생물학적제제의 생산과정 알아보기

생물학적제제 (Biological products 또는 Biologics) 란, 살아있는 생물체나 그들의 구성 요소로부터 만들어지는 의약품을 말한다. 특히, 생물학적제제는 대부분 온도에 민감한 단백질, 세포 등을 포함하기 때문에 개발부터 생산까지의 과정은 매우 복잡하고 여러 단계를 거치게 된다. 그렇다면, 생물학적제제가 생산되기까지 어떠한 과정을 거치는지 그 주요 단계들을 살펴보자.

1. 생물학적제제의 연구∙개발 (Research & Development)

생물학적제제의 연구·개발(R&D) 단계는 매우 복잡하고 여러 단계의 과정을 거치게 된다. 그 주요 단계를 보면 기초 연구, 전임상 및 임상 시험, 그리고 규제 허가 단계 순으로 진행된다.
첫 번째, 기초 연구 단계는 질병의 분자적 기전을 이해하고, 이를 표적으로 하는 생물학적제제를 설계하는 단계이다. 유망한 타겟을 발견하면, 이를 바탕으로 약물 후보 물질을 개발하게 된다. 예를 들면, 특정 단백질이 질병의 진행에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견해 내고, 해당 단백질을 저해하거나 변형시키는 항체나 단백질 치료제를 설계하는 것이다.이 단계에서 가장 많이 사용되는 기술이 바로 유전자 클로닝(Gene cloning) 기술인데, 이는 목적 단백질을 생성하는 유전자를 찾아내고, 해당 유전자 절편을 벡터(Vector)에 삽입 후 세포에 주입한다. 이때 벡터는 세포 내에서 특정 물질(목적 단백질 등)을 생산하는 역할을 하게 된다. 이와 같은 치료제 설계는 일반적으로 세포주 개발 및 제형 개발과 동시에 이루어지게 된다. 세포주 개발은 목적 단백질을 대량 생산할 수 있는 세포주(Cell Line)를 개발하는 것으로, CHO(Chinese Hamster Ovary)와 HEK(Human Embryonic Kidney) 세포가 많이 사용된다. 제형 개발(Formulation)은 정제된 단백질이 안정한 형태로 보관 및 투여될 수 있도록 제품의 최종 제형을 개발하는 단계이다. 일반적으로 단백질은 주사제 형태로 사용되며, 안정성을 높이기 위해 방부제, 안정화제 등을 첨가하게 된다.
두 번째, 임상시험 단계는 기초 연구를 통해 발견한 물질의 안전성과 효능을 투여를 통해 증명하는 단계로, 크게 전임상 시험과 임상 시험 2 단계로 나뉜다. 먼저, 전임상 시험 단계는 시험관 내(in vitro) 실험과 동물 시험(in vivo)으로 이루어진다. 후보 물질이 세포 수준에서 목표하는 작용을 하는지와, 동물 모델에서 질병의 진행을 억제하는지 등을 확인한다. 이 과정에서 후보 물질의 효과, 독성 등을 평가함으로써 다음 단계(임상시험 단계)에 진입할 수 있는 지를 결정하게 된다. 임상시험 단계는 인간을 대상으로 하는 시험으로 이루어지며, 1상, 2상, 3상의 세 단계로 구성된다. 1상 임상시험은 소수의 건강한 사람을 대상으로 시험하며, 부작용 여부를 밝히거나 안전한 투여 용량을 결정하게 된다. 2상 임상시험은 좀 더 많은 인원의 환자를 대상으로 시험하며, 약물의 효능과 안전성을 평가한다. 3상 임상시험은 대규모 환자 집단을 대상으로 시험하며, 약물의 효능을 확증하고 안전성을 최종적으로 평가한다. 임상시험의 각 단계는 매우 엄격한 규제 요건을 충족해야 하며, 성공적인 결과를 얻어야만 규제 당국에 판매 허가를 신청할 수 있다.
세 번째, 규제 허가 단계는 임상 시험 결과를 바탕으로 규제 당국(예, 식품의약품안전처, FDA, EMA)에 의약품의 판매 승인을 신청하는 단계이다. 규제 당국은 제출된 결과물을 바탕으로 약물의 안전성과 유효성을 검토하게 된다. 이 과정에서 규제 당국은 다양한 전문가들의 의견을 종합하며, 필요 시 추가 데이터를 요구할 수 있다. 또한, 판매가 허가된 이후에도 약물의 안전성과 장기적인 부작용 유무에 대하여 지속적인 모니터링을 수행해야만 한다.

2. 생물학적제제의 생산(Manufacturing)

생물학적제제의 생산 및 유통은 매우 엄격한 조건 하에서 이루어지며, 의약품을 대량으로 생산하기 위해서는 고도의 기술과 전문 지식이 요구된다. 그 주요 단계를 보면 세포 배양, 정제, 충전 및 포장, 품질 관리 순으로 진행된다.
첫 번째, 세포 배양 단계는 벡터가 삽입된 세포주(Cell Line)를 배양기에서 대규모로 배양함으로써 목적 단백질을 대량으로 생산하는 단계이다. 이 과정에서는 배양 조건 (온도, pH, 영양소 등)을 엄격하게 관리해야만 많은 양의 단백질을 생산할 수 있게 된다. 세포 배양의 최종 목표는 고품질의 단백질을 안정적으로 생산하는 것이다.
두 번째, 정제 단계는 세포 배양액에서 목적 단백질을 분리하는 작업으로, 이를 위해 여과, 침전, 크로마토그래피와 같은 다양한 기술이 사용된다. 세포 배양액에는 목적 단백질뿐만 아니라 여러 불순물(다른 단백질, DNA, 세포 잔해 등)이 존재하게 되는데, 이러한 불순물을 최대한 제거하여 높은 순도의 단백질을 얻는 것 정제의 최종 목표이다. 정제 이후에는 바로 제형화 단계에 돌입하는데, 이는 단백질의 구조와 기능을 유지하면서 안정성을 높이는 제형을 만드는 것이 목적이 된다. 일반적으로 보조제, 방부제 등을 추가하여 최종 제품의 효능과 안정성을 극대화하게 된다.
세 번째, 충전 및 포장 단계는 제형화된 제품을 적절한 용기에 충전하고 포장하는 과정이다. 특히 생물학적제제는 무균의약품이 대부분인 만큼, 이 과정은 엄격한 무균 조건 하에서 이루어지게 된다. 실제 GMP 규제 기관은 생산을 수행하기 앞서 제품이 무균 조건으로 충전될 수 있음을 검증할 것을 요구하고 있다. 포장이 완료되면, 제품에 대한 정보(성분, 사용법, 유효기간 등)가 기재된 라벨을 제품 표면에 부착하는 라벨링 단계를 거친다.
네 번째, 품질관리 단계는 생산 완료된 단백질의 순도, 활성, 안정성 등을 평가하는 과정으로, 이를 위해 ELISA, HPLC, 무균시험 등 다양한 방법으로 시험을 수행하게 된다. 생산된 제품은 반드시 정해진 허용기준을 충족해야만 판매가 가능하며, 부당한 방법으로 시험하지 않았음을 증명할 수 있도록 모든 과정은 규제 당국의 기준을 준수해야만 한다. 최종 적합으로 판정된 제품은 의료기관, 약국 등을 통해 소비자에게 공급하게 된다.