주요 바이오의약품 모달리티에서의 바이오리액터 응용 분야
단클론항체 생산: 스테인리스강 및 일회용 바이오리액터 내 CHO 세포를 이용한 항체 생산
단클론 항체(mAbs)의 대량 생산은 중국 햄스터 난소(CHO) 세포를 산업 규모로 배양하는 생물반응기를 기반으로 한다. 스테인리스강 시스템은 대용량 요구 사항을 충족시킬 수 있으며, 일회용 생물반응기 시설은 설계를 단순화하고, 생물반응기 사용 시 필요한 시간이 많이 소요되는 세정 및 살균 절차를 피함으로써 배치 생산 속도를 높이고 오염 위험을 최대 40%까지 감소시킨다. 이 두 접근 방식 모두 영양분 공급 및 폐기물 제어를 위한 고도로 반응성 있는 제어 시스템을 제공하여 세포 밀도를 2,000만 세포/mL 이상으로 유지하면서도 품질을 보장하고, 일관된 항체 수율을 달성한다. 배치 간 시스템에서 CHO 세포 유래 치료용 단백질의 80% 이상을 생산하는 생물반응기는 치료용 단백질의 핵심 품질 특성(CQA)과 일관성을 확보하고 유지한다.
백신 및 세포 치료제 제조: 바이러스 벡터 대량 생산 및 자가/동종 생물제조
바이오리액터는 백신 개발에 필요한 바이러스 벡터 생산에서 핵심적인 역할을 하며, 아데노바이러스 및 렌티바이러스를 밀리리터당 10⁹개 이상의 바이러스 입자 농도로 생산하는 것을 지원합니다. 또한 바이오리액터는 자가 이식용 환자 유래 T세포뿐 아니라 동종 이식용 ‘즉시 사용 가능한(off-the-shelf)’ 세포 계통을 배양·증식시키기 위한 매개체를 제공함으로써 세포 치료제 제조를 가능하게 하며, 이 과정에서 세포의 표현형 및 세포 상태 안정성을 유지합니다. 기존 CAR-T 세포 계통의 공정 개발 및 제조 과정에서, 개별 배치 가치가 50만 달러를 초과하는 바이오리액터 시스템이 활용되며, 퍼퓨전 제어 시스템을 갖춘 폐쇄형 설계는 교차 오염 위험을 최소화하고, 퍼퓨전 조절을 정밀하게 수행하며, 2L에서 2,000L까지의 규모 확장 범위를 용이하게 지원합니다. 동시에 FDA 및 cGMP300 무균성 요건을 충족합니다.
수축식 제어 요소 및 실시간 바이오리액터 관리
pH, 온도, 용존 산소, 교반: 세포 증식 및 제품 생산에 대한 각 파라미터의 역할
바이오리액터의 작동 상태는 pH, 온도, 용존 산소(DO), 혼합 정도 등 네 가지 구분된 파라미터를 통해 평가할 수 있다. 각 파라미터는 엄격히 정의된 범위를 갖는다. 37°C를 기준으로 ±0.5°C 이상 벗어나는 온도 편차는 세포 성장률을 최대 50%까지 급격히 저하시키고 세포 스트레스를 유발할 수 있다. 최적 pH 범위인 7.2~7.4에서 벗어난 pH 변화는 대사 경로의 변화로 인해 세포 생존율을 30% 이상 감소시킬 수 있다. DO는 30%~60% 포화 농도 범위 내에서 유지되어야 하며, 이 범위를 달성하지 못하면 호기성 대사를 방해하는 조절 불가능한 저산소 상태(hypoxia)가 발생한다. 반면, 과도한 DO는 산화 스트레스를 유발하여 약 25%의 세포 손실을 초래할 수 있다. 혼합은 바이오리액터 내 균일성을 확보하는 데 기여하지만, 과도한 혼합은 과도한 전단 응력(shear stress)을 유발하여 취약한 세포주를 손상시킬 수 있다. 이 네 가지 파라미터는 모두 치료용 단클론 항체의 품질, 당화 패턴(glycosylation patterns), 및 응집체(aggregate) 형성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 중요 품질 특성(Critical Quality Attribute, CQA) 기준을 준수하기 위해서는 해당 파라미터에 대해 극도로 정밀한 제어가 필수적이다.
FDA의 CMC 가이드라인 준수 및 일관성 확보
생물반응기에는 온도, pH, 용존산소(DO), 교반 속도라는 네 가지 변수를 사전 설정된 범위 내에서 제어할 수 있도록 현대식 제어 시스템을 적용해야 한다. 이러한 유형의 제어 시스템은 다음 요소에 대한 폐루프 제어를 보장한다:
PH 조절을 위한 CO₂ 주입
온도 조절을 위한 열교환기
용존산소(DO) 조절을 위한 가스 혼합
조정 가능한 교반
폐루프 제어를 적용함으로써 배치식 생물반응기 시스템의 변동성을 5% 미만으로 유지할 수 있어, FDA가 정한 표준 CMC(화학·제조·품질관리, Chemistry, Manufacturing and Controls) 기준을 강화한다. 생물반응기에 통합된 제어 시스템은 바이오생산 분야의 규제 준수에 필수적인 데이터 로깅 시스템의 활용을 가능하게 하며, 제어 시스템에 예측적 품질을 부여한다. 제어 시스템은 대사 제어 서명(metabolic control signatures)에 의해 강화되어, GMP(Good Manufacturing Practice) 인증 생산 시스템에서 편차로 인한 손실을 40% 감소시킨다.
확장 가능한 바이오리액터 시스템에서 기술 및 무균성 선택
SIP/CIP 기술을 적용하여 구축된 시스템 및 오염 방지를 위한 지원/폐쇄식 공정
제조사가 무균 제품을 보장하는 것은 무균성 확보에서부터 시작됩니다. SIP 및 CIP 시스템은 스테인리스강 바이오리액터를 비살균화할 수는 있으나, 자원 소모가 매우 크고 오류 발생 가능성이 높습니다. 미국 FDA(2023년)의 최근 성명에 따르면, 바이오의약품 분야에서 제조 리콜의 주요 원인은 오염 및 오염으로 인한 리콜이며, 이는 바이올로지컬스(Biologics) 제조 리콜의 가장 큰 이유입니다. 바이오의약품 분야에서는 유연하고 사전 살균된 일회용 백(bag)을 활용하는 ‘일회용 바이오리액터(Single-use bioreactor)’라는 바이오프로세싱 패러다임이 도입되어 SIP 및 CIP를 완전히 제거함과 동시에 턴어라운드 시간을 단축시키고, 교차 오염 위험을 최대 40%까지 감소시킵니다. 이러한 시스템을 배양 접종(inoculation) 시점부터 수확(harvest) 시점까지 유체 경로를 밀봉하는 ‘지원/폐쇄형 처리(Supporting/Closed processing)’와 함께 사용하면, 업계 어느 곳에서도 찾아볼 수 없는 강력하고 안정적인 오염 차단 장벽이 구축됩니다. 바이오의약품 분야의 선도적 제조사들은 통합형 폐쇄식 일회용 시스템을 도입함으로써 배치 실패율을 90% 감소시켰다고 보고하였습니다.
2L 벤치탑에서 20,000L GMP 생산 규모로 생화학 반응기 공정을 확장함에 있어 주요 과제
생물반응기 운영의 규모 확대 과정에서 발생하는 도전 과제는 생물학적 요인과 공학적 요인이 복합적으로 작용하는 것으로, 그 중 세 가지가 주요 과제이다.
1. 전단 응력에 의한 세포 손상: 액체 부피가 커질수록 반응기 용기 크기도 커지며, 이로 인해 혼합 시 전단력이 더욱 뚜렷해진다. 이는 전단 응력에 민감한 세포를 손상시킬 수 있다.
2. 기체 전달: 최적화된 스파징(sparge) 또는 질량 전달 기술을 사용하지 않으면, 1,000L 이상의 대규모 반응기에서는 산소가 충분히 확산되지 않는다.
3. 공학적 공정 파라미터: 생물반응기 용기 내 처리 부피 전반에 걸쳐 pH, 온도 및 기타 농도 구배(gradient)가 발생한다. 이러한 파라미터는 불일관적이며 균일하지 않다.
상업 규모 FDA CMC 요구사항 충족: 규모가 커질수록 검증 요구사항을 충족하는 것이 점점 더 어려워진다.
성공적인 스케일업 과정을 위해서는 설정값(setpoints)에 대한 단순한 이해뿐 아니라, 관련 파라미터와 무엇보다도 그 공정의 동적 거동에 대한 심층적인 이해가 필수적이다. 퍼퓨전 생물반응기(perfusion bioreactors)를 사용하면 세포가 필요로 하는 영양분을 포함하면서도 세포에서 생성된 대사 폐기물을 제거할 수 있는 일관된 세포 배양 배지를 유지할 수 있다. 고신뢰도 센서 시스템(high-fidelity sensor systems)을 활용하면 공정이 필요한 파라미터를 자율적으로 실시간으로 조정할 수 있다.
폰에온 연구소(Ponemon Institute)가 2023년 수행한 연구에 따르면, 단일 스케일업 과정의 실패로 인해 제조업체가 부담하는 평균 비용은 74만 달러였다.
바이오리액터 운영을 확장하는 데 있어 또 다른 주요 과제는 모듈식 단일 사용 시스템이 대부분의 바이오리액터 시스템에서 2,000L 용량이라는 재료적 한계를 유지한다는 점이다. 초대규모 바이오리액터 운영(용량 15,000L 이상)의 경우, 증기 멸균 검증 요구사항과 관련된 제약 및 부담에도 불구하고 여전히 스테인리스강 시스템이 선도적인 방식이다.
요약하면:
단일 사용 바이오리액터가 스테인리스강 바이오리액터에 비해 가지는 장점은 무엇인가?
단일 사용 바이오리액터는 전환 시간을 단축함으로써 공정을 간소화하고, 오염 가능성을 최소화하며, 세척 및 멸균 작업이 필요 없게 하여 전환 시간을 최대 40%까지 단축시킨다.
바이오리액터 공정에 영향을 미치는 핵심 바이오리액터 공정 변수는 무엇인가?
제품의 품질뿐 아니라 세포 성장 속도 및 전반적인 수율 측면에서 pH, 온도, 용존 산소 농도, 교반 속도는 모두 핵심 공정 파라미터이다. 예를 들어, 단클론 항체의 품질 특성 확보를 위해서는 이러한 모든 파라미터에 대한 엄격한 제어가 제조 과정에서 필수적이다.
일회용 바이오리액터 시스템의 중요성은 무엇인가?
일회용 바이오리액터 시스템과 함께 폐쇄형 처리 시스템은 오염 방지를 위한 가장 높은 수준의 살균 제어를 제공하며, 이는 바이오리액터에서 가장 중요한 요소이다. 오염은 바이오리액터 고장의 주요 원인이자 궁극적으로 규제 미준수 및 리콜로 이어지는 원인이다.