[밸류체인타임스=한정민 인재기자] 단백질의약품은 생산단계에서 단백질 응집(Aggregation) 현상이 발생한다. 단백질 응집이란 단백질이 비정상적으로 축적되면서 응집체를 형성하는 것이다. 단백질의약품은 크기가 크고 복잡한 구조를 형성하고 있기 때문에, 고농도로 존재할 때 응집 현상이 생기기 쉽다.
또한 단백질의 응집 현상은 세포배양, 수확, 정제, 보관 및 충전 중 여러 메커니즘에서 발생할 수 있다. 단백질의 응집은 안정성과 연관이 있으며, 응집 현상이 발생하면 치료제의 활성이 감소하고 면역반응을 유발한다.
(출처: Derivatizing merocyanine dyes to balance their polarity and viscosity sensitivities for protein aggregation detection(1))
단백질 후보물질을 선택할 때 물성이 좋은 단백질을 선택하며, 응집될 만한 서열들은 단백질 엔지니어링을 이용하여 제거한다. 이때 단백질 치료제 후보물질은 효과와 특이성, 안정성도 함께 최적화해야 한다.
먼저 Fc융합 단백질의약품의 응집 현상을 줄이기 위해 IgG2 선택을 최소화한다. 선행 연구를 통해 IgG2의 경우 힌지 영역이 짧고, 이황화결합이 더 많이 발생하여 응집 현상 발생률이 높다는 보고가 있다2.
또한 단백질 생산 시 응집성은 온도와 같은 물리적인 인자 조절을 통해 최소화할 수 있다. 예를 들어, 재조합 단백질의 발현 속도를 감소시키고 온도를 낮춘다.
단백질 응집 현상은 수용성과 불용성으로 분류할 수 있다. 수용성 응집현상은 분자간 단백질 간의 비공유 상호결합 및 단백질간의 약한 상호작용 등에 단백질이 뭉치는 현상이다. 용액 상태에서도 쉽게 용해될 수 있다.
불용성 응집 현상은 3차원 단백질의 접합 과정에서 단백질 표면이 부분적으로 변성되어 소수성 분포가 높으므로, 소수성끼리 서로 결합하면서 불규칙하게 뭉치는 현상이다.
(출처 : wikimedia, SEC 원리)
응집 단백질을 제거하기 위하여 일반적으로 물리적인 방법인 Size Exclusion Chromatography(SEC), Hydrophobic Interaction Chromatography(HIC) 또는 Ion Exchange Chromatography(IEX)를 이용한다.
Size Exclusion Chromatography(SEC)는 단백질의 분자량에 따라 분리하는 기술로, 다공성 고정상(젤, 매트릭스 등)으로 구성되어 있다. SEC에서는 이동상이 다공성 고정상을 통과하면서, 큰 분자들은 고정상의 구멍을 통과하지 못해 배제되어 먼저 용출되고, 작은 분자들은 고정상의 구멍을 통과하면서 더 늦게 용출된다.
Ion Exchange Chromatography(IEX)는 단백질 표면의 순전하 차이를 기반으로 단백질을 분리하는 기술이다. 이 방법은 전하를 띤 단백질과 반대 전하를 가진 크로마토그래피 레진 간의 상호작용을 이용한다. IEX는 단일클론 항체(mAb)의 응집체(aggregation)를 제거할 때 효과적으로 사용된다.
Hydrophobic Interaction Chromatography(HIC)는 불용성 응집 단백질의 소수성 차이에 따라 단백질을 분리하는 크로마토그래피다. 고염 용액에서에 용출된 단백질을 정제한다. 소수성이 높은 단백질일수록 친수성 단백질이 먼저 용출되고, 소수성이 낮은 단백질일수록 높을수록 나중에 용출된다.
치매, 파킨슨병, 제2형 당뇨병, 암 등 질병이 생체 내 단백질 응집으로 유발되며, 바이오의약품에서 단백질 응집 현상은 독성을 띠어 주변 세포들의 기능장애와 세포사멸을 초래할 수 있어 단백질 응집현상에 대한 기초연구와 제거 방법 연구가 필수다.
참고자료
1) Yulong Bai et.al, Derivatizing merocyanine dyes to balance their polarity and viscosity sensitivities for protein aggregation detection, Chem Commun (Camb). 2021 Dec 9;57(98):13313-13316.
2) http://www.btnews.or.kr/bbs/board.php?bo_table=bt_news&wr_id=258
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[밸류체인타임스 = 한정민 인재기자]
[밸류체인타임스=한정민 인재기자] 단백질의약품은 생산단계에서 단백질 응집(Aggregation) 현상이 발생한다. 단백질 응집이란 단백질이 비정상적으로 축적되면서 응집체를 형성하는 것이다. 단백질의약품은 크기가 크고 복잡한 구조를 형성하고 있기 때문에, 고농도로 존재할 때 응집 현상이 생기기 쉽다.
또한 단백질의 응집 현상은 세포배양, 수확, 정제, 보관 및 충전 중 여러 메커니즘에서 발생할 수 있다. 단백질의 응집은 안정성과 연관이 있으며, 응집 현상이 발생하면 치료제의 활성이 감소하고 면역반응을 유발한다.
(출처: Derivatizing merocyanine dyes to balance their polarity and viscosity sensitivities for protein aggregation detection(1))
단백질 후보물질을 선택할 때 물성이 좋은 단백질을 선택하며, 응집될 만한 서열들은 단백질 엔지니어링을 이용하여 제거한다. 이때 단백질 치료제 후보물질은 효과와 특이성, 안정성도 함께 최적화해야 한다.
먼저 Fc융합 단백질의약품의 응집 현상을 줄이기 위해 IgG2 선택을 최소화한다. 선행 연구를 통해 IgG2의 경우 힌지 영역이 짧고, 이황화결합이 더 많이 발생하여 응집 현상 발생률이 높다는 보고가 있다2.
또한 단백질 생산 시 응집성은 온도와 같은 물리적인 인자 조절을 통해 최소화할 수 있다. 예를 들어, 재조합 단백질의 발현 속도를 감소시키고 온도를 낮춘다.
단백질 응집 현상은 수용성과 불용성으로 분류할 수 있다. 수용성 응집현상은 분자간 단백질 간의 비공유 상호결합 및 단백질간의 약한 상호작용 등에 단백질이 뭉치는 현상이다. 용액 상태에서도 쉽게 용해될 수 있다.
불용성 응집 현상은 3차원 단백질의 접합 과정에서 단백질 표면이 부분적으로 변성되어 소수성 분포가 높으므로, 소수성끼리 서로 결합하면서 불규칙하게 뭉치는 현상이다.
(출처 : wikimedia, SEC 원리)
응집 단백질을 제거하기 위하여 일반적으로 물리적인 방법인 Size Exclusion Chromatography(SEC), Hydrophobic Interaction Chromatography(HIC) 또는 Ion Exchange Chromatography(IEX)를 이용한다.
Size Exclusion Chromatography(SEC)는 단백질의 분자량에 따라 분리하는 기술로, 다공성 고정상(젤, 매트릭스 등)으로 구성되어 있다. SEC에서는 이동상이 다공성 고정상을 통과하면서, 큰 분자들은 고정상의 구멍을 통과하지 못해 배제되어 먼저 용출되고, 작은 분자들은 고정상의 구멍을 통과하면서 더 늦게 용출된다.
Ion Exchange Chromatography(IEX)는 단백질 표면의 순전하 차이를 기반으로 단백질을 분리하는 기술이다. 이 방법은 전하를 띤 단백질과 반대 전하를 가진 크로마토그래피 레진 간의 상호작용을 이용한다. IEX는 단일클론 항체(mAb)의 응집체(aggregation)를 제거할 때 효과적으로 사용된다.
Hydrophobic Interaction Chromatography(HIC)는 불용성 응집 단백질의 소수성 차이에 따라 단백질을 분리하는 크로마토그래피다. 고염 용액에서에 용출된 단백질을 정제한다. 소수성이 높은 단백질일수록 친수성 단백질이 먼저 용출되고, 소수성이 낮은 단백질일수록 높을수록 나중에 용출된다.
치매, 파킨슨병, 제2형 당뇨병, 암 등 질병이 생체 내 단백질 응집으로 유발되며, 바이오의약품에서 단백질 응집 현상은 독성을 띠어 주변 세포들의 기능장애와 세포사멸을 초래할 수 있어 단백질 응집현상에 대한 기초연구와 제거 방법 연구가 필수다.
참고자료
1) Yulong Bai et.al, Derivatizing merocyanine dyes to balance their polarity and viscosity sensitivities for protein aggregation detection, Chem Commun (Camb). 2021 Dec 9;57(98):13313-13316.
2) http://www.btnews.or.kr/bbs/board.php?bo_table=bt_news&wr_id=258
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