[논문]바이오의약품 제조공정에서 분리막의 역할과 바이러스 필터 동향

최태환; 박호범

doi:10.14579/membrane_journal.2020.30.1.9

바이오의약품 제조공정에서 분리막의 역할과 바이러스 필터 동향
Membrane and Virus Filter Trends in the Processes of Biopharmaceutical Production 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.30 no.1, 2020년, pp.9 - 20

초록
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바이오 의약품 생산과정의 대부분 공정에서 분리막이 사용되고 있다. 분리막 공정은 다른 공정의 전처리, 공정 자체의 불순물 분리, 바이러스 제거, 목표 생성물 농도 조절 및 완충 용액 교환 등에 사용된다. 인체에 사용하는 바이오 의약품의 바이러스 오염은 심각한 임상 결과와 직결되는 민감한 문제이기 때문에 바이러스 필터는 제품의 효능과 안정성을 보장하기 위해 중요한 역할을 한다. 바이러스 필터는 일반적으로 표면 개질된 PVDF, PES, CRC 등 다양한 고분자로 만들어진 복합다층 구조를 가지고 있다. 제조업체에 따라 대칭(symmetric) 또는 비대칭(asymmetric) 등 다른 기공 구조와 형태를 가지고 있으며, 주름막, 평판 시트 또는 중공사 형태로 사용된다. 바이러스 필터는 Asahi Kasei 를 비롯해 Millipore, Pall, Sartorius 등 몇몇 해외 업체들이 독점적으로 국내에 공급하고 있다. 바이러스 필터를 대체하려면 검증작업을 통해 규제기관의 승인을 받는 등 상당한 시간과 비용이 소요된다. 최근 일본의 수출규제로 국산화가 중요해진 만큼 제거 성능 고도화 등 선제적으로 기술자립도를 높여가야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Membranes are used in most processes of biopharmaceutical production. It is used for pretreatment of other processes, separation of impurities in the process, virus removal, control of products concentration and buffer solution exchange. Virus filters play an important role in ensuring product efficacy and stability because viral contamination of biopharmaceuticals for humans is a sensitive issue that is directly related to serious clinical outcomes. Virus filters typically have complex multilayer structures made of various polymers such as surface-modified PVDF, PES, CRC. Depending on the manufacturer, filters have different pore structures and shapes, such as symmetric or asymmetric, and is used in the form of pleated membrane, flat sheets or hollow fibers. Virus filters are exclusively supplied by few foreign companies such as Asahi Kasei, Millipore, Pall and Sartorius. Replacing virus filters can be time consuming and expensive, including approval from regulatory agencies through validation. As localization has become important due to Japan's recent export regulations, it is necessary to increase the degree of technical independence.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 국내에서 바이러스 필터의 90%가 일본산이 점유하고 있고, 최근 일본의 수출규제로 ‘화이트리스트 제외’ 품목 1,194개 중 바이오 제약 산업 관련해서 바이러스 필터가 포함되면서 국산화에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이에 본 총설은 바이오의약품 공정에서의 분리막의 역할과 바이러스 필터의 종류, 주요 제품, 최근 연구동향에 대해 살펴보고자 한다.

제안 방법

Michael Mass 교수 연구진(University of Bremen)은 최근 중공사막의 친수성/소수성 미묘한 변화가 필터의 바이러스 제거 처리량에 큰 영향을 미친다는 것을 발견 하였다[58]. Mass 그룹은 거대 다공성(50~150 nm) 지르코니아 막에 다양한 실란처리를 시도하여 최종적으로 noctyltriepoxysilane을 통해 최대 400 L/m2 /h의 처리량으로 두 종류의 매우 작은 박테리오파지를 9 logs 제거 하였다. 연구진은 소수성 막이 기존 바이러스 제거 고분 자막의 유량을 획기적으로 개선할 대안이라고 제시하고 있다.
다행스럽게도 바이러스 캡시드 표면 구조는 매우 복잡하고, 하전된 도메인을 따라서 소수성을 영역을 포함하고 있었다. Mass 그룹은 이 연구를 통해 소수성 유도체화를 시도하였고, 양으로 하전된 소수성 막을 개발하였다. 이를 통해 초기 막에서 잡지 못했던 하전되지 않거나 양으로 하전된 바이러스를 배제하는 성능을 개선하였다.
Pre-filter인 “Shield”와 함께 사용하여 공정 안정성과 생산성을 향상시키도록 설계되었다.
또한 Millipore는 정상 흐름 여과용으로 설계된 Viresolve^ⓇNFP[49-51] 및 NFR 필터 [52]를 출시하였다. Viresolve^ⓇNFP 필터는 Viresolve^Ⓡ 180 필터와 같은 PVDF로 만들어지지만 단백질 용액에서 파보 바이러스 및 기타 작은 바이러스를 제거하도록 설계되었다. Viresolve^ⓇNFR 필터는 레트로 바이러스 제거용으로 설계되었으며 가장 밀도가 높은 층이 외부 표면이 아닌 막 내부에 있는 친수성 PES 구조로 만들어져 있다.
Millipore Corporation은 거대 공극의 형성을 피하기 위해 특별히 제조된 다층 복합 막들을 개발하였다. 그 중 Viresolve^Ⓡ180 필터는 친수성 표면을 갖는 PVDF로 만들어졌으며, 180 kDa 분자량을 갖는 단백질을 투과 시키도록 설계되었다(Fig. 5)[45-48]. 이 필터들의 복합 구조는 정밀여과막에 한외여과층을 얇고 비대칭적으로 캐스팅한 것이 특징이다.
모델명 15N은 15 nm보다 더 큰 바이러스 종을 걸러내도록 설계된 막을 의미한다. 또한 Asahi Kaseisms 최근 개질된 PVDF (polyvinylidene fluoride)으로 만든 Planova^ⓇBioEX 파 르보 바이러스 필터를 출시하였다. Planova^Ⓡ 필터는 높 은 바이러스 제거율을 위해서 대부분의 한외여과막의 두 께(35 nm)보다 훨씬 두꺼운 편이다.
바이러스 여과는 광범위한 바이러스를 제거하기 위한 크기에 기반하여 제거하는 방법이다. 레트로 바이러스 필터는 더 큰 바이러스(약 50 nm 이상)를 제거하도록 설계되었으며, 파르보 바이러스 필터는 20 nm 정도로 작은 바이러스를 크게 제거하도록 설계되었다. 기공 크기 분포는 바이러스 여과막의 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
Mass 그룹은 이 연구를 통해 소수성 유도체화를 시도하였고, 양으로 하전된 소수성 막을 개발하였다. 이를 통해 초기 막에서 잡지 못했던 하전되지 않거나 양으로 하전된 바이러스를 배제하는 성능을 개선하였다. 또한 세라믹 matrix 강도는 고온, 고압에서도 기공 구조를 정밀하게 설계하고 유지할 수 있도록 해준다.
정밀여과막의 기공 크기는 0.05~10 μm이며, 세포와 세포잔해물을 여과 하면서 단백질과 작은 용질이 통과되도록 설계되었다.

성능/효과

Mass 그룹은 이전부터 대부분 음으로 하전된 바이러스를 잡기 위해 양으로 하전된 리간드를 분리막에 기능화 시키는 연구를 해오고 있었다. 이 연구결과는 효과가 우수했으며, 크기 배제 필터를 크게 개선하였다. 그러나 모든 바이러스가 음으로 하전된 것은 아니고 그 표면도 pH의 변화에 크게 의존하고 있다.

후속연구

Mass 그룹은 실제 바이오 공정이 아닌, 순수한 바이러스 입자로 실험을 하였기 때문에 필터 오염에 대한 관찰을 하지는 못했다. 향 후 더 큰 규모나 복잡한 시료를 사용할 수 있도록 시스템을 개조하여 바이러스 표면과 막 표면 사이의 콜로이드 상호 작용에 대한 연구를 계획하고 있다[58].
일회용 필터는 다운 스트림 처리에서 원자재 비용의 상당부분을 차지한다. 향후 바이오 분리막 산업 방향은 막 기반 공정이 생명 공학 산업의 비용을 절감하면서 필요한 제품 품질, 순도, 수율 및 처리량을 제공할 수 있는지에 달려있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오의약품이 변화에 민감한 이유는?	바이오의약품은 사람이나 다른 생물체에서 유래된 것을 원료 또는 재료로 제조한 의약품으로서 보건위생상 특별한 주의가 필요한 의약품을 말한다[1]. 바이오의약품은 보통 합성의약품에 비해 복잡한 고분자 구조를 가지고 있고, 크기가 크며, 생물체를 원료로 하여 복잡한 제조공정을 거쳐야 되기 때문에 변화에 민감한 편이다. 또한, 합성의약품은 화학물질의 비율을 알면 쉽게 합성 및 복제가 가능한 반면에 바이오의약품은 배양기술과 환경, 방법에 따라 전혀 다른 물질이 나올 수 있어 복제가 쉽지 않은 특징이 있다[2-4].
	바이오의약품이란 무엇인가?	바이오의약품은 사람이나 다른 생물체에서 유래된 것을 원료 또는 재료로 제조한 의약품으로서 보건위생상 특별한 주의가 필요한 의약품을 말한다[1]. 바이오의약품은 보통 합성의약품에 비해 복잡한 고분자 구조를 가지고 있고, 크기가 크며, 생물체를 원료로 하여 복잡한 제조공정을 거쳐야 되기 때문에 변화에 민감한 편이다.
	바이오의약품 제조에서 바이러스 오염이 끼치는 영향은 무엇인가?	이러한 오염 사고는 의약품의 안정성과 효능에 심각한 지장을 줄 뿐만 아니라, 생산 제품 자체의 손실, 예상 판매량 손실, 오염 제거 및 규제 비용에서 경제적으로 상당한 손해를 초래한다. 일반적으로 오염을 제거하기 위한 비용은 10,000 L 규모의 세포 배양에 6~8백만 달러에 이르는 것으로 추정된다[9].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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