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최종 농축: 원료의약품 만들기

📍 현재 위치: 여정의 17번째 단계 — 정제와 바이러스 안전성 확보가 끝났습니다. 항체는 마침내 순수해졌고, 이제 이를 농축하여 보호용 제형으로 옮겨 묽고 물 같은 용액을 완성된 **원료의약품(drug substance)**으로 바꿉니다.

이제 우리 항체는 진정으로 순수해졌습니다. 포획(capture), 연마(polishing), 그리고 두 차례의 독립적인 바이러스 안전성(viral safety) 단계를 거친 뒤, 액체 속에는 우리가 원하는 단백질 외에 거의 아무것도 남지 않았습니다. 하지만 이 순수한 액체에는 여전히 두 가지 문제가 있습니다. 한 방울당 항체가 너무 적습니다 — 주사하기에는 지나치게 묽습니다. 그리고 항체가 엉뚱한 액체 속에 떠 있습니다. 여과와 크로마토그래피가 잘 작동하도록 선택된 공정 완충액(process buffer)일 뿐, 항체를 냉동고에서 2년 동안 행복하게 유지하기 위한 액체가 아닙니다. 이 마지막 하류(downstream) 단계는 두 문제를 한 번에 해결하고 우리에게 **원료의약품(drug substance, DS)**을 건네줍니다 — 농축되고 올바르게 완충된 단백질이며, 의약품의 활성 핵심입니다.

쉽게 말하면

파스타 소스를 만든다고 생각해 보세요. 물기 많은 냄비에서 시작합니다. 끓여서 졸이면 풍미가 진하고 농축됩니다 — 이것이 농축 부분입니다. 그런 다음 평범한 조리수를 몇 달 동안 완벽한 맛을 유지해 주는 특별한 양념 육수로 바꿔야 한다고 상상해 보세요. 두 작업을 같은 냄비 안에서, 소스를 한 번도 따라내지 않고 해냅니다. 이 단계가 항체에 하는 일이 바로 그것입니다. 빽빽하게 농축하고, 그런 다음 최종 보호용 액체로 적셔 주는 것입니다.

이 장에서 다루는 내용​

순수하지만 묽은 항체가 마지막 하류 단계인 UF/DF를 거치며 물 같은 용액이 보관 안정적인 원료의약품으로 바뀌는 과정을 따라가 봅니다. 접선 흐름 여과(tangential flow filtration) 막이 단백질을 어떻게 농축하는지, 정용여과(diafiltration)가 어떻게 오래된 완충액을 씻어 내고 최종 제형으로 바꿔 넣는지, 그리고 그 뒤의 실제 숫자들 — 막의 차단 한계, 엔지니어가 실제로 운전하는 압력과 투과 유속, 완충액 교환에 신선한 완충액이 얼마나 드는지, 제형 레시피에 무엇이 들어가는지 — 을 살펴봅니다. 여기서 조용히 배치를 망칠 수 있는 한 가지, 즉 응집(aggregation)을 자세히 들여다보고, 이를 억제하는 약전(compendial) 시험과 GMP 규칙도 함께 봅니다. 마지막으로, 현대의 연속 라인이 UF/DF를 긴 배치 정지가 아니라 인라인(inline)으로 어떻게 운전하는지, 그리고 미국 NIIMBL 연구소와 그 SABRE 파일럿 시설이 어디에 들어맞는지 살펴봅니다.

실제로 무슨 일이 일어나는가​

여기서 쓰는 도구는 UF/DF — 한외여과(ultrafiltration)와 정용여과(diafiltration) — 라고 부릅니다. 둘 다 **접선 흐름 여과(tangential flow filtration, TFF)**의 한 형태이며, 특수한 **막(membrane)**을 사용합니다. 막은 구멍이 아주 작게 뚫린 시트로, 물과 작은 분자는 빠져나가지만 큰 항체는 통과하지 못합니다. IgG 항체는 약 150킬로달톤(kilodalton, kDa) — 킬로달톤은 분자 질량의 단위일 뿐입니다 — 정도의 무게를 가지며, 여기서 쓰는 막은 선택된 크기 이상의 무엇이든 붙잡도록 등급이 매겨지는데, 이를 **분자량 차단 한계(molecular weight cut-off, MWCO)**라고 합니다. 항체의 경우 이 차단 한계는 보통 10~30 kDa으로, 150 kDa 단백질보다 충분히 낮아서 항체는 확실하게 보유되고 물, 염, 작은 잔여물은 통과합니다 [1].

어떤 막에서든 두 갈래의 흐름이 나옵니다.

  • 잔류물(retentate) — 뒤에 남는 것(우리 항체). "보유된 것."
  • 투과물(permeate) — 통과하는 것(물, 염, 작은 잔여물). "투과된 것."

여기에 영리한 부분이 있습니다. 만약 액체를 막을 향해 곧장 밀어붙이면, 항체가 막에 쌓여 구멍을 막아 버립니다. 마치 낙엽이 빗물 배수구를 막듯이 말입니다. 그래서 대신 공급액이 막 표면을 따라, 옆으로 흐르면서 표면을 쓸어 내고, 그 아래에서는 부드러운 압력이 물과 작은 분자를 통과시킵니다. 이 옆으로 쓸어 내는 흐름이 접선 흐름의 "접선"이며, TFF 시스템이 막히지 않고 몇 시간 동안 운전될 수 있게 해 줍니다. 압력이 얼마나 세게 미는지를 조절하는 손잡이가 막간차압(transmembrane pressure, TMP) — 막을 가로지르는 압력 차이 — 입니다. 너무 낮게 운전하면 거의 아무것도 건너가지 못하고, 너무 높게 운전하면 막 표면에 빽빽한 단백질 층을 짓눌러 버립니다(농도 분극, concentration polarization이라 부르는 문제). 이는 막을 오염시키고 항체를 손상시킬 수 있습니다. 실제로 운전자는 TMP를 적당한 범위 안에 유지하는데, 일반적인 항체 UF/DF의 경우 흔히 0.5~2 bar 정도이며, TMP와 교차 흐름 속도(cross-flow rate)를 함께 조정하여 투과물을 빠르게 밀어내면서도 단백질이 뭉치지 않게 합니다 [2].

이 단계는 두 가지 일을 순서대로 합니다.

  1. 한외여과(농축). 물을 투과물로 밀어냅니다. 항체는 빠져나갈 수 없으므로 점점 더 적은 양의 액체 속으로 빽빽하게 채워집니다. 리터당 몇 그램으로 도착한 공급액을 여러 배로 농축할 수 있으며, 피하주사(subcutaneous injection)용 현대 고농도 제형은 100 mg/mL 이상에 이를 수 있는데, 이것이 바로 이 단계에서 응집 억제가 그토록 중요한 이유 중 하나입니다.
  2. 정용여과(완충액 교환). 이제 최종 제형 완충액(formulation buffer) — 항체가 살아갈 완충염과 안정제의 정확한 레시피 — 을, 물이 투과물로 빠져나가는 속도와 같은 속도로 더해 줍니다. 그러면 부피가 일정하게 유지됩니다. 신선한 완충액이 들어오면서 오래된 공정 액체가 막을 통해 씻겨 나갑니다. 사용하는 신선한 완충액의 양은 정용부피(diavolume) 단위로 측정합니다(1 정용부피는 시스템 안 제품의 부피와 같습니다). 완충액 교환은 단순한 세척 곡선을 따르며, 대략 7 정용부피면 원래의 저분자 완충액의 약 **99.9%**가 제거됩니다. 실제로 현장 팀은 오래된 완충액과 잔류 공정 불순물이 확실히 사라지도록 보통 5~10 정용부피 정도를 운전합니다. 한 회씩 거치며 항체는 결국 최종의 보호용 액체로 완전히 둘러싸입니다.

막 카세트, 펌프 구성, 배치 대 연속 공정 모드를 포함한 접선 흐름 여과(TFF) 시스템 구조 투과성 막을 옆으로 쓸어 내는 교차 흐름을 보여 주는 TFF 시스템으로, 잔류물(농축 항체)은 위로, 투과물(물 + 작은 분자)은 아래로 빠져나갑니다. 삽입 그림은 배치 방식의 보유 후 교환(수 시간의 정지)과 연속 동시 공급 정용여과(완충액 펌프를 갖춘 정상 상태)를 대비합니다. Original diagram by the authors, created with AI assistance.

그 결과는 농축되고 순수하며 올바르게 완충된 항체입니다. 그것이 원료의약품입니다. 보통 마지막으로 멸균 등급 필터를 한 번 더 통과시킨 뒤, 일회용 백이나 병에 충전하여 보관이나 운송을 위해 냉동합니다. 이것이 하류 공정의 결승선입니다.

제형 완충액에는 무엇이 들어가는가​

제형 완충액은 단순한 소금물이 아닙니다 — 연약한 단백질을 전체 유효기간 동안 온전하게 유지하는 것만이 유일한 임무인, 세심하게 선택된 레시피입니다. 몇 가지 성분이 거듭 등장합니다 [3].

  • pH를 안정적으로 유지하는 완충제(buffering agent). 항체는 좁은 pH 대역(흔히 pH 5.5~6.5 부근)에서 가장 안정적이기 때문입니다. 히스티딘(histidine)(보통 5~25 mM)과 인산염(phosphate) 또는 아세테이트 완충액이 전형적인 선택지입니다. 밀리몰(millimolar, mM)은 농도를 나타내는 단위일 뿐입니다.
  • **폴리소르베이트 80(polysorbate 80)**이나 폴리소르베이트 20 같은 계면활성제(surfactant). 보통 아주 낮은 수준(흔히 0.01~0.05% 부근)으로 들어가며, 항체가 펼쳐지고 달라붙기 쉬운 공기-액체 계면과 표면 계면을 코팅합니다. 운송 중 펌핑, 충전, 흔들림의 기계적 스트레스로부터 보호합니다.
  • 장성 조절제(tonicity agent) — 흔히 자당(sucrose)이나 트레할로스(trehalose) 같은 당, 또는 염화나트륨(sodium chloride) — 으로, 용액의 삼투질 농도(osmolality)(용해된 입자 농도)가 몸 자체의 값, 즉 대략 300 mOsm/kg에 가깝게 조절됩니다. 그래서 주사액이 혈액에 비해 너무 진하거나 너무 묽어 아프지 않게 합니다.

이 레시피를 제대로 맞추면 항체는 몇 달의 냉동, 해동, 이동을 견딜 수 있습니다. 잘못 맞추면 단백질이 서서히 분해됩니다 — 이것이 이 단계 전체를 그토록 조심스럽게 다루는 이유로 이어집니다.

왜 중요한가​

원료의약품은 활성 의약품 그 자체입니다 — 이 단계 이전의 모든 것은 이것을 만들어 내기 위해 존재했습니다. 최종 농도가 어긋나면 이후의 모든 용량이 어긋납니다. 완충액 교환이 불완전하면 남은 공정 액체가 항체를 불안정한 상태에 놓이게 할 수 있습니다.

특별히 주의해야 할 위험은 **응집(aggregation)**입니다. 개별 항체 분자가 서로 들러붙어 덩어리가 되는 현상입니다. UF/DF는 단백질에게 고스트레스의 순간입니다 — 높은 농도로 쥐어짜이고, 빠르게 펌핑되며, 막에 눌립니다 — 그리고 이 모든 것이 일부 분자를 펼쳐지고 뭉치도록 유도할 수 있습니다 [2]. 응집체는 두 가지 이유로 나쁩니다. 낭비된 의약품이며(뭉친 항체는 더 이상 작동하지 않습니다), 더 심각하게는 더 큰 단백질 입자가 환자의 면역계에 이물질로 읽힐 수 있어 원치 않는 면역 반응의 위험을 높입니다 — 과학자들이 **면역원성(immunogenicity)**이라 부르는 것입니다. 임상적으로 우려되는 응집체는 잘못 접힌 단일 분자가 아니라 더 큰 집합체로, 서브마이크론 군집에서부터 대략 2~100마이크로미터 범위 및 그 이상의 **비가시 입자(subvisible particle)**에 걸쳐 있습니다.

그 때문에 UF/DF에서 나오는 항체는 정해진 규격(specifications) — 원료의약품이 다음 단계로 넘어가기 전에 통과해야 하는 허용 한계 — 의 집합을 충족해야 합니다. 국제 가이드라인 ICH Q6B는 생물의약품이 관리해야 하는 핵심 품질 속성의 종류를 제시하는데, 여기에는 순도, 온전한 **단량체(monomer)**가 응집체 대비 차지하는 비율, 잔류 불순물 등이 포함됩니다 [4]. 일상적인 출하 시험 중 하나는 그 덩어리들을 직접 셉니다. USP 일반장 <787>, *치료용 단백질 주사제의 비가시 미립자 물질(Subvisible Particulate Matter in Therapeutic Protein Injections)*은 주사용 단백질 제품에서 비가시 입자에 대한 약전 방법과 한계를 규정합니다 [5]. 잘하면 이 단계는 항체를 안정한 상태로 고정하고 이 시험들을 깔끔하게 통과합니다. 잘못하면 응집체와 불합격 배치로 드러납니다.

다음에 무엇이 오는지도 알아 둘 가치가 있습니다. 원료의약품은 환자가 받는 최종 의약품이 아닙니다. 이는 여전히 제형화 및 충전·마감(formulation and fill-finish) 과정에서 완제의약품(drug product, DP) — 실제 바이알이나 사전 충전 주사기 — 으로 바뀌어야 합니다. DS는 올바른 농도와 완충액 상태의 정제된 활성 성분이고, DP는 포장되고 라벨이 붙어 바로 사용할 수 있는 용량입니다. 둘 사이의 경계가 바로 이 장이 끝나는 지점입니다.

실제 현장에서는​

친근한 파스타 소스 비유 뒤에는 이름 붙은 장비, 검증된 절차, 약전 표준의 벽이 자리하고 있습니다.

하드웨어. 상업용 UF/DF는 TFF 스키드(skid) — 평판형 카세트(cassette) 또는 중공사(hollow-fiber) 모듈을 중심으로 만들어진 펌프-막 시스템 — 위에서 운전됩니다. 주요 공급업체로는 사이티바(Cytiva)(널리 쓰이는 하이드로사트(Hydrosart) 및 관련 카세트 제조사), 사르토리우스(Sartorius), 폴(Pall)(현재 다나허(Danaher) 소속으로, 중공사 및 Cadence 단일 통과 모듈 제조사), 레플리젠(Repligen)(KrosFlo 중공사 시스템이 하류 공정의 단골인 회사)이 있습니다. 막은 흔히 **폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES)**이나 재생 셀룰로스(regenerated cellulose)로, 낮은 단백질 결합성과 화학적 견고함 때문에 선택되며, 항체를 보유하도록 10~30 kDa MWCO로 고릅니다. 점점 더 카세트와 유로(flow path)가 **일회용(single-use)**으로 바뀌고 있어, 배치 사이에 세척하고 재검증해야 할 대형 스테인리스 시스템이 없습니다.

규칙. 유체 경로의 모든 필터는 cGMP의 지배를 받습니다 — 현행 우수 제조 관리 기준(current Good Manufacturing Practice), 즉 모든 배치를 동일하게 관리되고 문서화되며 추적 가능한 방식으로 만들도록 요구하는 법적 구속력을 가진 규칙입니다. FDA 21 CFR 211.72는 주사제 가공에 사용되는 필터를 구체적으로 규율하며, 여기에는 최종 멸균 필터가 섬유를 방출하지 않는(non-fiber-releasing) 0.2마이크로미터 필터여야 한다는 요건도 포함됩니다 [6]. UF/DF 공정 자체는 검증되어 고정된 한계 안에서 운전됩니다. 막의 무결성(integrity)은 사용 전후로 시험되며, TMP, 교차 흐름 속도, 온도, 단백질 농도, 보유 시간 같은 매개변수는 **배치 기록서(batch record)**에 문서화되고 적격 범위 안에 유지됩니다. 보유 시간과 온도가 중요한 이유는, 농축된 단백질을 너무 오래 따뜻하게 방치하면 응집이 시작되는 단백질이 되기 때문입니다.

현대의 집약형 경로. 표준 상업 공정에서 UF/DF는 하류 라인의 맨 끝에 놓인 단일 **배치(batch)**입니다. 시스템을 채우고, 농축하고, 정용부피에 걸쳐 완충액을 교환하고, 회수하고, 냉동합니다 — 제품이 재순환 루프(recirculation loop) 안에 머무는 동안 라인을 몇 시간 멈출 수 있는 공정입니다. 유가식(fed-batch) 상류가 배치 하류로 이어지는 방식이 오늘날 승인된 mAb의 대다수를 여전히 만들어 냅니다. 하지만 떠오르는 방향은 연속(continuous)·집약형(intensified) 처리로, 제품이 큰 탱크 안에 멈춰 있지 않고 대신 한 작업에서 다음 작업으로 꾸준히 흐릅니다 [7]. 이 방식에서는 **단일 통과 TFF(single-pass TFF, SPTFF)**가 항체를 몇 시간 재순환시키는 대신 긴 막 경로를 한 번 통과시키며 농축하게 하고, 인라인 정용여과 단계는 연속적으로 공급될 수 있습니다. 이들을 연결하면 항체가 최종 연마 컬럼에서 중간 보유 탱크 없이 인라인 농축과 완충액 교환을 거쳐 거의 직접 흐를 수 있어 — 단백질이 고농도로 머무는 시간을 줄이고 장비 설치 공간을 축소합니다. 공정 분석 기술(process analytical technology, PAT) 센서 — 전도도(완충액 교환의 대리 지표)와 자외선 흡광도나 탁도(단백질 농도의 대리 지표)에 대한 인라인 측정기 — 가 흐름을 실시간으로 지켜보며 시스템이 공급과 완충액 속도를 조정해 목표를 안정적으로 유지하게 합니다. 연속 바이오공정에 관한 기초적 백서는 이런 종류의 통합이 더 작은 장비, 더 짧은 주기 시간, 더 간소화된 공장을 가져온다고 주장합니다 [8].

이 연속·집약형 접근은 바로 미국 NIIMBL 연구소 — 민관 협력 Manufacturing USA 연구소 — 와 그 파트너들이 성숙시키려 애쓰는 종류의 공정입니다. NIIMBL의 **SABRE 센터(Securing American Biomanufacturing Research and Education)**는 델라웨어 대학교(University of Delaware)에 있는 파일럿 규모의 cGMP 시설로 2024년 4월에 착공했으며, 현실적인 파일럿 규모에서 현대 바이오제조 — 인라인 UF/DF를 포함한 통합 연속 하류 트레인을 포함하여 — 를 시연하고 위험을 낮추기 위해 지어지고 있습니다. 이곳은 공정 작업과 교육을 위한 실습 시설이지 데이터 프로그램이 아니며, 연속 최종 농축을 처음부터 끝까지 검증해 보는 장소로서 잘 어울립니다.

핵심 용어​

  • 원료의약품(drug substance, DS) — 순수하고 농축되고 올바르게 완충된 항체. 포장 전의 활성 의약품.
  • UF/DF — 한외여과 더하기 정용여과. 항체를 농축하고 그 액체를 교환하는 단계.
  • 접선 흐름 여과(tangential flow filtration, TFF) — 막이 막히지 않도록 액체가 막을 따라 옆으로 흐르는 여과 방식.
  • 막(membrane) — 항체는 붙잡지만 물과 작은 분자는 통과시킬 만큼 작은 구멍을 가진 시트.
  • 분자량 차단 한계(molecular weight cut-off, MWCO) — 막이 보유하는 크기 한계. 항체의 경우 보통 10~30 kDa으로, 약 150 kDa인 IgG보다 충분히 낮음.
  • 잔류물(retentate) — 막 뒤에 남는 액체(항체).
  • 투과물(permeate) — 막을 통과하는 액체(물과 작은 분자).
  • 정용여과(diafiltration) — 일정한 부피에서 오래된 액체를 씻어 내고 최종 제형 완충액으로 바꿔 넣는 과정.
  • 정용부피(diavolume) — 정용여과에서 사용하는 신선한 완충액의 양을 나타내는 척도. 1 정용부피는 시스템 안 제품 부피와 같음.
  • 제형 완충액(formulation buffer) — 항체가 놓이는 최종 안정화 액체(완충제, 계면활성제, 장성 조절제).
  • 막간차압(transmembrane pressure, TMP) — 액체가 막을 얼마나 빠르게 건너는지를 조절하는 막을 가로지르는 압력 차이.
  • 삼투질 농도(osmolality) — 용액 속 용해된 입자의 농도. 주사를 위해 몸의 약 300 mOsm/kg 부근에 맞춤.
  • 응집(aggregation) — 항체 분자가 서로 들러붙어 덩어리가 되는 현상. 고스트레스 농축 중의 핵심 위험.
  • 면역원성(immunogenicity) — 응집체나 입자가 환자에게 원치 않는 면역 반응을 유발할 가능성.
  • 비가시 입자(subvisible particles) — 눈으로 보기에 너무 작은 단백질 입자. USP <787> 같은 약전 시험으로 세고 제한함.
  • 단일 통과 TFF(single-pass TFF, SPTFF) — 막을 연속으로 한 번 통과시키며 제품을 농축하는 방식. 집약형 처리에 사용됨.
  • 공정 분석 기술(process analytical technology, PAT) — 공정을 실시간으로 측정해 즉석에서 조정할 수 있게 하는 인라인 센서.
  • 완제의약품(drug product, DP) — 원료의약품으로 만든 완성된 포장 의약품(바이알 또는 주사기).

다음 이야기​

이제 원료의약품은 병이나 백에 담겨 냉동되었습니다 — 순수하고 농축되었으며 보호용 완충액 속에서 쉬고 있습니다. 하지만 여전히 벌크(bulk) 물질일 뿐, 간호사가 뽑아 쓸 수 있는 용량은 아직 아닙니다. 다음 장 제형화 및 충전·마감(formulation and fill-finish)에서는 원료의약품이 무균 충전 라인으로 들어가, 마무리되고 여과되어 실제 바이알과 주사기로 분주되는 과정을 따라갑니다. 그렇게 만들어진 것이 완제의약품 — 마침내 환자에게 도달하는 의약품 — 입니다.