생물 제약 분석
생물 치료 약물, 생물 제제 또는 생물 제약이라고도 불리며, 식물, 미생물 및 유전자 변형 세포와 같은 생물체에서 유래합니다. 이 약물은 뉴클레오타이드 중합체(RNA 또는 DNA) 또는 아미노산(펩타이드 및 단백질)로 구성된 고분자 약물을 포함합니다.
뉴클레오타이드 기반의 생물 치료 약물, 예를 들어 소간섭 RNA(siRNA) 및 DNA는 그 지속성과 잠재적 효능 때문에 점점 더 많은 관심을 받고 있지만, 현재 치료 목적으로 승인된 뉴클레오타이드 기반 약물은 거의 없습니다. 펩타이드와 단백질은 다양한 생리적 기능을 가지고 있어 주요 생물 치료 약물로 대표됩니다.
"색층 및 질량분석법과 같은 다양한 분석 기술, 클로닝, CRISPR/Cas, 일회용 장비, 기계 학습 및 고급 센서와 자동화를 사용한 다양한 도구가 생물 제약 연구를 발전시키는데 도움을 줍니다," 라고 프라운호퍼 연구소 생물공정 공학부장 및 아헨 공과대학교 부교수인 Johannes Buyel 박사가 말했습니다. Buyel의 작업 초점은 재조합 단백질 발현, 전체 생물 공정 통합, 제조 공정 모델링 및 그 디지털화입니다.
개발 전반에 걸쳐 다양한 생물 약물 분석 기술이 복잡한 생물 치료제의 구성, 품질, 안정성 및 안전성에 대한 중요한 통찰력을 얻기 위해 사용됩니다. 이 기사에서는 이 분야에서 과학자들이 사용하는 몇 가지 전략을 자세히 살펴볼 것입니다.
생물 제약의 부상
유전체 탐색
유전체 탐색은 미생물 내 새로운 생합성 경로와 관련된 유전자를 식별하는 것을 포함합니다. 이러한 경로 식별의 일반적인 병목은 이전에 발견된 화합물을 재발견하는 것입니다. 유전자 클러스터 분석과 스펙트럼 기술은 미지의 천연 물질 식별을 가속화하고 대사물의 입체화를 결정할 수 있습니다.
단일 유전체에서 전체 속(genus)의 유전체 탐색을 지원하는 플랫폼 예로는 BiG-SCAPE와 CORASON이 있습니다. BiG-SCAPE는 생합성 유전자 클러스터의 서열 유사성 분석을 제공하며, CORASON은 계통 유전체 접근법을 통해 유전자 클러스터 간의 진화적 관계를 설명하는 데 도움을 줍니다. CRISPR-Cas9은 여러 스트렙토마이세스에서 생합성 유전자 클러스터를 효과적으로 활성화하여 독특한 대사물을 생성하는 매우 중요한 기술입니다. 이 기술은 희귀하고 미지의 항생제 변종의 생산을 촉진했습니다. 예를 들어, 레미신, 루미신, phenanthroviridin 및 5-클로로-3-포밀 인돌 등이 있습니다.
METLIN은 중요한 대사물 식별 플랫폼으로, 고해상도 MS/MS 데이터베이스를 포함하여 단편 유사성 검색 기능을 제공합니다. 이는 미지의 화합물의 신속한 식별에 크게 기여합니다. 생물 제약 연구에서 사용되는 다른 컴퓨터 도구로는 화합물 구조 식별(CSI): FingerID 및 입력-출력 커널 회귀(IOKR)가 있습니다. 과학자들은 분자 네트워크 기반의 고급 데이터베이스를 개발하고 있으며, 이 데이터베이스에는 생물 활성 화합물의 분류 정보가 포함되어 있어 주석의 신뢰성을 높입니다.
대사체 기반 접근법
색층 및 스펙트럼과 같은 분석 도구의 최신 발전과 계산 방법의 결합은 대사체가 천연 물질 기반 약물 발견에 적용될 수 있게 합니다.
대사체 기반 접근법은 생물 샘플에서 많은 대사물을 동시에 분석할 수 있게 하여 조추물 내 대사물 구성에 대한 정확한 정보를 제공합니다. 이를 통해 미지의 화합물을 신속하게 해석하고 식별할 수 있습니다. 대사체 기반의 접근법은 또한 세포와 생물체의 다양한 생리적 상태 간의 대사물 구성의 차이를 감지할 수 있으며, 분자 수준에서의 표현형 특성을 제공하기 위해 자세한 대사물 프로필을 생성합니다. 이러한 프로필은 생물 활성 화합물의 분자 작용 메커니즘을 이해하는 데 중요합니다.
생물 제약 과정에서 사용되는 분석 도구
생물 치료제 개발 및 제조 과정은 광범위한 분석 기술 없이는 불가능합니다. 이러한 방법은 생물 치료 제품의 지속적인 평가에 필수적이며, 번역 후 수정(예: 당화), 구조적 이질성, 안정성 및 구조 등을 식별하고 특성화하는 데 도움을 줍니다. 이러한 평가를 통해 개발자는 생물 제조에 포함된 상류 및 하류 생물 공정을 평가하고 조정하며 필요에 따라 변경을 구현하여 공정 효율성과 최종 제품의 순도를 보장할 수 있습니다.
생물 활성 화합물은 NMR 분광법 및 고해상도 질량분석법(HRMS)과 같은 다양한 방법으로 분석할 수 있습니다. NMR 분석은 제품의 정량 및 구조적 특성화를 제공합니다. 그러나 그 민감도는 상대적으로 낮아 주로 주요 성분 분석에 사용됩니다. 이온 교환 및 친화 젤 여과 색층 등의 다양한 색층 도구는 재조합 단백질 기반 생물 제약 제품을 정화하는 데 사용할 수 있습니다.
생물 제약에서의 질량분석 이미지
질량분석 이미징(MSI)은 생체 내 생물 활성 화합물의 공간 분포를 결정하는 데 사용됩니다. 약물 발견 연구에서 사용되는 다양한 유형의 MSI로는 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI), 탈착 전자분무 이온화(DESI), 나노 입자 레이저 탈착/이온화(nano-PALDI) 및 2차 이온 질량분석(SIMS)이 있습니다. 이들 도구는 공간 해상도 및 분자 정보의 측면에서 다릅니다. 화합물 분포와 관련된 연구는 특히 임상 전 안전성 평가, 임상 연구 및 메커니즘 이해에 중요합니다.
Theodore Alexandrov는 독일 하이델베르크 유럽 분자 생물학 연구소(EMBL) 구조 및 계산 생물학 부서의 팀장으로, 공간 및 단일 세포 대사체와 같은 새로운 분야를 위한 실험 및 계산 도구의 개발에 참여하고 있습니다. 그는 "지난 10년간 MSI는 조직 절편에서 약물 및 약물 대사물을 위치시키는 데 선호되는 도구가 되었습니다."라고 말했습니다. Alexandrov에 따르면, 이는 MSI가 FDA 승인된 원래의 약물 위치 방법인 전신 방사선 자가방사(WBAR)보다 빠르고 민감하기 때문입니다.
Alexandrov는 "MSI는 WBAR가 놓칠 수 있는 생물 활성 약물 대사물을 감지할 수 있습니다."라고 지적하며, 이 분석 도구가 생물 치료 개발의 임상 전 및 임상 단계에서 속도를 높이는 데 기여한다고 설명했습니다.
생물 제약에서의 액체 색층
액체 색층(LC)은 액체 이동 상에 기반한 분리 기술로, 액체 이동 상에서 샘플 내 분자와 이온이 용해됩니다. 용해된 샘플을 포함한 액체 상은 흡착성 입자로 채워진 색층 열을 통과하며, 이를 고정상이라고 합니다. 분리는 각 성분의 이동 상에 대한 친화력에 기초합니다. 친화력은 성분이 색층 열을 통과하는 이동 속도에 영향을 미칩니다. LC는 다양한 검출기와 결합하여, 예를 들어 형광, 자외-가시(UV-Vis) 및 광산란 검출기 등을 사용하여 개발 과정에서 생물 치료 약물을 분석할 수 있습니다. 이는 특정 단백질을 식별하고 구조를 결정하는 데 도움이 됩니다. 이온 교환 색층과 자외 검출기를 결합하여 천연 상태에서의 단백질-단백질 상호작용을 결정할 수 있습니다. 많은 수의 이성질체를 포함하는 조추물을 분리하고 정성 및 정량 분석하기 위해 과학자들은 일반적으로 LC와 HRMS를 결합한 방법을 사용합니다.
지난 10년 동안, 고성능 액체 색층과 질량분석기의 결합은 생물 제품 발견에 귀중한 분석 도구로 입증되었습니다. 이러한 기술은 활성 화합물을 식별하고 약물의 순도를 결정하는 데 사용됩니다. 또한, 액체 색층과 질량분석기 결합(LC-MS)은 약물 순도 결정에 대한 광범위한 적용성을 보여줍니다. 이 기술은 일반적으로 단백질 생물 약물의 분석에 사용되며, 펩타이드 매핑 분석에 적용됩니다.
LC-MS는 분석의 신뢰성을 높이고 데이터 해석과 관련된 모호성을 최소화하는 데 도움을 줍니다. 최근 과학자들은 실험 절차를 표준화하고, 기기 매개변수를 최적화하며, 질량분석기를 업그레이드함으로써 이러한 실험의 데이터 품질을 향상시키는 데 성공했습니다. 단백질 생물 치료에서 LC-MS와 자외선(UV) 검출 도구를 결합하면 품질 관리(QC)와 약물 방출 연구에 사용할 수 있는 자외선 지문을 제공합니다.
생물 제약 생산 개선 전략
전통적으로 생물 치료 연구는 "조추물"의 생물 선별에서 시작하여 생물 활성 화합물을 분리하는 것으로 마무리됩니다. 이 과정은 시간 소모가 크고 어렵기 때문에 연구자들은 이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 전략을 채택했습니다.
그 중 하나의 방법은 고효율 선별과 조화된 라이브러리를 만드는 것입니다. 이 과정은 바이러스 단백질, 효소 등의 생물 타겟을 위한 특정 약물 찾기 과정을 가속화합니다.
생산 과정의 최적화는 복잡하며, 조추물에서 생물 활성 대사물을 분리하여 정화하는 과정을 포함합니다. 이러한 복잡성을 극복하기 위해, 과학자들은 이 과정을 소형화(예: 소형 정화 기술, 소형 생물 반응기 등)했습니다. 이를 통해 전체 과정을 더 세밀하게 관찰하고, 최적화된 생산 방법을 개발하기 위한 필요한 조정을 진행할 수 있습니다.
생물 제약 분석의 도전과 전망
일반적으로 약물 개발은 극도로 복잡하고 비용이 많이 드는 과정입니다. 터프츠 약물 개발 연구 센터에 따르면, 하나의 약물을 개발하기 위해 거의 12-15년의 광범위한 연구가 필요하며, 생산 비용은 20억 달러를 초과할 수 있습니다. 미래 목표 중 하나는 이 시간 범위와 관련 비용을 줄일 수 있는 방법을 개발하는 것입니다.
그러나 생물 제약 분석에 대한 도전 과제는 여전히 존재합니다. 재조합 단백질은 유전자 변형 세포를 통해 개발되며, 이러한 세포의 최적 성장 조건을 유지하는 것이 고품질의 제품을 얻는 데 중요합니다. 또한, 재조합 단백질의 산업 규모 생산은 매우 비용이 많이 듭니다. 생물 제약과 관련된 또 다른 도전 과제는 생물 분자가 생산, 저장 및 운송 과정에서 여러 스트레스를 받을 때 변성 및 응집이 발생할 수 있다는 것입니다. 분해되거나 응집된 단백질 성분은 효능을 잃거나 독성이 될 수 있습니다. 단백질 구조의 이러한 변화는 너무 작아, 사용 가능한 분석 도구가 이를 감지할 만큼 민감하지 않을 수 있습니다. 따라서, 우수한 품질을 보장하고 생산 비용을 줄이기 위해 고정밀 분석 도구의 지속적인 개발이 필요합니다.
BiotechPack, 바이오의약품 특성 분석 및 멀티오믹스 질량분석(MS) 서비스 제공업체
베이징 바이오테크 팩 사이언티픽 주식회사(약칭 BTP)는 생물 질량분석을 기반으로 한 생물 약물 특성화, 거대 분자 물질(단백질, 펩타이드, 대사물) 질량분석 및 소분자 물질 검출 서비스를 제공합니다. 회사는 ISO9001 품질 관리 시스템을 채택하여 질량분석을 기반으로 한 CRO 검출 및 분석 서비스를 전문적으로 제공하며, 사업 범위는 단백질체학, 펩타이드체학, 대사체학, 생물 약물 특성화, 단일 세포 분석, 단일 세포 질량분석 유세포 분석 및 다중체 바이오 질량분석 통합 분석 등을 포함합니다. 7대 품질 관리 검출 플랫폼, 3000+ 기업 및 10000+ 고객의 선택, 당신에게 고품질의 바이오 질량분석 서비스를 제공하기 위해 노력합니다!
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