바이오의약품이란? (그리고 항체란?)

📍 현재 위치: 여정의 2번째 구간(총 21개) — 무언가를 만들기 전에, 우리가 실제로 무엇을 만드는지부터 이해해 봅시다.

재조합 인간 인슐린 바이알 — 최초의 바이오의약품 중 하나입니다. 바이오의약품은 화학적으로 섞어 만드는 것이 아니라 살아 있는 세포가 길러내는 단백질 의약품이며, 환자에게 도달했을 때의 모습이 바로 이렇습니다. 인간 인슐린 바이알. 이미지: Wesalius, CC BY 4.0, Wikimedia Commons.

아스피린처럼 우리가 잘 아는 알약 대부분은 공장에서 만든 아주 작은 화학물질입니다. 바이오의약품(biologic)은 다릅니다. 살아 있는 세포만이 만들 수 있는 크고 섬세한 단백질(protein, 작은 구성 단위들이 사슬처럼 이어져 만들어진 분자 기계)이죠. 이 장은 그것이 무슨 뜻인지 설명하고, 우리 이야기의 주인공인 단일클론항체(monoclonal antibody, mAb)와 인사를 나눕니다.

쉽게 말하면

보통의 알약이 자전거 — 작고 단순해서 매번 똑같이 만들기 쉬운 것 — 라면, 항체는 원자로 만든 점보 제트기입니다. 둘 다 당신을 어딘가로 데려다줄 수 있지만, 하나는 부품이 한 줌이고 다른 하나는 수십만 개입니다. 자전거를 만드는 도구로 점보 제트기를 조립할 수는 없죠.

이 장에서 다루는 내용

이 장은 약 그 자체로 끝까지 줌인합니다. 먼저 저분자 알약과 바이오의약품을 비교하여, 둘이 크기와 복잡성에서 얼마나 다른지 피부로 느껴 봅니다. 그다음 단일클론항체를 열어 그 진짜 부품들에 이름을 붙입니다 — 중쇄와 경쇄, 표적을 붙드는 두 개의 팔, 신호를 보내는 꼬리, 그리고 몸이 어떻게 반응할지를 조용히 조율하는 작은 당 장식까지요. 이어서 그것을 만드는 살아 있는 공장(CHO 세포)과 인사하고, 그 세포들이 어떻게 자라는지를 실제 수치로 살펴보며, 하나의 항체 유전자가 어떻게 안정적인 생산 세포주가 되는지를 따라갑니다. 가는 길에 당신이 한 번쯤 들어 보았을 유명한 항체들을 제조사와 승인 연도와 함께 짚어 보고, 거의 모든 mAb가 의존하는 규정집들과 단 하나의 다운스트림 단계 — 프로테인 A(Protein A) 포집 — 위에 이 모든 것을 단단히 세웁니다. 이 장이 끝날 무렵이면 이 안내서 전체를 관통하는 원리를 이해하게 됩니다. 바로 공정이 곧 제품이다라는 것입니다.

저분자 의약품 대 바이오의약품

두 종류의 약을 한 걸음씩 비교해 봅시다.

아스피린 같은 저분자 의약품(small-molecule drug)은 원자 수십 개 정도로 이루어진 아주 작은 화학물질입니다. 화학자는 마치 제빵 레시피를 따르듯 통제된 반응으로 이것을 만들어냅니다. 모든 배치가 똑같이 나오고, 그 정확한 화학식은 냅킨 한 장에 적을 수 있습니다. 최종 알약을 시험하면 자기가 무엇을 손에 쥐었는지 정확히 알 수 있죠.

바이오의약품은 그에 비하면 거대합니다. 전형적인 항체는 약 150킬로달톤(kilodalton, 킬로달톤(kDa)은 분자량의 단위일 뿐입니다)에 이르는 접힌 단백질로 — 원자 수만 개가 정밀한 3차원 형태로 배열되어 있습니다. 어떤 화학자도 그렇게 큰 것을 손으로 꿰매어 매번 올바르게 접히게 할 수는 없습니다. 그 대신 우리는 유전 정보(genetic instruction)를 살아 있는 세포에 건네주고, 자연이 당신 몸속의 모든 단백질을 만들듯 그 세포가 우리를 위해 단백질을 짓도록 맡깁니다.

이 한 가지 사실 — 짓는 것이 아니라 키우는 것 — 은 깊은 결과를 낳습니다. 살아 있는 세포는 민감하기 때문에, 그것을 키우는 정확한 방식 자체가 약의 일부가 됩니다. 이것이 이 분야의 근본 원리인 "공정이 곧 제품이다"(the process is the product)에 담겨 있습니다. 바이오의약품에서 제조 공정은 단지 약을 만들어내는 데 그치지 않고, 그 약의 품질을 상당 부분 정의합니다. 그래서 품질은 끝에 가서 시험으로 끼워 넣는 것이 아니라 공정 안에 설계되어 들어가야 합니다 [1].

단일클론항체의 해부

우리 이야기의 주인공 바이오의약품은 단일클론항체입니다. "항체"(antibody)란 면역계가 만들어내는 Y자 모양의 단백질로, 바이러스든 종양 신호든 — 외부의 것으로 여겨지는 무엇이든 — 하나의 특정 표적을 알아보도록 만들어집니다. "단일클론"(monoclonal)이란 모든 복제본이 동일하다는 뜻으로, 모두가 단 하나의 원래 세포, 즉 하나의 클론(clone)에서 비롯되었음을 가리킵니다. 이 발상은 1975년 쾰러(Köhler)와 밀스타인(Milstein)의 기념비적 연구로 거슬러 올라갑니다. 두 사람은 항체를 만드는 면역세포(항체를 만들어내지만 배양 환경에서는 몇 번 분열한 뒤 죽고 마는 세포)와 죽지 않는 세포(immortal cell, 무한히 분열하는 종양 세포)를 융합하여, 그 항체 하나를 계속 만들면서도 영원히 자라기를 멈추지 않는 잡종 세포주 — 정해진 항체 하나를 거듭거듭 분비하는 세포주 — 를 만들어냈습니다 [2]. 어떤 약을 "단일클론"으로 만드는 것은 바로 이것입니다. 혼합물이 아니라, 방대하고 균일한 양으로 생산되는 정확히 하나의 분자라는 점이죠.

이제 Y를 열어 그 진짜 부품들에 이름을 붙여 봅시다. 출판 수준의 그림에는 "두 팔과 줄기 하나" 이상이 필요하니까요.

구조와 기능: Fab, Fc, 그리고 가변 결합 영역

항체(특히 치료제 대부분에 쓰이는 IgG 종류)는 익숙한 Y자 형태로 묶여 있으며, 서로 다른 두 가지 일을 하는 두 끝을 가집니다. Y의 두 끝은 Fab 영역("fragment, antigen-binding", 항원 결합 단편 — 항원은 항체가 인식하는 표적을 말합니다)입니다. 각 Fab는 가변 영역(variable region) — 항체마다 달라지며, 하나의 자물쇠에 맞춰 깎은 열쇠처럼 오직 하나의 표적에만 들어맞고 다른 것에는 들어맞지 않도록 형태가 잡힌 부분 — 으로 끝납니다. Y의 줄기는 Fc 영역("fragment, crystallizable", 결정화 가능 단편 — 이 이름은 단지, 단편들을 처음 특성화하던 시절에 정제된 항체가 결정으로 만들어질 수 있었던 첫 조각이 바로 이 불변의 꼬리였다는 사실을 기록한 것입니다)으로, 면역계가 이건 표시가 붙었으니 처리하라는 신호로 읽어 들이는 불변의 꼬리입니다. 가변 영역은 약이 무엇을 붙잡을지를 정하고, Fc는 붙잡은 다음에 무슨 일이 일어날지를 정합니다.

중쇄와 경쇄: 왜 네 개의 사슬이 하나의 항체가 되는가

그 하나의 Y는 한 개의 분자가 아니라 네 개의 단백질 사슬이 맞물린 것입니다. 동일한 중쇄(heavy chain) 두 개(한쪽 Fab 끝에서 Fc 줄기 안쪽까지 내려가는 긴 등뼈)와 동일한 경쇄(light chain) 두 개(각 팔의 바깥쪽을 덮는 짧은 사슬)입니다. 유연한 경첩(hinge)에 있는 중쇄-중쇄 간 이황화 결합이 두 중쇄를 서로 묶고, 별개의 이황화 결합이 각 경쇄를 각 Fab 팔 상단에서 자기 짝 중쇄에 묶습니다. 두 절반이 동일한 사슬로 지어진 거울상이기 때문에, 완성된 항체는 동일한 결합 팔 두 개를 가집니다 — 두 지점에서 같은 표적에 결합하면 높은 결합활성(avidity)을 가지며(단일 팔보다 훨씬 강한 유효 결합), 일부 표적에서는 단순히 더 강하게 결합하기 위해서가 아니라 표적을 클러스터링하거나 교차결합(cross-link)하기 위해 이가성(bivalency)이 필수적입니다.

Asn297의 당화: 어디에 있고, 왜 중요한가

한 가지 세부 사항이 약의 작동 방식에 어마어마하게 중요합니다. Fc 줄기 안쪽, 중쇄의 CH2 도메인(Fc 줄기를 이루는 접힌 부분 중 하나)에 있는 Asn297(아스파라긴 — 단백질의 아미노산 구성 단위 중 하나 — 이 중쇄를 따라 297번 위치에 있는 것)이라는 특정 위치에는 작은 당 사슬 — N-결합 글리칸(N-linked glycan) — 이 자리합니다. 이 당화(glycosylation)는 장식이 아닙니다. 그 정밀한 구조가 Fc와 면역계가 얼마나 강하게 맞물리는지를 조율하여, ADCC(항체의존성 세포매개 세포독성, antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity)와 CDC(보체의존성 세포독성, complement-dependent cytotoxicity) 같은 효과기 기능(effector function, Fc가 유발하는 면역 작용)을 조절합니다 [3]. 세포마다 조금씩 다른 당을 붙이는데, 이것이 "공정이 곧 제품"인 한 가지 주된 이유입니다. 세포나 그 배양 조건을 바꾸면 Asn297이 바뀔 수 있고, 그러면 약이 작동하는 방식 자체가 달라집니다.

이 글리칸은 하나의 분자라기보다 여러 항목을 가진 신원 카드로 이해하는 것이 가장 좋습니다. 모든 복제본이 그 위에 지어지는 공유된 코어(N-아세틸글루코사민, 즉 GlcNAc 두 개에 양분지 만노스 줄기를 더한 것 — 글리칸은 작은 나무처럼 두 팔, 즉 "안테나"로 갈라지는 Y자를 이루며, 만노스라는 당이 그 두 팔짜리 줄기를 이룹니다)가 있습니다.

그 코어에 매달린 것이 공정이 통제하는 가변 항목들입니다. 있을 수도 없을 수도 있는 코어 푸코스(core fucose, 이것을 제거하는 비푸코실화(afucosylation)는 ADCC를 크게 높입니다), 안테나에 붙는 0, 1, 2개의 갈락토스(galactose, G0/G1/G2 표기이며 갈락토실화는 CDC에 영향을 줍니다), 그리고 끝을 덮는 보통 낮은 수준의 시알산(sialic acid, 시알산화가 높거나 변동되면 약동학(PK, 약이 시간에 따라 몸속을 어떻게 이동하는지)과 청소율(clearance, 몸이 약을 얼마나 빨리 제거하는지)에 영향을 주고 항염증 활성을 낮출 수 있어, 시알산도 글리칸 맵에서 추적합니다 — 존재하지만 무의미한 성분이 아닙니다)입니다. 그 조합 — 글리코폼(glycoform) — 이 바로 몸이 실제로 읽어 들이는 것이며, 규제 당국은 그 프로파일을 ICH Q6B 아래 규격으로 정하고 시험할 가치가 있는 핵심 품질 특성(critical quality attribute, CQA)으로 다룹니다 [6]. 그 카드의 항목들을 정리하면 다음과 같습니다.

글리칸 항목	무엇인가	무엇을 조율하는가
코어	GlcNAc 두 개에 만노스 줄기(항상 존재)	모든 복제본이 공유하는 고정된 토대
코어 푸코스	있거나 없음	제거하면(비푸코실화) ADCC가 크게 강해짐
갈락토스(G0/G1/G2)	안테나에 0, 1, 2개의 당	갈락토스가 많을수록 CDC에 영향
시알산	보통 낮으며 끝을 덮음	약동학과 청소율을 바꾸고 염증을 가라앉힘

아래 그림은 그 카드를 항목별로 해부합니다.

신원 카드로 본 Asn297 N-글리칸: 공유된 코어에 더해 조율 가능한 푸코스, 갈락토스, 시알산 항목들. 코어 푸코스가 적을수록 ADCC가 강해지고, 갈락토스가 많을수록 CDC가 강해진다. 세포주와 배양 조건이 프로파일을 정하며, 이는 ICH Q6B 아래 핵심 품질 특성으로 추적된다. 저자가 AI의 도움을 받아 직접 제작한 그림입니다.

이것이야말로 다운스트림에서 구조화된 데이터의 한 행이 되는 다중 항목 산물의 전형입니다. QC 실험실이 글리칸 지도(glycan map)를 측정하면, 이 항목들 각각이 출하 기록 위의 측정된 수치로 바뀝니다 — 물리적 분자가 어떻게 저장하고 추세를 보고 감사할 수 있는 데이터 포인트가 되는지를 처음으로 엿보게 하는 대목이죠.

단일클론항체의 해부: 질량 약 150 kDa의 Y자 단백질로, 동일한 항원 결합 팔 두 개(Fab 영역)와 신호를 보내는 꼬리 하나(Fc 영역)로 이루어져 있다. Asn297에 있는 당화 부위(초록)가 면역 반응을 조절한다. 같은 세포주에서 나온 모든 복제본은 동일하다. 저자가 AI의 도움을 받아 직접 제작한 그림입니다.

같은 형태를 단순한 직관 보조 도구로 그리되, 진짜 해부학 명칭을 쉬운 말 옆에 함께 적으면 다음과 같습니다.

당신이 이미 만나 본 유명한 항체들

이 분자들은 실험실의 진귀한 표본이 아닙니다 — 수백만 명을 치료해 온, 누구나 아는 이름들이죠. 알아 둘 만한 몇 가지를, 일반명(INN, 국제일반명, International Nonproprietary Name), 제조사, 표적, 미국 승인 연도와 함께 소개합니다.

브랜드	일반명(INN)	제조사	표적	무슨 일을 하는가	미국 승인
휴미라(Humira)	아달리무맙(adalimumab)	애브비(AbbVie, 원래는 애보트/Abbott)	TNF-알파	염증을 가라앉힘(류마티스 관절염 등)	2002년 12월
키트루다(Keytruda)	펨브롤리주맙(pembrolizumab)	머크(Merck)	PD-1	면역계의 제동을 풀어 암과 싸움	2014년(흑색종)
아바스틴(Avastin)	베바시주맙(bevacizumab)	제넨텍/로슈(Genentech/Roche)	VEGF	종양으로 가는 혈액 공급을 끊어 굶김	2004년
레미케이드(Remicade)	인플릭시맙(infliximab)	얀센(Janssen)	TNF	염증을 가라앉힘	1998년

휴미라는 수년간 세계에서 가장 많이 팔린 약이었으며 — 연간 매출이 최고치에서 200억 달러를 넘었습니다(2022년) — 레미케이드는 가장 이른 블록버스터 mAb 중 하나였습니다. 팬데믹 동안 쓰인 코로나19 항체 치료제도 기억할 텐데, 그것들 역시 단일클론항체였습니다. 이 표의 모든 분자는 여러분이 방금 배운 해부 구조를 공유하며, 모두 살아 있는 세포가 키워냅니다 — 다음에 살펴볼 내용입니다.

항체를 키우고 포집하기

공장으로서의 CHO 세포: 숙주 선택, 바이러스 안전성, 규모

항체를 제조하기 위해 업계는 압도적으로 한 가지 숙주를 택합니다. 바로 이 분야의 믿음직한 일꾼인 CHO 세포(Chinese Hamster Ovary cell, 중국 햄스터 난소 세포)입니다. 승인된 단일클론항체와 재조합 단백질 치료제의 대다수가 CHO에서 만들어지며, 그래서 업계의 벤치마크 조사들은 이를 기본 생산 숙주로 다룹니다 [4]. 대안도 있습니다 — NS0와 SP2/0(둘 다 마우스 골수종 세포주), PER.C6, 그리고 인간 세포주인 HEK293 — 하지만 시판 mAb에서는 훨씬 덜 흔합니다. CHO가 우세한 이유는 부분적으로, 인간과 유사한 글리칸(다시 그 Asn297 당입니다)을 붙이고, 큰 탱크에서도 잘 자라며, 수십 년에 걸친 규제 실적을 쌓아 왔기 때문입니다.

살아 있는 세포 안에서 약을 만들기 때문에, 우리는 순수한 화학이 결코 마주하지 않는 위험을 떠안습니다. 세포나 그것을 먹이는 원자재가 바이러스를 지니고 있을 수 있다는 위험이죠. 그래서 규제 당국은 세포주에서 유래한 모든 바이오의약품에 대해 공식적인 바이러스 안전성 평가(viral-safety evaluation)를 요구합니다 — 세포 은행(cell bank, 모든 배치를 키워 내는 출발점이 되는, 검증된 냉동 생산 세포주 원본)을 시험하고, 바이러스를 적극적으로 제거하거나 불활화하는 정제 단계를 짜 넣는 것이죠. 이를 관장하는 표준이 ICH Q5A(R2)입니다 [5]. 바이러스 안전성은 서로 다른 물리적 방식으로 바이러스를 제거하는 직교(orthogonal) 단계들 — 하나를 빠져나간 입자가 다음 단계를 살아남기는 매우 어렵습니다 — 즉 저pH 유지, 단백질 A, 전용 바이러스 여과, 음이온 교환에 걸쳐 합산한 로그 감소값(log reduction value, LRV)으로 정량적으로 입증하며, 규제 당국은 모델 레트로바이러스에 대해 누적 LRV로 12 logs 이상(각 "로그"는 10분의 1로 줄이는 것이므로, 12 logs 이상이란 어떤 바이러스든 1조 배 넘게 줄이는 것 — 1조 개 중 하나만 남기고 모두 제거하는 것을 뜻합니다)을 기대합니다. 이는 세포를 공장으로 쓴다는 사실에서 곧바로 따라오는 결과이며, 우리는 이 안내서 뒷부분에서 그 전용 바이러스 제거 단계들로 다시 돌아올 것입니다.

유가식 배양: 기간, 세포 밀도, 역가 목표

이 세포들은 실제로 어떻게 키워질까요? 표준적인 상업적 방식은 유가식 배양(fed-batch culture)입니다. 큰 스테인리스강 또는 일회용 바이오리액터(bioreactor) 하나 — 상업용 mAb의 경우 보통 2,000에서 20,000리터, 작은 방 크기 — 를 채우고, 주기적으로 농축된 영양분을 세포에 공급하여 생산성을 유지한 뒤, 끝에 가서 모든 것을 한 번에 수확하는 방식이죠. 그림을 잡아 줄 실제 수치 몇 가지를 보겠습니다.

• 한 번의 유가식 운전은 대략 10–14일 동안 이어집니다(세포주와 설계에 따라 일부 공정은 약 21일까지 운전되기도 합니다).
• 최대 생존 세포 밀도는 대략 밀리리터당 5–20백만 세포(빗방울 크기의 부피 안에 수백만 개의 세포)까지 올라갑니다.
• 잘 조율된 현대 공정은 수확한 배양액 속 항체 농도, 즉 역가(titer)가 약 리터당 2–8그램에 이르며, 고성능 플랫폼은 ~10 g/L에 도달합니다.

현대의 대안인 관류(perfusion) 배양은 신선한 배지를 계속 흘려 넣고 소비된 배지를 계속 빼내어, 세포가 자기 노폐물 속에 앉아 있지 않게 합니다. 이로써 밀도가 밀리리터당 약 5천만–1억 세포 범위에 이르고, 긴 운전 동안 실효 역가가 리터당 10그램 이상까지 치솟을 수 있습니다. 이렇게 더 높아진 역가의 부상과, CHO 유가식이 플랫폼으로 표준화된 것이야말로 mAb 제조를 새롭게 빚어낸 산업화의 이야기입니다 [8]. 유가식은 여전히 승인된 제품 대부분의 바탕이며, 관류와 연속 처리는 떠오르는 방향으로서 우리가 진행하며 살펴볼 주제입니다.

그 최종 역가는 단지 기다려서 얻는 수치가 아닙니다 — 운전 도중에 소프트 센서(soft sensor, 측정하기 어려운 양을 쉬운 실시간 신호들로부터 추론하는 모델)로 추정할 수 있고, 그것을 좌우하는 공급 일정도 머신러닝으로 훨씬 적은 운전 횟수만에 조율할 수 있습니다. ML 책은 이 둘을 공정 개발에서 구체적으로 보여 줍니다.

하나의 유전자에서 하나의 클론까지: 형질주입, 선별, 분리

"우리 항체를 만드는 CHO 세포"는 어디서 올까요? 그것은 자연에 존재하지 않습니다 — 세포주 개발(cell-line development)이라는 단계에서 공학적으로 만들어내야 하죠.

그 단계들을 쉬운 말로 풀면 다음과 같습니다.

1. 형질주입(transfection). 우리 항체에 대한 DNA 지시 — 중쇄와 경쇄 발현 구성체(expression construct) — 를 CHO 세포에 도입합니다. 세포 중 작은 일부가 이 DNA를 받아들여 자신의 유전체에 통합합니다.
2. 선별(selection). 압력(선별 마커나 약물)을 가해, 항체 유전자를 지닌 세포만 살아남아 자라게 합니다.
3. 클론 선별(clonal selection). 살아남은 것들 중에서 개별 단일 세포를 분리하여 각각을 하나의 군집으로 키웁니다. 어떤 클론은 다른 것보다 항체를 훨씬 많이 만들어내므로, 여럿을 선별해 가장 많이, 가장 안정적으로 생산하는 것을 찾아냅니다.
4. 단일클론성(monoclonality). 최종 세포주의 모든 세포가 단 하나의 조상 세포에서 비롯되기 때문에, 그것이 만드는 모든 항체 분자는 동일합니다. 그 단일 세포 기원이 제품을 진정으로 "단일클론"이게 보장하며, 이는 단지 바람직한 덕목이 아니라 규제상의 요구 사항입니다.

이 경쟁에서 이긴 클론은 그 약의 전체 상업적 공급을 위한 씨앗이 됩니다. 그 아래의 모든 것 — 수년에 걸친 모든 배치 — 이 그 클론으로 거슬러 올라갑니다. 이 "거슬러 올라간다"는 것 자체가 정밀하게 유형이 정해진 관계입니다 — 각 로트를 그 부모 로트에, 그리고 궁극적으로 하나의 냉동 세포 은행에 잇는 파생(derived-from) 호이죠 — 그래서 우리가 나중에 전체 기록을 그래프로 그릴 때, 그것은 온톨로지 책이 관계와 계보에서 세우는 계보의 척추가 됩니다. 유전 공학과 클론 선별을 포함한 전체 작업 흐름은 공장 세포 만들기에서 자세히 풀어 봅니다. 여기서는 그것을 아래의 더 큰 파이프라인 속 하나의 단계로 보는 것으로 충분합니다.

프로테인 A 친화 포집: 플랫폼 단계

세포가 항체를 만들고 나면, 그 항체를 세포와 잔해와 불순물이 뒤섞인 지저분한 수프에서 끄집어내야 합니다. 두 가지 불순물 부류가 전체 하류 공정 설계를 좌우합니다: 세포 자체 단백질인 숙주세포 단백질(HCP)은 제품 대비 한 자릿수 ppm(parts per million, 제품 대비 백만분율 — 항체 분자 백만 개당 숙주 단백질 분자가 한 줌 미만이라는 뜻이며, 잔류 숙주 단백질이 환자에게 면역 반응을 일으킬 수 있어 일부러 엄격하게 잡은 기준입니다)까지 제거해야 하고, 항체 자체가 뭉친 고분자량 응집체(aggregates)는 이후 폴리싱 단계가 제거합니다. (단백질 A 포집은 자체 불순물 하나를 더합니다: 레진에서 떨어져 나온 용출 단백질 A(leached Protein A)도 제거해야 합니다.) 시장에 나와 있는 거의 모든 단일클론항체는 똑같은 첫 단계로 정제됩니다. 바로 프로테인 A 친화 크로마토그래피(Protein A affinity chromatography)로, 시판 mAb의 대다수에 쓰이는 업계 표준 "플랫폼" 포집입니다 [7].

그 묘수는 우아합니다. 프로테인 A는 항체를 — 거의 항체만을, 다른 것은 좀처럼 붙잡지 않고 — 그 Fc 꼬리(Y의 줄기)로 붙잡는 천연 분자입니다. 이것을 아주 작은 비드(레진, resin)에 충전하여 컬럼 안에 넣고 수확한 배양액을 통과시키면, 항체는 들러붙고 세포 찌꺼기는 곧장 씻겨 지나갑니다. 그런 다음 저pH(약 pH 3~3.5)로 낮춰 이제 정제된 항체를 용출합니다. 이 산성 유지는 일거양득입니다 — 의도적으로 바이러스 불활성화 단계로 재사용되지만 — 용출된 mAb의 응집(aggregation) 위험도 있어, 곧바로 약 pH 5로 신속히 중화합니다. 프로테인 A는 항체마다 두루 통하기 때문에 플랫폼 공정 — 잘 이해된 레시피 하나를 여러 제품에 재사용하는 것 — 을 가능하게 합니다. 레진과 시스템은 소수의 전문 공급사(사이티바(Cytiva)나 리플리젠(Repligen) 같은 이름)에서 나오며, 연속 처리의 세계에서는 단일 컬럼이 멈추지 않고 운전되는 다중 컬럼(multi-column) 구성으로 대체됩니다. 이에 대해서는 뒷부분에서 한 장 전체를 할애합니다.

한 걸음 물러나서 보면, 유전자에서 정제된 분자까지의 전체 경로는 짧고 반복 가능한 사슬입니다. 세포를 한 번 공학적으로 만들고, 그다음 매 배치마다 그것을 운전하는 것이죠.

하나의 유전자에서 정제된 항체까지의 플랫폼 경로: 형질주입과 세포주 개발이 제품마다 한 번 공장 세포를 짓고, 유가식 배양과 프로테인 A 포집이 매 배치마다 운전된다. 모든 상업적 배치는 2단계에서 선택된 단 하나의 클론으로 거슬러 올라간다. 저자가 AI의 도움을 받아 직접 제작한 그림입니다.

글리칸이 조용히 바뀔 때: 합격했지만 효능을 잃는 배치

여기 "공정이 곧 제품이다"를 실감하게 하는 실패 양상이 있습니다. 모든 일상적 출하 시험을 통과한 배치를 상상해 봅시다 — 단백질의 크기가 맞고, 충분히 깨끗하고, 농도가 목표치에 있으며, 표준 역가 분석도 합격으로 읽힙니다. 그런데 미묘한 공정 변화 — 바이오리액터의 작은 pH 표류, 공급 일정의 조정, 또는 세포 은행 사이의 평범한 클론 간 편차 — 가 Asn297 프로파일을 살짝 밀어 놓았습니다. 이전보다 코어 푸코스가 조금 더 많거나, 갈락토스가 조금 더 적은 식으로요. 순도와 확인은 멀쩡해 보입니다. 그러나 비푸코실화가 ADCC를 끌어올리기 때문에, 그 조용한 변화는 뚜렷한 규격을 어긴 것이 없는데도 환자에게서 ADCC 감소와 실제 효능 손실을 뜻할 수 있습니다. 바로 이 때문에 A-Mab 사례 연구는 N-당화를 핵심 품질 특성으로 콕 집어, 공정 입력이 그것을 어떻게 움직이는지 모델링했고 [10], ICH Q6B는 규격이 측정하기 쉬운 특성만이 아니라 실제로 중요한 특성을 담아내야 한다고 못 박습니다 [6].

교훈은 이 안내서 전체를 관통하는 실입니다. 가장 중대한 성질은 살아 있는 세포가 업스트림에서 짓는 것이기 때문에, 바이오의약품의 품질을 끝에 가서 시험으로 끼워 넣을 수는 없습니다. 그 방어책은 공정이 운전되는 동안 그것을 지켜보는 것입니다 — 모든 센서 측정값, 공급 첨가, pH 추세가 올바른 분자가 만들어지고 있다는 신호가 됩니다. 이 측정값 하나하나는 특정 계측기에서 태어나 데이터베이스의 한 행으로 내려앉는데, 그 여정은 데이터 책이 공정 데이터가 태어나는 곳들에서 둘러봅니다. 그 신호들이 그다음 어떻게 포착되어 믿을 수 있는 기록으로 바뀌는지는 계측기와 센서가 데이터를 만들어내는 곳 장에서 다루고, 그것들을 실제로 저장하고 제공하는 오픈소스 스택은 — 결국 글리칸을 측정하는 분석 실험실까지 — 레퍼런스 아키텍처와 LIMS와 ELN 장에 펼쳐져 있습니다. 글리칸 지도 자체를 포함해 분자의 측정된 품질에 미치는 다운스트림 결과는 품질 측정과 단백질 안정성 유지에서 다룹니다.

왜 중요한가

이 안내서 전체를 빚어내는 발상은 이것입니다. "공정이 곧 제품이다."

저분자라면 레시피가 약을 정의합니다. 같은 화학식을 따르는 두 공장은 똑같은 아스피린을 만들어냅니다. 그러나 바이오의약품은 너무나 크고 복잡해서 화학식만으로는 충분하지 않습니다. 세포가 단백질을 접는 방식, Asn297에 정확히 어떤 당을 매다는지, 정밀한 배양 조건 — 이 모든 것이 최종 약의 일부가 됩니다. 만드는 방식을 바꾸면, 그것이 실제로 무엇인지가 바뀔 수 있습니다.

그래서 우리는 복제약(generic) 알약을 만들듯 바이오의약품을 그대로 똑같이 복제할 수 없습니다. 가장 가까이 갈 수 있는 것이 바이오시밀러(biosimilar)입니다 — 매우 유사하지만(highly similar) 결코 완벽한 복제본은 아닌 약이죠. 원래 제조사의 정확한 공정을 아무도 복제할 수 없기 때문입니다.

환자에게 이것은 전부입니다. 형태의 작은 변화 — 혹은 그 Asn297 당의 변화 — 가 약을 약하게 만들거나, 몸이 그것을 외부 물질로 여겨 공격하도록 유발할 수 있습니다. 그래서 이 안내서의 모든 단계 — 모든 온도, 모든 필터, 모든 측정 — 는 매번 똑같이 안전하고 효과적인 단백질을 만들어내기 위해 존재합니다.

실제 현장에서는

공정이 제품을 정의하기 때문에, 제조사는 자기 공정이 일관됨을 단지 주장하는 데 그치지 않고 증명해야 합니다. 그 증명은 cGMP(current Good Manufacturing Practice, 현행 우수 제조 관리 기준)로 의무화됩니다. 약이 어떻게 만들어지고, 문서화되고, 관리되어야 하는지를 규정하는 일련의 규정 체계이죠. 미국에서는 이것이 FDA 21 CFR Part 211에 성문화되어 있는데, 이 규정은 무엇보다도 모든 배치가 정확히 어떻게 만들어졌는지를 작업과 동시에 빠짐없이 기록한 완전한 기록을 갖추도록 요구하여, 어떤 로트든 수년 뒤에 재구성하고 감사할 수 있게 합니다. 그 기록이 전자 기록일 때 — 오늘날 거의 언제나 그렇듯 — 짝이 되는 규정인 21 CFR Part 11이 데이터 자체의 신뢰성을 관장하며, 그 표어가 바로 ALCOA+입니다(모든 기록은 귀속 가능(Attributable)·판독 가능(Legible)·동시 기록(Contemporaneous)·원본(Original)·정확(Accurate)해야 하며, 여기에 완전하고 지속적이어야 합니다). 데이터 책은 바로 이 주제에 데이터 무결성 장을 통째로 할애합니다. cGMP의 "현행"(current)이라는 말이 중요합니다 — 기술이 발전함에 따라 기준이 높아지므로, 어제의 모범 사례가 내일의 변명이 될 수는 없습니다.

"일관됨"이 무엇을 뜻하는지조차 두 겹의 규정이 더 빚어냅니다. ICH Q6B는 mAb 같은 바이오의약품을 특성화하는 규격(specification) — 확인(identity), 순도(purity), 역가(potency)에 대한 시험과 허용 기준 — 을 정의하여, "이것이 올바른 분자인가, 충분히 깨끗한가, 충분히 강한가?"라는 질문을 측정 가능한 수치로 바꿉니다 [6]. 그리고 바이오시밀러가 법적으로 엄연히 존재하기에, 규제 당국은 얼마나 유사해야 충분히 유사한지를 정확히 정의해야 했습니다. 미국에서 바이오시밀러는 원래 바이오의약품의 351(a) 바이오의약품 품목허가(Biologics License Application, BLA)와는 구별되는 351(k) 경로로 승인되며, 둘 다 복제약 알약의 서류 작업보다 훨씬 더 많은 것을 요구합니다. 유럽에서는 EMA CHMP의 바이오시밀러 단일클론항체 지침이 비교성 연구(comparability study) — 비임상 및 임상 가교 자료(bridging data) — 를 요구하여, 동일한 제조가 불가능하기 때문에 그 복제본이 임상적으로 의미 있는 차이가 없는 "매우 유사한" 것임을 입증하게 합니다 [9]. 법적 기준은 언제나 "매우 유사함"이지, 결코 "동일함"이 아닙니다.

공장을 운영하는 더 새로운 방식 — 연속·집약형 처리(continuous and intensified processing), 즉 세포가 관류 바이오리액터에서 멈추지 않고 생산하고 제품이 연속 다중 컬럼 열차에서 포집되는 방식 — 은 산업계와 학계 전반의 여러 노력이 파일럿 규모로 실증하고 있습니다. 그것은 이 분야의 떠오르는 방향을 대표할 뿐, 오늘날의 표준은 아닙니다. 약국 선반에 놓인 약은 여전히 프로테인 A를 곁들인 유가식이 만들고 있습니다.

핵심 용어

• 바이오의약품(Biologic) — 화학만으로가 아니라 살아 있는 세포가 만드는, 크고 복잡한 단백질 의약품.
• 저분자(Small molecule) — 통제된 화학 반응으로 만드는 아주 작은 화학 의약품(아스피린 같은 것).
• 단백질(Protein) — 구성 단위들의 사슬이 접혀 만들어진 분자 기계로, 몸의 만능 도구.
• 단일클론항체(Monoclonal antibody, mAb) — 모든 복제본이 동일하며 하나의 특정 표적에 들러붙는 Y자 단백질.
• IgG — 치료용 mAb 대부분에 쓰이는 항체 종류로, 약 150 kDa이며 두 개의 중쇄와 두 개의 경쇄로 이루어짐.
• 중쇄/경쇄(Heavy / light chains) — 항체를 이루는 네 개의 단백질 사슬(각각 두 개씩).
• Fab 영역(Fab region) — 하나의 표적을 붙드는 가변 영역을 품은, 항원을 결합하는 두 팔 끝.
• Fc 영역(Fc region) — 면역계에 신호를 보내는 Y의 불변 줄기로, Asn297 당을 지님.
• 당화(Asn297)(Glycosylation) — 중쇄의 Asn297 위치에 있는 당 사슬로, 면역 효과기 기능(ADCC/CDC)을 조율함.
• 글리코폼(Glycoform) — Asn297 글리칸 위의 코어, 푸코스, 갈락토스, 시알산의 특정 조합으로, 면역계가 실제로 읽어 들이는 프로파일.
• ADCC / CDC — 항체의존성 세포매개 세포독성과 보체의존성 세포독성. 글리칸이 조율하는 두 가지 면역 효과기 기능.
• 핵심 품질 특성(Critical quality attribute, CQA) — 안전성이나 효능을 보증하기 위해 한도 안에 머물러야 하는 측정 가능한 성질(예: 글리칸 프로파일).
• CHO 세포(Chinese Hamster Ovary cell) — 항체 제조에 쓰이는 업계의 일꾼 세포.
• 세포주 개발(Cell-line development) — CHO 세포에 항체 유전자를 넣어 공학적으로 만들고 가장 잘 생산하는 클론 하나를 선별하는 일.
• 역가(Titer) — 수확한 배양액 속 항체 농도로, 현대 유가식에서 보통 2–8 g/L.
• 유가식(Fed-batch) — 표준적인 방식으로, 키우고 주기적으로 공급한 뒤 약 10–14일 후에 한 번에 수확하는 것.
• 관류(Perfusion) — 연속적인 방식으로, 신선한 배지를 넣고 소비된 배지를 빼내어 더 높은 밀도와 더 긴 운전을 얻는 것.
• 프로테인 A 포집(Protein A capture) — 항체를 그 Fc 꼬리로 레진 비드에 붙잡는 표준 친화 단계.
• cGMP — 현행 우수 제조 관리 기준(current Good Manufacturing Practice). 약이 어떻게 만들어지고 문서화되고 관리되어야 하는지를 규정하는 규정 체계(미국에서는 21 CFR Part 211).
• ALCOA+ — cGMP 기록의 데이터 무결성 표어. 귀속 가능(Attributable)·판독 가능(Legible)·동시 기록(Contemporaneous)·원본(Original)·정확(Accurate)에, 완전하고 지속적이어야 한다는 원칙(전자 기록은 21 CFR Part 11이 관장).
• 소프트 센서(Soft sensor) — 측정하기 어려운 양(예: 역가)을 직접 실험실 측정이 아니라 쉬운 실시간 공정 신호들로부터 추론하는 모델.
• 공정이 곧 제품이다(The process is the product) — 바이오의약품을 만드는 방식이 그것이 무엇인지를 정의하는 데 한몫한다는 발상.
• 바이오시밀러(Biosimilar) — 기존 바이오의약품의 매우 유사한(그러나 동일하지는 않은) 버전으로, 비교성 연구를 요구함.

다음 이야기

이제 당신은 우리가 무엇을 만드는지를 압니다 — 살아 있는 세포만이 지을 수 있고, 모든 복제본이 하나의 클론에서 비롯되기에 "단일클론"인, 크고 섬세하며 당으로 장식된 단백질이죠. 또한 모든 것을 지배하는 단 하나의 원리도 알게 되었습니다. 공정이 곧 제품이라는 것입니다. 다음 장 큰 그림: 업스트림, 다운스트림, 충전·마감(바이오프로세싱 개요)에서는 다시 한 걸음 물러나 공장 전체를 끝에서 끝까지 펼쳐 놓습니다 — "만드는" 절반(업스트림)이 어떻게 "정제하는" 절반(다운스트림)으로 넘겨지고, 어떻게 그 모든 것이 바이알 속에서 마무리되는지를요. 그 지도는 이후의 모든 장이 매달릴 뼈대입니다. 그러니 이제 그것을 함께 세우러 가 봅시다.