이 후원 기사는 귀하에게 제공됩니다. NYU 탄돈 공과대학.
약물 전달 분야의 중요한 발전을 통해 연구자들은 나노입자 및 미세입자의 확장 가능한 제조라는 지속적인 과제를 해결하는 새로운 기술을 개발했습니다. 이 혁신은 다음과 같습니다. 나탈리 M. 핑커튼NYU Tandon School of Engineering의 화학 및 생체 분자 공학 조교수는 실험실 규모의 약물 전달 연구와 대규모 의약품 제조 간의 격차를 해소할 것을 약속합니다.
SNaP(Sequential NanoPrecipitation)로 알려진 이 획기적인 기술은 기존 나노 침전 기술을 기반으로 향상된 제어 및 확장성을 제공하며 약물 전달 기술이 환자에게 효율적이고 효과적으로 도달하도록 보장하는 필수 요소입니다. 이 기술을 통해 과학자들은 실험실 환경에서 대량 생산에 이르기까지 구조적, 화학적 완전성을 유지하는 약물 운반 입자를 제조합니다.—새로운 치료법을 시장에 출시하기 위한 필수적인 단계입니다.
3D 프린팅을 사용하여 약물 전달 문제 극복
나노입자와 마이크로입자는 표적 약물 전달에 대한 엄청난 가능성을 가지고 있어 부작용을 최소화하면서 질병 부위로 직접 의약품을 정확하게 전달할 수 있습니다. 그러나 이러한 입자를 대규모로 일관되게 생산하는 것은 유망한 연구를 실행 가능한 치료법으로 전환하는 데 주요 장벽이었습니다. Pinkerton은 이렇게 설명합니다. “이러한 정밀 의약품 중 다수를 번역하는 데 있어 가장 큰 장벽 중 하나는 제조입니다. SNaP를 통해 우리는 이러한 과제를 정면으로 해결하고 있습니다.”
Pinkerton은 NYU Tandon의 화학 및 생체분자 공학 조교수입니다.NYU 탄돈 공과대학
FNP(Flash Nano-Precipitation)와 같은 전통적인 방법은 일부 유형의 나노입자를 생성하는 데 성공했지만 흡입 가능한 전달과 같은 특정 전달 경로에 필수적인 더 큰 입자를 생성하는 데 종종 어려움을 겪습니다. FNP는 크기가 50~400나노미터인 고분자 코어-쉘 나노입자(NP)를 생성합니다. 이 과정에는 약물 분자와 블록 공중합체(입자 형성을 돕는 특수 분자)를 용매에 혼합한 후 특수 혼합기를 사용하여 물과 빠르게 혼합하는 과정이 포함됩니다. 이러한 믹서는 입자가 빠르고 균일하게 형성될 수 있는 작고 통제된 환경을 조성합니다.
성공에도 불구하고 FNP에는 몇 가지 한계가 있습니다. 400 nm보다 큰 안정적인 입자를 생성할 수 없고 최대 약물 함량이 약 70%이며 출력이 낮고 매우 소수성(발수성) 분자에만 작동할 수 있습니다. 이러한 문제는 FNP에서 입자 코어 형성과 입자 안정화가 동시에 발생하기 때문에 발생합니다. 새로운 SNaP 프로세스는 코어 형성 단계와 안정화 단계를 분리하여 이러한 한계를 극복합니다.
SNaP 공정에는 두 가지 혼합 단계가 있습니다. 먼저, 핵심 구성 요소가 물과 혼합되어 입자 코어 형성이 시작됩니다. 그런 다음 코어 성장을 중지하고 입자를 안정화하기 위해 안정화제를 첨가합니다. 이 두 번째 단계는 입자 크기를 제어하고 응집을 방지하기 위해 첫 번째 단계 후 몇 밀리초 이내에 신속하게 수행되어야 합니다. 현재 SNaP 설정은 두 개의 특수 믹서를 직렬로 연결하여 단계 사이의 지연 시간을 제어합니다. 그러나 이러한 설정은 높은 비용과 작은 입자 형성에 필요한 짧은 지연 시간을 달성하는 데 어려움을 겪는 등의 문제에 직면해 있습니다.
3D 프린팅을 활용한 새로운 접근 방식은 이러한 많은 문제를 해결했습니다. 3D 프린팅 기술의 발전으로 이제 이러한 믹서에 필요한 정밀하고 좁은 채널을 생성할 수 있습니다. 새로운 디자인은 단계 사이에 외부 튜브가 필요하지 않아 지연 시간이 단축되고 누출이 방지됩니다. 혁신적인 스택형 믹서 디자인은 두 개의 믹서를 단일 설정으로 결합하여 프로세스를 더욱 효율적이고 사용자 친화적으로 만듭니다.
“이러한 정밀 의약품을 번역하는 데 있어 가장 큰 장벽 중 하나는 제조입니다. SNaP를 통해 우리는 이러한 문제를 정면으로 해결하고 있습니다.”
—Nathalie M. Pinkerton, NYU Tandon
이 새로운 SNaP 혼합기 설계를 사용하여 연구원들은 루브렌(형광 염료)과 신나리진(메스꺼움 및 구토 치료에 사용되는 약한 소수성 약물)이 포함된 광범위한 나노입자 및 미세입자를 성공적으로 만들었습니다. SNaP를 이용해 200nm 이하의 작은 나노입자와 미세입자를 만든 것은 이번이 처음이다. 새로운 설정은 또한 입자 크기 제어에서 두 혼합 단계 사이의 지연 시간의 중요성을 보여주었습니다. 지연 시간에 대한 이러한 제어를 통해 연구자는 더 넓은 범위의 입자 크기에 접근할 수 있습니다. 또한, SNaP를 사용하여 나노입자 및 미세입자에 소수성 및 약한 소수성 약물을 성공적으로 캡슐화하는 것이 Pinkerton 팀에 의해 처음으로 달성되었습니다.
최첨단 기술에 대한 접근의 민주화
SNaP 프로세스는 혁신적일 뿐만 아니라 이 기술에 대한 접근을 민주화하는 고유한 실용성을 제공합니다. Pinkerton은 “우리는 믹서의 디자인을 공유하고 3D 프린팅을 사용하여 제조할 수 있음을 보여줍니다.”라고 말합니다. “이 접근 방식을 통해 학술 연구실은 물론 소규모 산업체에서도 값비싼 장비에 투자하지 않고도 이러한 기술을 실험할 수 있습니다.”
첫 번째 혼합 단계(가운데)에 즉시 연결되는 주사기 연결용 입력 단계(상단)가 있는 스택 믹서 회로도입니다. 첫 번째 혼합 단계는 원하는 입자 크기 체계에 따라 2입구 또는 4입구 혼합기 옵션으로 상호 교환 가능합니다(점으로 표시된 반용매 흐름은 4입구 혼합기에만 존재함). 이 단계에는 두 번째 혼합 단계에 사용되는 스트림에 대한 통과도 포함됩니다. 모든 스트림은 두 번째 혼합 단계(하단)에서 혼합되어 장치에서 나옵니다.
SNaP 기술의 접근성은 약물 전달 분야 전반의 발전을 가속화하여 더 많은 연구자와 기업이 새로운 치료법 개발에 나노입자와 마이크로입자를 활용할 수 있도록 지원합니다.
SNaP 프로젝트는 성공적인 학제간 노력의 예입니다. Pinkerton은 기계공학, 공정공학, 화학공학 분야의 전문가가 포함된 팀의 다양성을 강조했습니다. 그녀는 “정말 학제간 프로젝트였습니다.”라고 말하면서 학부생부터 박사후 연구원까지 모든 팀 구성원의 기여가 기술을 현실화하는 데 중요한 역할을 했다고 지적했습니다.
이러한 획기적인 발전을 넘어 Pinkerton은 SNaP를 범용 약물 전달 시스템을 개발하려는 광범위한 임무의 일부로 구상하고 있습니다. 이 시스템은 다용도, 확장 가능, 맞춤형 약물 전달 솔루션을 통해 궁극적으로 의료 서비스를 혁신할 수 있습니다.
산업계에서 학계까지: 혁신을 향한 열정
NYU Tandon에 오기 전에 Pinkerton은 화이자의 종양학 연구 부서에서 3년을 보냈으며 그곳에서 고형 종양 치료를 위한 새로운 나노 의약품을 개발했습니다. 그녀는 그 경험이 매우 귀중했다고 말했습니다. “업계에서 일하면 실현 가능한 것이 무엇인지에 대한 실제적인 관점을 얻을 수 있습니다.”라고 그녀는 지적합니다. “목표는 번역 연구를 수행하는 것입니다. 즉, 연구실 벤치에서 환자의 침대 옆으로 ‘번역’된다는 의미입니다.”
2008년 MIT에서 화학 공학 학사 학위를 취득하고 프린스턴 대학교에서 화학 및 생물 공학 박사 학위를 취득한 Pinkerton은 전 세계의 연구자들과 협력할 수 있는 기회 때문에 NYU Tandon에 매력을 느꼈습니다. NYU 생태계에서 그녀는 제어된 약물 전달 및 기타 생체 응용 분야에 사용할 수 있는 새로운 나노 물질을 개발하기를 희망합니다.
그녀는 또한 가르치는 일에 대한 사랑 때문에 학계에 왔습니다. 화이자에서 그녀는 학생들을 멘토링하고 혁신적인 학제간 연구를 추구하려는 열망을 깨달았습니다. “여기 학생들은 엔지니어가 되기를 원합니다. 그들은 세상을 바꾸고 싶어합니다.”라고 그녀는 회상했습니다.
Pinkerton Research Group의 그녀 팀은 제어된 약물 전달부터 백신, 의료 영상에 이르기까지 생체 응용 분야를 위한 반응성 연질 소재를 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 학제간 접근 방식을 취하는 이들은 화학 및 재료 공학, 나노기술, 화학 및 생물학의 도구를 사용하여 확장 가능한 합성 공정을 통해 부드러운 소재를 만듭니다. 그들은 공정 매개변수가 최종 물질 특성을 어떻게 제어하는지, 그리고 생물학적 시스템에서 물질이 어떻게 작용하는지 이해하는 데 중점을 둡니다. 궁극적인 목표는 질병과 장애 전반에 걸쳐 건강 결과를 향상시키는 보편적인 약물 전달 플랫폼입니다.
그녀의 SNaP 기술은 약물 전달 솔루션을 효과적으로 확장하려는 탐구에서 유망한 새로운 방향을 나타냅니다. 이 방법은 밀리초의 정밀도로 조립 프로세스를 제어함으로써 점점 더 복잡해지는 입자 아키텍처를 생성할 수 있는 문을 열어 미래 의료 발전을 위한 확장 가능한 접근 방식을 제공합니다.
약물 전달 분야의 경우, SNaP가 더욱 접근 가능하고 적응 가능하며 확장 가능한 솔루션 시대를 향한 길을 열어줌에 따라 미래는 밝습니다.
