바이오의약품은 어디에서부터 시작될까요? 하나의 바이오의약품이 최종 판매 승인을 받기까지는 천문학적인 비용과 기간이 소요됩니다. 신약 후보물질을 발굴하는 ‘발견(Discovery)’ 단계를 지나면 도출한 후보물질로 임상시험을 실시해 신약 허가 신청을 받는 ‘개발(Development)’ 단계로 나아가게 됩니다. 

개발 단계의 첫 스텝은 ‘세포주 개발(Cell line development)’입니다. ‘세포주’란 바이오의약품이 되는 ‘목적 단백질’을 생산하도록 유전자를 변형한 무한증식세포로, 생체 밖에서 대량 증식할 수 있는 세포를 말합니다. 고품질의 목적 단백질을 가장 잘 생산할 수 있는 최적의 세포주 선별은 바이오의약품의 품질과 생산성에도 영향을 미치므로 그 중요도가 매우 높습니다. 삼성바이오로직스는 효율적이고 신속한 세포주 개발을 위해 지난 2020년 출시한 자체 세포주 에스초이스(S-CHOice®)에 더해 위탁개발 플랫폼을 지속적으로 강화하고 있습니다.

세포주 경쟁력의 핵심 – 타임라인은 줄이고, 타이터는 높이고 

삼성바이오로직스 자체 세포주 에스초이스는 GS Knock-out CHO-K1 숙주세포를 기반으로 합니다. 최대 +7g/L의 높은 타이터(Titer)*와 90% 이상의 세포 생존율(Cell viability)이 주요 특징으로, 위탁개발 서비스 계약 시 삼성바이오로직스의 S-CHOice®를 선택하는 고객사 비중은 점차 증가하는 추세입니다. 

*타이터(Titer): 최종 발현을 목표로 하는 단백질의 농도

  ▲ 삼성바이오로직스 자체 세포주 S-CHOice®의 프로젝트 결과

A 고객사와 진행한 프로젝트의 경우, 고객사의 기존 세포주를 S-CHOice®로 교체했을 때 

최대 9배까지 타이터 발현량을 향상시키고, B & C고객사와의 프로젝트에서도 발현량을 약 2배 향상시켰다.

삼성바이오로직스의 세포주 개발 공정은 크게 6단계로 구분됩니다. 가장 먼저 목적 단백질을 생산하도록 설계된 유전자(DNA)를 벡터 (Vector)*에 삽입하고, 벡터를 통해 재조합된 DNA를 숙주 세포에 전달합니다. 이후 무수히 많은 DNA 사본(=세포주 후보군)을 생성해 그중 가장 안정적으로 후보물질을 생산해내는 최종 생산 세포주를 선별합니다. 

*벡터(Vector): 유전 물질을 다른 세포로 이동시키는 유전자 전달체

 ▲ 삼성바이오로직스 세포주 개발 공정 

최종 선정된 세포주는 단계별 배양 및 정제 공정을 거쳐 바이오의약품(목적 단백질)으로 거듭나게 된다

이렇게 선정된 세포주는 플라스크 수준에서 배양을 시작해 점차 더 큰 규모의 바이오리액터로 옮겨지며 단계별로 스케일업(Scale Up)되므로, 일정한 품질이 중요한 바이오의약품 생산에 있어서 안정적인 세포주 선정은 필수 조건인 셈입니다.

세포주 개발의 핵심은  타임라인 단축 과  높은 타이터(titer) 에 있습니다. 세포주 개발 타임라인을 단축하면 임상시험까지 도달하는 시간을 단축할 수 있기 때문입니다. 또한 높은 타이터는 동일한 생산 조건에서 더 많은 목적 단백질 생산이 가능함을 의미하기에 생산 효율성에서 강점을 가집니다. 삼성바이오로직스는 더 신속하고 효율적인 개발을 위해 전이효소 시스템(Tansposase system)과 임시발현(Transient ex-pression) 플랫폼 에스초지언트(S-CHOsient™)를 추가 도입했습니다.

 효율적인 형질 주입을 위한 전이 효소 시스템(Transposase system)   

‘전이 효소(Transposase)’란 유전자 이동을 도와주는 효소의 한 종류입니다. 재조합 DNA를 숙주세포에 전달하는 형질 주입 단계에서 전이 효소를 활용할 경우, 원하는 DNA 배열을 그대로 삽입할 수 있습니다. 정확한 배열을 가진 세포주를 선별하는 데 드는 시간을 절약할 수 있기에 복잡한 구조의 DNA 배열을 가진 물질일수록 전이 효소의 가치는 더욱 높아집니다.   

(좌)전이 효소를 활용하지 않은 경우 의도하지 않은 DNA 배열이 나타날 수 있지만, 

(우)전이 효소를 활용하면 원하는 DNA 배열을 정확하게 발현해낼 수 있다.

삼성바이오로직스는 후보 물질 특성과 고객사 선택에 따라 Leap-in® 기술을 적용한 전이효소 시스템(Transposase system)을 S-CHOice®를 비롯한 다양한 세포주와 함께 활용하고 있습니다.

(좌)후보 물질의 특성에 따라 최대 한 달의 개발 타임라인 단축이 가능하다.

(우)주요 프로젝트에서 개발 기간 단축 및 더 높은 순도의 목적 단백질을 확보했다.

 효과적인 후보물질 선별을 위한 S-CHOsient™ 

일반적으로 신약 후보물질을 얻기까지는 약 11개월 이상의 시간이 소요됩니다. 그러나 신약 개발에서는 타임라인 단축이 핵심 전략 중 하나인 만큼, 초기 단계에서 개발 가능성을 보다 신속하게 평가하기 위해 임시 발현 단백질을 생성해 특성을 분석하기도 합니다. 

S-CHOsient™는 자체 개발 세포주 S-CHOice®를 활용해 임시 발현 단백질을 생산하는 플랫폼으로, S-CHOsient™를 이용해 생산된 단백질의 발현량 측정 결과 단일항체, 복합 단백질, 이중항체 모두에서 높은 생산성을 기록했습니다.

 ▲ S-CHOsient™를 이용해 생산된 임시 발현 단백질의 발현량 결과 

(좌) 단일 항체, 복합 단백질, 이중항체 모두에서 높은 생산성을 기록했으며, 

(우) 현재 시장에서 의약품 개발에 사용되고 있는 플랫폼 대비 높은 발현률을 보였다.

글로벌 바이오의약품 시장과 함께 지속 성장 기대 

항체 치료제 수요 증가, 블록버스터 바이오의약품 특허 만료, 차세대 바이오의약품 개발 등에 따라 세포주 시장 규모는 2023년부터 연평균 9.81% 성장해 2030년에는 약 100억 달러(한화 약 13조)에 다를 것으로 예측됩니다.

빠른 시장 진입으로 경쟁 우위를 선점하기 위한 세포주 개발 기술은 더욱 중요해지고 있습니다. 삼성바이오로직스의 최신 위탁 개발 플랫폼과 고객사와의 프로젝트 결과를 다음 인포그래픽에서 더 자세히 확인해보세요. (더 알아보기) 

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