수율·품질·재현성을 동시에 만족시키는 공정 설계 가이드

세포유래 엑소좀(Exosome)은 차세대 바이오소재로 주목받고 있지만, 잘 나온다를 넘어 일관된 품질(CQAs)과 공정 재현성, 확장성(Scale-up), 그리고 규제 대응(GMP/CMC)까지 고려하면 생산 전략은 생각보다 복잡해집니다. 특히 엑소좀은 세포 상태·배양환경·수확 시점·불순물 프로파일에 따라 특성이 크게 변하기 때문에, 초기 단계부터 목표 제품 프로파일(Target Product Profile)에 맞춘 배양 전략을 세우는 것이 핵심입니다.

1. 시작점: 어떤 엑소좀을 만들 것인가?

엑소좀 공정에서 가장 먼저 정의해야 할 것은 용도(Research / Cosmetic / Therapeutic / Diagnostic)와 품질 지표(CQAs)입니다.

1) 용도별 중요 CQAs 예시

   - 연구용: 입자수/단백량, 대표 마커(CD9/CD63/CD81), 재현성

   - 기능성 소재/화장품: 안전성(미생물·엔도톡신), 불순물(잔류 단백/핵산), 배치 간 균일성

   - 치료제: Potency(기능시험), 순도/동정/무결성, 잔류 DNA·HCP, 바이러스/마이코플라스마, 공정 밸리데이션

Tip: CQAs가 정해지면, 그에 직접 영향을 주는 CPPs(중요 공정 변수)를 역으로 도출해 공정을 설계(QbD)해야 합니다.

2. 세포(Producer cell) 전략: 성격이 품질을 만든다.

엑소좀 생산의 출발점은 세포의 선택과 세포 상태 관리입니다.

1) 세포 소스 선택

   - MSC 계열(중간엽 줄기세포): 면역조절/재생 관련 컨셉에 강점, 다만 donor variability 관리가 중요

   - HEK293 등 세포주 기반: 확장성·재현성이 유리, 목적에 따라 엔지니어링 플랫폼과 결합 가능

   - iPSC 유래 세포: 장기적으론 일관성 측면에서 매력적이나, 분화/동등성 관리가 핵심

2) 세포 상태 관리(품질의 1차 결정요인)

   - 세포 컨디션 지표: 성장률, 생존율, 대사(Glc/Lac), 스트레스 지표, 형태, passage 관리

   - 과도한 스트레스는 입자수를 늘려도 원하는 엑소좀이 아닐 수 있음

     예: 세포 사멸이 증가하면 EV 외에도 세포파편/미세소체/핵산 오염이 늘어 정제 부담이 커집니다.

3. 배지/첨가제 전략: Serum-free로 가되, EV 배경을 통제하라.

엑소좀 배양에서 배지 설계는 곧 불순물 관리 전략입니다.

1) Serum 사용 시의 핵심 이슈

   - FBS에는 자체 EV(엑소좀 유사 입자)가 포함 → 배경 노이즈 및 QC 해석 난이도 상승

   - EV-depleted FBS를 사용해도 완전 제거는 어려울 수 있음

2) 권장 방향

   - 가능하면 Serum-free / Xeno-free / Chemically defined로 전환을 검토

   - 전환이 어렵다면, 최소한 다음 항목들을 통제

     (a) EV background(blank control 운용)

     (b) 원료 로트 관리(lot-to-lot variability)

     (c) 배지 교체 시점과 조건(conditioning window)

3) 생산성 개선 포인트

   - 배지 최적화는 단순히 입자수 증가가 아니라 (a) 목적 단백/miRNA 탑재 패턴, (b) 불순물 프로파일, (c) 기능시험 결과까지 함께 봐야 합니다.

4. 배양 모드 선택: Batch vs Fed-batch vs Perfusion

엑소좀은 세포가 건강하게 오래 살아야 안정적으로 나옵니다. 따라서 배양 모드 선택이 매우 중요합니다.

1) Batch

   - 장점: 단순, 초기 PoC에 적합

   - 한계: 영양 고갈/대사물 축적 → 후반부 품질 변동 위험

2) Fed-batch

   - 장점: 영양 공급으로 생산 기간 연장, 수율 개선 가능

   - 포인트: feed 조성/타이밍에 따라 EV 특성 변동 가능 → DoE 기반 최적화 권장

3) Perfusion(연속배양)

   - 장점: 안정적 환경 유지로 일관된 품질 + 높은 누적 생산량 기대

   - 핵심: Cell retention 장치(ATF/TFF 등)와의 조합, shear 관리, 수확 스트림 관리

   - 대규모 생산/상업화 관점에서 가장 유력한 옵션 중 하나

5. 배양 플랫폼: 2D → 3D → Bioreactor로의 확장 전략

1) 2D 플라스크/스택(초기 개발)

   - 빠른 스크리닝에 적합

   - 단점: 인력 의존, 배치 간 편차, 대량 생산 한계

2) 3D (Microcarrier, Spheroid 등)

   - 표면적을 늘려 생산성을 높일 수 있음

   - 포인트: microcarrier 선택, agitation 조건, 세포 회수/잔류물 관리

3) Bioreactor(STR/Single-use)

   - 장점: pH/DO/온도 제어로 재현성 강화, GMP 전환 용이

   - 엑소좀 관점 핵심 변수

     (a) 전단(Shear)·교반·기포: 과하면 세포 스트레스↑ → 불순물↑/특성 변화

     (b) DO/pH 세팅: 대사·성장·EV 분비에 영향

     (c)세포 밀도와 생산성의 균형: “고밀도 = 항상 정답”은 아님

6. 수확(Harvest) 설계: 언제, 어떻게 모을 것인가?

엑소좀 공정은 수확 타이밍이 품질을 좌우합니다.

1) Conditioning window 설정

   - 예: 배지 교체 후 24–72시간 등 “생산 구간”을 정의해 품질 변동을 최소화

   - 너무 길면: 영양 고갈/세포 사멸↑ → 오염 증가

   - 너무 짧으면: 수율 부족

2) 수확·전처리(Clarification)

   - 세포/파편 제거는 이후 정제 부담을 크게 줄입니다.

   - 일반적으로 단계적 여과/전처리(TFF 전 단계 포함) 전략을 세움

   - 목표는 최종 순도가 아니라 정제 공정이 잘 돌아가는 feed stream을 만드는 것입니다.

7. 공정개발의 핵심 철학: QbD + 데이터 기반 스케일업

엑소좀은 측정 가능한 지표가 공정의 나침반입니다.

   - CPP 후보: 세포 밀도, 생존율, Glc/Lac, pH/DO, 교반/기포, 온도, conditioning time

   - CQA 후보: 입자농도/분포, 대표 마커, 단백/핵산 잔류, HCP, 엔도톡신, 기능시험(potency)

   - DoE(실험계획법)로 최적점 탐색 → 스케일업 시 시행착오 최소화

   - Scale-up 시에는 같은 rpm이 아니라 같은 물리·생물학적 환경(혼합, 전단, 산소전달 등)을 맞추는 접근이 필요합니다.

마무리: “엑소좀 생산은 배양이 절반, 나머지도 배양에서 결정된다.”

엑소좀 생산에서 Downstream 정제와 분석(QC)은 중요하지만, 그 성패는 이미 Upstream에서 상당 부분 결정됩니다.

따라서, 초기부터 세포 선택–배지 전략–배양 모드–수확 설계를 하나의 시스템으로 설계해야, 수율과 품질을 함께 끌어올릴 수 있습니다.