미세중력 신약 연구, ISS 결정 연구에서 상업적 제조로 확대

NASA는 우주왕복선을 시작으로 수십 년 동안 과학자들이 미세중력이 신약 개발에 미치는 영향을 연구할 수 있도록 해왔다. 민간 우주기업 Varda Space Industries는 중력의 부재 상태에서 의약품을 처리할 수 있는 자율 바이오리액터를 탑재한 소형 무인 캡슐을 띄우기 시작했으며, 이 캡슐은 수주에서 수개월 동안 미세중력 환경에 머문다. Varda는 United Therapeutics Corporation과 함께 미세중력을 활용해 희귀 폐질환의 개선된 치료법을 개발하는 방안을 모색하는 협력을 발표했다.

이 기간 동안 주목할 만한 성과도 있었다. 예를 들어 2019년에는 항암제 Keytruda의 보다 균일한 결정형을 성장시키는 데 성공했다. 이는 환자가 약물을 정맥주사로 투여받기 위해 병원이나 클리닉에서 몇 시간씩 머물 필요 없이, 주사 방식으로 투여할 가능성을 열었다.

Henry M. Rowan College of Engineering 화학공학 조교수인 Gerard Capellades는 5월 12일 화요일, International Space Station에 탑재해 지구 궤도로 결정화 실험을 보낼 계획이다. 그는 이번 연구를 통해 정제와 분말 충전 캡슐에 들어 있는 것과 같은 결정의 형성에 미세중력이 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해하고, 이를 바탕으로 이러한 약물의 생산 개선 가능성을 모색하고자 한다.

Capellades의 실험은 미세중력에서 고품질 단백질 결정을 성장시키는 Redwire’s 자동화 플랫폼 PIL-BOX 내부에서 수행된다. 이전에도 우주에서 약물을 결정화한 사례는 있었지만, 기존 실험은 하나의 물질로 이뤄진 결정에 초점을 맞췄다. Capellades의 실험은 이 과정에 첨가제를 도입하는 첫 사례가 될 것이다.

의약품 정제, 반도체, 철강, 초콜릿, 심지어 신장결석까지 모두 결정이다. 용액 속 분자들은 먼저 결정 표면으로 이동한 뒤 성장하는 결정에 결합한다. 미세중력은 이러한 초기 이동과, 대개는 결정 성장의 전체 속도까지 늦춘다. 그 결과 더 뚜렷하고 품질이 높은 결정이 만들어진다.

Capellades는 이번 실험에서 ISS에서 성장한 결정이 더 천천히 형성돼, 더 균질한 생성물이 나올 것으로 예상한다. 이전 실험에서는 혈당 조절 호르몬인 인슐린의 결정이 우주에서 성장했을 때 비정상적으로 크고 질서정연한 구조를 보인다는 사실이 확인됐다. 결정의 크기와 규칙성은 약물 방출에 영향을 미칠 수 있어, 약물 전달 개선의 기회를 만들 가능성이 있다.

현재 결정성 의약품은 대부분 단일 물질로 구성된다. Capellades는 두 번째의 안전한 성분을 추가해 의약 합금(pharmaceutical alloys)을 만드는 데 관심이 있다. 그의 실험에서는 acetaminophen과 같은 일반적인 물질을 결정화하고, 보라색 염료를 첨가제로 사용해 결정 내부에서 이들이 어떻게 분포하는지 색으로 시각적 표지를 남길 예정이다. 이 실험은 SpaceX CRS-34 상업 보급 임무에 실려 ISS로 향한다.

이번 최신 연구를 위해 Rowan University는 공동 연구 기회를 확대하기 위해 Redwire를 대신해 협력하고 있다. Redwire는 NASA In-Space Production Applications 프로그램 계약을 통해 이번 연구에 자금을 지원하고 있다. 준비된 PIL-BOX가 ISS에 설치되면, 궤도상 운영팀이 자동화 프로그램을 가동해 결정화 과정을 시작하며, 모듈 내부에 장착된 현미경 카메라가 몇 분 간격으로 사진을 촬영해 지상의 연구팀이 실험 진행 상황을 거의 실시간으로 관찰할 수 있게 된다.

NASA는 이 연구의 상당 부분을 보조해왔으며, 일반적으로 연구 장비를 ISS로 운송하는 데 드는 막대한 비용과 그곳에서 연구를 수행하는 우주비행사 시간을 부담했다. 그러나 연구를 우주로 보내기까지 긴 준비 기간이 필요하다는 등의 상충점도 있었다. 그럼에도 불구하고 우주에서 의약품을 생산하는 데 상업적 응용 가능성이 있을 수 있다는 점은 분명해졌다.

Varda는 2023년 중반 첫 번째 기체인 W-1을 발사했고, 이후 5기의 다른 기체도 발사됐다. United Therapeutics와의 계약에 따라 Varda와 United Therapeutics는 치료용 화합물의 구조와 결정화 특성에 대한 미세중력의 영향을 활용해 안정성과 전달 방식을 개선할 예정이다.

결과가 어떻든 제약회사들이 곧바로 제조를 궤도로 옮기지는 않을 수 있지만, 우주 기술의 발전은 미래에 지구 밖 생산을 점점 더 실현 가능하게 만들 수 있다. Capellades는 첨가제가 새로운 결정 구조를 안정화하는 경우, 제약회사들이 우주에서 성장한 결정을 지구에서 더 나은 결정 성장을 위한 씨앗 결정으로 사용할 수 있을 것으로 내다본다. 우주 내에서 결정성 합금을 전면 생산하는 방식은 예를 들어 특정 반도체나 레이저 광학 소재처럼 극소량만 사용되는 고부가가치 물질에 더 타당할 가능성이 크다.