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레시피 완성하기 (공정 개발)

📍 현재 위치: 여정의 7단계 — 우리만의 공장 세포를 손에 넣었으니, 이제 그 세포에게 먹이를 주고, 키우고, 세포가 만들어내는 약을 정제하는 최선의 방법을 찾아낼 차례입니다.

마침내 우리의 항체를 만드는 세포를 손에 넣었습니다(항체는 면역계가 특정 표적을 붙잡는 데 쓰는 Y자 모양 단백질이죠). 하지만 세포는 우리가 키우는 조건만큼만 좋을 수 있습니다. **공정 개발(process development)**은 최선의 레시피 — 알맞은 먹이, 온도, 산소, 그리고 정제 단계 — 를 찾는 신중하고 체계적인 탐색입니다. 그래야 세포가 건강하게 유지되고, 가능한 한 많은 약을 만들며, 매번 똑같은 약을 만들어냅니다.

쉽게 말하면

새 식당을 여는 셰프를 떠올려 보세요. 수백 명의 손님에게 음식을 내기 전에, 셰프는 시험 주방에서 한 가지 요리를 완성합니다. 소금을 한 꼬집 더, 불은 조금 약하게, 2분 더 익히고. 맛을 보고, 조정하고, 성공한 레시피를 적어 둡니다. 그제서야 비로소 만석의 손님을 위해 그 요리를 만들죠. 공정 개발은 바로 약을 위한 그 시험 주방입니다. 그리고 이것은 약이기 때문에, 셰프는 어떤 단계가 중요한지를 정확히 증명해야 하고, 그 증명을 수년간 계속 이어가야 합니다.

분홍색 세포 배양액으로 채워진 벤치탑 유리 바이오리액터가 실험실에서 튜브와 제어 장치에 연결되어 있다. 포유류 세포를 키우는 벤치탑 바이오리액터(분홍색은 배양액의 색입니다). 과학자들은 대규모 제조에 들어가기 전에 이런 소규모 장치에서 배양 조건을 정밀하게 조율합니다. Benchtop bioreactor cultivating animal cells. Image by Karel Schmiedberger ml., CC BY 3.0, via Wikimedia Commons.

이 장에서 다루는 내용​

우리는 이 작업의 두 절반을 살펴볼 것입니다. 세포를 키우고 항체를 만들도록 유도하는 상류 공정(upstream), 그리고 그 항체를 지저분한 배양액에서 끄집어내 깨끗하게 다듬는 **하류 공정(downstream)**입니다. 그 과정에서 수년의 실험실 시간을 아껴 주는 영리한 실험 계획법, 수십 가지 레시피를 한 번에 돌리는 작은 로봇 바이오리액터, 그리고 2리터짜리 플라스크가 2,000리터 탱크의 거동을 예측하게 해 주는 소규모 "대역 배우"들을 만나게 됩니다. 마지막으로, 규제 당국이 왜 이 단계를 그토록 깊이 중요하게 여기는지 보게 됩니다. 여기서 확정한 레시피가 곧 법적 약속이 되기 때문입니다.

실제로 무슨 일이 일어나는가​

이 작업은 생물의약품을 만드는 두 가지 큰 단계에 맞춰 두 절반으로 나뉩니다.

상류 공정: 세포 키우기​

과학자들은 세포가 번성하고 생산성을 유지하는 조건을 찾아 헤맵니다.

  1. 배지(media) — 세포가 사는 액체 "먹이"입니다. 현대의 배양에서는 화학적으로 정의된(chemically defined) 배지를 씁니다(모든 성분이 알려지고 측정되며, 동물 유래 성분이 없습니다). Gibco CD CHO, Cytiva HyClone, Sartorius EX-CELL 및 Optim CHO 같은 이름으로 판매됩니다. 전형적인 레시피는 주된 당으로 5~10 g/L 범위의 포도당(glucose)을 담고, 균형 잡힌 아미노산 묶음(보통 각각 낮은 밀리몰 농도), 그리고 비타민, 미량 금속, 완충 염을 포함합니다. 연구팀은 어떤 레시피를 자신의 특정 세포가 가장 좋아하는지 보기 위해 여러 레시피를 비교합니다.
  2. 공급 전략(feed strategy) — 세포가 증식하며 배고파질 때 추가 영양을 언제, 얼마나 넣을지입니다. 전형적인 유가식(fed-batch) 배양에서는 농축된 공급액을 24~48시간마다 넣는데, 흔히 주요 영양소가 바닥나려 할 때 이를 신호로 삼습니다. 포도당은 완전히 떨어지기 전에 보충하고, 글루타민(glutamine, 세포가 빨리 태워 없애는 아미노산)은 신중히 관리합니다. 너무 일찍 떨어지면 성장이 굶주리고, 너무 많으면 독성 암모니아가 생기기 때문입니다.
  3. 온도, pH, 용존 산소(dissolved oxygen, DO) — 액체가 얼마나 따뜻한지, 얼마나 산성인지, 얼마나 많은 산소를 머금는지입니다. CHO 세포(중국 햄스터에서 유래한 주력 세포주)는 까다로워서, 이 중 하나라도 잘못 맞추면 시드는 화분 식물 같습니다. 배양은 보통 37 °C 부근, pH 6.8~7.2에서, 용존 산소를 공기 포화도의 40~60 % 부근으로 유지하며 진행됩니다. 산소는 캐스케이드(cascade) 방식으로 유지됩니다. 시스템은 먼저 교반 임펠러의 속도를 높이고(흔히 50~150 rpm), 그래도 부족하면 비로소 더 많은 기체를 거품으로 불어 넣습니다(0.1~0.5 vvm, 즉 액체 부피당 분당 기체 부피). 만약 DO가 대략 20 % 아래로 떨어지도록 두면, 세포는 낭비적인 대사로 전환해 **젖산(lactate)**을 쏟아내고, 이것이 배양액을 시게 만듭니다 [3].

단일 유가식 배양은 보통 10~14일 진행되며, 잘 개발된 플랫폼 단일클론항체(monoclonal antibody, mAb)의 경우 약 1~3 g/L의 역가(titer)(배양액 리터당 항체 그램 수)에 도달합니다. 다만 강화 공정(intensified process)은 이제 그보다 더 높이 끌어올리고 있습니다 [3].

이 모든 변수를 한 번에 하나씩 시험하면 한없이 오래 걸리고, 설정들이 서로 영향을 주고받는 방식(최적의 pH가 온도에 따라 달라질 수 있죠)을 놓치게 됩니다. 그래서 연구팀은 **실험 계획법(Design of Experiments, DOE)**을 씁니다. 여러 설정을 의도적으로 동시에 바꾸고, 통계를 사용해 어떤 것이 정말 중요하며 어떻게 결합되는지를 알아내는 구조화된 계획입니다. 완전 요인(factorial) 설계는 선택한 인자들의 모든 조합을 시험하고, 더 저렴한 부분 요인(fractional factorial) 설계는 영리하게 고른 일부만 시험합니다. 흔한 출발점은 각 인자를 낮은 값과 높은 값 사이에 끼워 넣는 2수준 스크리닝 설계(2-level screening design)(흔히 2^k로 표기)입니다. 예컨대 온도는 35~37 °C, pH는 6.8~7.2 사이로 두어, 본격적으로 좁혀 들어가기 전에 영향력 있는 인자를 빠르게 가려냅니다. 이런 실험은 JMP Pro(SAS 제품), MODDE(Sartorius 제품), Design-Expert(Stat-Ease 제품) 같은 전용 소프트웨어로 계획되고 분석됩니다 [4].

이 모든 레시피를 실제로 돌리기 위해, 연구팀은 줄지어 늘어선 작은 자동 바이오리액터(bioreactor, 세포가 자라는 용기)를 사용합니다. Sartorius의 ambr 250은 업계 표준입니다. 각 미니 바이오리액터는 최대 250 mL의 작업 부피(보통 100~250 mL)를 담고, 표준 시스템은 24개를 병렬로 돌립니다(더 큰 구성은 48개를 처리합니다). 각각은 자체 교반, 기체 공급, pH 제어를 갖추고 있죠 [4]. 이는 단 한 번의 2주짜리 실험으로 정말로 서로 다른 24가지 레시피를 평가하기에 충분합니다. 공장을 진정으로 축소한 고처리량(high-throughput) 모형인 셈입니다.

이 과정 내내 과학자들은 **앳라인 분석(at-line analytics)**으로 배양을 지켜봅니다. 작은 시료를 뽑아 리액터 바로 옆 장비에서 측정해, 며칠이 아니라 몇 분 안에 답을 얻는 것입니다. 이것은 **공정 분석 기술(Process Analytical Technology, PAT)**의 핵심입니다. PAT는 측정을 통해 품질을 확보하는 체계로, FDA가 2004년에 공식적으로 권장했습니다 [7]. 과학자들은 다음을 추적합니다.

  • VCD(생존 세포 밀도, viable cell density) — 밀리리터당 살아 있는 세포가 얼마나 많은지.
  • 포도당(glucose) — 세포의 주된 당이자 연료.
  • 젖산(lactate) — 노폐물로, 너무 많으면 세포가 스트레스를 받고 있다는 뜻.
  • 역가(titer) — 지금까지 항체가 얼마나 만들어졌는지.

하류 공정: 약 정제하기​

두 번째 팀은 수확된 배양액에서 순수한 항체만 끄집어내는 방법을 찾아냅니다. 이 배양액은 항체와 함께 죽은 세포, 세포 잔해, DNA, 그리고 수천 가지의 다른 단백질이 섞인 수프입니다. 이들은 컬럼(column)(끈적한 비드, 즉 *수지(resin)*가 채워진 관)과 완충액(buffer)(소금과 물을 정밀하게 섞은 용액)을 사용해 항체를 붙잡고, 나머지를 모두 씻어내고, 깨끗하게 풀어냅니다.

첫 번째이자 가장 중요한 단계는 포획(capture) 컬럼이며, 항체의 경우 거의 항상 **프로테인 A 크로마토그래피(Protein A chromatography)**입니다. 프로테인 A는 항체의 일정한 "줄기" 부분을 빼어난 특이성으로 붙잡는 세균 단백질이어서, 거의 모든 다른 것은 그냥 흘려보내면서 mAb만 배양액에서 뽑아냅니다. Cytiva MabSelect(원래 GE Healthcare 제품)나 Thermo Fisher POROS 같은 상업용 수지는 수지 리터당 약 10~20그램의 항체를 결합합니다. 포획된 항체는 그 뒤 약 pH 3.2~3.5의 산성 완충액으로 바꾸어 풀어냅니다. 이 저(低) pH 단계는 두 가지 일을 합니다. 제품을 용출(elution)시키는 동시에 많은 외피 보유 바이러스(enveloped virus)를 불활성화하므로, 정제 사슬에서 전용 바이러스 안전성(viral safety) 단계로도 인정됩니다 [5].

포획 다음에는 한두 개의 연마(polishing) 컬럼이 옵니다. 보통 이온 교환(ion-exchange)(분자를 전하로 분류)과, 때로는 소수성 상호작용(hydrophobic-interaction) 크로마토그래피(분자를 "기름기"로 분류)입니다. 이들은 정밀 청소를 수행해 불순물을 아주 작은, 규제된 수준까지 끌어내립니다. 전형적인 목표는 수 ppm(parts per million) 미만의 숙주 세포 단백질(host cell proteins, HCPs) — ELISA로 측정하는 남은 CHO 단백질로, 약전(compendial) 방법은 **USP 일반장 <1132>**에 기술되어 있습니다 [8] — 그리고 1회 투여량당 1나노그램을 훨씬 밑도는 수준까지 깎아낸 잔류 DNA(qPCR로 측정), 그리고 약 1 % 미만으로 유지되는 단백질 응집체(aggregates)(뭉친 항체, 크기 배제 크로마토그래피 SEC-HPLC로 측정)입니다 [5]. 이 포획-연마 순서는 너무도 잘 확립되어 있어서 업계는 이를 플랫폼(platform) 공정이라 부릅니다. 새 항체마다 처음부터 다시 만드는 대신 적용하는, 검증된 템플릿이죠.

유가식 상류 바이오리액터가 하류 크로마토그래피 정제 공정과 매개변수 모니터링으로 연결된 도식 전형적인 mAb 제조 공정 개발 경로: 주요 매개변수가 모니터링되는 유가식 배양(왼쪽)이 다단계 크로마토그래피 포획 및 연마(오른쪽)와 연결되어 있습니다. 화살표는 물질 흐름을 나타내고, 설명 상자는 각 단계에서 추적되는 CQA와 CPP를 보여 줍니다. Original diagram by the authors, created with AI assistance.

대역 배우들: 스케일다운 모델​

이 모든 것 뒤에는 한 가지 함정이 숨어 있습니다. 실제 공장 탱크는 1,000~2,000리터 이상을 담을 수 있지만, 그 크기에서 실험을 할 여유는 없습니다. 단 한 번의 전체 규모 배치(batch)는 엄청나게 비싸고 공장을 묶어 두기 때문입니다. 그래서 이 개발의 거의 전부는 **스케일다운 모델(scale-down model)**에서 이루어집니다. 큰 탱크처럼 거동하도록 의도적으로 조율된 작은 1~5 L 벤치 바이오리액터(그리고 더 작은 ambr 장치들)입니다 [4].

"~처럼 거동하도록 조율된"이라는 표현이 이 문장에서 큰 역할을 하고 있으니, 그것이 실제로 무엇을 뜻하는지 살펴보겠습니다. 거대한 탱크 속 세포와 플라스크 속 세포는 같은 화학을 겪지만 물리는 매우 다릅니다. 엔지니어는 몇 가지 핵심 양을 규모 전반에서 동일하게 유지함으로써 모델을 맞춥니다. 임펠러가 액체 리터마다 넣는 동력(교반이 세포를 얼마나 세게 전단하는지를 정함), 산소 전달 속도(k_La라는 수치로 표현되며, 거품에서 액체로 산소가 얼마나 빨리 녹아드는지), 혼합 시간(추가된 공급액을 섞는 데 걸리는 시간), 그리고 유체가 시스템 각 부분에서 머무는 **체류 시간(residence time)**입니다. 이 맞추기는 대부분 **경험적(empirical)**입니다. 엔지니어가 이 양들을 직접 측정하고, 작은 장치와 큰 탱크가 일치할 때까지 임펠러 속도, 용기 모양, 기체 흐름을 조정합니다. 다만 컴퓨터에서 소용돌이치는 흐름을 모사하는 **전산 유체 역학(computational fluid dynamics, CFD)**이, 문제 지점을 미리 예측하기 위해 점점 더 많이 쓰이고 있습니다 [3]. 작은 모델을 정직하게 만들어 두면, 그 레시피는 기술 이전(tech transfer)(공정을 제조 공장으로 정식 인계하는 일) 동안 전체 규모로 깔끔하게 옮겨집니다.

왜 중요한가​

흔들리는 레시피는 믿을 수 없는 약을 뜻합니다. 먹이가 너무 적으면 세포가 굶주려 역가가 떨어지고, 배치마다 더 적은 약을 만듭니다. 잘못된 pH나 산소는 세포에 스트레스를 주어 잘못 접히거나 응집체로 뭉친 단백질을 만들게 할 수 있습니다. 이것은 바로 환자에게 위험할 수 있는 종류의 결함이며, 그래서 응집체는 엄격한 한계 아래로 유지됩니다. 약한 정제 단계는 사람에게 면역 반응을 일으킬 수 있는 숙주 세포 단백질을 남길 수 있습니다.

공정 개발은 또한 과학자들이 어떤 설정이 **핵심 공정 변수(critical process parameters, CPPs)**인지를 배우는 곳입니다. 이 변수들은 만약 흔들리면 약의 품질을 바꾸는 조절 손잡이입니다. 일단 CPP가 식별되면, 공정은 검증된 운영 범위(operating range) 안에서 돌아갑니다. 성숙한 mAb 공정의 경우 이 범위는 흔히 목표값 주위로 pH ± 0.2 단위, 온도 ± 0.5~1 °C, DO ± 10 % 정도입니다. 이런 범위를 아는 것이 바로 공장이 수년간 배치마다 똑같은 안전한 약을 만들게 해 주는 것입니다.

이 모든 작업 방식에는 이름이 있습니다. 품질 설계 기반(Quality by Design, QbD) — 끝에서 품질을 시험으로 걸러내는 대신, 공정을 깊이 이해해 품질을 처음부터 공정에 심어 넣는 것입니다. 양질의 제품을 안정적으로 내놓는 CPP 설정들의 묶음을 **설계 공간(design space)**이라 부르며, 이 용어는 국제 가이드라인 **ICH Q8(R2)**에 공식적으로 정의되어 있습니다 [1]. QbD, DOE, 그리고 CPP와 품질의 연결이 생물의약품 개발을 재편해야 한다는 획기적 아이디어는 Rathore와 Winkle의 영향력 있는 2009년 리뷰에서 제시되었고 [2], 이 접근법 전체는 업계의 유명한 실무 예시인 **A-Mab 사례 연구(A-Mab case study)**에서 처음부터 끝까지 보여집니다 [9]. 이 모든 작업은 품질과 안정성 측정하기와 손을 맞잡고 갑니다. 측정할 수 있는 것만 개선할 수 있고, 또 증명할 수 있기 때문입니다.

실제 현장에서는​

기준이 되는 상업용 레시피이자, 여전히 대부분의 승인된 항체가 만들어지는 방식은 **유가식 배양(fed-batch culture)**입니다. 세포를 하나의 큰 탱크에서 키우고, 그 과정에서 먹이를 주다가, 한 번에 수확하는 것이죠. 현대의, 강화된 방향은 통합 연속(integrated continuous) 제조입니다. 신선한 배지가 계속 흘러들어 오고 제품이 계속 흘러나가는 관류(perfusion) 바이오리액터에, 다중 컬럼(multi-column) 포획(주기적 향류, 즉 periodic counter-current, PCC 크로마토그래피라고도 함)을 짝지어, 값비싼 프로테인 A 수지를 하루 종일 쉬지 않고 쓰는 방식입니다. 연속 공정은 세포를 훨씬 더 오래 생산성 있게 유지하고 장비 설치 공간을 줄여 줍니다. Amgen과 Regeneron 같은 대기업이 이런 시스템에 막대한 투자를 했고, 미래로 널리 여겨집니다. 하지만 이것은 떠오르는 변형이지 아직 표준은 아닙니다. 유가식과 프로테인 A의 조합은 승인된 제품 세계의 주력으로 남아 있습니다.

이런 식의 레시피 다듬기는 바로 NIIMBL의 임무입니다. NIIMBL은 미국 국립 생물의약품 제조 혁신 연구소(National Institute for Innovation in Manufacturing Biopharmaceuticals)로, 기업, 대학, 정부를 한데 모아 새로운 바이오 제조 방법의 위험을 줄이는 민관 협력 Manufacturing USA 연구소입니다. 그 대표 시설인 SABRE(델라웨어 대학교의 Securing American Biomanufacturing Research and Education Center, 2024년 4월 착공)는 cGMP(현행 우수 제조 관리 기준, current Good Manufacturing Practice — 의약품을 안전하고 일관되게 만들기 위한 FDA의 집행 가능하고 끊임없이 갱신되는 규칙) 하에서 공정을 운영하기 위해 건설 중인 파일럿 규모 시설입니다. SABRE 같은 시설은 연속 공정을 포함한 유망한 공정 개발 레시피가 실제 현장을 향해 성숙해질 수 있는 곳입니다.

이 장 전반의 수치와 범위는 임의로 정해진 것이 아니라, 공식적인 기대치로 거슬러 올라갑니다. 공정이 실험대에서 규제 신청으로 옮겨 갈 때, 여기서 정리한 CPP와 관리 전략은 IND(임상시험계획 신청, Investigational New Drug application)와 이후 BLA(생물의약품 허가 신청, Biologics License Application)의 원료의약품(drug substance) 부문에 문서화된 약속이 됩니다. 이는 개발 및 제조 가이드라인 ICH Q11을 따릅니다 [6]. 다시 말해, 시험 주방에서 완성한 레시피는 앞으로의 모든 배치를 어떻게 만들지에 관한 법적 약속으로 바뀝니다.

핵심 용어​

  • 공정 개발(process development) — 세포를 키우고 약을 정제하는 최선의 레시피와 단계를 찾고, 어떤 설정이 중요한지를 증명하는 체계적 탐색.
  • 배지(media) — 세포가 사는 액체 먹이. 현대 버전은 화학적으로 정의됨(모든 성분이 알려짐).
  • 공급 전략(feed strategy) — 배양 중 추가 영양을 넣는 계획(유가식에서는 보통 24~48시간마다).
  • 용존 산소(dissolved oxygen, DO) — 액체에 머무는 산소의 양. CHO 배양은 보통 포화도의 40~60 %로 유지됨.
  • 실험 계획법(Design of Experiments, DOE) — 여러 변수(와 그 상호작용)를 한 번에 시험하는 구조화된 통계 계획.
  • ambr 250 — 작은 자동 바이오리액터를 나란히 돌리는 Sartorius 시스템(각 최대 250 mL 작업 부피, 보통 100~250 mL, 병렬로 24개 또는 48개).
  • 앳라인 분석(at-line analytics) — 뽑아낸 시료를 리액터 옆 장비에서 몇 분 안에 측정하는 것.
  • VCD(생존 세포 밀도, viable cell density) — 배양 속 살아 있는 세포가 얼마나 많은지.
  • 역가(titer) — 세포가 항체를 얼마나 만들었는지(플랫폼 유가식 mAb는 흔히 1~3 g/L).
  • 스케일다운 모델(scale-down model) — 전단, 산소 전달, 혼합을 맞춰 전체 규모 탱크를 흉내 내도록 조율한 작은 1~5 L 장치.
  • CPP(핵심 공정 변수, critical process parameter) — 흔들리면 약의 품질을 바꾸는 설정이라, 검증된 범위 안에 유지되는 변수.
  • 품질 설계 기반(Quality by Design, QbD) — 끝에서의 시험이 아니라 깊은 이해를 통해 공정에 품질을 심어 넣는 것.
  • 설계 공간(design space) — 양질의 제품을 안정적으로 내놓는 검증된 CPP 설정들의 조합(ICH Q8(R2)에 정의됨).
  • 프로테인 A 크로마토그래피(Protein A chromatography) — 배양액에서 항체를 선택적으로 붙잡는 포획 단계.
  • 연마(polishing) — 불순물(HCP, DNA, 응집체)을 아주 작은 수준까지 끌어내리는 이온 교환 및 소수성 상호작용 컬럼.
  • HCP(숙주 세포 단백질, host cell protein) — 생산 세포에서 남은 단백질로, 수 ppm 수준까지 유지됨.
  • 응집체(aggregates) — 뭉친 항체로, 안전성 우려가 있어 약 1 % 미만으로 유지됨.
  • 유가식(fed-batch) — 기준이 되는 배양 방식: 하나의 탱크에서 키우고, 과정 중 먹이를 주고, 한 번에 수확.
  • 관류/연속(perfusion / continuous) — 강화된 방식: 배지가 흘러들어 오고 제품이 흘러나가며, 흔히 다중 컬럼 포획을 동반.
  • cGMP — 현행 우수 제조 관리 기준. 의약품을 안전하고 일관되게 만들기 위한 FDA의 집행 가능한 규칙.

다음 이야기​

완성된 레시피는 이야기의 절반일 뿐입니다. 여전히 그 항체가 우리가 생각하는 바로 그것이며, 충분히 순수하고, 최종 바이알 안에서 안정적임을 증명해야 합니다. 다음으로, **품질 측정과 최종 의약품 만들기 (분석 및 제형)**에서, 정제된 단백질을 환자를 위한 안전하고 보관 가능한 투여 형태로 바꿔 주는 시험과 제형 과학을 만나게 됩니다.