혁신적·지속 가능한 다운스트림 바이오프로세싱 솔루션 설계

친환경 계면활성제 기반 바이오프로세싱 세정제 대안을 찾는 단순한 과제로 시작된 이 프로젝트는, 유전자 치료제와 단일클론 항체(mAb) 치료제의 다운스트림 바이오프로세싱 공정 전반에서 고객의 운영 효율과 비용 절감을 동시에 실현하는 과제로 발전했습니다.

바이오프로세싱을 위한 보다 친환경적인 계면활성제를 찾아서

2012년, 유럽연합(EU) 산하 유럽화학물질청(ECHA)은 바이오제조 공정에 널리 사용되는 화학물질인 Triton™ X-100을, 폐기물 시스템을 통해 환경으로 유입될 경우 수생 생물에 독성을 유발할 수 있다는 이유로 ‘매우 높은 우려 물질(SVHC)’로 지정했습니다. 이에 따라 아반토(Avantor)의 한 바이오의약품 고객사는 단일클론 항체(mAb) 생산 공정에서 바이러스 불활성화에 사용되는 Triton™ X-100(일반명: octylphenol ethoxylate)을 대체할 솔루션 개발을 위해 아반토와의 협업을 요청했습니다.

바이러스 불활성화는 단일클론 항체(mAb) 치료제의 안전성을 확보하는 데 있어 매우 중요한 공정입니다. 잠재적인 바이러스 오염은 환자에게 중대한 위험을 초래할 수 있기 때문입니다. 현재 시판 중인 승인된 mAb 치료제가 100종 이상에 이르고, 다수의 치료제가 개발 단계에 있는 상황에서, 바이러스 불활성화를 위해 사용되던 Triton™ X-100을 대체할 동등한 솔루션을 찾는 일은 매우 중요했습니다. 이에 브리지워터 혁신 센터의 연구원들은 적합한 대체제를 신속히 발굴하기 위한 연구에 착수했습니다.

동시에 아반토의 브리지워터 연구진은 트라이톤 X-100이 아데노 관련 바이러스(AAV) 유전자 치료제 제조 과정의 세포 용해 단계에서 중요한 활용 사례가 있음을 인식하고, 해당 용도를 위한 별도의 솔루션을 개발하기 시작했습니다. 유전자 치료에서 과학자들은 숙주 세포 내에서 바이러스 벡터(또는 활성 치료제)를 생산합니다. 이를 활용하려면 손상되지 않은 상태로 숙주 세포에서 방출되어야 하며, 이때 세포 용해제가 사용됩니다.

Triton™ X-100을 넘어선 생산성 및 효율성 과제 대응

두 가지 다운스트림 바이오프로세싱 단계에서 Triton™ X-100 대체 후보를 확인한 아반토 연구진은, 신뢰할 수 있는 바이오의약품 고객사들과 함께 파일럿 테스트를 진행하고 Triton™ X-100 사용 경험에 대한 피드백을 수집했습니다.

이들 고객은 바이오프로세싱에서 Triton™ X-100을 사용할 때 다음과 같은 세 가지 주요 과제를 공유했습니다.

• 순수 형태의 Triton™ X-100은 점도가 매우 높아 취급 및 공정 적용이 어렵습니다.
• Triton™ X-100의 거품 발생 특성으로 인해, 제조업체는 넘침 위험 없이 바이오리액터 용적을 최대한 활용하기 어렵습니다.
• Triton™ X-100은 세포 용해(cell lysis) 과정에서 흔히 발생하는 전단 응력으로부터 바이러스 입자를 보호하지 못해, 결과적으로 수율 저하를 초래합니다.

Triton™ X-100은 생태독성에 대한 잠재적 우려뿐만 아니라, 차가운 꿀처럼 매우 끈적하고 점도가 높아 취급이 까다롭고 작업 효율을 저하시킵니다. 브리지워터 시설의 신제품 개발 선임 매니저 오정민은 이를 두고 다음과 같이 설명했습니다. “이 점이 고객에게 분명한 불편 요소라는 것을 알고 있었습니다. 먼저 점도가 높은 이 용액을 혼합한 뒤 펌핑하고, 스톡 용액으로 희석합니다. 이후 균질한 용액을 만들기 위해 다시 혼합하고 여과하는 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 모든 단계를 마친 후에야 비로소 세포 용해 또는 바이러스 불활성화 공정에 투입할 수 있습니다.”

오정민 선임 매니저는 대체 계면활성제 선정부터 성능 평가, 정제 공정 개발, 그리고 최종 제품 사양 수립에 이르기까지 전 과정에 참여했으며, 이는 아반토(Avantor)의 최종 제품인 J.T.Baker^® Cell Lysis Solution과 J.T.Baker^® Viral Inactivation Solution 모두에 적용되었습니다.

아반토는 물보다 약간 높은 수준의 점도를 지닌 사전 혼합·사전 희석된 용액을 개발함으로써, 준비 작업, 배치 제조, 문서화 및 검토, 공정 중 테스트, 여과 등 Triton™ X-100과 관련된 바이오프로세싱 단계에서 소요되는 시간과 위험을 크게 줄였습니다.

아반토 브리지워터 연구진은 J.T.Baker^® Cell Lysis Solution의 거품 발생을 Triton™ X-100 대비 낮춰, 공정 효율을 높이고 바이오리액터 용적 활용을 개선했습니다.

오정민 선임 매니저는 다음과 같이 설명했습니다. “집에서 쓰는 세정제는 거품이 많지만, 바이오프로세싱에서는 그렇지 않습니다. 제품 위에 생기는 거품은 바이오리액터 용적을 낭비하고 공정 제어에도 리스크를 줍니다. 거품이 리액터 밖으로 넘치는 일은 절대 발생해서는 안 됩니다.”

마지막으로, 아반토의 제형은 전단 응력 조건에서도 AAV 입자의 안정성을 향상시켜 Triton™ X-100 대비 더 높은 수율을 기대할 수 있습니다. 오정민 신제품 개발 선임 매니저는 “AAV 입자는 세포 용해 단계와 바이오리액터 교반 과정에서 발생하는 전단 응력에 특히 민감하다”며, “J.T.Baker^® Cell Lysis Solution은 이러한 응력을 최소화해 바이러스 벡터 입자를 보호하도록 설계됐다”고 설명했습니다.

바이오의약품 산업을 위한 가치 창출

오정민 선임 매니저는 고객과의 긴밀한 협력 관계 구축과 더불어, 브리지워터 사이트가 이러한 솔루션을 구현하기 위해 부서 간 협업을 적극적으로 수행했다고 설명했습니다. “우리는 화학, 제품 개발, 업스트림, 분석 팀과 긴밀히 협력해 이러한 솔루션은 물론, 바이오의약품 산업을 위한 다양한 솔루션을 현실화하고 있습니다.”

아반토 팀에게 이번 프로젝트는 업계의 지속가능성 과제를 해결함과 동시에, 고객의 실제 요구에 부합하는 솔루션을 제공한 뜻깊은 성과였습니다. 오정민 선임 매니저는 “두 가지 솔루션을 통해 핵심 다운스트림 제조 공정을 단순화함으로써, 고객들이 과학과 혁신에 더 많은 시간을 투자할 수 있도록 지원했다”고 설명했습니다.

J.T.Baker^® Cell Lysis Solution 및 Viral Inactivation Solution, 에 대해 자세히 알아보고, 연구 단계부터 상용화에 이르기까지 지속가능성을 발전 시키기 위한 아반토의 노력을 확인해 보세요.