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모든 것은 표적에서 시작된다

📍 현재 위치: 1부 · 발견과 개발 — 세포 하나, 공장 하나가 만들어지기 전에, 우리는 이 약이 무엇을 공격해야 하는지 정하고, 그것이 무엇을 해내야 하는지를 정확히 적어 둔다.

모든 바이오의약품(biologic)은 세포 하나가 배양되기 한참 전에 시작된다. 그것은 하나의 질병과 하나의 질문에서 출발한다. 몸 안에서 정확히 무엇이 잘못되고 있으며, 그것을 고치기 위해 우리가 붙잡을 수 있는 것은 무엇인가? 그 "붙잡을 무언가"를 **표적(target)**이라고 부른다.

쉽게 말하면

집을 짓는다고 생각해 보자. 누구도 첫날부터 콘크리트를 붓지 않는다. 먼저 건축가가 설계도를 그리고, 모두가 그것에 합의한다. 방은 몇 개인지, 문은 어디에 둘지, 무엇을 위한 집인지. 그제야 시공자들이 일을 시작한다. 의약품에서는 표적을 고르고 약에 대한 희망 목록을 적는 일이 바로 그 설계도다. 설계도가 틀리면, 아무리 아름다운 집을 지어도 여전히 잘못된 집이다.

이 장에서 다루는 내용​

이 장은 의약품이 종이 위에서 처음 상상되는 장면이다. 우리는 항체가 존재하기도 전에 일어나는 세 가지 결정을 따라가 본다. **표적(target)**을 찾고(몸 안에서 겨냥할 분자), 그것을 **검증(validation)**하고(그것을 공격하는 것이 실제로 도움이 된다는 증명), **표적 제품 프로파일(Target Product Profile, TPP)**을 적는 일이다. TPP는 용량, 투여 경로, 유효기간, 품질 기준을 못 박아 두는 공식 희망 목록이다. 우리는 각 단계를 여러분이 들어 봤을 법한 실제 항체들, 실제 일정과 비용, 그리고 표적을 찾아내는 실제 실험실 도구의 이름으로 풀어낼 것이다. 그런 다음 이 가이드 전체에서 가장 중요한 생각을 보여 줄 것이다. 즉, 이 종이 위의 희망 목록이 생물반응기(bioreactor)가 얼마나 커야 하는지, 항체를 어떻게 정제할지, 환자에게 어떻게 운반될지를 조용히 결정한다는 사실이다. 이 책의 나머지 전부는, 어떤 의미에서는 여기서 적은 프로파일을 만족시키기 위해 지어진 공장이다.

실제로 일어나는 일​

**바이오의약품(biologic)**은 살아 있는 세포로 만든 의약품으로, 보통 **단백질(protein)**이다(단백질은 우리 유전자(gene) 속 지시에 따라 몸이 만들어 내는 아주 작은 생물학적 기계다). 가장 흔한 종류는 **단일클론항체(monoclonal antibody, mAb)**다. 단 하나의 특정한 것에만, 오직 그것 하나에만 달라붙도록 설계된 Y자 모양 단백질이다. 그것을 설계하려면, 과학자들은 먼저 그 항체가 무엇에 달라붙어야 하는지를 정해야 한다.

  1. 표적 발굴(target identification). 연구자들은 질병을 연구하면서 **표적(target)**을 찾는다. 보통 그 질병을 몰고 가는 특정 단백질이다. 고전적인 예는 유방암이다. 1987년의 한 획기적 연구는 HER2라는 단백질이 공격적인 유방 종양의 일부에서 과도하게 만들어지며, 이 과잉이 더 나쁜 생존율과 함께 간다는 것을 보였다. 이로써 HER2는 질병의 원인이면서 동시에 겨냥할 만한 대상으로 자리매김했다 [1]. 그 통찰은 HER2에 달라붙는 항체인 트라스투주맙(trastuzumab)(허셉틴)이 되었다. 두 번째 유명한 예는 **TNF-알파(TNF-alpha)**다. 류마티스 관절염에서 통제를 벗어나 폭주하는 염증 신호 단백질이며, 항체 인플릭시맙(infliximab)(레미케이드)은 이것을 닦아 내기 위해 만들어졌다. 손상을 일으키는 단백질을 찾으면, 겨냥할 대상을 찾은 것이다.
  2. 표적 검증(target validation). 용의자를 찾는 것과 유죄를 입증하는 것은 다른 일이다. **검증(validation)**이란 이 표적을 공격하는 것이 실제로 도움이 됨을 보이는 일이다. 즉, 그 단백질을 차단하면 종양이 느려지거나 염증이 가라앉으며, 몸에 꼭 필요한 무언가가 망가지지는 않음을 보이는 것이다. 이는 직감이 아니라 짜임새 있게 증거를 쌓아 가는 작업이다. 발표된 프레임워크들은 기업이 실제 자금을 투입하기 전에 표적의 유전적 증거, 약물화 가능성(druggability), 안전성을 어떻게 저울질해야 하는지를 제시한다 [2]. 실제로 전임상 검증은 대략 2~4년이 걸리며 결코 공짜가 아니다. 진지한 후보 하나당 200만~500만 달러 수준이다. 연구팀은 세포 분석(assay), 생쥐 이종이식(xenograft) 모델(생쥐에서 키운 사람 종양), 그리고 약물이 실제로 표적에 도달해 결합함을 증명하는 **표적 결합 바이오마커(target-engagement biomarker)**로 그 아이디어를 시험해야 하기 때문이다. 이것을 그르치면, 그 실패는 수천 배 더 비싼 임상시험에서 몇 년 뒤에야 모습을 드러낸다.
  3. 표적 제품 프로파일(TPP) 작성. 검증된 표적이 있으면, 연구팀은 **표적 제품 프로파일(Target Product Profile, TPP)**을 적는다. 미래 의약품을 위한 공식 희망 목록, 즉 "사양서"다. 이것은 비공식 메모가 아니라, 인정받는 규제 기획 도구다. 미국 FDA는 TPP를 의도한 적응증, 대상 인구, 용량, 투여 경로, 라벨링 목표를 미리 명시하고 이후 개발 프로그램 전체를 이끄는 전략 문서라고 명확히 기술한다 [4]. 그 품질 중심의 쌍둥이인 **품질 표적 제품 프로파일(Quality Target Product Profile, QTPP)**은 국제 지침(ICH Q8(R2))에서, 제품의 핵심 품질 특성과 제조 설계 공간(design space)이 도출되는 출발점으로 정의된다 [5]. 다시 말해, 이 프로파일은 설계상 미리 합의되며, 이후 수년간 모든 결정을 이끈다.

그렇다면 연구팀은 애초에 표적을 어떻게 찾고 순위를 매길까? 현대의 표적 발굴은 **단백질체학(proteomics)**과 시스템 생물학(systems biology) 기법의 도구 상자에 기댄다. SILAC과 TMT 질량분석법(병든 세포가 각 단백질을 얼마나 만드는지 측정), RNA-seq(어떤 유전자가 켜져 있는지 읽어 냄), CRISPR 스크리닝(유전자를 하나씩 꺼서 질병이 어느 것을 필요로 하는지 확인)이 그것이다. 후보들은 공개 지식 베이스와 교차 점검된다. 단백질 정보는 UniProt, 이미 약물화된 대상은 DrugBank, 단백질들이 어떻게 얽혀 있는지는 BioGRID와 KEGG, Reactome 같은 경로(pathway) 지도가 담당한다. 매년 "주목할" 항체와 그 표적의 후보 목록 자체도 문헌에 추적되며, 이는 이 분야가 무엇이 성과를 내고 있는지 점수를 매기는 방식이다 [3].

그런 다음 TPP는 선택된 표적을 구체적이고 수치화된 약속으로 바꾼다.

  • 어떤 질병이고 어떤 환자인가? (어린이? 성인? 다른 약을 먼저 써 본 사람?)
  • 어떻게 투여하는가? 진료실에서 정맥으로 천천히 떨어뜨리는 방식(정맥 주입, IV infusion)인가, 아니면 집에서 피부 밑에 빠르게 한 번 놓는 주사(피하 주사, subcutaneous injection)인가? 이 한 가지 선택이 제형이 도달해야 하는 **농도(concentration)**를 좌우한다. IV 백에는 대략 5~25 mg/mL면 충분하지만, 피하 주사는 그 용량을 약 1~2 mL 안에 욱여넣어야 하므로 50~150 mg/mL가 필요하다. 훨씬 더 어렵고 끈적한 제형 문제다.
  • 얼마나 자주, 그리고 어떤 용량으로? 일주일에 한 번? 한 달에 한 번? 용량이 높거나 더 잦으면 환자 한 명당 연간 항체 그램 수가 늘어나고, 이는 곧장 공장이 얼마나 많이 만들어야 하는지로 이어진다.
  • 얼마나 단단히 결합해야 하고, 얼마나 안전해야 하는가? TPP는 목표 결합 친화도(binding affinity)(흔히 해리 상수 Kd, 좋은 치료용 항체에서는 약 0.1~10 nM)와 허용 가능한 면역원성(immunogenicity) 위험을 명시한다. 예를 들어 환자 자신의 면역계가 약을 무력화하지 않도록 항약물항체(anti-drug-antibody, ADA) 발생률을 대략 5~10% 아래로 유지하는 식이다.
  • 얼마나 오래 좋은 상태를 유지해야 하고, 얼마나 차가워야 하는가? 유효기간과 보관 조건이다. 흔히 28 °C에서 23년(일반 냉장)이지만, 일부 제품은 실온에 둘 수 있게 설계되거나 더 오래 가도록 동결건조(lyophilized)된다.

아래 그림은 TPP를 바로 이런 종류의 층층이 쌓인 희망 목록으로 보여 주며, 사양서의 각 줄이 제조상의 결과로 어떻게 이어지는지를 가리킨다.

질병, 환자군, 용량, 투여 경로, 안정성, 품질 변수를 예시 값과 함께 보여 주는 표적 제품 프로파일의 해부도. 표적 제품 프로파일(TPP)은 질병 적응증, 환자 인구통계, 용량과 투여 경로, 유효기간과 보관 조건, 품질·역가 목표를 기록하는 포괄적 희망 목록이다. TPP의 모든 항목은 하류(downstream)의 제조 선택으로 줄줄이 흘러내린다. Original diagram by the authors, created with AI assistance.

왜 중요한가​

이것은 여정 전체에서 가장 강력한 단계다. 바로 그것이 가장 먼저 오기 때문이다. 잘못된 표적을 겨냥한 영리한 항체는 쓸모가 없다. 아무것도 열지 못하는 자물쇠를 위해 완벽하게 만든 열쇠와 같다. 결국 중요하지 않은 것으로 드러나는 표적을 쫓느라 수년의 노력과 막대한 돈을 잃을 수 있다. 발표된 프레임워크가 권하는 순서대로 한 탄탄한 검증이야말로, 그 비극이 실패한 임상시험이 되기 전에 연구팀이 그것을 피하는 방법이다.

TPP는 환자 안전을 위해서, 그리고 하류의 모든 것을 위해서 중요하다. 그리고 그 연결은 시적인 것이 아니라 기계적이다. 희망 목록에 "환자가 집에서 스스로 놓는 주사"라고 적혀 있다고 하자. 이제 항체는 작은 부피에 맞추기 위해 50~150 mg/mL로 농축되어야 하는데, 이러면 뭉치기 쉬워진다. 그래서 정제 공정에는 추가 연마 정제(polishing) 단계가 필요하고, 묽은 IV 제품보다 더 많은 안정성 시험이 필요해진다. 희망 목록을 "거대한 환자군을 위한 저용량 주1회 IV"로 뒤집으면, 결합 제약은 사라지지만 새로운 제약이 나타난다. 이제 공장은 엄청난 질량의 항체를 만들어야 하므로 아주 큰 생물반응기 쪽으로 밀린다. 이것이 전체 계획의 심장에 자리한 **용량 대 규모 트레이드오프(dose-versus-scale trade-off)**다. 지금, 종이 위에서 그것을 결정하면, 나머지 공장은 그 목표에 맞춰 지을 수 있다. 너무 늦게 발견하면, 처음부터 다시 시작해야 할 수도 있다.

이러한 사전 약속은 의약품이 통과해야 할 어떤 시험이 무엇인지도 결정한다. 약전 기준(compendial standard) — 예를 들어 재조합 치료용 단일클론항체의 분석 절차인 USP 일반장 <129>(USP General Chapter <129>) — 은 mAb의 동일성, 순도, **역가(potency)**를 측정하는 검증된 방법을 정의한다 [7]. TPP의 품질·역가 목표는 그 시험들 중 어느 것이 적용되며 합격 기준이 얼마나 빡빡해야 하는지를 연구팀에게 알려 주는 것이다. 이는 ICH Q8(R2)이 공식화한 것과 같은 논리의 사슬이다. 맨 위의 프로파일이 품질 특성으로 줄줄이 내려가고, 품질 특성은 다시 시험 방법과 제조 설계 공간(design space) — pH, 충전 부피, 부형제(excipient) 같은 것들에 대해 검증되어 안전하다고 증명된 범위, 즉 공정이 그 안에서 작동해야 하는 범위 — 으로 줄줄이 내려간다 [5].

실제 현장에서는​

TPP는 제조 계획 전체의 야망을 조용히 정한다. 그리고 그것을 실제 돈과 실제 장비를 통해 해낸다. 매우 높은 용량이나 엄청난 환자 수를 요구하는 프로파일은 기업이 단백질을 많이 만들도록 밀어붙인다. 오늘날의 표준적인 답은 유가식(fed-batch) 방식으로 운전되는 큰 스테인리스강 탱크다. "유가식"은 세포를 여러 작은 배치로 키운다는 뜻이 아니다. 그것은 세포가 자라는 동안 정해진 일정에 따라 신선한 영양분이 추가되는 단 하나의 **단일 생산 운전(single production run)**을 뜻하며, 마지막에 탱크 전체를 한 번 수확한다. 여기서 "배치"란 생산 주기 전체를 가리킨다. (이를 연속식인 **관류(perfusion)**와 대조해 보자. 관류에서는 신선한 배지가 흘러 들어오고, 단 한 번의 수확을 기다리는 대신 수 주에 걸쳐 제품이 꾸준히 빠져나온다.) 그 유가식 + 프로테인 A(Protein A) 포획 플랫폼 — 프로테인 A는 첫 정제 단계에서 항체를 붙잡는 수지(resin)다 — 은 대부분의 승인된 mAb 뒤에 있는 검증된 제조법이며, 품질 기반 설계(quality-by-design) 문헌은 TPP의 부피·용량 예측이 이러한 플랫폼과 규모 선택을 어떻게 몰고 가는지를 정확히 기술한다 [6].

장비 선택은 구체적이고, 이름이 있으며, 비싸다. 포획 단계를 정의하는 프로테인 A 수지는 소수의 공급업체에서 나온다. 그중에는 Cytiva, Repligen, Purolite가 있다. 그리고 리터당 수천 달러에 이르므로, 큰 컬럼을 강제하는 TPP는 실질적인 자본 결정이다. 생물반응기는 Pall, Eppendorf, Getinge 같은 공급업체에서 오는데, 여기서 TPP는 전략적 갈림길을 만든다. 대량·장수명 제품은 고정식 스테인리스강(stainless-steel) 탱크(초기 비용 높음, 리드 타임 김, 대규모에서 그램당 비용 최저)를 정당화할 수 있고, 불확실하거나 소량인 제품은 일회용(single-use) 시스템(유연하고 설치가 빠르지만 배치당 비용이 높음)을 선호한다. 프로파일에 적힌 용량과 부피 수치가 그 결정을 한쪽으로 기울인다.

이 모든 일은 cGMP — 현행 우수 제조 관리 기준(current Good Manufacturing Practice) — 아래에서 일어난다. cGMP는 모든 배치가 안전하고 순수하며 일관되게 만들어지도록 요구하는 규제 체계다(미국에서는 21 CFR Part 211, 그리고 이에 상응하는 ICH 및 EMA 지침). "현행(current)"이라는 말이 중요하다. 규칙은 제조사가 얼어붙은 체크리스트를 충족하는 데 그치지 않고, 진화하는 모범 관행을 따라가기를 기대한다. TPP는 그 품질에 대한 야망이 측정 가능한 용어로 처음 적히는 곳이다.

TPP의 투여 경로와 안정성 항목은 멀리 하역장(loading dock)까지 닿는다. 2~8 °C에 보관되는 피하 제품은 기업을 **콜드 체인(cold chain)**에 묶는다. 냉장 트럭, 감시되는 창고, 온도 기록계가 그것이다. 이는 바이오의약품 유통 비용의 큰 몫으로 널리 인용되며, 제조원가(cost of goods)의 15~20% 수준이다(고정된 수치가 아니라 예시적 어림값이다). 연구팀은 개발 단계에서 더 많은 돈을 들여 — **폴리소르베이트 80(polysorbate 80)**과 트레할로스(trehalose) 같은 안정제를 써서 — 실온 안정 제형이나 동결건조 제형을 만들어 낼 수 있고, 그 대가로 현장 비용을 줄이며 믿을 만한 냉장이 없는 병원에도 도달할 수 있다. 그것 역시 첫 환자가 나오기 수년 전에 내려지는 TPP 결정이다.

마지막으로, 프로파일은 제품을 완전히 다른 종류의 공장 쪽으로 가리킬 수도 있다. 고용량·대형 시장 TPP는 바로 연속·집약(continuous, intensified) 제조 — 관류(perfusion) 생물반응기와 다중 컬럼 연속 포획의 짝 — 가 매력적으로 변하는 경우다. 고정 자산 비용을 더 작은 설치 면적과 더 높은 생산성과 맞바꾸는 것이다 [8]. 미국에서는 이 떠오르는 방향이 공공-민간 매뉴팩처링 USA(Manufacturing USA) 연구소인 NIIMBL과 그 SABRE 시설에 의해 성숙해 가고 있다. SABRE는 Securing American Biomanufacturing Research and Education의 약자로, 델라웨어 대학교(University of Delaware)와 함께 지어진 파일럿 규모 cGMP 시설이며, 2024년 4월에 착공해 아직 건설 중이다. SABRE는 연속 및 관류 제조가 파일럿 규모로 시연되고 교육될 건물이다. 데이터 프로그램이 아니라 시설이다 [9]. 오늘날 시장에 나와 있는 항체는 여전히 유가식이 지배하므로, 이를 받아들이는 올바른 방식은 이렇다. 연속식은 떠오르는 방향이며, 충분히 야심 찬 TPP는 연구팀이 제품을 그 방식으로 개발하기로 선택할 한 가지 이유라는 것이다.

핵심 용어​

  • 표적(Target) — 약이 작용하도록 설계된, 몸 안의 특정한 대상(보통 단백질).
  • 표적 발굴(Target identification) — 질병을 몰고 가는 단백질을 찾는 일.
  • 표적 검증(Target validation) — 그 표적을 공격하는 것이 허용 가능한 안전성과 함께 실제로 도움이 됨을 증명하는 일.
  • 표적 제품 프로파일(Target Product Profile, TPP) — 미래 의약품을 위해 합의된 희망 목록 또는 사양서. 질병, 환자, 용량, 투여 경로, 유효기간, 품질 목표를 담는다.
  • 품질 표적 제품 프로파일(Quality Target Product Profile, QTPP) — TPP의 품질 중심 쌍둥이로, ICH Q8(R2)에 정의됨. 제품의 핵심 품질 특성과 설계 공간의 출발점.
  • 바이오의약품(Biologic) — 살아 있는 세포가 만드는 의약품, 보통 단백질.
  • 단일클론항체(Monoclonal antibody, mAb) — 하나의 특정 표적에만 달라붙도록 설계된 Y자 모양 단백질.
  • 정맥 주입(IV infusion) — 약을 정맥으로 천천히 투여하는 방식. 피하 주사(Subcutaneous injection) — 피부 바로 밑에 놓는 주사.
  • 결합 친화도(Binding affinity, Kd) — 항체가 표적을 얼마나 단단히 붙잡는지. 치료용 mAb에서는 흔히 약 0.1~10 nM(작을수록 더 단단함).
  • 면역원성·항약물항체(Immunogenicity / anti-drug antibody, ADA) — 환자의 면역계가 약에 반응할 위험. TPP는 ADA 발생률을 낮게(흔히 510% 아래로) 유지하려 한다.
  • 유가식(Fed-batch) — 영양분을 일정에 따라 공급하며 마지막에 탱크 전체를 한 번 수확하는 단일 생산 운전.
  • 관류(Perfusion) — 신선한 배지가 흘러 들어오고 제품이 수 주에 걸쳐 꾸준히 빠져나오는 연속식 방식.
  • 프로테인 A(Protein A) — 첫 포획 단계에서 항체를 붙잡고 대부분의 불순물을 한 번에 제거하는 수지.
  • cGMP(현행 우수 제조 관리 기준, current Good Manufacturing Practice) — 모든 배치를 안전하고 순수하며 일관되게 유지하는 규제. "현행"은 모범 관행을 따라간다는 뜻.
  • 콜드 체인(Cold chain) — 2~8 °C 제품을 공장에서 환자까지 차갑게 유지하는 냉장 물류망.
  • 설계 공간(Design space) — 제품이 일관성을 유지하는, 검증되어 안전하다고 증명된 공정 변수의 범위.

다음 이야기​

이제 우리에게는 검증된 표적과 표적 제품 프로파일이 있다. 용량, 투여 경로, 정제, 보관, 심지어 언젠가 어느 공장이 이 약을 만들지까지 이미 제약하는 종이 설계도다. 하지만 항체 그 자체는 여전히 상상 속에 있다. 다음 장 항체를 찾아서는 그 상상 속 분자가 실제 서열(sequence)이 되는 곳이다. 과학자들이 우리가 방금 적어 둔 모든 것을 만족시킬 바로 그 특정 항체를 실제로 어떻게 발견하고 조작하는지를 다룬다.