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업스트림 공정 최적화 전략

편집 오영택
입력 : 2020-07-21 15:12 수정 : 2020-07-21 15:13

 

 

바이오 의약품 시장의 빠른 성장 추세에 발맞춰 연구원들과 제약사 그리고 생산 시스템과 재료를 공급하는 회사들은 업스트림과 다운스트림 그리고 충진 및 패키징 등 각 필수 단계 별 개선을 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다.

 

최근 몇 년 동안 생물공학기술의 발전으로 공정의 생산성, 안정성과 재현성이 상당히 향상되었지만, 치료용 단백질 생산 효율성 개선을 위한 잠재적 혁신 요소들이 여전히 존재합니다. 단백질 발현률 증대를 위한 새로운 접근법 발견, 비용 우위를 가지면서 더욱 유연하고 높은 수율을 이끌어 낼 수 있는 제조 공정 수립 그리고 단백질을 활성 상태로 리폴딩하는 복잡한 업무들은 현재 업계가 직면한 주요 과제라고 볼 수 있습니다.

 

세포 증식 단계는 영양소와 미량의 불순물 등 다양한 요인들에 의해서 영향을 받을 수가 있으며 이로 인해 일어날 수 있는 문제로는 최종 생성물의 낮은 수득율 또는 불순물 양의 증가 등이 있습니다. 이러한 문제들이 발생되지 않도록 공정 관련 과학자들은 세포주 및 배지에 포함되어 있는 보충물들의 특성을 잘 이해하기 위한 연구를 선행하여야 하며, 세포 배양 원료의 일관된 품질을 기반으로 업스트림 공정 과정에서의 변동성을 최소화할 수 있을 것입니다.

 

시료로부터 바이오리엑터에 이르기까지의 생산 과정

업스트림 공정은 바이알 속에 존재하고 있는 유전체 변형이 된 세포의 배양으로부터 원하는 양의 표적 생물학적 제제를 생성하기 위한 바이오리액터 증식 단계에 이르기까지의 과정입니다. 증식 과정에 대해서는 바이오의약품 제조사와 사용 물질에 따라서 공정 과정 상 차이점들이 존재하나 공통적으로 지켜지는 한가지 원칙은 세포가 증식할 수 있는 최선의 환경이 유지되도록 관리하는 것입니다.

 

건강한 세포를 배양하기 위해서는 바이오리액터 내 조건들에 대한 철저한 모니터링과 제어가 필요합니다. 예를 들자면, 산소 및 이산화탄소와 같은 가스와 온도같은 조건들을 관리할 수 있어야하며, 세포 배양 배지 내의 구성인 포도당, 아미노산, 그리고 탄수화물같은 물질들을 고려해 순도와 증식 대상 물질들의 안정성을 유지할 수 있어야합니다.

 

이러한 점들이 고려가 되지 않은채 배양이 시작이 된다면 세포 배양주들이 죽거나 다음 단계로 진행되기 위한 충분한 증식에 실패할 것입니다. 이 경우 공정 중단을 고려하고 초기 세포 접종 단계부터 다시 시작 해야할 수도 있습니다.

 

단백질 발현 시스템

단백질 발현 시스템들 중 박테리아, 미생물, 효모, 그리고 포유 동물 세포를 기반으로 한 배양이 오늘날 널리 사용되고 있는 발현 시스템들 입니다.

 

바이오의약품 생산의 역사를 간단하게 되짚어보자면 1980년대로 거슬러 올라가게 됩니다. 이 시기는 바이오 의약품 생산이 본격적으로 활성화된 시기로서, 가장 널리 사용되는 발현 시스템은 대장균을 활용한 방법이였습니다. 이후에는 출아형 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 이용한 방법도 바이오 제약 제조업체들 사이에서 널리 사용되기도 하였습니다. 곤충의 세포를 이용한 연구 또한 진행이 되었으나, 결과적으로 포유류의 세포주가 당화 단백질의 생산할 수 있는 능력이 있음이 발견되어 현재에는 가장 널리 사용되고 있습니다.

 

아래 장표(Figure 1)에서와 같이 세포 발현 시스템의 효율성과 최적화를 측정하는 척도는 여러가지가 있는데, 그 중에서도 중요한 선택 요소 두 가지는 성장 속도(Cell growth)와 세포 배지의 복잡성(Complexity of growth medium)이라고 할 수 있습니다.

 

 

 

 

해당 두 가지 척도를 고려하여서 각각의 발현 시스템들을 비교해보면 미생물 시스템의 경우에는 상대적으로 빠른 성장 속도와 더불어서 상대적으로 복잡성이 낮은 성장 배지라는 두 가지의 이점이 있으며 낮은 재료 비용 또한 장점이 됩니다. 하지만 포유 동물의 세포 시스템을 사용한 방법은 더욱 복잡합니다. 해당 세포들은 수 일에 걸쳐 증식을 하기에 제어하기 힘들며 N-linked 당화, O-linked 당화, 아실화, 그리고 감마-카르복실화등과 같은 세포 과정을 거치기 때문에 복잡성이 더욱 높습니다. 더불어 미생물 시스템을 이용한 발현에서 문제가 발견되거나 공정이 목표 수준에 도달하지 못하는 경우, 공정을 정지하고 재시작을 위한 물질 폐기/세정하는 작업을 거치게 되는데 이는 포유 동물 세포 배양 공정에 비해 더 적은 노력과 시간이 소요되어 유리합니다.

 

세포주에 따라서 세포 배양 배지의 구성(탄수화물 및 sodium bicarbonate 그리고 pH 조절 물질등)은 차이가 나게 되며 특히 글리코실화반응(당화)가 수반되는 경우에는 그에 맞는 최적의 환경을 조성하는 것은 상당히 어렵습니다. 예를 들어 상이한 대사 및 영양소 소비 요구량을 가지고 있는 세포주 상에서 요구되는 영양분이 아닌 다른 탄수화물과 영양물질을 첨가할 경우에는 세포 발현 수율이 예측한 결과값에 못 미칠 수 있으며 오히려 예기치 못한 반응을 유발할 수도 있습니다.

 

발현된 단백질의 경우 세포 배양 배지에 포함되어 있는 불특정 금속과 반응을 하는 경우에는 단백질의 폴딩과 리폴딩 단계상에서 예기치 않은 산화 반응을 관찰할 수도 있습니다. 예를 들어, 효소 치료제의 대체 물질을 생산하고 있을때, 배지상에 포함되어 있는 미량의 금속에 효소가 노출이 된다면 이는 생산 수율의 저하로 이어지게 됩니다.

 

 

 

 

세포 배양 배지에 포함된 물질은 어떻게 관리되어야 하는가?

품질의 일관성을 유지하기 위하여서 업스트림 공정에서 세포 배양 배지에 포함된 미량의 불특정 물질들에 의한 생산력 저하 이슈에 대응하기 위한 품질 유지 연구는 현재 진행형이라고 볼 수 있습니다. 통상적으로는 표준 기저 세포 배양 배지를 사용하나 전문 바이오의약품 제조업체에서는 특정 세포주 생산에 최적화된 세포 배양 배지를 개발을 하고 사용하고 있습니다. 이러한 노력들을 통해 제조 공정상에 사용된 성분 분석과 더불어 기초 배양물의 단백질의 발현에 관여 할 수 있는 미량의 금속(예를 들어 마그네슘과 같은 물질)을 사전 파악하고 단백질 발현의 수율을 유지하고 불필요한 오염을 줄이고 있습니다.

 

바이오의약품 제조업체들이 배지 상의 금속 농도에 대해서 연구를 지속하는 이유는 관련 연구 사례를 통해 이해할 수 있습니다. 10ppb 정도의 망간 불순물이 ferrous sulfate를 보충제로 사용한 배지 상에 존재를 하고 있을때, 당화 프로파일상에서 상이한 결과값을 나타내었습니다. 이를 뒷받침 하듯 단백질 당화에 따른 철과 망간의 영향도 조사에서, 100ppm의 철 성분이 단백질 당화를 야기할때 망간은 20ppb만으로도 단백질의 당화를 이끌어 낼 수 있다는 결과도 학계에 보고가 되어 있습니다.

 

앞서 서술하였듯이 미디어와 버퍼의 조건이 달라지게 되면 다른 생산물을 만들 수 있기 때문에 세포주에 따라서 세포 배양 배지는 구성 성분의 차이가 날 수도 있습니다. 일례로 단백질 발현정도의 향상을 위해서 1나노몰의 망간을 첨가하는 경우도 있는데, 공정엔지니어의 경우에는 세포주에 미치는 영향도를 간과하고 10나노몰까지 증가시키려고 하는 경우도 있습니다. 하지만 이는 결국 낮은 수율이라는 결과를 낳게됩니다. 이와 반대로 세포 배양 성분에 대한 특성 분석이 이루어지지 않은 가운데 1나노몰 정도의 망간을 첨가하는 경우에도 배양 실패로 이어질 수 있습니다. 그 이유는 배양 성분상에서 이미 망간이 존재할 수 도 있기 때문입니다.

 

이러한 복잡한 문제들을 감안할 때, 탄수화물, 아미노산 및 세포 배양 배지에 대한 성분 분석을 제대로 진행함으로써 발현 시스템의 성과 개선을 위한 중요한 해결책을 찾을 수 있을 것입니다.

 

배지의 성분, 특히 미량의 금속 성분에 대한 분석이 사전에 진행된 상황에서 cGMP 수준의 공정이 수반되기 위해서는 매 배치마다 금속의 함량이 일치하는지 확인을 해야합니다. 해당 사전 작업은 업스트림 공정에 있어서 변수를 제거하거나 감소시킬 수 있습니다. 그렇다고 구리 및 망간과 같은 금속 물질에 대한 무조건적 제한이 이루어져야 한다는 것은 아닙니다. 상황에 따라서 해당 금속들은 당화 및 기타 단백질 발현 과정에도 도움을 줄 수 있기 때문에 공정상에서 세워진 기준에 의거하여 함량에 대한 사전 조사 작업이 진행되어야 합니다.

 

세포주의 배양에 대한 특성 분석과 금속 성분에 대한 분석을 확립하기 위한 연구로서 DOE(Design of Experiment)를 활용한 방법이 있습니다. 이를 통하여 신뢰할 수 있는 데이터를 생성해내고 해당 데이터를 기반으로 하여 생산자가 업스트림 공정상에서 일관된 생산량을 유지할 수 있도록 이끌어 갈 수 있습니다.

 

향상된 품질과 생산성을 도출할 수 있는 방법을 추구하기 위해 최근 생물 의약품 분야의 산업 트렌드는 데이터마이닝 및 AI 기반 분석 기술들의 사용이 확대되고 있습니다. “Industry 4.0” 제조 이니셔티브와 동일한 기술을 적용하고 있는 최근의 산업 시스템에서는 생산 공정상에서 얻은 많은 데이터에 의거하여 공정 관리에 관련된 요소들에 대한 심층적 통찰력을 가지고 안전과 효율이 확립된 바이오의약품의 “미래형 공장”의 비전을 실현시키기 위해 노력하고 있습니다.

 

IoT 기기가 설치되어 있는 스마트 미래형 공장 “Biopharma 4.0”은 플랜트 운영자가 공정에서 생성된 실시간 데이터를 활용하여 생산 시스템의 성능을 유지 및 개선할 수 있는 환경이 조성될 것입니다. 더불어 최적의 작동 조건을 예측하고 유지하는 인공지능(AI) 플랫폼의 지원 하에 배치 간 배양 실패 위험을 줄일 수 있게 됩니다.

 

데이터의 축적과 신속한 정보 해석에 기반하여 의약품 생산에 관련된 통계 데이터가 늘어갈 것이고 이를 통해 최상의 수득율과 품질이 이루어지는 “골든배치”에 한걸음 더 가까워질 것입니다. 더불어 데이터 수집 및 액세스를 개선하려면 공급업체와 제조업체 간의 강력한 협력이 필요합니다. 공급업체에서는 예측 모델 설계를 위한 데이터를 사전에 공급하고 자동 데이터 전송 체계를 확립하는 등 공정 간소화에 도움을 줄 수 있습니다.

 

결론적으로 고도의 데이터 중심 통찰력에 기반한 성분 분석과 물질 생산 방식은 단백질 발현과 바이오리엑터 배양 시스템의 운영 측면에서 배지 상의 구성 요소와 변형 간 상관관계를 파악할 수 있게 도와 줄 것이며 공정 결과 추세를 신속하게 파악할 수 있게 함으로서 업스트림상의 수율을 크게 향상시키는 결과를 가져올 것입니다.

 

 

칼럼 저자 소개

클라우디아 베론 : 아반토 바이오의약품 전략 사업 부문 수석 부사장
(Claudia Berron: Senior Vice President, Strategy and Commercial Operations, Bioppharma Production)

난두 데카르 박사: 아반토 바이오의약품 연구 기술 부문 부사장 
(
Dr. Nandu Deorkar: Vice President, Research and Development, Bioprocess Technology)

 

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