 같이 접근이 어려운 부위의 치료에 새로운 가능성을 제시한다. 암 치료의 패러다임을 정밀의학으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 하는 기술이다.

의약품 전달 시스템은 당뇨병 치료 분야에서 혈당 조절의 정밀성과 환자 편의성을 혁신적으로 개선하는 핵심 기술이다. 특히 인슐린과 같은 혈당 강하제를 안정적으로 전달하고, 혈당 수치에 반응하여 약물을 방출하는 지능형 약물 전달 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이를 통해 환자는 혈당 변동에 따른 위험을 줄이고, 주사 횟수를 줄여 삶의 질을 향상시킬 수 있다.

주요 응용 방식으로는 인슐린 펌프와 같은 지속적 피하 주입 장치, 경피 패치, 그리고 경구 인슐린 전달 시스템이 있다. 인슐린 펌프는 피하에 카테터를 삽입하여 기저 인슐린을 지속 공급하고, 식사 시에는 볼루스 주사를 조절할 수 있어 더욱 정밀한 혈당 관리가 가능하다. 한편, 경피 패치는 미세니들 배열을 통해 통증 없이 인슐린을 투여하거나, 혈당 감지 센서와 결합된 폐쇄루프 시스템의 일부로 기능하는 연구가 이루어지고 있다.

경구 투여는 가장 편리한 투여 경로로 꼽히지만, 인슐린은 위산과 소화 효소에 의해 쉽게 분해되고 장벽 투과율이 낮아 개발에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 나노캡슐, 특수 고분자 코팅, 장내 특정 수용체를 표적하는 리간드를 활용한 나노 전달 시스템 연구가 진행 중이며, 일부는 임상 시험 단계에 있다.

당뇨병 치료용 의약품 전달 시스템의 궁극적인 목표는 완전한 폐쇄루프 시스템 또는 '인공 췌장'을 구현하는 것이다. 이는 연속 혈당 모니터링 시스템과 인슐린 펌프가 실시간으로 데이터를 주고받아 자동으로 인슐린을 조절하는 시스템으로, 환자의 개입을 최소화하면서 정상적인 췌장 기능을 모방하는 것을 지향한다.

중추신경계 질환 치료를 위한 의약품 전달 시스템은 뇌혈관 장벽이라는 특별한 생물학적 장벽으로 인해 큰 도전에 직면한다. 이 장벽은 혈액에서 뇌 조직으로 물질이 자유롭게 이동하는 것을 엄격히 제어하여, 많은 약물이 효과적인 농도로 뇌에 도달하는 것을 막는다. 따라서 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양, 간질과 같은 질환을 치료하기 위해서는 이 장벽을 극복하거나 우회하는 특수한 전달 전략이 필요하다.

이를 해결하기 위한 접근법으로는 리포솜이나 폴리머 나노입자와 같은 나노 전달 시스템을 이용해 약물을 감싸서 뇌혈관 장벽을 통과시키는 방법이 연구된다. 또한, 비강 점막을 통한 비강 투여는 약물이 직접 뇌척수액으로 흡수될 수 있는 경로를 제공하여, 전신 순환과 뇌혈관 장벽을 우회할 가능성을 보인다. 뇌실 내 주사와 같은 침습적 방법도 특정 상황에서 고려된다.

이러한 표적 전달 기술은 약물이 필요한 중추신경계 부위에 선택적으로 도달하도록 하여 치료 효과를 높이고, 다른 장기에 미치는 부작용을 줄이는 것을 목표로 한다. 특히 뇌종양 치료에서는 약물이 정상 뇌 조직이 아닌 종양 세포에만 작용하도록 하는 것이 중요한 과제이며, 항체나 펩타이드를 이용한 활성 표적화 전략이 활발히 개발되고 있다.

백신 전달은 백신의 항원 성분을 면역 체계에 효과적으로 노출시켜 보호 면역을 유도하는 것을 목표로 하는 의약품 전달 시스템의 중요한 응용 분야이다. 기존의 주사제 형태를 넘어 다양한 새로운 전달 경로와 기술이 개발되고 있으며, 이는 접근성, 안전성, 면역 반응의 질을 개선하기 위함이다.

주요 접근법으로는 비강이나 구강 같은 점막 경로를 통한 전달이 있다. 점막 면역을 직접 유도함으로써 호흡기나 위장관 같은 감염 부위에서 신속한 방어를 가능하게 하며, 주사 바늘에 대한 공포나 전문 인력의 필요성을 줄여 접종 편의성을 높인다. 또한 미세니들 패치를 이용한 경피 전달은 통증을 최소화하고 냉장 사슬 없이의 보관을 가능케 하는 잠재력을 가진다. 나노 입자나 리포솜 같은 전달체를 활용하면 항원을 보호하고 면역 세포에 선택적으로 전달하여 면역 반응을 강화할 수 있다.

백신 전달 시스템의 설계는 항원의 안정성, 원하는 면역 반응 유형(예: 체액 면역 대 세포 면역), 그리고 대규모 생산과 보급의 실용성을 종합적으로 고려해야 한다. mRNA 백신의 성공은 지질 나노 입자 전달체의 중요성을 부각시켰으며, 이는 코로나19 팬데믹 대응에서 결정적인 역할을 했다. 결핵이나 말라리아와 같은 질병에 대한 백신 개발에서도 표적 전달 시스템이 활발히 연구되고 있다.