MIT의 획기적인 연구 결과로 정맥주사 항체 치료가 간단한 주사로 바뀔 수 있을 전망

암, 자가면역 질환 또는 심각한 감염을 앓는 많은 사람들에게 치료는 항체 약물을 정맥 주사로 투여받으며 병원 의자에 몇 시간씩 앉아 있어야 함을 의미합니다. MIT 엔지니어들이 개발한 새로운 기술은 이러한 약물들을 간단한 주사 한 방으로 몇 분 안에 투여할 수 있는 미래를 제시합니다.

연구팀은 일반적으로 주사하기에는 너무 묽고 점도가 높은 항체 용액을 액체에 현탁된 미세한 고체 입자로 바꾸는 방법을 개발했습니다. 각 입자에는 항체가 고농도로 함유되어 있어 일반적인 피하 주사량인 약 2밀리리터에 1회 투여량을 담을 수 있습니다.

이러한 접근 방식이 임상 현장에서 실제로 적용될 수 있다면, 특히 주입 센터에 가기 어려운 사람들에게 강력한 항체 치료법을 훨씬 더 편리하고 쉽게 이용할 수 있게 해 줄 것입니다.

주저자인 MIT 대학원생 탈리아 정은 인구 구조 변화로 인해 이러한 혁신이 시급해졌다고 지적했습니다.

"전 세계적으로 고령화가 진행됨에 따라, 고령 인구가 더욱 편리하고 쉽게 치료를 받을 수 있도록 하는 것이 시급히 해결해야 할 과제입니다."라고 그녀는 보도자료에서 밝혔습니다.

연구는 출판 학술지 Advanced Materials에 게재되었습니다.

주사기가 아닌, 비닐봉지에 담긴 항체

특정 암 치료에 사용되는 리툭시맙과 같은 치료용 항체는 수용액에 용해된 크고 복잡한 단백질입니다. 이러한 항체는 종양, 감염성 질환부터 류마티스 관절염, 염증성 장 질환, 다발성 경화증과 같은 자가면역 질환에 이르기까지 광범위한 질환을 치료하는 데 사용됩니다.

오늘날 이러한 약물은 일반적으로 낮은 농도, 즉 액체 1밀리리터당 항체 10~30밀리그램 정도로 제형화됩니다. 이는 1회 투여에 최소 100밀리리터의 액체가 필요하다는 것을 의미하며, 이는 작은 바늘을 통해 피부 아래 조직에 주입하기에는 너무 많은 양입니다.

주사 가능한 형태로 부피를 줄이려면 제약회사는 농도를 약 10배 높여 밀리리터당 300밀리그램 이상으로 만들어야 합니다. 하지만 기존 제형을 단순히 농축하려고 하면 용액이 지나치게 걸쭉해져서 주사기를 통해 흐르지 않게 됩니다.

"기존 제형을 이러한 농도로 농축할 수는 없습니다."라고 MIT 화학공학과 로버트 T. 해슬럼 석좌교수이자 이번 연구의 책임 저자인 패트릭 도일은 보도자료에서 밝혔습니다. "점도가 매우 높아져 환자에게 주입할 수 있는 압력 한계를 초과하게 될 것입니다."

2023년에 도일 연구실은 다음과 같은 사실을 밝혀냈습니다. 항체를 하이드로겔 입자에 캡슐화 농도를 높일 수 있지만, 이전 방법은 원심분리(샘플을 고속으로 회전시키는 과정)에 의존했는데, 이는 산업 생산 규모로 확장하기 어려운 단계입니다.

에멀젼에서 고체 항체 입자까지

이번 새로운 연구에서 연구진은 원심분리를 피하고 대규모 생산을 염두에 두고 설계된 새로운 방식을 택했습니다.

그들은 먼저 기름과 식초처럼 서로 섞이지 않는 두 액체의 혼합물인 유화액을 만드는 것부터 시작했습니다. 이 경우, 수용성 항체 용액의 미세한 방울들이 펜탄올이라는 유기 용매에 현탁되어 있습니다.

연구팀은 각 액적 내부에 의약품 및 소비재에 흔히 사용되는 고분자인 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 소량 첨가했습니다. PEG는 액적이 탈수되는 동안 항체를 안정화하는 데 도움을 줍니다.

연구진은 물방울에서 물을 조심스럽게 제거함으로써 항체로 거의 완전히 구성된 고체 입자를 남길 수 있었는데, 그 농도는 밀리리터당 약 360밀리그램으로 대부분의 주사 제형에 필요한 농도보다 높습니다.

고체 입자가 형성되면 주변의 펜탄올을 제거하고 현재 정맥 항체 주입에 사용되는 용액과 유사한 수용액(용해된 염과 소량의 안정화 고분자가 포함된 물)으로 대체했습니다. 최종 결과물은 바늘을 통해 흐를 수 있는 액체 속에 항체가 풍부한 입자가 현탁된 용액입니다.

무엇보다 중요한 것은, 이 조립 공정은 미세유체 장치(미세한 유체 흐름을 정밀하게 제어하는 ​​시스템)를 사용하여 신속하게 수행할 수 있으며 원심분리가 필요하지 않다는 점입니다. 따라서 산업용 유화 장비 및 우수 의약품 제조 기준(GMP)에 더욱 적합합니다.

도일은 "우리의 첫 번째 접근 방식은 다소 무식한 방식이었고, 이 새로운 접근 방식을 개발할 때 더 나은 결과를 얻고 확장성을 확보하려면 단순해야 한다고 생각했습니다."라고 덧붙였습니다.

주사 투여가 가능하도록 설계되었습니다.

임상에서 유용하게 사용되려면 새로운 제형은 농축되어 있어야 할 뿐만 아니라 주사하기도 쉬워야 합니다.

MIT 연구팀은 미세유체 장치의 유속을 조절하여 입자의 크기를 직경 약 60~200마이크론까지 조절할 수 있음을 보여주었습니다. 주사 가능성 테스트를 위해 연구팀은 직경 약 100마이크론 크기의 입자에 집중했습니다.

연구팀은 기계적 힘 측정기를 사용하여 입자 현탁액이 담긴 주사기 피스톤을 미는 데 필요한 힘을 측정했습니다. 필요한 힘은 20뉴턴 미만으로, 일반적으로 피하 주사에 허용되는 수준보다 훨씬 낮았습니다.

"이는 사람들이 일반적으로 목표로 하는 최대 허용 힘의 절반에도 못 미치는 수준이므로 주사하기에 매우 적합합니다."라고 정 씨는 덧붙였다.

연구진은 표준 2밀리리터 주사기를 사용하면 한 번에 700밀리그램 이상의 항체를 투여할 수 있다고 계산했습니다. 이 정도 용량이면 기존의 많은 항체 치료법에 충분합니다.

연구팀은 또한 자신들이 개발한 제형이 냉장 보관 시 최소 4개월 동안 안정적으로 유지된다는 사실을 발견했는데, 이는 병원이나 약국에서 실제로 사용할 때 중요한 고려 사항입니다.

다음에 오는 것

지금까지 연구는 항체 입자의 물리적 제형과 주사 가능성에 초점을 맞추었으며, 체내에서의 효능 검증은 이루어지지 않았습니다. 연구진은 다음 단계로 동물 모델을 이용하여 이러한 제형의 치료 효과와 안전성을 평가할 예정입니다.

또한, 실험실 규모를 넘어 제조 공정을 확대하기 위해 더 큰 유화 시스템을 사용하여 광범위한 테스트에 필요한 충분한 양의 물질을 생산하고, 이 접근 방식이 유망한 것으로 입증되면 궁극적으로 인체 임상 시험까지 진행할 계획입니다.

이 기술이 성공한다면, 인슐린이나 일부 생물학적 제제처럼 항체 치료를 병원 주입 센터에서 외래 진료소, 의원, 심지어 가정 치료로 전환하는 데 도움이 될 수 있을 것입니다.

그러한 변화는 환자와 간병인의 시간을 절약할 뿐만 아니라 비용을 절감하고 의료 시스템에 대한 부담을 완화할 수 있으며, 특히 항체 치료제에 대한 수요가 계속 증가하는 상황에서 더욱 효과적일 것입니다.

출처: 기술 매사추세츠 공과 대학