18세기 많은 과학자들이 열의 본질에 의문을 제기했다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 열이 입자의 진동에 의해 전달된다고 생각했고, 로버트 훅(Robert Hooke)은 열이 각 신체 부분의 운동에 의해 발생하는 신체의 특성이라고 생각했다.1 그러나 열 측정 역사에 기여한 최초의 유명한 과학자는 스코틀랜드의 의사이며 화학자인 조셉 블랙(Joseph Black)이다.1 1761년 블랙은 정밀 측정법을 사용해 녹는점의 얼음이나 끓는점의 물에 열을 가해도 온도가 변하지 않는다는 사실을 발견했다.1 이 발견을 통해 블랙은 온도와 열을 구별한 최초의 과학자가 되었으며, 이는 열역학의 시작을 알렸다.

조셉 블랙의 뒤를 이어 많은 중요한 과학자들이 열량 측정법과 미세 열량 측정법의 벌견에 기여했다. 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier)는 1789년에 처음으로 열량계를 만들었고 수집한 데이터를 통해 호흡 과정이 연소 반응임을 확인했다.1 그러나 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)이 최초로 정확한 열 측정법을 발견한 것으로 알려져 있다. 줄은 1841년에 1lb 물의 온도를 화씨 1도 올리는 데 필요한 열 일당량이 일 칼로리당 4.184J라는 것을 확인했다.1 줄의 이러한 연구는 열이 측정 가능한 형태의 에너지라는 것을 입증했다. 전반적으로 이러한 중요한 이정표가 현대 열량 측정법과 미세 열량 측정법의 발전으로 이어졌다.

현대 열량 측정법에 처음으로 크게 기여한 것은 1920년대 후반 Kawakami 열량 측정법으로, 이는 합금 혼합 열을 측정하는 데 사용되었다.1 약 10년 후, 금속간 화합물의 직접 합성 과정을 측정하기 위해 최초의 단열 반응 열량계가 제작되었다.1 기술이 발전함에 따라 나노 규모의 반응을 측정할 수 있게 되어, 미세 열량 측정법이 탄생했다.

미세 열량 측정법은 예를 들어 화학 반응이나 물리적 변화로 인한 신체 상태 변화와 관련된 열 전달을 평가하고 도출하는 데 중요한 역할을 했다. 최근에 이 기술은 특히 구조-기능 관계를 이해하기 위한 분자 상호작용의 생물리학 특성화에 유용해졌다. 이러한 측정된 특성에는 다음이 포함될 수 있다.

• 엔탈피
• 평형 상수
• 엔트로피
• 깁스 자유 에너지\
• 결합 화학량론

미세 열량 측정법은 구조적 정보와 결합하여 합리적인 약물 설계에 필수적인 다양한 핵심 정보를 제공했다.

현재 등온 적정 열량 측정법(ITC), 나노 시차 주사 열량 측정법(DSC)과 같은 고감도 미세 열량 측정법이 가장 널리 사용된다. ITC는 반응 시 방출되거나 소모되는 열량을 측정하기 위한 기본 도구로 출현했으며, 모든 열역학적 매개변수를 화학적 태깅이나 부동 없이 직접 신속하게 결정할 수 있는 능력으로 인기를 얻었다.2 이로 인해 ITC는 여러 응용 분야에서 혼탁한 유색 용액 또는 특정 현탁액과 함께 사용할 수 있는 훌륭한 용액 내 방법이 된다.2

나노 DSC는 재료의 열적 특성 및 생체분자의 녹는 점 분석과 같은 열분석에 사용되는 가장 중요한 방법 중 하나로 간주되었다.³ 수집된 데이터는 약물 설계 및 개발에 매우 유용하다.

이러한 열량 측정계들을 다양한 데이터 분석 소프트웨어와 함께 쉽게 사용할 수 있어 전반적인 분석에 도움이 되는 보다 정확한 측정값을 생성할 수 있었다.

약물 개발 시 약물이 표적과 상호작용하는 방식을 이해하는 것이 중요하다. 이 특성은 제형 전 발견의 후반 단계에서 ITC를 사용해 규명하여 추가 개발을 진행하기 전에 상호작용의 원동력을 완전히 이해할 수 있다. 대부분의 경우 목표는 표적에 특이적으로 결합하는 약물을 개발하는 것이다. 이는 원치 않는 부작용을 줄이는 데 도움이 된다.

결합 특이성은 특성화된 상호작용의 열역학 프로파일을 통해 결정할 수 있다. 결합 자유 에너지(ΔG)는 엔탈피(ΔH)와 엔트로피(ΔS)의 두 부분으로 구성된다. 엔트로피 기여의 일부인 소수성 상호작용에 의해 주도되는 상호작용과 달리 엔탈피의 기여로 주도되는 상호작용은 반데르발스 상호작용과 결합 포켓에서 형성되는 수소 결합에 의해 열이 발생하기 때문에 더 특이적이다. ITC는 또한 염료나 부동의 필요 없이 효소 역학을 연구하는 데 사용된다.

효소는 표적에 결합할 뿐만 아니라 해당 표적을 제품으로 전환시키므로 특별한 유형의 치료제가 된다. 효소 실험에서 ITC는 이 과정 동안 효소에 의해 생성되는 열을 모니터링하는 데 사용된다. 분석을 통해 최대 촉매작용 속도 Vmax와 최대 속도의 절반에 도달하는 데 필요한 기질 농도인 Km을 결정할 수 있다. 개발 중에 이러한 값들을 사용하여 효능과 특이성이 향상된 효소를 생산할 수 있다.

개발 과정을 진행하기 위해 후보 풀을 선택한 후 분자의 구조적 안정성과 고차 구조를 이해하는 것이 중요하다. 이는 분자가 다양한 개발 단계를 거치는 동안 베이스라인으로서의 역할을 하게 된다. 이를 측정하는 표준 방법은 나노 DSC를 통해 T_M 즉 용융 온도를 결정하는 것이다. 생체분자의 T_M은 제제 완충액에 따라 달라진다. 다양한 pH, 염 농도, 부형제 및 계면활성제를 테스트하는 것이 일반적인 관행이므로 특정 조건에서 분자가 안정화되는지 또는 불안정화되는지 여부를 확인하기 위한 스크리닝을 수행한다. 응집을 최소화하면서 원하는 T_M에 도달할 때까지 제형을 수정한다. 또한 제조 공정 중 고차 구조를 모니터링하여 로트 간 변동을 최소화하고 원하는 제품을 생산하는 것이 중요하다.

검토 결과 미세 열량 측정법은 재료와 생물학적 과정에 대한 이해를 발전시키기 위한 오랜 혁신의 역사를 가지고 있다. 오늘날 연구자들은 생물학적 제제 개발에 사용되는 미세 열량 측정 도구와 기술을 통해 생명을 구하는 치료제를 발견하고 개발할 수 있다. ITC와 나노 DSC는 생체분자가 노출된 환경과 상호작용하는 방식에 대한 이해를 지원하고 의약품 개발 주기 동안 주요 통찰력을 제공하는 두 가지 측정 방법이다.