A lo largo del siglo XVIII, muchos científicos cuestionaron la naturaleza del calor. Isaac Newton creía que el calor se transfería mediante las vibraciones de las partículas, mientras que Robert Hooke creía que el calor era una propiedad del cuerpo que surgía del movimiento de sus partes.1 Sin embargo, el primer contribuidor bien conocido a la historia de la medición del calor es Joseph Black, un médico y químico escocés.1 En 1761, al usar mediciones precisas, descubrió que la adición de calor al hielo en su punto de fusión o al agua en su punto de ebullición no da por resultado un cambio de la temperatura.1 Sus observaciones lo condujeron a ser el primer científico en distinguir entre temperatura y calor, lo que marcó el comienzo de la termodinámica.

Muchos científicos importantes siguieron los pasos de Joseph Black, y ayudaron en el descubrimiento de la calorimetría y la microcalorimetría. En 1789, Antoine Lavoisier construyó el primer calorímetro y utilizó los datos recopilados para determinar que el proceso de respiración era una reacción de combustión.1 Sin embargo, la primera medición exacta del calor se atribuye a James Prescott Joule. En 1841 determinó el equivalente mecánico del calor, 4.184 J por caloría de trabajo, para aumentar un grado Fahrenheit la temperatura de 1 libra de agua.1 El trabajo de Joule probó que el calor era una forma de energía cuantificable. En general, estos hitos importantes nos llevaron al desarrollo de la calorimetría y microcalorimetría modernas.

La primera contribución importante a la calorimetría moderna fue el calorímetro de Kawakami a finales de la década de 1920, que se utilizó para medir el calor de mezcla de aleaciones.1 Casi diez años después, se construyó el primer calorímetro de reacción adiabática para medir los procesos de síntesis directa de compuestos intermetálicos.1 A medida que avanzó la tecnología, se desarrolló la capacidad de medir reacciones a nanoescala y se acuñó el término microcalorimetría.

La microcalorimetría se hizo crucial para evaluar y calcular la transferencia de calor asociada con cambios de un estado del cuerpo debido, por ejemplo, a una reacción química o a un cambio físico. En los últimos tiempos, esta técnica se ha tornado especialmente útil en la caracterización biofísica de interacciones moleculares para comprender las relaciones estructura-función. Estas características medidas pueden incluir:

• Entalpía
• La constante de equilibrio
• Entropía
• Energía libre de Gibbs
• La estequiometría de unión

Combinada con información estructural, la microcalorimetría ha proporcionado una gran variedad de información clave esencial para el diseño racional de fármacos.

En la actualidad, los microcalorímetros altamente sensibles, como la calorimetría de titulación isotérmica (isothermal titration calorimetry, ITC) y la nanocalorimetría diferencial de barrido (differential scanning calorimetry, DSC) son los de uso más popular. La ITC ha surgido como la principal herramienta para medir la cantidad de calor que se libera o consume durante una reacción, y su popularidad proviene de su capacidad para determinar todos los parámetros termodinámicos directamente y con rapidez sin la necesidad de etiquetado o inmovilización químico.2 Esto hace que la ITC sea un excelente método en solución que puede usarse con soluciones turbias, coloreadas, o con suspensiones particulares en diversas aplicaciones.2

La Nano DSC se ha considerado uno de los métodos más importantes que se utilizan en el análisis térmico, que incluye el análisis de las propiedades térmicas del material y la temperatura de fusión de biomoléculas.³ Los datos recolectados son muy benéficos en el diseño y desarrollo de fármacos.

La facilidad de uso de estos calorímetros, junto con diferente software de análisis de datos, ha ayudado a crear mediciones más exactas que ayudan en el análisis general.

Durante el desarrollo de un fármaco, es esencial comprender cómo interactuará con su objetivo. Esto se caracteriza en las últimas etapas del descubrimiento hacia la preformulación al utilizar ITC para comprender plenamente las fuerzas impulsoras detrás de la interacción antes de proceder al desarrollo adicional. El objetivo casi siempre es tener un fármaco que se una específicamente a su objetivo. Esto ayudará a disminuir cualquier efecto secundario no deseado.

La especificidad de unión se puede determinar a partir del perfil termodinámico de la interacción caracterizada. La energía libre de unión (∆G) está compuesta de dos partes: entalpía (∆H) y entropía (∆S). Las interacciones impulsadas por una contribución entálpica serán más específicas porque este calor proviene de las interacciones de Van der Waals y de los enlaces de hidrógeno que se forman en la bolsa de unión, a diferencia de las interacciones impulsadas por interacciones hidrofóbicas que son parte de la contribución entrópica. La ITC también se utiliza para estudiar la cinética de enzimas sin necesidad de colorantes o inmovilización.

Las enzimas son una clase especial de terapéutica porque no solo se unen a su objetivo, sino que también la convierten en un producto. Durante un experimento enzimático, la ITC se utiliza para vigilar el calor generado por la enzima durante este proceso. Mediante el análisis se puede determinar la Vmáx, la velocidad máxima de catálisis, y la Km, la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. Estos valores se pueden utilizar durante el desarrollo para producir enzimas con potencia y especificidad mejoradas.

Una vez que se ha seleccionado un fondo común de candidatos para avanzar en el proceso de desarrollo, es importante comprender la estabilidad conformacional de la molécula, y su estructura de orden superior. Esto servirá como un punto de inicio conforme la molécula pase por diferentes etapas de desarrollo. La manera estándar de medir esto es determinar su T_M, o temperatura de fusión, a partir de Nano DSC. La T_M de una biomolécula depende del amortiguador de la formulación. Una práctica común es probar diferentes pH, concentraciones de sal, excipientes y surfactantes, de modo que se realizarán análisis para ver si la molécula se estabiliza o desestabiliza en ciertas condiciones. La formulación se modificará hasta alcanzar una T_M, deseable, mientras que se minimiza la agregación. También es crucial vigilar la estructura de orden superior durante el proceso de fabricación para minimizar cualquier variación de un lote a otro y para asegurar que se produzca el producto deseado.

En resumen, la microcalorimetría tiene una larga historia de innovación para avanzar en la comprensión de los materiales y los procesos biológicos. Las herramientas y técnicas de microcalorimetría que se utilizan hoy en día en el desarrollo de fármacos biológicos han permitido a los investigadores detectar y desarrollar medicamentos que salvan vidas. La ITC y la Nano DSC son dos métodos de medición que permiten comprender cómo una biomolécula está interactuando con su entorno expuesto, y proporcionan información clave durante el ciclo de desarrollo de medicamentos.