바이오 의약품: 단백질 의약품 생산에 대한 종합 가이드

생물학적 제제로도 알려진 바이오 의약품은 제약 산업에서 빠르게 성장하는 분야입니다. 화학적으로 합성되는 기존의 저분자 의약품과 달리, 바이오 의약품은 살아있는 세포나 유기체를 사용하여 생산되는 크고 복잡한 분자입니다. 바이오 의약품의 중요한 하위 집합인 단백질 의약품은 암, 자가면역 질환, 감염병 등 다양한 질병에 대한 표적 치료를 제공합니다. 이 가이드는 세포주 개발부터 최종 제품 제형화 및 품질 관리에 이르기까지 주요 측면을 다루며 단백질 의약품 생산에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

단백질 의약품이란 무엇인가?

단백질 의약품은 질병을 치료하거나 예방하기 위해 설계된 치료용 단백질입니다. 여기에는 다음과 같은 다양한 분자가 포함됩니다:

• 단일 클론 항체(mAbs): 특정 항원을 표적으로 하는 매우 특이적인 항체로, 암 면역 요법 및 자가면역 질환 치료에 자주 사용됩니다. 예로는 아달리무맙(휴미라®)과 트라스투주맙(허셉틴®)이 있습니다.
• 재조합 단백질: 재조합 DNA 기술을 사용하여 생산된 단백질로, 치료용 단백질의 대규모 생산을 가능하게 합니다. 인슐린(휴물린®)이 대표적인 예입니다.
• 효소: 생화학 반응을 촉매하는 단백질로, 효소 결핍이나 다른 대사 장애를 치료하는 데 사용됩니다. 예로는 고셔병 치료제인 이미글루세라제(세레자임®)가 있습니다.
• 융합 단백질: 두 개 이상의 단백질을 결합하여 만든 단백질로, 치료 효능을 높이거나 특정 세포를 표적으로 하는 데 자주 사용됩니다. 에타너셉트(엔브렐®)는 류마티스 관절염 치료에 사용되는 융합 단백질입니다.
• 사이토카인 및 성장 인자: 세포 성장과 분화를 조절하는 단백질로, 면역 체계를 자극하거나 조직 복구를 촉진하는 데 사용됩니다. 인터페론 알파(로페론-A®)와 에리트로포이에틴(에포젠®)이 그 예입니다.

단백질 의약품 생산 공정: 개요

단백질 의약품 생산은 엄격한 관리와 세심한 실행이 요구되는 복잡한 다단계 공정입니다. 일반적인 작업 흐름은 다음 단계로 나눌 수 있습니다:

1. 세포주 개발: 원하는 단백질을 효율적으로 생산하도록 세포를 선택하고 공학적으로 조작합니다.
2. 상류 공정(Upstream Processing): 생물 반응기에서 세포를 배양하여 단백질 발현을 극대화합니다.
3. 하류 공정(Downstream Processing): 세포 배양액에서 단백질을 분리하고 정제합니다.
4. 제형화 및 충전-완제(Fill-Finish): 투여에 적합한 제형으로 최종 의약품을 준비합니다.
5. 품질 관리 및 분석: 의약품의 안전성, 효능 및 일관성을 보장합니다.

1. 세포주 개발: 단백질 생산의 기초

단백질 생산에 사용되는 세포주는 최종 제품의 품질과 수율을 결정하는 중요한 요소입니다. 중국 햄스터 난소(CHO) 세포와 같은 포유류 세포주는 단백질의 기능과 면역원성에 필수적인 복잡한 번역 후 변형(예: 글리코실화)을 수행하는 능력 때문에 널리 사용됩니다. 특정 단백질과 그 요구 사항에 따라 인간 배아 신장(HEK) 293 세포 및 곤충 세포(예: Sf9)를 포함한 다른 세포주도 사용됩니다.

세포주 개발의 주요 고려 사항:

• 단백질 발현 수준: 목표 단백질을 다량 생산하는 세포를 선택하는 것은 효율적인 제조에 매우 중요합니다. 이는 종종 유전자 발현을 최적화하기 위한 유전 공학을 포함합니다.
• 단백질 품질: 세포주는 적절한 기능과 최소한의 면역원성을 보장하기 위해 올바른 접힘, 글리코실화 및 기타 번역 후 변형을 가진 단백질을 생산해야 합니다.
• 세포 안정성: 세포주는 여러 세대에 걸쳐 일관된 단백질 생산을 보장하기 위해 유전적으로 안정해야 합니다.
• 확장성: 세포주는 생물 반응기에서의 대규모 배양에 적합해야 합니다.
• 규제 준수: 세포주는 안전성과 품질에 대한 규제 요건을 충족해야 합니다.

예시: CHO 세포주 개발

CHO 세포는 일반적으로 다음과 같은 다양한 기술을 사용하여 재조합 단백질을 발현하도록 조작됩니다:

• 형질 주입: 목표 단백질을 암호화하는 유전자를 CHO 세포에 도입합니다.
• 선별: 유전자를 성공적으로 통합하고 단백질을 발현하는 세포를 선별합니다. 여기에는 종종 선별 표지(예: 항생제 내성 유전자)를 사용하는 과정이 포함됩니다.
• 클로닝: 단일 세포를 분리하여 클론 세포주로 성장시킵니다. 이를 통해 집단의 모든 세포가 유전적으로 동일함을 보장합니다.
• 최적화: 단백질 발현과 품질을 극대화하기 위해 세포 배양 조건(예: 배지 조성, 온도, pH)을 최적화합니다.

2. 상류 공정(Upstream Processing): 단백질 생산을 위한 세포 배양

상류 공정은 선택된 세포주를 생물 반응기에서 배양하여 목표 단백질을 생산하는 것을 포함합니다. 생물 반응기는 세포 성장과 단백질 발현에 최적의 조건을 갖춘 통제된 환경을 제공합니다. 온도, pH, 용존 산소, 영양분 공급과 같은 주요 매개변수는 신중하게 제어되어야 합니다.

생물 반응기의 종류:

• 회분식 생물 반응기: 모든 영양분이 배양 시작 시에 첨가되는 폐쇄형 시스템입니다. 이는 간단하고 저렴한 방법이지만, 영양분 고갈과 폐기물 축적으로 인해 단백질 생산이 제한됩니다.
• 유가식 생물 반응기: 최적의 세포 성장과 단백질 발현을 유지하기 위해 배양 중에 주기적으로 영양분이 첨가됩니다. 이는 회분식 배양에 비해 더 높은 세포 밀도와 단백질 수율을 가능하게 합니다.
• 연속식 생물 반응기 (관류): 영양분이 지속적으로 첨가되고 폐기물이 지속적으로 제거됩니다. 이는 세포 성장과 단백질 발현을 위한 안정적인 환경을 제공하여 훨씬 더 높은 세포 밀도와 단백질 수율을 낳습니다. 관류 시스템은 종종 대규모 생산에 사용됩니다.

배지 최적화:

세포 배양 배지는 세포 성장과 단백질 생산에 필요한 영양분과 성장 인자를 제공합니다. 최적의 배지 조성은 세포주와 목표 단백질에 따라 다릅니다. 배지 최적화는 다음과 같은 다양한 구성 요소의 농도를 조정하는 것을 포함합니다:

• 아미노산: 단백질의 구성 요소입니다.
• 비타민: 세포 대사에 필수적입니다.
• 성장 인자: 세포 성장과 분화를 자극합니다.
• 염류 및 미네랄: 삼투 균형을 유지하고 필수 이온을 제공합니다.
• 당류: 세포 대사를 위한 에너지를 제공합니다.

공정 모니터링 및 제어:

상류 공정 중에는 최적의 세포 성장과 단백질 발현을 보장하기 위해 주요 공정 매개변수를 모니터링하고 제어하는 것이 필수적입니다. 여기에는 온도, pH, 용존 산소, 세포 밀도 및 단백질 농도와 같은 매개변수를 측정하기 위한 센서 사용이 포함됩니다. 제어 시스템은 이러한 매개변수를 원하는 범위 내로 유지하기 위해 자동으로 조정하는 데 사용됩니다.

3. 하류 공정(Downstream Processing): 단백질 분리 및 정제

하류 공정은 세포 배양액에서 목표 단백질을 분리하고 정제하는 것을 포함합니다. 이는 최종 제품의 안전성과 효능에 영향을 줄 수 있는 불순물을 제거하므로 단백질 의약품 생산 공정에서 중요한 단계입니다. 하류 공정은 일반적으로 다음과 같은 일련의 단계를 포함합니다:

세포 파쇄:

단백질이 세포 내부에 있는 경우, 단백질을 방출하기 위해 세포를 파쇄해야 합니다. 이는 다음과 같은 다양한 방법을 사용하여 달성할 수 있습니다:

• 기계적 파쇄: 고압 균질화 또는 초음파 처리를 사용하여 세포를 파괴합니다.
• 화학적 파쇄: 세제나 유기 용매를 사용하여 세포막을 용해시킵니다.
• 효소적 파쇄: 효소를 사용하여 세포벽을 분해합니다.

청징(정화):

세포 파쇄 후, 단백질 용액을 맑게 하기 위해 세포 잔해를 제거해야 합니다. 이는 일반적으로 원심분리나 여과를 사용하여 달성됩니다.

단백질 정제:

그런 다음 단백질은 다음과 같은 다양한 크로마토그래피 기술을 사용하여 정제됩니다:

• 친화성 크로마토그래피: 목표 단백질에 특이적으로 결합하는 리간드를 사용합니다. 이는 단일 단계에서 높은 순도를 달성할 수 있는 매우 선택적인 기술입니다. 예를 들어, 항체나 태그된 단백질(예: His-태그 단백질)은 종종 친화성 크로마토그래피를 사용하여 정제됩니다.
• 이온 교환 크로마토그래피: 전하에 따라 단백질을 분리합니다. 양이온 교환 크로마토그래피는 양전하를 띤 단백질을 결합하는 데 사용되고, 음이온 교환 크로마토그래피는 음전하를 띤 단백질을 결합하는 데 사용됩니다.
• 크기 배제 크로마토그래피: 크기에 따라 단백질을 분리합니다. 큰 단백질이 먼저 용출되고 작은 단백질은 나중에 용출됩니다.
• 소수성 상호작용 크로마토그래피: 소수성에 따라 단백질을 분리합니다. 소수성 단백질은 높은 염 농도에서 컬럼에 결합하고 염 농도를 낮추면서 용출됩니다.

한외여과/정용여과:

한외여과와 정용여과는 단백질 용액을 농축하고 염 및 기타 작은 분자를 제거하는 데 사용됩니다. 한외여과는 막을 사용하여 크기에 따라 분자를 분리하는 반면, 정용여과는 완충액을 추가하여 막을 통해 작은 분자를 제거합니다. 이 단계는 제형화를 위해 단백질을 준비하는 데 매우 중요합니다.

바이러스 제거:

바이러스 제거는 바이오 의약품의 중요한 안전 고려 사항입니다. 하류 공정에는 세포 배양액에 존재할 수 있는 바이러스를 제거하거나 비활성화하는 단계가 포함되어야 합니다. 이는 여과, 크로마토그래피 또는 열 비활성화를 사용하여 달성할 수 있습니다.

4. 제형화 및 충전-완제: 최종 의약품 준비

제형화는 정제된 단백질을 환자에게 투여하기에 안정적이고 적합한 형태로 준비하는 것을 포함합니다. 제형은 단백질을 분해로부터 보호하고, 활성을 유지하며, 안전성을 보장해야 합니다.

제형 개발의 주요 고려 사항:

• 단백질 안정성: 단백질은 온도, pH, 산화, 응집과 같은 다양한 요인에 의해 분해되기 쉽습니다. 제형은 이러한 요인으로부터 단백질을 보호해야 합니다.
• 용해도: 단백질은 쉽게 투여할 수 있도록 제형 내에서 용해되어야 합니다.
• 점도: 제형의 점도는 쉽게 주사할 수 있을 만큼 낮아야 합니다.
• 삼투압: 제형의 삼투압은 주사 시 통증이나 자극을 피하기 위해 체액과 호환되어야 합니다.
• 무균성: 제형은 감염을 예방하기 위해 무균 상태여야 합니다.

단백질 제형에 일반적으로 사용되는 부형제:

• 완충제: 제형의 pH를 유지합니다. 예로는 인산염 완충액, 시트르산염 완충액, 트리스 완충액이 있습니다.
• 안정제: 단백질을 분해로부터 보호합니다. 예로는 설탕(예: 수크로스, 트레할로스), 아미노산(예: 글리신, 아르기닌), 계면활성제(예: 폴리소르베이트 80, 폴리소르베이트 20)가 있습니다.
• 삼투압 조절제: 제형의 삼투압을 조절합니다. 예로는 염화나트륨과 만니톨이 있습니다.
• 보존제: 미생물 성장을 방지합니다. 예로는 벤질 알코올과 페놀이 있습니다. (참고: 보존제는 단회 투여 제형에서는 종종 피합니다).

충전-완제:

충전-완제는 제형화된 단백질 의약품을 바이알이나 주사기에 무균적으로 채우는 것을 포함합니다. 이는 오염을 방지하기 위해 엄격한 무균 조건 하에서 수행되어야 하는 중요한 단계입니다. 채워진 바이알이나 주사기는 라벨링, 포장되어 적절한 조건 하에 보관됩니다.

5. 품질 관리 및 분석: 제품 안전성 및 효능 보장

품질 관리(QC)는 단백질 의약품 생산의 필수적인 부분입니다. 이는 의약품이 안전성, 효능 및 일관성에 대한 사전 정의된 사양을 충족하는지 확인하기 위한 일련의 테스트와 분석을 포함합니다. QC 테스트는 세포주 개발부터 최종 제품 출시에 이르기까지 생산 공정의 다양한 단계에서 수행됩니다.

주요 품질 관리 테스트:

• 확인 시험: 의약품이 올바른 단백질인지 확인합니다. 이는 펩타이드 맵핑 및 질량 분석법과 같은 다양한 방법을 사용하여 달성할 수 있습니다.
• 순도 시험: 의약품 내 불순물의 양을 결정합니다. 이는 HPLC 및 SDS-PAGE와 같은 다양한 크로마토그래피 기술을 사용하여 달성할 수 있습니다.
• 역가 시험: 의약품의 생물학적 활성을 측정합니다. 이는 세포 기반 분석 또는 결합 분석을 사용하여 달성할 수 있습니다.
• 무균 시험: 의약품이 미생물 오염이 없는지 확인합니다.
• 엔도톡신 시험: 의약품 내 엔도톡신의 양을 측정합니다. 엔도톡신은 발열과 염증을 유발할 수 있는 세균 독소입니다.
• 발열성 물질 시험: 발열을 유발할 수 있는 물질인 파이로젠의 존재를 감지합니다.
• 안정성 시험: 다양한 보관 조건 하에서 시간 경과에 따른 의약품의 안정성을 평가합니다.

바이오 의약품 QC에 사용되는 분석 기술:

• 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC): 혼합물 내 다른 성분을 분리하고 정량하는 데 사용됩니다.
• 질량 분석법 (MS): 단백질 및 기타 분자를 식별하고 정량하는 데 사용됩니다.
• 전기 영동 (SDS-PAGE, 모세관 전기 영동): 크기와 전하에 따라 단백질을 분리하는 데 사용됩니다.
• 효소 결합 면역 흡착 분석법 (ELISA): 특정 단백질을 검출하고 정량하는 데 사용됩니다.
• 세포 기반 분석: 단백질의 생물학적 활성을 측정하는 데 사용됩니다.
• 생체막 간섭 측정법 (BLI): 단백질-단백질 상호작용을 측정하는 데 사용됩니다.
• 표면 플라스몬 공명 (SPR): 단백질-단백질 상호작용 및 결합 동역학을 측정하는 데에도 사용됩니다.

규제 고려 사항

바이오 의약품의 생산은 미국 식품의약국(FDA), 유럽의약품청(EMA), 세계보건기구(WHO)와 같은 전 세계 규제 기관에 의해 엄격하게 규제됩니다. 이러한 기관들은 바이오 의약품의 안전성과 효능을 보장하기 위해 제조 공정, 품질 관리 및 임상 시험에 대한 표준을 설정합니다. 주요 규제 지침에는 제조 시설, 장비 및 인력에 대한 요구 사항을 설명하는 우수 의약품 제조 및 품질 관리 기준(GMP)이 포함됩니다.

바이오시밀러: 성장하는 시장

바이오시밀러는 이미 승인된 참조 제품과 매우 유사한 바이오 의약품입니다. 생물학적 분자와 제조 공정의 고유한 복잡성으로 인해 참조 제품의 정확한 복제품은 아닙니다. 그러나 바이오시밀러는 안전성, 효능 및 품질 면에서 참조 제품과 매우 유사함을 입증해야 합니다. 바이오시밀러의 개발 및 승인은 의료 비용을 절감하고 중요한 의약품에 대한 환자의 접근성을 높일 수 있는 잠재력을 제공합니다. 전 세계 국가들은 바이오시밀러 승인에 대해 서로 다른 규제 경로를 가지고 있지만, 기본 원칙은 오리지널 바이오 의약품과의 비교 가능성을 보장하는 것입니다.

단백질 의약품 생산의 미래 동향

단백질 의약품 생산 분야는 효율성을 개선하고, 비용을 절감하며, 제품 품질을 향상시키기 위한 새로운 기술과 접근 방식이 등장하면서 끊임없이 발전하고 있습니다. 단백질 의약품 생산의 미래를 형성하는 몇 가지 주요 동향은 다음과 같습니다:

• 연속 제조: 효율성 증대, 비용 절감, 제품 품질 향상을 제공하는 회분식 공정에서 연속 제조로 전환하고 있습니다.
• 공정 분석 기술 (PAT): 실시간 공정 모니터링 및 제어를 사용하여 제조 공정을 최적화하고 일관된 제품 품질을 보장합니다.
• 일회용 기술: 일회용 장비를 사용하여 오염 위험을 줄이고 세척 및 멸균의 필요성을 제거합니다.
• 고속 대량 스크리닝: 자동화된 시스템을 사용하여 수많은 세포주와 공정 조건을 스크리닝하여 단백질 생산에 최적의 조건을 식별합니다.
• 첨단 분석: 단백질 의약품의 복잡한 구조와 기능을 특성화하기 위해 더 정교한 분석 기술을 개발합니다.
• 맞춤 의학: 유전적 구성 및 기타 요인을 기반으로 개별 환자에게 단백질 의약품 치료법을 맞춤화합니다. 여기에는 특정 치료법의 혜택을 받을 가능성이 가장 높은 환자를 식별하기 위한 동반 진단 개발이 포함됩니다.
• AI 및 머신러닝: 인공 지능과 머신러닝을 사용하여 단백질 의약품 설계, 생산 및 제형화를 최적화합니다. 여기에는 단백질 구조 및 기능 예측, 세포 배양 조건 최적화, 더 안정적이고 효과적인 제형 개발이 포함됩니다.

결론

단백질 의약품 생산은 다학제적 접근이 필요한 복잡하고 어려운 과정입니다. 세포주 개발부터 최종 제품 제형화 및 품질 관리에 이르기까지, 의약품의 안전성, 효능 및 일관성을 보장하기 위해 각 단계는 신중하게 제어되어야 합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 단백질 의약품 생산 분야는 더 많은 혁신을 이룰 준비가 되어 있으며, 이는 광범위한 질병에 대한 새롭고 개선된 치료법 개발로 이어질 것입니다. 바이오 의약품에 대한 전 세계적인 수요 증가는 전 세계 환자들의 요구를 충족시키기 위해 제조 공정의 지속적인 개선을 필요로 합니다. 바이오시밀러의 개발은 또한 이러한 생명을 구하는 의약품에 대한 접근성을 확대할 기회를 제공합니다.