글로벌 바이오공정 기업 이콜랩(Ecolab)이 복잡한 구조의 항체에 맞춰 정제 공정을 재설계해 전체 수율을 기존 44%에서 약 60%로 높였다. 항체의 분자 특성에 따라 정제용 레진과 운전 방식, pH 조건을 최적화한 결과다. 이콜랩은 자체 레진 기술과 글로벌 공정개발 연구소를 활용해 항체 회수율과 순도를 동시에 개선했다.

이번 연구는 분자별 정제 공정 설계가 최종 회수율과 순도에 미치는 영향을 보여준다. 같은 배양 생산량에서 더 많은 항체를 회수할 수 있어 바이오의약품 제조원가 절감과 생산 효율 향상에도 활용할 수 있다.

이콜랩 제세이 데바시(Jessay Devassy) 글로벌 연구개발(R&D) 바이오프로세싱 애플리케이션 랩(Bioprocessing Applications Laboratory, BPAL) 총괄 디렉터는 최근 서울 코엑스에서 열린 ‘바이오플러스-인터펙스 코리아 2026(BIX 2026)’에서 단클론항체와 항체 단편의 정제 공정개발 사례를 발표했다.

데바시 디렉터는 "기존의 표준 단클론항체는 정제하는 방법이 잘 확립돼 있으나, 새롭게 설계된 복잡한 항체는 정제 연구자들에게 또 다른 과제를 제시한다"면서 "항체의 구조가 달라지는 만큼 공정개발 방식도 달라져야 한다"고 밝혔다.

항체 정제 수율 44%→60%…단량체 순도 99.22% 확보

첫 번째 사례는 복잡한 구조의 이중특이항체 정제 공정 최적화다.

연구에 사용된 항체는 네 개의 항원 결합 부위를 가진 ‘사가 이중특이항체(Tetravalent Bispecific Antibody)’다. 기존 단클론항체보다 구조가 복잡하고 pH 변화에 민감해 응집체가 쉽게 형성되는 특성이 있다.

항체 응집체는 여러 항체 분자가 뭉쳐 형성한 고분자량 불순물이다. 의약품 품질을 확보하려면 정제 과정에서 제거해야 한다. 그러나 해당 항체는 목표 단백질과 응집체의 정제 거동이 유사해 불순물을 분리하는 과정에서 항체 회수율까지 낮아졌다.

고객사가 기존 위탁개발생산(CDMO) 기업과 구축한 3단계 정제 공정의 전체 수율은 44%였다. 첫 번째 단백질 A(Protein A) 포획 단계의 회수율은 95%였지만, 후속 정제 단계에서는 각각 72%, 65%로 떨어졌다.

이콜랩은 자체 레진을 활용해 공정을 재설계했다. 단백질 A는 항체에 선택적으로 결합하는 친화성 리간드로, 세포배양액에서 목표 항체를 포획하는 초기 정제 단계에 사용한다.

먼저 고pH 용출용 단백질 A 레진 'Praesto Jetted A50 HipH'를 적용했다. 이 제품은 기존 단백질 A 레진보다 높은 pH에서 항체를 용출하도록 설계됐다. 산성 조건에 민감한 항체의 저pH 노출을 줄여 안정성을 유지하는 데 유리하다.

초기 실험에서 pH 4.0 조건은 회수율 95%, 단량체 순도 94%를 기록했다. pH 4.5에서는 회수율이 78%로 낮아졌지만, 단량체 순도는 98%로 높아졌다. 고객사는 해당 항체의 응집체 분리 특성을 고려해 순도가 높은 조건을 선택했다.

데바시 디렉터는 "당초 포획 단계에서 높은 수율을 확보한 뒤 후속 정제에서 응집체를 제거하는 방안을 권고했다"면서 "고객사는 후속 정제에서 응집체를 분리하기 어렵다는 분자 특성을 고려해 포획 단계에서 더 높은 순도를 확보하는 조건을 선택했다"고 설명했다.

이후 이콜랩은 음이온교환 레진 'Praesto Q65'와 양이온교환 레진 'Praesto SP65'를 조합했다. 두 단계 모두 목표 항체가 컬럼을 통과하는 동안 불순물을 제거하는 통과 방식(Flow-through mode)으로 운전했다.

최종 공정 검증에서 단백질 A 포획 단계의 회수율은 76.4%, 음이온교환 단계는 98.6%, 양이온교환 단계는 78.7%였다. 각 단계의 회수율을 곱한 전체 공정 수율은 약 59.3%로, 발표에서는 약 60%로 제시했다.

최종 항체의 단량체 순도는 99.22%에 달했다. 고분자량 불순물은 0.78%까지 감소했고, 잔류 숙주세포 단백질(Host Cell Protein, HCP)은 83.2ppm으로 낮아졌다. 잔류 DNA 분석값은 0 copies/µL를 기록했다.

전체 수율은 기존 공정 대비 발표 기준 약 16%포인트 상승했다. 같은 배양 생산량에서 회수하는 항체량이 늘어난 만큼 상업 생산에서 제조원가 경쟁력을 높이는 데 활용할 수 있는 결과다.

레진·운전 방식 바꿔 정제 효율 개선…분자별 공정 설계가 핵심

이번 연구에서는 레진 선정뿐 아니라 공정 운전 방식도 항체 특성에 맞춰 조정했다.

전통적인 단클론항체 정제에서는 단백질 A 포획 이후 양이온교환, 음이온교환 크로마토그래피를 순차적으로 적용하는 방식이 널리 쓰인다.

이콜랩은 고객사가 기존에 사용하던 음이온교환·양이온교환 공정 순서는 유지하면서 레진과 운전 조건을 최적화했다. 특히 양이온교환 단계를 기존 결합·용출 방식에서 통과 방식으로 바꿔 항체 응집체 제거 효율을 높였다. 목표 항체와 불순물의 정제 거동을 분석해 각 단계의 운전 조건을 설정했다.

데바시 디렉터는 "지난 2년 6개월간 약 30개 글로벌 기업과 공정개발을 진행하면서 새로운 항체 구조에 맞는 다양한 정제 방식이 활용되는 것을 확인했다"며 "기존의 포획·양이온교환·음이온교환 순서만을 고수하기보다 분자에 가장 적합한 방식을 선택해야 한다"고 강조했다.

이콜랩은 포획 단계의 회수율을 높이고 후속 정제에서 불순물을 제거하는 추가 최적화 전략도 제시했다.

데바시 디렉터는 "공정개발의 출발점은 포획 단계에서 최대한 많은 항체를 회수하고, 이후 정제 단계에서 순도를 높이는 것"이라며 "개발 일정에 여유가 있다면 포획 단계의 회수율을 더 높이고 후속 정제 공정을 개선하는 방안을 검토할 것"이라고 말했다.

항체의 분자 특성은 물론 개발 일정과 최종 품질 기준까지 고려해 레진과 운전 조건을 설계하는 것이 이콜랩의 공정개발 전략이다.

Fab 정제에서도 성과…아르기닌으로 높은 pH에서 회수율 개선

두 번째 연구에서는 항체 단편(Fragment antigen-binding, Fab)의 정제 조건을 최적화했다.

Fab는 항체에서 항원과 결합하는 부분으로, 완전한 항체보다 크기가 작다. 일부 Fab 기반 치료제는 Fc 영역이 없어 기존 단백질 A 중심의 정제 공정과 다른 포획 전략이 필요하다.

이콜랩은 항체 중쇄 불변영역 1(CH1)을 선택적으로 인식하는 친화성 레진 'Praesto 70 CH1'을 사용했다. Fc 영역이 없는 항체 단편도 CH1 영역을 이용해 포획하는 기술이다.

연구진은 용출 pH와 완충액 종류, 첨가제 조합에 따른 회수율과 순도를 비교했다. pH 3.5 조건에서는 상대적으로 높은 회수율을 기록했다. 반면 pH 4.2에서는 회수율이 50% 미만으로 떨어졌다. 이콜랩은 높은 pH를 유지하면서 회수율을 높일 수 있는 첨가제를 평가했다.

아르기닌과 요소를 비교한 결과, 두 물질 모두 회수율을 높였다. 특히 아르기닌은 응집체 증가를 최소화하면서 회수율을 개선했다. 항체를 컬럼에서 용출하는 데 필요한 완충액 부피도 줄였다.

연구진은 서로 다른 Fab 분자 2종을 대상으로 소규모 고속 스크리닝과 확대된 컬럼 시험을 진행했다. 이를 토대로 완충액과 첨가제 조합에 따른 성능 개선을 확인했다.

데바시 디렉터는 "아르기닌은 순도를 희생하지 않으면서 회수율을 높일 수 있는 확장 가능한 공정 최적화 수단"이라며 "완충액 종류와 용출 pH, 첨가제 선택은 각 분자의 특성에 맞춰 최적화해야 한다"고 밝혔다.

미국·영국·한국 BPAL 운영…레진 선정부터 공정개발까지 지원

이콜랩은 글로벌 바이오공정개발 연구소(BPAL) 네트워크를 기반으로 고객사의 바이오의약품 정제 공정개발을 지원한다. 자체 레진 기술과 공정개발 역량을 결합해 항체별 특성에 맞는 정제 조건을 설계하는 것이 강점이다.

현재 미국 펜실베이니아주 킹오브프러시아와 영국, 한국 동탄에 BPAL을 운영하고 있다. 올해 4월에는 아시아 첫 BPAL을 동탄에 구축했다. 국내 바이오의약품 기업과 위탁개발생산(CDMO) 기업이 해외 연구소에 의존하지 않고 현지에서 정제 공정개발과 기술 지원을 받을 수 있는 거점이다.

BPAL은 초기 레진 스크리닝부터 정제 조건 최적화, 상업용 레진 전환, 레진 수명 평가, 공정 성능 비교, 스케일업까지 지원한다. 항체의 결합 특성과 용출 pH, 완충액 조건을 분석하고, 수율과 순도, 불순물 제거 효율을 종합적으로 평가한다. 고속 실험과 분석 장비로 다양한 조건을 비교해 실제 제조 공정에 적용할 데이터를 확보한다.

특히 기존 공정에서 회수율이 낮거나 불순물 제거가 어려운 경우, 레진 교체와 운전 조건 변경에 따른 개선 효과를 비교한다. 고객사가 임상개발과 상업 생산을 준비하면서 정제 공정의 생산성과 품질을 함께 높일 수 있도록 지원하는 방식이다.

이콜랩은 글로벌 BPAL에서 지난 2년간 약 40개 프로젝트를 완료했다. 글로벌 상위 10대 바이오파마 기업 중 최소 4곳과 협업한 경험도 있다. 이콜랩은 올해 5월 약업신문 인터뷰에서 이러한 실적을 공개했다.

이번 런천 세션에서 발표한 항체 정제 사례 역시 BPAL이 고객사의 공정을 최적화해 수율과 순도를 개선한 결과다. 레진 선정부터 공정 조건 설계, 성능 평가까지 연계하는 기술 지원 역량을 보여준다.

이콜랩은 고객사의 정제 공정개발을 무료로 지원하며, 자사 레진 사용도 의무화하지 않는다. 고객사는 다른 기업의 레진과 성능을 비교한 뒤 적합한 제품을 선택할 수 있다.

데바시 디렉터는 "우리는 공정개발 연구자들에게 다양한 선택지를 제공하고자 한다"면서 "고객사는 이콜랩의 레진과 다른 기업의 레진을 비교하고, 성능 평가 결과에 따라 가장 적합한 제품을 선택할 수 있다"고 말했다.