바이오의약품 개발 과정

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요즘 바이오의약품을 개발하는 회사에 입사를 하려고 하는 취업준비생이 많은 것 같다. 

얘기를 들어보니, 의외로 그 과정에 대해서 오해하는 것이 많아 보여서 내가 직접 설명해보고자 한다. ㅋㅋㅋ

한국어로 보통은 단어를 사용하지 않지만, 가급적 이해가 쉽도록 한국어와 영어를 같이 사용하겠다. 

크게 나누면 아래와 같은 단계로 진행된다. 하지만 각 단계는 동시에 진행될 수도 있으니, 번호별로 딱딱 끊어서 종료 후에 다음 단계를 진행하는 것은 아니니 이것은 오해 안 하면 좋겠다. 

1. cell line development (세포주 개발)

2. process development (공정 개발)

3. analytical development (분석법 개발)

4. clinical development (임상 개발)

5. commericail manufacturing (상업생산)

6. data packaging + application to authorities (허가기관에 바이오의약품 허가 신청)

R&D에서 크게 나누면 이렇게 6 단계로 나누어진다. 

 

1번 세포주 개발은 만들고자 하는 monoclonal antibody, mAB (예를 들면 허셉틴)의 DNA sequencing을 플라스미드로 제작, CHO cell에 transfection 시켜서, 적절한 품질의 mAB를 생산할 수 있는 단 한 개의 CHO cell을 찾는 과정이 주로 수행된다. 이 과정을 lead clone optimization이라고 한다. 따라서 여러 가지 기본적인 생명공학 실험이 수행된다. western bloting, cloning, trasfection, PCR 등. 

2번 공정개발은 세포주 개발에서 선정된 보통 2, 3개 정도의 클론을 가지고 여러 가지 실험을 하게 된다.

예를 들어 김치를 만든다고 가정해보자. 진짜 쉽게 설명을 하려고 하니 비교 대상이 김치가 돼버렸는데 ㅋㅋㅋ

 

 

김치라는 목표가 있으면 그것을 만드는 방법은 여러가지가 있을 것이다. 

a 배추 + 소금 1스푼 + 액젓 2 스푼 

b 배추 + 소금 2 스푼 + 액젓 1스푼  

c 배추 + 소금 3 스준 + 액젓 0.5 스푼

배추라는 mAB에 소금, 액젓이라는 배지 (medium)와 incubation time 등을 적절하게 조합하여 공정개발팀이 목표로 삼고 있는 특정한 수준의 공정을 개발하는 것이 목표다.

특정한 수준의 판단 기준은 보통 몇 개가 있다. 

a. titer: mAB g/liter로 1리터의 배양액이 있으면 원하는 mAB가 몇 그램이 나올 수 있는지. 같은 양의 배양액이 생기면 그 안에서 mAB가 많이 생산될수록 유리한 것은 당연하다. 따라서 타이터 (titer)의 목표는 공정개발팀에서 삼고 있는 제일 중요한 목표 중에 하나다. 

b. 클론의 안정성: 타이터는 높은데 세포 자체의 안정성이 높지 않아서 며칠 배양하면 갑자기 죽어버리는 세포주일 가능성도 있다. 따라서 며칠을 배양해도 문제가 없는 세포주인지 확인하는 과정이 있다. 

c. 생산된 mAB (process development [공정개발]+ formulatioin development [완제개발])를 사용하여 분석법을 수행한다.

공정개발은 보통 drug substance를 만드는 과정을 이야기하고, 완제 개발은 보통 drug product를 만드는 과정을 이야기한다.

완제 개발은 보통 formulation, purification 등을 수행하면서 drug product를 만드는데, 이 DP는 진짜 환자에게 바로 투여가 가능한 수준의 제품이다. 

 

 

DS는 위의 사진과 같이 팩에 들어가 있는 경우가 대부분이기 때문에 저 수준에서 환자에게 투여하는 것은 불가능하다. 사진은 좀 작은 팩인 거 같은데 수십 리터 팩도 있다. 

 

 

drug product는 위의 사진과 같이 병에 넣어주는 과정을 개발하는 공정이다.

 

그냥 단순히 DS를 병에다 옮기는 것인거 같은데 무슨 개발이 필요하냐? 

필요하다. ㅋㅋㅋ 넣다가 오염이 될 수도 있고, 경우에 따라서는 농축이 필요하기도 한다. 어떤 경우에는 DS는 A라는 공장에서 만들지만 DP는 B라는 다른 나라에 보내서 만드는 경우도 있다. 공장마다 만들 수 있는 제품의 스펙이 다르기 때문에 저런 일이 발생한다. 

 

 

공정개발팀에서 생산한 항체 (mAB)를 가지고 분석팀은 분석법 개발을 시작한다.

아까도 말했지만 공정개발과 분석법 개발은 동시에 이루어지는 경우다 대부분이다.

공정개발을 검증하는 제일 중요한 과정이 분석법이기 때문에 분석법 개발도 그전에 이루어져야 한다.

하지만 위에 있는 그림에서 모든 분석법을 공정개발 과정에서 미리 다 개발하는 것은 불가능하고 제일 중요한 팩터 몇 가지를 먼저 개발한다. 

 

예를 들면 potency assay (mAB가 얼마나 목표 단백질에 잘 결합하는지 검증하는 분석법이다. ELISA, Cell-based assay), 단백질 구조 분석 (LC/MS/MS, peptide mapping, HPLC, icIEF, glycan analysis), impurities (불순물을 검증하는 분석법 들이다. HCP, protein A, HCD)

공정개발 수준에서는 몇가지 중요한 분석법은 꼭 개발해서 공정개발 과정에서 나오는 샘플을 분석해 본다. 

예를 들면 허셉틴을 개발한다고 해보자. 허셉틴은 HER2라는 단백질이 암세포에서 많이 발현되는 것을 활용한 항암제이다.

따라서 만든 mAB가 HER2라는 단백질에 결합을 잘해야 한다. 얼마나 결합을 잘하고 있는지 검증을 하는 것이 potency assay다.

보통은 HER2 ELISA를 개발한다. 여기에 세포기반 분석법도 추가해서 만든다. 

 

그렇다면 어느정도 결합해야 공정개발팀에서 수행하고 있는 A라는 공정은 괜찮은 것인가?

경우에 따라 매우 다르지만 회사 안에서 이러한 논의를 통해서 예를 들어서 50-150%의 % potency를 보여준다면 A라는 공정은 괜찮다고 판단한다고 해보자. 

기준이 되는 표준물질 a가 있다고 해보자. a를 standard로 ELISA에 투입을 하고, 또 a를 sample자리에 넣어서 HER2 ELISA를 수행해보자. 그렇게 한다면 보통 100%의 % potency가 나와야 한다.

그렇다면 A라는 공정에서 나온 a라는 시료를 사용한다면 B라는 공정에서 나온 b라는 시료는 몇% 가 나올까? 

 

0%가 나올 수도 있고, 200%가 나올 수도 있다고 해보자.

근데 % potency만 있나? 

공정개발팀에서 추구하는 타이터도 있고, 단백질 구조 분석에서 수행하는 glycan analysis도 있고, 다 괜찮은데 불순물은 많이 나올 수도 있다. 

따라서 공정개발과 분석법, 생산성 등 모든 조건을 적당히 만족하는 최선의 세포주와 최적의 공정을 만드는 것이 목표다. 

이 과정을 process validation, method qualification이라고 부른다. 뭐 회사마다 조금씩 부르는 명칭은 다를 수 있지만 특정한 수준을 만족하는 항체를 만들 수 있는 공정과 분석법은 개발이 되었고, 검증까지 되었다고 하는 것이다. 

여기까지 오면 이제 보통은 몇백 리터, 몇천 리터짜리 공정이 개발되어 있는 상태이다.

거기에 분석법까지 검증이 되어 있으니 언제, 누가, 다른 시기에 생산을 해도 동일한 수준의 mAB가 생산이 되어야 한다. 

2017년에 생산한 batch (lot)와 2018년에 생산한 batch (lot)를 가지고 검증된 분석법을 통해 결과를 비교했더니 적정한 수준의 범위 안에서 비슷하게 나와야 한다.

그렇지 않으면 생산과정에서 어떤 문제가 있었다고 생각해서 그 문제를 찾는 과정이 시작되고....ㅋㅋ 괴로운 일이 되는 것이다.

문제가 있었으면 batch를 버려야 할지? 없었으면 왜 없었는지? 어떻게 그것을 과학적으로 주장할지? 뭐 이런 일을 하는 것이다.

배치는 보통 수천, 수만 리터짜리 배치라면 수십억 정도의 비용이 들어간 것이기 때문에 섣불리 버리거나 그렇다고 그냥 썼다가는 임상실험 단계에서 더 큰 문제가 터진다. 

 

200리터짜리 공정개발이 완료되면 이제 수천, 수만 리터짜리 공정개발을 해야 한다. 

언제까지 조그마한 배양기로 생산을 할 것인가? 언젠가는 환자에게 많이 팔아야지 ㅋㅋㅋ

200리터 vs 2만 리터를 비교해서 동일한 수준, 품질의 mAB가 생산이 된다라는 것을 검증하는 과정이다. 

세포주는 배양이 얼마나 크게 진행을 하냐에 따라 또 다르게 특성을 나타내기도 한다. 같을 수도 있고, 아닐 수도 있는...

바이오 연구라는 것이 결국에 어떤 천재가 필요 없는 이유가, 천재라고 해보지도 않은 2만 리터짜리 배양기에서 나오는 항체가 어떤 품질을 가지고 있을지는 절대로 예측이 불가능하기 때문이다.

다른 분야는 예측 가능한 모델, 수식 같은 것이 있을지 몰라도 바이오는 절대로 없다.

따라서 꼭 해봐야 알기 때문에 이러한 과정이 필요하고, 이러한 연구들의 결과는 protocol, report 형태로 반드시 모든 데이터가 보존, 기록, 추적이 가능하도록 준비가 되어야 한다. 따라서 어떤 단계에서부터는 GMP 수준의 생산, 분석법 검증이 기록이 되어야 한다. 

 

이유는 2만 리터로 성공했다고 해보자. 그러면 이제 이것을 가지고 임상 실험에 들어가게 되는 경우가 많을 것이다. 임상실험의 결과가 나오면 세포주 개발부터 공정개발, 분석법 개발 과정과 함께 CTD에 데이터가 들어갈 가능성이 많다.

뭐 다 들어가는 것은 아니지만 들어간다 간략하게라도 ㅋㅋㅋ 

그러면 이 데이터가 진짜인지 아닌지 검증하러 FDA, EMA 등에서 실제로 데이터를 보러 공장이나 연구소를 방문한다.

그래서 어떤 특정한 날, 누가, 어떻게 실제로 그 과정을 수행했는지 데이터를 검증한다. 

따라서 GMP 수준이라면 한번 데이터가 생산되면 삭제가 안되고, 수정도 안된다. 그리고 보통은 누가 수행했는지도 기록하며, 그 모든 과정이 몇 년 후 FDA, EMA에서 찾아왔을 때 바로 추적이 가능한 시스템을 만들어 놓는 것이 보통이다. 따라서 GMP 수준이라는 것은 간단히 말해서 모든 것을 기록한다고 하면 이해하기 쉽다. 

 

회사마다 능력이 다르기 때문에 어떤 특정한 과정에서 이제 다른 CMO (삼성 바이오로직스, 셀트리온 등)로 생산을 넘길 수도 있다.

이 과정을 tech transfer라고 부르고, 아까 말한 200리터에서 2만 리터로 바꾸는 과정 (scale up study)을 할 수도 있고, 2만 리터 vs 2만 리터로 바꾸는 과정 (comparability study) 일 수도 있다. 

여기까지 사용한 용어들은 회사마다 조금씩 다르게 사용하거나 겹치거나 하지만, 취준생이 취업하기 위한 대략적인 이해를 하기 위해서는 이 정도면 충분하다고 생각한다. 이해가 안 가는 부분이 있으면 댓글로 부탁한다. ㅋㅋㅋ