[제약/바이오] 바이오베터 (Biobetter) 개발 동향 - 2

지속형 바이오 베터(Biobetter)의 기술

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1. PEGylation

PEGylation 기술은 바이오 의약품에 생체적합성 고분자인 PEG(Polyethyleneglycol)라는 폴리머를 화학적으로 공유결합시키는 기술이다. 페길레이션은 약물동역학(Pharmacokinetics)을 개선하고 독성 및 면역원성을 감소시킨다는 측면에서 단백질 의약품(Protein drugs)에 매우 유용하게 활용되며, 바이오 의약품(Biologics)의 한계를 극복하는 방법으로 사용되었다. 새로운 폴리머들을 활용한 연구가 많이 진행 중에 있음에도 불구하고, PEGylation 은 여전히 가장 좋은 임상 실적(Clinical Record)을 가지는 기술로 인정된다.

시장에서 PEGylation 기술을 활용한 바이오베터 제품 수는 증가하고 있으며, 특징은 다음과 같다.(ⅰ) 약물과 PEG 결합 시 약물 용액 내의 크기를 증가시키고 신장 배출을 감소시킴으로써, 결과적으로 혈중 반감기(Circulating Half-life)를 연장한다. (ⅱ) 비면역원성의 PEG가 단백질 표면에서 항체가 인식하는 Epitope를 가리면서, 단백질이 발현하는 면역원성(Immunogenicity)의 감소로 이어지도록 한다. (ⅲ) 생체 내 단백질 분해(Proteolysis) 및 내 세포증(Endocytosis)으로부터 보호하며, (ⅳ) 단백질의 수용성 및 단백질 분해효소에 대한 안정성을 증가시킨다. (ⅴ) 마지막으로, 열적(thermal) 및 기계적(mechanical) 안정성을 높여준다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 과거 MERCK의 hGH-PEG 원숭이 독성실험 사례로 비추어 볼 때, PEG 자체에 항체가 생기거나 신장세포의 액포 속에 축적되어 신기능을 떨어뜨릴 수 있다는 점에서 독성과 관련한 일부 우려가 있다.

Bopcpmkigatopm을 위한 대체 고분자 및 PEGylation의 모식도

2. Glycosylation

당화(Glycosylation) 기술은 표적 단백질 부위에 당사슬이 첨가되는 기술로서, 자연적으로 발생하는 단백질에 대해 가장 대표적이면서도 복잡한 과정을 거치는 번역 후 수식(Post-translational modification) 과정이라고 할 수 있다. 당사슬 부가 반응에는 N -결합(N -glycan) 반응 혹은 O-결합(O-Glycan)의 두 가지 형태가 존재하며, 이러한 반응은 일련의 효소 작용을 통해서 나타난다. 또한, 이러한 기술은 단백질의 생물학적 활성(Biologicalactivity)과 혈장 제거율(Clearance)의 속도 조절을 통해 의약품 또는 약물의 반감기(Halflife)를 증가시킬 수 있는 가능성을 부여한다.

재조합 단백질 의약품의 성능 향상 전략으로서 사용되는 당사슬공학(Glycoengineering) 기술은 효모, 식물, 그리고 포유류 세포를 포함한 여러 시스템에서 당단백질의 발현을 엔지니어링 하여, 더 나은 것을 생산하기 위한 가치 있는 Tool로서 활용된다. 이 기술은 유전(Genetic)과 대사(Metabolic)라는 두 가지 형태로 접근하며, 이러한 접근법은 글리칸(Glycan)의 최적화 및 리모델링, 글리칸의 제거 또는 새로운 결합을 위해 활용될 수 있다. 글리칸의 이질성(Heterogeneity)을 극복하고, 보다 균질한(Homogeneous) 치료용 당단백질(Glycoprotein)을 생성하기 위한, 일반적인 전략은 다음과 같다. (ⅰ) 녹아웃(Knock-out) 돌연변이: 당화 과정에 포함된 효소를 암호화하는 특정 유전자를 삭제하여 면역 유도 원인을 제거한다. (ⅱ) 특정 물질을 억제함으로써 글리칸의 생합성 경로 내 효소의 생성이 더 단순하게 이루어질 수 있도록 한다. (ⅲ) 당화 프로파일(Glycosylation profile)의 변경을 통하여, 원하는 당복합체(Glycoform)의 생산을 증가시킨다. 그러나, 당화 기술은 반감기 증가효과가 다른 기술에 비해 일부 제한적일 수 있다.

Glycoenjineering  기술 내 Transferase 효소를 이용한 치료 모식도

3. Fusion protein

융합 단백질(Fusion protein)은 별도의 단백질(Separate protein)을 암호화하는 유전자를 결합함으로써 만들어지며 새로운 단일 폴리펩타이드(Single polypeptide)의 형태를 지닌다. 일반적으로, 융합 단백질은 하나의 통합된 형태의 도메인(Incorporated domain)을 가지며, 융합 파트너라고 명칭 되는 융합 단백질을 이용하여 재조합 단백질 또는 펩타이드를 제조할 수 있다. 이때, 하나의 파트너가 분자인식기능을 가지게 되면, 다른 파트너는 세포 독성 감소와 같은 특정 기능을 전달하게 되면서, 결과적으로 새로운 표적화 기술을 통해 반감기 및 안정성이 향상되는 효과를 가져다준다. 이러한 기술은 대체로 세 가지에서 유래하게 되는데, ⅰ) 단편 결정화(Fragment crystallizable)가 가능한 면역글로불린의 Fc 부위, ⅱ) 알부민(Albumin) 및 ⅲ) 트랜스페린(Transferrin) 융합 등이 있다.

체내 반감기가 긴 단백질을 carrier로 사용하는 융합단백질 기술은 몇 가지 조건을 갖추어야 한다. 먼저, carrier와의 융합에 의해 체내 반감기를 증대시키는 것이 목적이기 때문에 carrier 단백질 자체의 체내 반감기가 상당히 길어야 한다. 또한, carrier 단백질은 체내에 다량 존재하는 단백질이어야 하며, 바이오의약품과 융합되어 체내에 투여된 단백질 양은 극히 소량이어야 한다. 투여된 carrier 단백질의 고유 기능에 의해 예상치 못한 부작용이나 면역원성 등의 효과를 최소화하기 위함이다.

4. Ekylation/PASylation

단백질을 안정화하는 방법에는 반복되는 아미노산 서열의 융합 방식을 이용하는 ‘Ekylation’ 방법이 있다. 이는 poly(zwitterion)의 안정적 이점을 제공해 줄 뿐만 아니라, 표적 구조의 빠른 생합성을 가능하게 한다. EK-변형 효소(EK-modified enzyme)는 생물학적 활성을 유지하며 고온 및 고염의 용액과 같은 환경적 스트레스 요인에 대해 비교적 안정적인 형태를 보인다. 이러한 전략은 생체적합성 및 생분해성의 특성을 가지는 합성 폴리머의 접합에 적용 가능한 대안을 제시한다. Ekylation과 유사하게 유전학을 기반으로 하는 PASylation의 경우, 높은 수용성을 가지는 폴리펩타이드가 융합되는 형태로, 이러한 융합 단백질은 혈액 순환이 비교적 안정적인 편이다.

5. XTEN technology

XTEN 기술은 아미노산으로 구성된 구조화되지 않은 재조합 단백질 간의 유전적 융합으로, 알라닌(Alanine), 글루타메이트(Glutamate), 글리신(Glycine), 프롤린(Proline), 세린(Serine) 등으로 구성되어 있다. XTEN 서열은 펩타이드와 단백질의 반감기 조절이 가능하고 동시에 단백질의 수용성과 안정성을 증가시킴으로써, 용액에서의 발현을 허용하고 제조를 용이하도록 한다. XTEN의 재조합 특성은 몇 가지의 이점을 제공하는데, 기존의 PEGylation 보다 균질화된 최종 결과물을 생성하며, XTEN 기술을 활용한 제품은 화학적인 커플링(Coupling) 및 정제가 필요한 PEGylated 제품 보다 비용이 저렴하고, 수율이 높다.

지속형 바이오베터의 혁신적 기술들

 

[참고 문헌]

1. BIO ECONOMY REPORT July 2022. Issue39. 바이오베터 기술개발 동향_지속형 바이오베터를 중심으로