Resolving Mutually Exclusive Immunological Activities of Chitosan

Abstract

Chitosan is a derivate of chitin from crustacean shells, insect exoskeleton, and fungal cell walls. It is diversely applied in biomaterials and pharmaceuticals due to its attractive properties, including biocompatibility, biodegradability, antimicrobial effects, anticoagulation activities, wound healing, and immunological activities. A chemical modifications or polymer blends are used to improve chitosan's effectiveness for usage as a drug carrier, tissue engineering scaffold, antimicrobial agents, anticancer agents, and vaccine adjuvants. Firstly, a chitosan-based wet tissue adhesive with hemostasis was fabricated by introducing gallic acid to enhance the hemostatic ability and adhesion in wet conditions and hemostatic ability. Then, the studies of immune activities of chitosan are investigated to suggest further applications of chitosan in pharmaceuticals, indicating that which indicated that chitin and chitosan induced allergy, and had acute inflammation, anti-tumor, and anti-inflammation properties, which are mutually exclusive immunological effects. The pro- and anti-inflammatory properties of chitosan hinder its effective development as a biomedical material and pharmaceutical ingredient. Secondly, the influence of molecular weight of chitosan on its immune regulatory properties are investigated. The anti-inflammatory properties of chitosan with different molecular weights in adaptive immunity are compared by utilizing immunological assays and nanomechanics based experiments on the surface forces apparatus (SFA). Interestingly, low molecular weight (LMW) chitosan, compared with higher molecular weight chitosan, significantly enhances the differentiation of anti-inflammatory regulatory T cells (Tregs) by the Dectin-1 pattern recognition receptor (PRR) on antigen-presenting cells. The results of the interaction force measured by SFA also exhibit a similar trend between chitosan and the selected PRRs depending on the molecular weight of chitosan. The results of the immunological and nanomechanical experiments are consistent and imply that the PRRs and chitosan binding features vary depending on the MW of chitosan, which may shift immune responses. In vivo administration of LMW chitosan, not higher MW chitosan, suppresses inflammatory responses, and the progression of symptoms in experimental colitis. The interdisciplinary in vitro, in vivo immune studies, and nanomechanical studies provide in-depth insight into the utility of size-based fractionation of chitosan. Furthermore, this study elucidates a previously unexplored size-dependent immune regulatory property of chitosan in adaptive immunity. It suggests the applicability of LMW chitosan as a pharmaceutical ingredient to treat diverse inflammatory disorders and improves the understanding of chitosan for conventional biomedical and pharmaceutical applications.

키토산은 갑각류, 곤충의 외골격, 균류의 세포벽을 구성하고 있는 키틴을 탈아세틸화 시켜 얻을 수 있는 생체고분자로 생체 적합성, 생분해성, 상처 지료 효과, 항균작용, 지혈효과, 낮은 독성, 항염 작용, 항암효과 등의 특성을 가지고 있어 지혈제, 항균제, 항암제, 조직 지지체, 약물 및 유전자 전달체 등 생체 의학 및 약학 분야에서 다양하게 응용되고 있다. 키토산은 아민 그룹(-NH2)과 수산기 그룹(-OH)을 가져 원하는 특성을 도입하거나 효과를 향상시키기 위해 다양한 화학적 개질을 진행하거나 고분자를 혼합하게 된다. 키토산 사슬에 갈산(gallic acid)을 도입하여 습윤 환경에서의 접착력과 지혈 효과가 향상된 키토산 기반 지혈 접착제를 제작했으며 이는 시중 판매되는 피브린 글루보다 높은 습윤 환경 조직 접착력을 가졌으며 개질(modification)이 진행되지 않은 키토산보다 높은 지혈 효과를 나타내었다. 약학 분야에서 키토산을 이용한 추가 응용 연구를 위해 키틴과 키토산의 면역 활성에 대해 찾아보던 중, 이들이 알레르기, 급성 염증반응, 항암작용, 그리고 항염증 반응 등 상반되는 면역 활성을 일으킨다는 연구들이 보고 된 것을 확인하였다. 키토산이 가진 염증과 항염증 반응 특성은 서로 상반되는 것으로 이것이 생체 의학 재료나 약학조성물로 효과적인 개발되는데 걸림돌이 되고 있다. 본 학위 과정 동안 키토산의 분자량에 따른 상반되는 면역 염증 반응에 대해 연구를 진행하였다. 후천 면역에서 저분자와 상대적으로 분자량이 높은 키토산이 나타내는 항염증 반응에 대해 면역학적 그리고 표면힘측정기(SFA, surface forces apparatus)를 이용한 나노 역학적 접근을 통해 실험을 진행하였다. 고분자 키토산과 비교했을 때, 저분자 키토산에서 흥미롭게도 항염증 반응에 관여하는 조절 T 세포의 분화가 증가한 것을 확인할 수 있었다. T 세포의 분화는 항원제시세포 표면에 위치한 패턴 인식 수용체 (PRR, pattern recognition receptor)와 키토산의 결합에 영향을 받는데 Dectin-1 이 저분자 키토산 처리에 따른 조절 T 세포 분화에 우세하게 관여하였다. 이러한 결과는 SFA를 이용하여 측정한 PRRs와 분자량이 다른 키토산 간의 결합력에서도 동일한 경향성을 보였다. 면역학적 실험 결과와 나노 역학적 실험 결과에서 보이는 정합성은 키토산의 분자량에 따라 PRRs와 결합하는 양상이 달라지고 이것이 면역 활성의 변화를 유도하는 것으로 보여진다. 또한, 항염증 효과를 보인 저분자 키토산을 대장염 동물 모델에 처리하였을 때, 염증반응과 증상의 진행을 저해하는 결과를 얻을 수 있었다. In vitro, in vivo 면역 실험과 나노역학 실험들을 통해 그 동안 진행되지 않았던 후천면역에서 키토산의 분자량에 따른 면역 조절 특성에 대한 연구를 진행하였다. 이는 저분자 키토산의 다양한 염증성 질환 치료를 위한 약학 조성물로서의 적용 가능성과 기존 생체 의학 및 약학 분야로 응용 시 요구되는 면역 활성을 가진 키토산을 선택함에 있어 분자량에 따른 심층적인 통찰력을 제공할 수 있을 것이라 기대한다.