바이오 의약품 및 백신 제조 원리

단백질 치료제는 재조합 DNA 기술을 이용하여 생체 외에서 생산된 단백질을 질병 치료에 활용하는 의약품이다. 이들은 인체 내에서 자연적으로 존재하는 단백질을 대체하거나 보충하거나, 특정 생리적 경로를 조절하는 방식으로 작용한다. 초기에는 인슐린이나 성장 호르몬처럼 결핍증을 치료하는 데 주로 사용되었으나, 현재는 인터페론, 혈액 응고 인자, 효소 대체 요법제 등 다양한 치료 영역으로 확대되었다.

단백질 치료제는 일반적으로 대장균, 효모, 곤충 세포, 또는 포유동물 세포와 같은 숙주 시스템에서 생산된다. 각 숙주 시스템은 단백질의 복잡성에 따라 선택되며, 특히 당사슬이 결합된 당단백질의 경우 포유동물 세포 배양 시스템이 필수적이다. 생산된 단백질은 정제 과정을 거쳐 불순물을 제거하고, 안정성을 높이기 위해 동결건조 형태로 제형화되는 경우가 많다.

주요 단백질 치료제의 예는 다음과 같다.

이러한 치료제는 복잡한 3차 구조를 가지고 있어 생체 내에서 활성을 유지해야 하므로, 제조, 보관, 투여 과정에서 변성되지 않도록 특별한 주의가 필요하다. 또한 경구 투여 시 위장관에서 분해되기 쉽기 때문에 주사제 형태로 투여되는 것이 일반적이다.

항체 의약품은 단클론 항체를 주요 활성 성분으로 하는 바이오 의약품의 한 범주이다. 이들은 인체의 면역 체계가 병원체나 비정상 세포를 인식하고 공격하는 데 사용하는 자연적인 항체를 모방하여 설계된다. 항체 의약품은 표적 분자에 대해 높은 특이성과 친화력을 가지므로, 정상 세포에 대한 영향을 최소화하면서 질병을 유발하는 특정 항원에 선택적으로 작용할 수 있다. 이는 암, 자가면역질환, 염증성 질환 등 다양한 난치성 질환의 치료에 혁신을 가져왔다.

항체 의약품은 그 작용 메커니즘에 따라 여러 유형으로 분류된다. 주요 유형은 다음과 같다.

이러한 의약품은 주로 포유동물 세포 배양 기술을 이용해 생산된다. 가장 일반적으로 사용되는 세포주는 CHO 세포(Chinese Hamster Ovary cell)이다. 생산 공정은 세포주 개발, 대규모 배양, 그리고 항체를 배양액으로부터 분리하고 정제하는 다운스트림 공정으로 구성된다. 완성된 항체 의약품은 대부분 정맥 주사 또는 피하 주사 형태로 투여된다.

핵산 기반 치료제는 유전자 또는 유전자 발현을 직접적으로 표적하여 질병을 치료하는 의약품을 말한다. 전통적인 단백질이나 저분자 화합물이 아닌, DNA나 RNA와 같은 핵산을 활성 성분으로 사용한다는 점이 특징이다. 이들은 크게 유전자 치료제, 항센스 올리고뉴클레오타이드, RNA 간섭 치료제, 그리고 최근 주목받는 메신저 RNA 치료제 등으로 분류된다.

각 유형은 작용 원리에 따라 차이를 보인다. 유전자 치료제는 기능이 손상된 유전자를 정상적인 유전자로 대체하거나 새로운 유전자를 도입하는 방식을 취한다. 반면, 항센스 올리고뉴클레오타이드나 RNA 간섭 치료제는 특정 유전자의 발현을 억제하는 방식으로 작용한다. 예를 들어, 특정 질병을 유발하는 단백질의 생산을 막기 위해 해당 mRNA에 결합하여 번역을 방해하거나 mRNA 분해를 유도한다.

이러한 치료제의 제조는 고순도의 핵산을 안정적으로 대량 생산하고, 이를 체내로 전달할 수 있는 전달 시스템을 확보하는 것이 핵심 과제이다. 전달을 위해 리포좀이나 나노입자 같은 담체가 널리 사용되며, 이는 핵산이 체내에서 쉽게 분해되는 문제를 해결하고 표적 세포까지 정확히 운반하는 역할을 한다. 제조 공정은 일반적으로 화학적 합성(짧은 올리고뉴클레오타이드의 경우) 또는 효소 기반의 in vitro 전사 반응(mRNA의 경우)을 통해 이루어진다.

세포주 개발은 목표 바이오 의약품을 생산할 수 있는 유전적으로 변형된 세포주를 확립하는 과정이다. 일반적으로 CHO 세포(중국산 햄스터 난소 세포), HEK293 세포(인간 신장 상피세포), 또는 미세조류, 곤충 세포 등이 숙주 시스템으로 사용된다. 개발 과정은 먼저 목표 단백질의 유전자를 운반체에 삽입한 플라스미드를 숙주 세포에 도입하는 형질전환으로 시작한다. 성공적으로 형질전환된 세포 중에서 생산성, 성장 속도, 안정성이 우수한 단일 세포를 선별하여 클론을 확립한다. 이 클론은 여러 차례의 선별 과정을 거쳐 최종 생산 세포주로 확정된다.

확정된 마스터 세포주는 세포 은행화 과정을 거친다. 은행화는 세포를 장기간 보존하고 모든 생산 배치의 출처를 일관되게 유지하기 위한 핵심 절차이다. 먼저, 초기 확립된 세포를 액체 질소 온도(-196°C)에서 동결 보존하여 마스터 세포 은행(MCB)을 구축한다. MCB의 일부를 녹여 배양한 후, 다시 동결하여 개별 생산 배치의 출발점이 되는 작업 세포 은행(WCB)을 제작한다. 각 은행의 세포는 생명력, 순도, 생산 능력, 유전적 안정성, 그리고 외래 병원체의 부재를 확인하는 포괄적인 특성 분석을 받는다.

세포 은행의 품질 관리와 문서화는 매우 엄격하다. 각 은행의 세포 소포는 고유한 식별 번호를 부여받으며, 동결 일자, 세대 수, 보관 위치 등의 정보가 상세히 기록된다. 이는 생산 공정의 추적 가능성을 보장하고, 향후 수십 년에 걸친 생산의 일관성을 유지하는 기반이 된다. 세포 은행 시스템은 제조 과정에서 발생할 수 있는 변이를 최소화하고, 제품의 안전성과 효능을 보증하는 cGMP 기준의 핵심 요소이다.

발효 및 배양 공정은 세포주가 목적 단백질이나 바이러스 입자와 같은 생물학적 활성 물질을 대량으로 생산하는 핵심 단계이다. 이 공정은 크게 배양 방식에 따라 일괄식 배양과 유가식 배양으로 나뉜다. 일괄식 배양은 초기에 배지와 세포를 반응기에 투입한 후 배양이 끝날 때까지 새로운 물질을 추가하지 않는 방식이다. 반면, 유가식 배양은 배양 중에 영양분이 소모되면 새로운 배지를 지속적 또는 간헐적으로 공급하여 세포의 생장과 생산물의 축적을 더욱 장기화한다.

공정의 성공은 생물반응기 내에서의 세포 생장 환경을 정밀하게 제어하는 데 달려 있다. 온도, pH, 용존 산소 농도, 교반 속도 등은 모두 세포의 대사 활동과 생산물의 수율 및 품질에 직접적인 영향을 미치는 중요한 변수이다. 예를 들어, 많은 재조합 단백질을 생산하는 CHO 세포는 특정 pH 범위와 충분한 산소 공급 하에서 최적의 생산성을 보인다. 이러한 변수들은 센서와 자동화 시스템을 통해 실시간으로 모니터링 및 조정된다.

배양이 진행됨에 따라 세포는 영양분을 소비하고 대사 부산물(예: 젖산, 암모니아)을 축적한다. 이러한 부산물들은 세포 생장을 억제하고 생산물의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 유가식 배양에서는 이러한 독성 물질의 농도를 낮추고 영양분을 보충하기 위해 배지 교체 또는 공급 전략이 사용된다. 최종적으로, 세포가 최대 밀도에 도달하고 생산물 수율이 정점에 이르면 배양액을 수확하여 다음 정제 및 다운스트림 공정으로 넘기게 된다.

정제 및 다운스트림 공정은 세포 배양액으로부터 목표 바이오 의약품을 순수하게 분리하고, 최종 제제로 만드는 일련의 과정을 말한다. 이 공정은 세포 배양에서 생성된 복잡한 혼합물에서 극미량의 활성 의약품 성분을 고순도로 회수해야 하므로, 여러 단계의 물리화학적 분리 기술이 조합되어 사용된다.

주요 정제 단계는 일반적으로 포집, 정제, 폴리싱의 세 단계로 구성된다. 먼저 포집 단계에서는 배양액으로부터 세포나 세포 파편을 제거하고, 목표 단백질을 농축하며 초기 정제를 수행한다. 이 단계에서는 원심분리, 여과, 침전 및 크로마토그래피의 일종인 친화성 크로마토그래피가 흔히 사용된다. 이후 정제 단계에서는 이온 교환, 소수성 상호작용, 사이즈 배제 크로마토그래피 등 다양한 크로마토그래피 기술을 조합하여 불순물(호스트 세포 단백질, DNA, 바이러스, 내독소 등)을 제거하고 순도를 극대화한다. 마지막 폴리싱 단계에서는 최종 제제의 안정성을 확보하고 저장 조건을 맞추기 위해 여과를 통한 멸균 및 바이러스 제거, 완충액 교체, 농축 등의 조작이 이루어진다.

다운스트림 공정의 설계는 제품의 특성에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 항체 의약품은 일반적으로 단백질 A 친화성 크로마토그래피를 핵심 공정으로 사용하는 반면, 재조합 단백질이나 백신 항원은 다른 정제 경로를 필요로 한다. 모든 공정은 엄격한 cGMP 기준 하에서 수행되며, 각 단계마다 수율과 순도를 모니터링하여 재현성과 일관성을 보장해야 한다.

이러한 정제 과정에서 바이러스와 같은 잠재적 오염물질을 제거하는 것은 절대적 필수 요건이다. 이를 위해 나노여과나 저pH 배양과 같은 바이러스 불활화 단계가 공정에 포함되며, 그 효율은 철저히 검증되어야 한다[3]. 최종적으로 얻은 고순도 활성 의약 성분은 완충액에 현탁되어 동결건조되거나 액상 제제로 만들어져 충전 및 포장 공정으로 이어진다.

불활화 백신은 병원체의 감염 능력과 번식 능력을 완전히 상실시키는 과정을 통해 제조되는 백신의 한 유형이다. 병원체를 물리적 또는 화학적 방법으로 처리하여 불활성화시키지만, 면역 반응을 유도할 수 있는 항원 구조는 최대한 보존하는 것이 핵심 원리이다. 이 방법은 루이 파스퇴르가 19세기 말 광견병 백신을 개발할 때 처음으로 체계적으로 적용하였다[4].

주로 사용되는 불활화 방법은 다음과 같다.

이러한 처리 과정을 거친 병원체는 인체 내에서 증식할 수 없어 안전성이 높지만, 면역계가 이를 인식하고 중화 항체 및 세포성 면역을 형성하는 데는 충분하다. 불활화 백신은 일반적으로 약독화 생백신에 비해 초기 면역력이 약하고 지속 기간이 짧아, 효과를 유지하기 위해 보통 여러 차례의 추가 접종(부스터 접종)이 필요하다. 또한, 주로 주사로 투여되며, 병원체 전체를 사용하기 때문에 제조 공정에서 항원성은 유지하면서 감염성을 확실히 제거하는 균형을 맞추는 것이 기술적 과제이다. 현대에는 인플루엔자 불활화 백신, 광견병 백신 등이 이 방식을 사용하여 널리 사용되고 있다.

약독화 생백신은 병원체의 독성을 약화시켜 면역 반응을 유도하지만 질병을 일으키지 않도록 만든 백신이다. 병원체가 생존하고 복제할 수 있기 때문에, 면역 체계가 실제 감염과 유사한 반응을 보이며 강력하고 지속적인 면역을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 면역력이 저하된 개체에게는 위험할 수 있으며, 냉장 사슬을 통한 안정적인 보관이 필수적이다.

주요 제조 원리는 병원체를 비정상적인 조건에서 반복적으로 배양하거나, 유전적으로 변형하여 독성을 약화시키는 것이다. 예를 들어, 황열병 백신은 바이러스를 계대 배양하여 만들며, MMR 백신(홍역, 유행성이하선염, 풍진)도 이 방식으로 생산된다. 최근에는 유전자 재조합 기술을 이용해 특정 병원성 유전자를 제거하여 안전성을 높인 약독화 백신도 개발되고 있다.

이러한 백신은 일반적으로 1-2회 접종으로 충분한 면역을 제공하며, 특히 점막 면역을 유도하는 데 효과적이다. 그러나 균주의 약독화 상태가 유지되어야 하며, 매우 드물게 약독화된 병원체가 원래의 병원성으로 되돌아가는 경우가 있어 엄격한 안전성 평가가 필수적이다.

mRNA 백신은 전령 RNA를 활성 성분으로 사용하여, 인체 세포 내에서 특정 항원 단백질을 일시적으로 생산하도록 유도하는 백신의 한 형태이다. 이는 기존의 불활화 백신이나 약독화 생백신과는 근본적으로 다른 원리를 기반으로 한다.

백신에 포함된 mRNA는 바이러스의 스파이크 단백질과 같은 특정 항원을 암호화하는 유전 정보를 담고 있다. 이 mRNA는 지질 나노입자로 코팅되어 인체 세포 내로 효율적으로 전달된다. 세포질 내에서 mRNA는 세포의 리보솜에 의해 해독되어 항원 단백질로 번역된다. 이렇게 생성된 항원 단백질은 숙주 면역 체계에 의해 외래 물질로 인식되어, 중화 항체와 세포 매개 면역 반응을 유발한다. mRNA 자체는 세포 내에서 빠르게 분해되며, 숙주의 게놈에 통합되지 않는다[5].

mRNA 백신의 제조는 재조합 단백질이나 바이러스 벡터를 대규모로 생산할 필요가 없어 상대적으로 빠른 개발과 생산이 가능하다는 장점이 있다. 주로 사용되는 기술은 다음과 같다.

이 플랫폼의 유연성 덕분에 새로운 변이 바이러스가 출현했을 때, 항원 서열만 빠르게 교체하여 신속하게 대응 백신을 개발할 수 있다. 그러나 mRNA 분자의 불안정성과 초저온 냉장 보관이 필요하다는 점은 기술적 과제로 남아 있다.

재조합 단백질 생산을 위해 적합한 발현 시스템을 선택하는 것은 목표 단백질의 특성, 필요한 생산 규모, 비용, 그리고 최종 제품의 품질 요건에 따라 결정되는 핵심 단계이다. 주요 발현 시스템으로는 대장균과 같은 원핵 세포, 효모, 곤충 세포, 포유동물 세포 등이 있으며, 각 시스템은 고유한 장단점을 지닌다.

선택은 종종 트레이드오프를 수반한다. 예를 들어, 대장균 시스템은 비용 효율적이지만 복잡한 3차 구조나 특정 번역 후 변형이 필요한 단백질(예: 대부분의 치료용 항체)을 생산할 수 없다. 반면, 중국햄스터 난소 세포(CHO 세포)와 같은 포유동물 세포는 인간 단백질과 가장 유사한 형태를 생산할 수 있어 많은 치료용 단백질의 표준 시스템이 되었지만, 높은 생산 비용과 긴 개발 기간이 따른다. 최근에는 식물 세포나 무세포 발현 시스템과 같은 대체 플랫폼에 대한 연구도 진행되고 있다[6].

단백질 접힘은 아미노산 서열이 특정한 3차원 구조로 올바르게 배열되는 과정을 말한다. 재조합 단백질이 생물학적 활성을 갖기 위해서는 정확한 접힘이 필수적이다. 세포 내에서는 샤페론이라는 보조 단백질이 새로 합성된 폴리펩타드 사슬이 올바르게 접히도록 돕는다. 그러나 대량 배양 조건이나 비자연적인 발현 시스템에서는 단백질이 잘못 접히거나 덩어리를 이루어 불활성 응집체를 형성하는 경우가 흔하다.

단백질 변형은 접힘 후에 일어나는 화학적 수식 과정을 의미한다. 가장 흔한 변형은 당화이며, 이는 단백질의 안정성, 용해도, 생체 내 반감기, 그리고 표적 세포에 대한 인식에 중요한 영향을 미친다. 당화 패턴은 사용된 발현 시스템에 크게 의존한다. 예를 들어, 포유동물 세포는 인간과 유사한 당사슬을 첨가할 수 있지만, 효모나 곤충 세포는 서로 다른 당화 패턴을 보인다[7]. 다른 중요한 변형으로는 인산화, 황화 결합 형성, 특정 아미노산 말단의 절단 등이 있다.

이러한 접힘과 변형의 정확성을 보장하기 위해 공정 중 다양한 분석법이 활용된다. 접힘 상태는 원형 이색성 분광법이나 형광 분광법으로 평가하고, 변형은 질량 분석법과 액체 크로마토그래피를 조합하여 상세히 분석한다. 공정 조건(예: 배지 조성, pH, 온도, 용존 산소)을 최적화하여 올바른 접힘과 변형을 유도하는 것이 재조합 단백질 생산의 핵심 과제 중 하나이다.

cGMP는 의약품의 제조, 가공, 포장, 보관 과정 전반에 적용되는 현행 우수 제조 기준을 의미한다. 이 기준은 제품의 일관된 품질, 안전성, 유효성을 보장하기 위해 설계되었다. cGMP의 핵심은 공정의 검증과 문서화에 있으며, 단순히 최종 제품의 검사만으로는 발견되지 않을 수 있는 오류를 사전에 방지하는 예방적 접근을 강조한다.

바이오 의약품 및 백신 제조에서 cGMP는 특히 엄격하게 적용된다. 생물학적 공정의 복잡성과 변동성으로 인해, 원료의 출처부터 최종 제품의 출하까지 모든 단계가 철저히 통제되고 기록되어야 한다. 주요 요구사항은 다음과 같다.

cGMP 준수는 규제 기관의 정기적인 현장 감사를 통해 확인된다. 주요 규제 기관으로는 미국의 FDA, 유럽의 EMA 등이 있으며, 이들은 각국의 약사법 또는 유사 법규에 근거하여 기준을 시행한다. 기준을 위반할 경우 제조 허가 정지, 제품 회수, 벌금 등의 제재를 받을 수 있다. 따라서 cGMP는 단순한 지침이 아니라 법적 구속력을 가진 의무 사항이다.

무균 공정 검증은 바이오 의약품 제조 과정에서 제품이 미생물, 내독소, 미립자 등에 오염되지 않도록 공정의 무균성을 과학적으로 입증하는 활동이다. 이는 최종 제품의 안전성과 효능을 보장하기 위한 품질 관리의 핵심 요소이며, cGMP 기준에서 의무적으로 요구하는 사항이다. 검증은 공정 설계 단계부터 시작하여 운전 조건, 장비, 인력 작업 절차 등 모든 요소를 포괄적으로 평가한다.

검증의 주요 방법으로는 무균 시뮬레이션 또는 매체 충전 시험이 널리 사용된다. 이는 실제 제품 대신 멸균된 배양 배지를 사용하여 전체 무균 공정을 모의 수행하는 것이다. 시험 후 배지는 배양하여 미생물 오염 여부를 확인한다. 일반적으로 이 시험은 공정의 최초 검증 시와 공정에 중대한 변경이 있을 때 수행하며, 정기적으로(예: 6개월 또는 1년마다) 반복하여 지속적인 무균 상태를 확인한다. 시험 규모는 일반적으로 상업적 생산 배치 크기와 동일하거나 대표성을 가져야 한다.

검증 과정에서는 공정의 모든 위험 요소를 식별하고 관리한다. 주요 검증 대상은 다음과 같다.

성공적인 무균 공정 검증을 위해서는 시험 설계 시 최악의 조건을 고려해야 하며, 모든 데이터는 철저히 문서화되어 규제 기관의 검토에 대비해야 한다. 검증이 완료되더라도 공정의 일상적 모니터링을 통해 무균 상태가 지속적으로 유지되고 있음을 증명해야 한다[9].

연속적 제조 공정은 기존의 일괄 처리 방식과 달리, 원료 투입부터 최종 제품 생산까지 공정 단계가 중단 없이 연결되어 운영되는 방식을 말한다. 이 방식은 생물반응기에서의 세포 배양, 단백질 포획, 정제, 농축, 완제품 조제 등의 단계가 연속적으로 이루어진다. 각 단위 공정은 통합 제어 시스템에 의해 실시간으로 모니터링 및 조절되며, 이를 통해 공정의 효율성과 일관성을 극대화한다.

연속적 제조의 핵심 장점은 생산 시간 단축, 설비 크기 축소, 원자재 및 에너지 사용량 절감, 그리고 더욱 안정적인 제품 품질 확보에 있다. 특히 실시간 공정 분석 기술을 활용하여 중간체의 품질 속성을 지속적으로 확인함으로써, 최종 품질 검사 단계에서의 불량률을 크게 낮출 수 있다. 이는 바이오 의약품의 생산성과 경제성을 혁신적으로 개선하는 요소로 작용한다.

이러한 공정은 세포 배양 단계부터 적용될 수 있으며, 예를 들어 perfusion 배양 방식은 배지가 지속적으로 공급되고 배양액이 지속적으로 회수되어 하류 공정으로 이송된다. 정제 단계에서는 연속 크로마토그래피와 같은 기술이 사용되어 수지의 사용 효율을 높이고 완충 용액 사용량을 줄인다. 연속적 제조는 제약 업계의 효율성과 지속 가능성을 높이는 핵심 기술로 주목받으며, 규제 기관들도 이에 대한 가이드라인을 마련하고 있다[11].

개인 맞춤형 바이오 의약품은 환자의 유전적, 분자적 프로필에 기반하여 맞춤화된 치료제를 제공하는 접근법이다. 이는 암 치료를 위한 CAR-T 세포 치료나 특정 유전자 변이를 표적으로 하는 표적 치료제에서 두드러지게 발전했다. 전통적인 '일반적 접근법'과 달리, 환자의 생체시료를 분석하여 질병의 특정 원인을 식별하고, 그에 가장 효과적인 치료 전략을 설계한다. 이는 치료 효능을 극대화하고, 불필요한 부작용을 줄이는 것을 목표로 한다.

주요 구현 방식으로는 체세포 치료제와 유전자 치료가 있다. CAR-T 세포 치료는 환자 자신의 T 세포를 채취하여, 암 세포를 인식하고 공격하도록 유전적으로 재설계한 뒤 다시 환자에게 주입한다. 유전자 치료는 결함 있는 유전자를 정상적인 유전자로 대체하거나 기능을 억제하는 올리고뉴클레오타이드나 siRNA 등을 이용한다. 이러한 치료제의 제조는 본질적으로 환자별로 이루어지므로, 소규모 배치 생산과 신속한 공정이 필수적이다.

이러한 맞춤형 접근법의 확산에는 몇 가지 기술적, 경제적 과제가 존재한다. 제조 비용이 매우 높고, 생산에서 투여까지의 시간(턴어라운드 타임)을 단축해야 하며, 각 환자별 제품에 대한 엄격한 품질 관리와 규제 승인 절차를 구축해야 한다. 이를 해결하기 위해 자동화된 소형 생산 모듈과 표준화된 공정 분석 기술(PAT)의 도입이 활발히 연구되고 있다.

개인 맞춤형 바이오 의약품의 미래는 인공지능과 빅데이터 분석을 활용한 치료 예측, 그리고 보다 모듈화되고 신속한 제조 플랫폼의 발전에 달려 있다. 이는 점차 정밀의학의 핵심 실현 수단으로 자리 잡아가고 있다.