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폴리싱: 마지막 불순물 제거

📍 현재 위치: 여정의 15부 — 항체를 포획했고 바이러스 안전성도 확보했으니, 이제 최종 안전성 검사에 들어가기 전에 마지막으로 남은 불순물을 추적해 제거합니다.

포획(capture) 단계를 거치고 나면 항체는 대부분 순수해집니다. 하지만 사람의 혈류로 곧장 들어가는 의약품에 "대부분"으로는 부족합니다. 폴리싱(polishing)은 원치 않는 물질의 마지막 흔적까지 쫓아내는 정리 단계로, 제품을 약 95% 순도에서 98% 이상으로 끌어올리고, 가장 위험한 잔류물은 100만분의 몇(ppm) 수준까지 떨어뜨립니다. 이것이 바로 "실험대에 올릴 만큼 깨끗한 것"과 "아픈 사람에게 주사할 만큼 깨끗한 것"의 차이입니다.

쉽게 말하면

세차를 떠올려 보세요. 처음의 거친 세척이 큰 진흙덩어리를 날려 버리는 것 — 그것이 포획이었습니다. 폴리싱은 마지막 디테일링입니다. 차를 전시장처럼 완벽하게 만드는 정성스러운 왁스와 광택 작업이죠. 또는 밀가루를 두 번 체로 치는 모습을 그려 보세요. 첫 번째 체질은 눈에 띄는 덩어리를 걸러 내고, 두 번째의 더 고운 체질은 결혼식 케이크에서는 결코 발견하고 싶지 않을 아주 작은 알갱이까지 잡아냅니다. 폴리싱은 바로 그 두 번째의, 훨씬 더 고운 체질입니다 — 다만 그 "알갱이"가 환자를 아프게 할 수 있다는 점이 다르기에, 거의 완벽해야 합니다.

이 장에서 다루는 내용​

먼저 포획을 거친 뒤에도 여전히 따라붙는 불청객들 — 응집체(aggregate), 숙주세포 단백질(host cell protein), 잔류 DNA, 그리고 포획 물질 자체의 흔적 — 과 이들 각각이 환자에게 무엇을 할 수 있는지부터 살펴봅니다. 그런 다음 폴리싱의 핵심 도구인 이온교환 크로마토그래피(ion exchange chromatography), 즉 분자를 전하로 분류하는 기법과, 그보다 더 영리한 사촌 격인 혼합모드 레진(mixed-mode resin)을 풀어 봅니다. 폴리싱 컬럼을 운전하는 정반대의 두 가지 방식, 엔지니어가 실제로 선택하는 구체적 수치와 제품명, 이 단계가 반드시 충족해야 하는 엄격한 규제 한계, 그리고 마지막으로 현대의 집약형 공장이 폴리싱을 한 배치씩이 아니라 연속 흐름으로 운전하는 방식까지 알아봅니다.

실제로 일어나는 일​

아무리 잘 운전된 포획 단계를 거쳤어도, 한 줌의 불청객은 여전히 항체와 뒤섞여 있습니다 [2]:

  • 응집체(aggregate) — 둘, 셋, 혹은 더 큰 엉킴으로 뭉쳐 버린 항체. 우리 의약품은 본래 하나하나 분리된 분자여야 합니다. 뭉친 덩어리는 몸에 "이물질"처럼 보여 해로운 면역반응을 일으킬 수 있는데, 때로는 환자의 방어 체계가 약물 자체를, 심지어 자기 자신의 조직을 공격하도록 돌려 버리기도 합니다.
  • 숙주세포 단백질(host cell proteins, HCPs) — 항체를 키우는 공장 역할을 하는 살아 있는 햄스터 난소 세포, 즉 CHO 세포가 만들어 낸 잔류 단백질. 수천 가지 서로 다른 HCP가 존재하며, 아주 미량이라도 염증을 일으키거나 시간이 지나면서 약물을 변질시킬 수 있습니다.
  • 잔류 DNA(residual DNA) — 같은 세포에서 나온 유전물질의 작은 조각들.
  • 유리된 프로테인 A(leached Protein A) — 포획 단계에서 떨어져 나온 포획 물질의 미량. 프로테인 A(Protein A)는 포획 도중 항체를 붙잡는 "자석" 역할을 하는 끈적한 세균 단백질로(원래는 *황색포도상구균(Staphylococcus aureus)*에서 유래), 그 일부가 컬럼에서 항상 떨어져 나와 제품과 함께 흘러가므로 하류 공정에서 반드시 제거해야 합니다 [3].

마지막 항목에 대해 한 가지 짚고 넘어가야 합니다. 초보자가 흔히 혼동하는 지점이기 때문입니다. 프로테인 A 제거는 두 부분으로 나뉜 작업입니다. 포획은 항체를 붙잡았다가 놓아 주도록 설계되어 있지만, 그것이 프로테인 A를 제거하는 전용 단계는 아닙니다. 일부 리간드(ligand)는 항상 유리되며, 그렇게 유리된 프로테인 A를 안전한 수준까지 제거하는 것이 폴리싱이 맡은 구체적인 임무 중 하나입니다 [3]. 다시 말해, 포획이 유리된 프로테인 A 문제를 만들고, 폴리싱이 그것을 해결하는 것입니다.

그렇다면 폴리싱은 컬럼을 몇 개나 더 추가할까요? 정답은 하나로 정해져 있지 않으며, 초보자가 흔히 고정된 레시피가 있다고 가정하기 쉬우므로 정확히 짚을 가치가 있습니다. 단일클론항체(monoclonal antibody, mAb)를 위해 개척된 고전적 플랫폼 공정은 포획 뒤에 폴리싱 컬럼을 하나 또는 둘 추가합니다 — 가장 흔하게는 둘이지만, 다루기 쉬운 항체라면 때때로 하나만으로 마무리할 수 있고, 까다로운 항체라면 짧은 컬럼 연쇄가 더 필요할 수도 있습니다 [1]. 그 개수는 해당 항체에서 어떤 불순물이 가장 제거하기 어려운지에 따라 분자별로 선택됩니다.

그 컬럼들 각각이 크로마토그래피 컬럼입니다. 크로마토그래피(chromatography)란 그저 수백만 개의 작은 다공성 비드(bead), 통칭 **레진(resin)**으로 채워진 관에 액체를 흘려보내, 일부 분자는 달라붙고 다른 분자는 그냥 지나가게 하는 것을 뜻합니다. 폴리싱의 일꾼은 분자를 전하로 분류하는 **이온교환 크로마토그래피(ion exchange chromatography)**입니다.

여기서부터 쉬운 설명이 얼버무리는 부분이 나옵니다. 단백질이 알짜 양전하를 띠는지 음전하를 띠는지는 주변 액체의 pH, 그리고 그 단백질 고유의 등전점(isoelectric point, pI) — 단백질이 전기적으로 중성이 되는 pH — 에 달려 있습니다. 단백질은 자신의 pI보다 낮은 pH에서는 알짜 양전하를, 높은 pH에서는 알짜 음전하를 띱니다. 대부분의 치료용 항체는 pI가 꽤 높은 편이라(흔히 8에서 9 부근), 폴리싱에서 쓰는 약산성에서 중성 사이의 작업 pH — 보통 5에서 8 사이 — 에서는 항체 자신이 대개 알짜 양전하를 띱니다.

이온교환은 서로 보완하는 두 가지 방식으로 나뉩니다:

  • 양이온교환(cation exchange, CEX) — 비드가 고정된 음전하를 띠어서 양전하를 띤 분자를 붙잡습니다. 항체의 pI보다 낮은 작업 pH에서는 항체가 양전하를 띠어 결합하고, 많은 불순물은 다르게 행동하므로 씻겨 나갑니다.
  • 음이온교환(anion exchange, AEX) — 정반대의 거울상입니다. 비드가 고정된 양전하를 띠어 음전하를 띤 분자를 붙잡습니다. AEX는 강한 음전하를 띠기 쉬운 DNA와 많은 HCP를 박박 긁어내는 데 탁월합니다.

어떤 공정은 **혼합모드 레진(mixed-mode resin)**을 사용합니다. 이는 전하 와 끈적임(소수성 인력)으로 동시에 분리하도록 설계된 비드입니다. 두 가지 표면 성질을 한꺼번에 이용하면 이 레진은 유난히 날카로운 선택성을 얻게 되어, 전하만으로는 분리하기 어려운 것들 — 특히 응집체와 끈질긴 HCP — 을 떼어 내는 데 탁월합니다 [4]. 두 가지 재주를 지닌 체를 떠올려 보세요. 분자 하나하나를 한 가지가 아니라 두 가지 성질로 판단하는 것입니다.

이온교환 레진층, 공급 유입구, 폐액 및 제품 수집 배출구, 그리고 전하 기반의 항체-불순물 분리를 보여주는, 흐름 경로가 표시된 폴리싱 크로마토그래피 컬럼의 단면. 폴리싱 크로마토그래피 컬럼: 항체(Y자 모양)와 불순물(HCP, 응집체, DNA)이 레진층으로 들어갑니다. 이온교환 비드는 pH와 염에 따라 불순물 또는 항체를 결합하며, 제품은 피크 용출로 수집됩니다. Original diagram by the authors, created with AI assistance.

컬럼을 운전하는 두 가지 방식​

폴리싱 컬럼을 운전하는 데에는 정반대의 두 전략이 있으며, 그 선택은 꽤 영리한 것입니다 [2]:

  1. 결합-용출(bind-and-elute) — 항체는 레진에 달라붙고 잡것들은 씻겨 나가게 한 다음, 액체를 바꿔서 이제 순수해진 항체를 용출(elute), 즉 풀어 주는 방식입니다. 포획도 이렇게 작동합니다. CEX 폴리싱 컬럼에서는 보통 **염 단계(salt step) 또는 구배(gradient)**로 용출합니다 — 염화나트륨(sodium chloride, NaCl) 농도를 서서히 높여 항체의 정전기적 결합을 느슨하게 푸는 것이죠. 전형적인 용출은 대략 30에서 500 mM NaCl 구간을 훑으며, 정확한 범위는 필요한 분리에 맞춰 조정됩니다.
  2. 통과(flow-through) — 정확히 그 반대입니다. 순수한 항체는 곧장 통과해 바닥으로 빠져나오고, 오히려 불순물이 뒤에 달라붙습니다. 빠르고, 통상적인 논리를 깔끔하게 뒤집는 방식입니다. 원하는 것을 붙잡는 대신, 원하지 않는 것들을 붙잡아 두고 제품은 정문으로 걸어 나가게 두는 셈이죠. AEX 폴리싱은 아주 흔히 이 방식으로 운전되는데, DNA와 산성 HCP는 단단히 결합하는 반면 양전하를 띤 항체는 유유히 지나가기 때문입니다.

채택 현황에 관한 실무적 참고: 통과 폴리싱은 오늘날 상업적 항체 제조에서 정말로 표준입니다 — 단순한 연구실의 호기심이 아닙니다 — 그리고 마침 연속 공정에 특히 잘 맞는데, 이 점은 아래에서 다시 다룹니다. 엔지니어는 해당 항체에서 가장 제거하기 어려운 불순물을 박박 긁어내는 순서대로, 이 운전 방식과 컬럼 종류를 자유롭게 조합합니다. 레시피는 돌에 새겨진 것이 아니라 구성할 수 있는 것입니다.

그 뒤에 있는 실제 수치​

폴리싱은 막연히 "더 깨끗하게"라는 단계가 아닙니다 — 규격(specification)에 따라 운전됩니다. 파일럿 규모나 생산 규모의 폴리싱 컬럼은 레진층을 리터 단위로 채웁니다(흔히 수십 리터, 본격적인 상업 규모에서는 훨씬 더 큽니다). 액체는 선형 유속(linear flow velocity) — 액체의 앞면이 컬럼을 따라 내려가는 속도를 떠올리면 됩니다 — 대략 시간당 100에서 200 cm로 밀어 넣는데, 이는 처리량과 분자가 결합 상대를 찾을 시간을 주는 것 사이의 균형을 맞춘 속도입니다. 레진의 결합 용량(binding capacity), 즉 레진 1리터가 붙잡을 수 있는 단백질의 양은 레진과 분자에 따라 보통 리터당 40에서 120 g 부근에 자리 잡습니다.

수집 구간(collection window) — 정제된 제품이 용출될 때 정확히 언제 받기 시작하고 멈출지를 결정하는 것 — 은 컬럼 출구에서 자외선(ultraviolet, UV) 흡광도를 지켜보며 정합니다. 단백질은 280 nm에서 자외선을 강하게 흡수하므로, 280 nm 신호가 상승하면 항체 피크가 나타난 것이고, 254 nm의 두 번째 채널은 핵산 오염을 표시하는 데 도움을 줍니다. GMP(Good Manufacturing Practice) 규모에서는 자동화 시스템이 UV 피크가 설정된 임계값을 넘을 때 분획을 수집해, 피크의 순수한 중심부를 받고 불순한 앞쪽과 뒤쪽 가장자리는 폐기로 돌립니다.

운전과 운전 사이에 재사용 컬럼은 반드시 세척해야 하며, 이 과정은 엄격하게 통제됩니다. 스테인리스강 바이오프로세스(BioProcess) 방식 컬럼은 정치세척(clean-in-place, CIP) — 검증된 산과 염기 세척에 이은 물 헹굼으로, 문서화된 유지 시간과 헹굼이 완료되었음을 증명하는 전도도 종점(conductivity endpoint)을 동반 — 으로 재생되며, 그 후 수십에서 수백 회 재사용할 수 있습니다. 일회용(single-use) 폴리싱 모듈은 CIP를 피하고 한 배치에서 다음 배치로 오염을 옮길 위험을 없애 주지만, 운전당 비용이 더 듭니다. 이 절충은 제조 팀이 분자별로 저울질하는 바로 그런 종류의 공학적 결정입니다.

왜 중요한가​

이것이 "실험실에 충분한 것"을 "주사해도 안전한 것"으로 바꾸는 단계입니다. 응집체가 빠져나가면 환자의 면역계가 의약품을 공격하거나, 최악의 경우 속아서 몸 자신의 조직을 공격하게 될 수 있습니다. 숙주세포 단백질이나 DNA가 안전 수준 위에 남으면 염증, 알레르기 반응, 또는 약물의 느린 변질을 일으킬 수 있습니다.

그래서 규제 기관은 단단하고 수치화된 상한선을 설정하며, 폴리싱이 바로 그 수치를 끌어내려 그것을 충족시키는 단계입니다. 가이드라인과 출하 시험(release testing)은 보통 숙주세포 단백질이 약 100 ppm 미만이기를 기대하고, 실제로 잘 폴리싱된 항체는 10 ppm 미만으로 나오며, 잔류 DNA는 대략 투여량당 10 ng 미만(오랫동안 통용된 WHO/규제 가이드라인), 유리된 프로테인 A는 약 1 ppm 미만이어야 합니다 [5]. 앞선 단계 이후 2에서 5% 정도에 머무를 수 있는 가용성 응집체는 0.5% 미만으로 낮춰야 하며, 이는 크기배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography, SEC-HPLC) — 분자를 크기로 분류하여 "뭉친" 물질이 얼마나 남았는지 셀 수 있는 분석법 — 로 확인합니다. 배치(batch)가 이 목표를 놓치면 가능하다면 재처리하거나, 아예 폐기해야 하는데, 이는 매우 값비싼 실패입니다. 이 한계들 중 어느 것도 선택 사항이 아닙니다. 미국 규정상 어떤 생물의약품 로트(lot)도 적합성 시험을 통과하기 전에는 출하될 수 없으며 [6], 그 합격 기준 자체는 생명공학 제품 규격에 관한 국제 표준인 ICH Q6B를 따라 설정됩니다 [5]. 폴리싱을 제대로 해내면, 흘러나오는 것은 최종 안전성 검사인 바이러스 여과(viral filtration)를 받을 준비를 갖추게 됩니다.

실제 현장에서는​

폴리싱은 그 레진들이 함께 업계 플랫폼의 대부분을 아우르는 소수의 이름난 공급사가 지배하고 있습니다. **싸이티바(Cytiva)**는 Capto 계열 레진을 제공하는데, 예를 들어 양이온교환용 Capto S와 혼합모드용 Capto adhere가 있습니다. **토소(Tosoh)**는 TSKgel과 Toyopearl 라인을 공급하고, **머크(Merck, MilliporeSigma)**는 고처리량 분리용 Fractogel EMD 레진을 제공하며, **퓨로라이트(Purolite)**가 폴리싱 레진으로 그 진용을 마무리합니다. 폴리싱 열차를 고르는 공정 개발자는, 실무적으로는 이 카탈로그들 사이에서 선택하며 가장 제거하기 어려운 불순물에 레진의 화학적 성질을 맞추는 것입니다.

표준적인 상업 설비는 이 컬럼들을 **배치(batch)**로 — 한 번에 컬럼 한 부하씩 — 운전합니다. 컬럼 한 개로는 부하를 걸고, 씻고, 용출한 뒤, 다시 시작하기 전에 세척해야 하므로, 컬럼이 실제로 일하는 시간은 전체의 약 3분의 1뿐입니다. 현대의 집약형 대안은 연속 다중컬럼(continuous, multi-column) 폴리싱입니다. 컬럼 두세 개를 병렬로 운전하며 주기를 어긋나게 배치하면 — 각 부하-세척-용출 주기는 두어 시간 정도가 걸립니다 — 한 컬럼이 용출하는 동안 다음 컬럼은 이미 부하를 걸 수 있습니다. 그러면 컬럼 가동률이 약 33%에서 60에서 80%를 향해 올라가, 필요한 레진과 설비 면적이 모두 줄어듭니다 [7]. 연구자들은 완전 연속의 통합 폴리싱 열차 — 양이온교환 결합-용출 단계가 혼합모드 통과 단계로 곧장 이어지는 — 를 시연했으며, 이 모든 것은 BioSMB 같은 모사이동층(simulated-moving-bed) 제어 시스템에 의해 자동으로 조율되었습니다 [8]. 통과 폴리싱은 이 방식에 자연스럽게 들어맞는데, 제품이 단계 사이에서 탱크에 멈춰 기다릴 필요가 없기 때문입니다.

그림을 정직하게 유지하기 위한 한 가지 짚어 둘 점입니다. 미국 NIIMBL 기관 — 바이오의약품 혁신에 초점을 맞춘 민관 합동 Manufacturing USA 기관 — 은 이러한 연속 기법을 앞으로 밀고 나가는 데 힘을 보태고 있으며, 그 SABRE 시설(델라웨어 대학교와 함께 짓고 있는 파일럿 규모의 cGMP, 즉 현행 우수의약품제조관리기준(current Good Manufacturing Practice) 공장으로, 2024년 4월에 착공)은 실제 항체로 이러한 집약형 하류 단계를 시험하려는 목적입니다. 하지만 SABRE는 여전히 건설 중인 시설이고, 연속 폴리싱은 아직 일상적 생산의 표준이 아니라 떠오르는 방향입니다. 오늘날 시장에 나와 있는 승인 항체 의약품의 절대다수에서, 폴리싱은 여전히 고전적인 방식으로 이루어집니다 — 컬럼 한두 개를, 한 번에 한 부하씩, 배치로 운전하는 것이죠.

핵심 용어​

  • 폴리싱(polishing) — 포획 후 마지막 불순물을 제거하는 최종 크로마토그래피 단계로, 순도를 약 95%에서 98% 이상으로 끌어올린다.
  • 응집체(aggregate) — 면역반응을 일으킬 수 있는, 서로 뭉친 항체 분자. 폴리싱 동안 약 2~5%에서 0.5% 미만으로 줄인다.
  • 숙주세포 단백질(host cell protein, HCP) — CHO 생산 세포에서 나온 잔류 단백질. 100 ppm보다 훨씬 낮게(흔히 10 ppm 미만) 제거한다.
  • 이온교환 크로마토그래피(ion exchange chromatography) — 분자를 알짜 전하로 분리하는 방법.
  • 양이온교환(cation exchange, CEX) — 양전하를 띤 분자를 붙잡는 음전하 레진.
  • 음이온교환(anion exchange, AEX) — 음전하를 띤 분자를 붙잡는 양전하 레진. DNA와 산성 HCP에 매우 효과적이다.
  • 혼합모드 레진(mixed-mode resin) — 전하와 소수성 끈적임 양쪽으로 분리하는 비드로, 응집체와 HCP에 높은 선택성을 보인다.
  • 결합-용출(bind-and-elute) — 항체가 레진에 달라붙은 뒤 순수한 제품으로 풀려나는 방식(흔히 염 농도를 높이는 단계로 수행).
  • 통과(flow-through) — 항체는 지나가고 불순물이 뒤에 달라붙는 방식.
  • 유리된 프로테인 A(leached Protein A) — 포획 중 떨어져 나온 포획 리간드의 흔적으로, 폴리싱 동안 약 1 ppm 미만까지 제거해야 한다.
  • 등전점(isoelectric point, pI) — 단백질이 알짜 전하를 띠지 않는 pH. pI보다 낮으면 양전하, 높으면 음전하를 띤다.
  • 선형 유속(linear flow velocity) — 액체가 컬럼을 따라 내려가는 속도로, 폴리싱에서는 보통 시간당 100~200 cm.
  • 정치세척(clean-in-place, CIP) — 재사용 컬럼을 여러 번 세척해 재사용할 수 있게 하는 검증된 산/염기 세척.
  • 크기배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography, SEC-HPLC) — 분자를 크기로 분류하는 분석법으로, 응집체가 얼마나 남았는지 측정하는 데 쓴다.

다음 이야기​

이제 항체는 거의 완벽하게 순수해졌지만, "거의 순수"는 여전히 "바이러스 안전성이 입증됨"은 아닙니다. 다음 장 바이러스 여과(viral filtration)는 최종 물리적 안전성 검사를 다룹니다 — 가장 작은 바이러스조차 걸릴 만큼 미세한 구멍을 가진 막에 폴리싱된 항체를 밀어 넣어, 항체는 빠져나가게 하는 것이죠 — 이것이 제품을 농축하고, 제제화하고, 바이알에 충전하기 전의 마지막 장벽입니다.