[하일라이트] 한미 제약 FTA와 키랄 의약품 개발

서론

제약 산업은 21세기의 국가 의 중요 산업으로 인식되고 있 다. 약이 시장에 나오기까지 많 은 사람들이 관련되고, 끊임 없 는 창조성이 필요하고, 그리고 많은 경비가 소요된다. 신약 개 발에는 원료 제조, 원료 물질의 평가, 제약 제형 개발, 독성실험, 임상실험 등 다양한 활동이 필요하고 많은 세계적 제약 기업이 이를 위한 과감한 투자를 하고 있 다. 낮은 개발 성공률에도 불구하고 시장에서의 높은 호응에 따른 투자회수를 기대하고 세계 거대 제약 기 업들이 끊임 없이 도전하고 있다.

그러나 탄생한 약품이 기대에 못 미칠 때 제약회사 는 재정적으로 큰 타격을 입고 종업원을 해고하거나 심한 경우 타 회사에 합병되기도 한다. 제약회사는 재 정적 압박을 피하기 위해 신약 개발과 동시에 제네릭 사업을 수행한다. 하지만 제네릭 시장은 3년 정도 수 익을 내는 단기적 전략이다. 현재 한미 FTA 체결 결 과 국내 제약회사와 미국 제약회사 사이에 경쟁과 협 조의 체계가 형성되라 예상되고 있다.

미국 제약회사들은 1980~2000년도 사이 유전공학 연구 결과물인 재조합 인슐린, 레트로비르, 탁솔, 글리 백 등에 의해 꾸준한 성장세를 보였으나 2003~2006 년 사이 신청 신약 수가 30개 정도로 침체 국면에 접 어 들고 있다. 그리고 미국 식약청의 까다로운 절차로 신약개발의 불확실성이 앞으로 계속될 것이다. 미국

제약사들은 사업 활성화 전략으로 단일 성분의 키랄 의약품의 개발(racemic switch), 해외에서의 위탁생 산과 위탁 임상, 해외 신약 연구 개발 센터의 설립 등 을 통해 신약 개발의 위험 부담을 줄이고자 하고 있다.

한국은 세계 10위권의 시장 규모와 고급 인력를 갖 고 있고, 전산화가 잘된 바이오산업, 단일 민족으로 임 상실험의 용이성, 지적소유권의 보장이 있는 나라이 다. 종래 한국 제약사들은 안정된 국내 시장을 나누어 가진 다수의 소규모 제약기업들이었다. 한미 FTA 체 결에 따라 한국 제약사들은 변신의 기회와 합병 위험 의 기로에 서 있으며 긍정적으로 미국 제약사들의 현 황을 파악하여 행동하기위한 전략이 필요하다.

키랄 의약품은 현재 세계에서 팔리는 약품 매출액의 절반을 차지하고 있으며 미국 식약청에서 라세미체의 약효에 대한 검증을 요구하기 때문에 racemic switch 가 계속 일어날 것이다. API(active pharmaceutical ingradient, 유효 약 성분)을 제조하기 위한 키랄분리 공정으로 SMB(simulated moving bed, 모사이동층) 공정이 1990년대 초에 개발되었다. 대규모 SMB공정 이 현재 유럽 제약사에서 다수 가동되고 있다. SMB 를 이용하여 키랄 의약품을 위탁 생산하는 것도 한미 FTA를 맞아 취할 수 있는 한국 제약사의 행동 중의 하나가 될 것이다. 본 총설에서는 키랄 의약품의 기초 를 설명하고 SMB를 이용한 키랄분리공정의 요점을 제시하고자 한다.

김 인 호

충남대학교 바이오응용화학부, [email protected]

었을 때 왼손으로 답하면 악수를 할 수 없음을 발견하 게 된다. 언뜻 똑같아 보이는 양손이 이와 같은 성질 을 보이는 것은 왼손과 오른손이 면대칭성이 없어서 각각의 거울상이 자신과 다르기 때문이다. 즉, 왼손을 거울에 비치면 거울 속의 손은 오른손과 같아지고, 마 찬가지로 오른손의 거울상은 왼손이 되기 때문이다.

이러한 현상이 분자들에게도 일어나는데 이것을 키랄 성이라 한다. 탄소 원자는 4개의 화학결합을 할 수 있 다. 탄소는 정사면체의 중심에 위치하고, 결합하는 4 개의 원자 혹은 작용기는 정사면체의 네 꼭지점에 위 치한다. 이때, 4개의 결합이 모두 다르면 키랄탄소라 부르며, 키랄탄소를 가진 분자는 면대칭성이 없으므 로 분자의 두 거울상은 광학이성질체가 된다[그림 1].

지구상의 생명체는 탄수화물, 지질, 단백질과 같이 탄소가 근간을 이루는 유기화합물들이다. 이러한 분 자들의 거의 대다수는 키랄탄소를 가지고 있으므로 광학이성질체를 가질 수 있다. 그런데 지구상의 생명 체는 박테리아에서 인간에 이르기까지 모두 한 가지 의 광학이성질체들로만 이루어져 있다는 것이다. 예 를 들면, 단백질을 이루는 기본단위인 20여 가지의 아 미노산들은 키랄탄소를 가지고 있어 D-아미노산과 L-아미노산의 두 광학이성질체가 가능하나, 알 수 없 는 이유로 생명체에서는 L-아미노산만이 발견된다.

그러나, 실험실에서 인공적으로 아미노산을 합성하면 매우 특별한 합성법을 쓰지 않는 한 D-아미노산과 L-아미노산은 정확하게 1 : 1로 만들어진다.

키랄탄소를 가진 광학이성질체들은 보통의 경우 편 광면의 회전능력, 즉 광학활성(optical activity)을 제 외한 그 밖의 물리적ㆍ화학적 성질이 동일하다. 그러 나, 다른 광학활성 물질과의 상호작용에서는 각 이성 질체들의 반응성이 판이하게 다른 경우가 많다. 아스 파라긴의 한 이성질체는 맛이 쓰고, 다른 하나는 맛이 달다. 알레르기성 비염에 쓰이는 알 테르페나딘(R)-

terfenadine의 광학이성질체 에스 테르페나딘(S)- terfenadine은 졸리는 등의 부작용이 있다. 심지어는 한 이성질체는 질병을 치료하는 약으로 작용하고 다 른 이성질체는 독극물로 작용하는 케타민(ketamine) 이나 탈리도마이드(thalidomide) 같은 경우도 있다.

현재 시판되는 대부분의 약들은 라세미 혼합물들로 이루어져 있다. 즉, 99.999%의 순수한 의약품이 아니 라, 49.999% 순도의 의약품들인 것이다. 이것은 순수 한 광학이성질체들의 합성이나 분리가 매우 어렵고, 적당한 분석방법도 없기 때문이다.

아래의 (S)-(+)-carvone과 (R)-(-)-carvone은 서로 거울상입체이성질체(enantiomer) 관계에 놓여 있는 화합물이다.

[그림 2]에서 carvone의 접두사로 붙은(S)-, (R)- ,(+)-, 그리고(-)- 등에 관련한 거울상 입체이성질 현상을 자세하게 논의하기로 하자. 광학이성질체에서 1) 절대적 공간배열규칙에 따른 우선순위가 왼쪽 방 향인 경우에 (S)-배위(configuration), 오른쪽 방향인 경우에 (R)-배위로 나누거나 2) 광학활성에 초점을 맞추어 면편광(plane-polarized light)을 회전시키는 방향이 왼쪽일 경우에 (-)-배위(또는 l-배위, 오른쪽

그림 1. 거울상 이성질체의 개념.

H H

(S)-(+)-carvone (R)-(-)-carvone

그림 2. 광학이성질체의 명명법.

하 일 라 이 트

일 경우에 (+)-배위(또는 d-배위)으로 분류한다. 절 대적 공간배열과 광회전 방향과는 무관하다. 거울상 이성질체(enantiomer)는 상반되는 배위를 갖는데, 한 form이 (R)-배위이면 대응하는 한 form은 (S)-배위 가 된다. 부분입체이성질체(diastereomer)는 [그림 3]과 같이 비대칭 탄소를 2개 이상 갖는 화합물에서 거울상이 아닌 화합물을 일컫는다. 이를테면, 1번 탄 소원자와 2번 탄소원자가 키랄 탄소원자인 화합물은 모두 4개의 광학이성질체를 갖는데, (1R, 2R)-화합물 의 거울상이성질체는 (1S, 2S)-화합물이고, 부분입체 이성질체는 (1R, 2S)-화합물과 (1S, 2R)-화합물이 다.

한 쌍의 거울상 이성질체는 형태, 색상, 녹는점, 끓 는점, 그리고 점성 등의 대부분의 이화학적 성질은 같 다. 그러나, 한 쌍의 거울상 이성질체 각각에 대하여 생물체는 반응을 달리하기도 한다. 즉 구별할 수 있다 는 말이다. 어떤 미생물은 한 쌍의 거울상이성질체 중 에서 한 form만을 더 잘 이용한다. 키랄성 유기합성 농약인 경우 합성과정 중에, 일반적으로, 한 쌍의 거울

상이성질체가 동일한 비율로 생성된 라세미 혼합물 (racemate or racemic mixture)인데, 한 form이 다른 한 form보다 독성이 더 강한 경우가 많으며, 대사율도 다른 경우가 많다. 독작용과 생물전환반응에 관여하 는 생체의 수용체 또는 효소가 입체적인 구조를 가지 며, 그 이유로 어떤 한 form에 대해 친화도가 다른 한 form의 그것보다 더 높거나 낮기 때문에 그러하다.

HPLC나 GC의 column에 사용하는 일부 충진제 등 도 한 쌍의 거울상 이성질체에 대하여 상호작용의 강 도가 다르기 때문에 이러한 충진제(키랄 정지상, chiral stationary phases, CSP)를 이용하여 각각의 거울상 이성질체를 분리하기도 한다. 최근에는 합성 공업에 어떤 특정 배위의 입체이성체 만을 또는 더 많 이 생성시키는 입체특이성 촉매제(stereospecific catalyst)를 사용하기도 한다.

이름을 표시할 때에 RS 명명체계와는 다른 즉, 1개 초점부위의 절대배열을 나타내는 DL 명명체계로 D- 또는 L- 접두사를 붙인다(전통적으로 생화학에서는 RS 명명체계보다는 DL 명명체계를 더 선호하고 있 는데, 자연계에서 생산되는 대부분의 당은 D-배위이 고, 대부분의 아미노산은 L-배위이다). D- 또는 L- 접두사가 붙는 화합물은 모두 키랄 탄소원자를 하나 이상 가지는 키랄 화합물이다. 따라서, 당은 광학활성 이 있어 [그림 4]와 같은 모식도의 편광계로 당의 농 도를 잴 수 있다. 편광계는 sodium lamp(D line, 589nm)를 광원으로, 두 개의 편광기(polarizer) 사이

Stereoisomers Different orientations of atom in space

Enantiomers

Diastereomers Non-identical mirror- image structures

Chiral

Chiral

All enantiomers are chiral and all are optically active

Achiral (meso compounds) Stereoisom ersthat

are not enantiom ers

그림 3. 입체이성질체의 분류 체계.

Detector Movable polarizer

Sample cell* Fixed polarizer plane-ploarized

field vector

Sodium lamp Electromagnetic

field vector

*Analytes rotate the plane-polarized light in this way:

그림 4. 편광계의 원리.

에 위치하는 시료용기에 시료를 넣어 분석물질이 얼 마나 편광을 회전시키는지 [그림 4]에서 보는 것처럼 두번째 편광기를 돌리어 그 각도를 읽어, 분석물질을 정성하고 정량하는 일종의 분광계이다.

분자내에 키랄 중심이 하나일 경우에는 두 개의 입 체이성질체, 즉 한 쌍의 거울상이성질체가 존재한다.

두 개일 경우에는 최대 4개의 입체이성질체(2쌍의 거 울상이성질체)가 존재한다. Cholesterol은 8(n)개의 키랄 중심을 가지므로 2

=2

=256개의 이성질체로 존재할 수 있다. 그러나, 구조적 장애 때문에 이들 중 에 상당 수는 실제로 존재하지 않는다. Cholesterol의 경우, 놀랍게도, 위의 [그림 5]에서 보는 오직 한 이성 질체만이 천연물로 생성될 뿐이다.

키랄 분자들은 생물에 미치는 활성 또한 다르다. 생 체 내에 입체이성질체들의 구조적인 차이를 구별하여 반응하는 입체선택성(stereoselectivity)을 가지는 어 떤 물질이 있다고 추정할 수 있다. 앞에서 언급한 carvone의 경우, (+) 거울상이성질체는 caraway 씨 앗의 향을 띠지만, (-) 거울상이성질체는 spearmint 향을 띤다. 냄새를 감지하는 코 속의 수용체가 이들 한 쌍의 거울상이성질체를 구별한다는 말이다. 수전 증으로 알려진 파킨슨병에 아미노산의 하나인 dopa를 치료약으로 사용한다. Dopa는 키랄 중심이 하나이므 로 두 가지 입체이성질체가 존재한다. 우선성의 거울 상이성질체, D-dopa는 인간에 생리활성을 갖지 않지 만, 좌선성의 거울상 이성질체, L-dopa는 중추신경계 의 만성병인 파킨슨병에 뛰어난 생리활성을 가진다.

뇌 신경세포의 신경전달물질의 하나인 dopamine(비

키랄성 물질)이 어떤 이유에서든 잘 생성되지 않으면 파킨슨병에 걸린다고 한다. [그림 6]과 같이 dopamine은 carboxylase라는 효소에 의해 L-dopa로 부터 생성되는데, carboxylase는 D-dopa를 기질로 사 용하지 않는다는 뜻이다.

직접적이든 가공을 하든 간에 자연계에서 유래한 의약은 대개 키랄성 화합물이며, 일반적으로 라세미 혼합물이 아닌 하나의 거울상이성질체이다. 예로 [그 림 7]과 항생제의 대명사로 알려진 Penicillin V는 Penicillium이라는 곰팡이에서 분리한 물질인데, 2S, 5R, 6R의 배위를 가지고 있다. 그 거울상이성질체는 자연계에서는 만들어지지 않으나 실험실에서 합성을 할 수 있고 본질적으로 생물학적 활성은 없다.

자연계에서 얻는 의약에 비해, 전적으로 실험실에 서 합성한 의약은 대개 비키랄성 화합물이거나, 키랄 성 화합물이라 할지라도 라세미 혼합물로 생산되고 시판된다. 좋은 예로 류마티스에 사용하는 항소염제 ibuprofen은 [그림 8]과 같이 입체중심을 하나 가지 Cholesterol

(8 chiral centers) HO

H

H H

H H ₃ C

그림 5. 다수의 키랄 센터를 가진 콜레스테롤. ^OH

OH H H

HO H

H OH

achiral dopamine (neurotransmitter)

L-aromatic amino acid decarboxylase CO

NH

NH

H

N

그림 6. 도파민의 약리 작용.

Penicillin V (2S, 5R, 6R configuration) H

H H S

H N N

O O

O

COOH CH

CH

그림 7. 페니실린의 입체이성질체.

하 일 라 이 트

고 있으며, S 배위 거울상 이성질체만이 약효가 있다.

그러나 시판되는 상품은 약효가 없는 R 배위 이성질 체도 포함되어 있는 라세미 혼합물이다.

그러면 이러한 차이를 어떻게 설명할 수 있는가?

어떤 물질이 생물활성이 있다는 말은, 어떤 물질이 생 체 내의 어떤 부분과 결합하거나 또 다른 어떤 물질과 반응한다는 말이다. 우리는 이 어떤 부분을 수용체 (receptor)이라고 하며, 반응물과 결합하여 생성물을 생성하는 반응의 속도를 조절하는(대개는 촉진하는) 단백질을 효소(enzyme)이라고 부른다. 수용체와 효 소는 모두 입체적 구조물이다. 생물활성이 높은 물질 은 이러한 입체적 구조물과 잘 결합하는 물질이라고 볼 수 있다. 입체이성질체 간에 생물학적 활성 차이가 나는 경우는, 이들 이성질체가 특정 수용체 또는 효소 와 결합하는 데에서 차이가 나는 경우이다.

최면제로 사용하는 케타민이나 탈리도마이드의 경 우는 광학이성질체 중 하나가 아예 독극물로 작용한 다. 이 때문에 미국 FDA의 경우 지난 1992년부터 새 로 개발된 모든 신약에 대해 반드시 두 개의 광학이성 질체를 구분, 어느 한쪽이라도 부작용이 없음을 증명 하라고 요구하고 있다. 즉 기존의 racemate 약물로부 터 단일 성분의 enantiomer를 분리하여 인체에 독성 이 없음을 밝히던지 racemic switch로 단일 enantiomer만이 API로 있는 약을 시판하든지 하여야 됨을 의미한다. 1999년 매출과 성장율이 큰 약품으로 simvastatin, atorvastatin calcium이 지목되었는데 이 약물은 키랄 의약품이었다.

키랄 의약품 분리용 SMB 공정

회분식 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)는 칼 럼에 채워진 고정상(CSP)을 광학적 비대칭으로 만들 어 한 쌍의 광학이성질체가 칼럼을 통과함에 따라 비 대칭 고정상과 상호작용을 하게 함으로써 두 광학이 성질체를 분리하는 방법이다. 여기서 얻은 크로마토 그램의 두 피크를 분리 수거하여 두 개의 순수한 광학 이성질체를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 광학이성질체 와 CSP사이의 상호작용 메카니즘(키랄 인식 메카니 즘)을 이해한다. 분리순서로부터 광학이성질체의 절 대 배열을 결정할 수 있기 때문에 HPLC에 의한 키랄 분리는 입체화학에 관련된 문제를 해결하는 좋은 방 법이다.

회분식 크로마토그래피의 생산성의 한계를 극복하 고자 연속적인 분리가 가능한 TMB(true moving bed)가 연구되기 시작하였고, 이 공정에서 고정상과 이동상이 역방향으로 움직인다. 1961년에 UOP에서 inlet과 outlet 라인의 주기적인 변화와 칼럼과의 적절 한 연결을 통해 액체상에 대해 고체상이 역방향으로 이동하는 공정에 대해 특허권을 받았다. TMB는 1960년대 초반 석유화학공업에서 para-xylene과 톨 루엔을 분리하기 위해 이용되었으며, 1970년대에 식 품 산업에서 과당과 포도당을 대규모로 분리하기 위 해 TMB의 변형인 대규모 SMB 기술이 운용되었다.

1990년대 초부터 15년 동안 SMB 크로마토그래피 를 이용한 키랄 의약품 생산 분야에서 상당한 진전을 보였다. SMB 크로마토그래피가 2성분계의 분리에 효과적인 사실을 인식하여 라세미 혼합물로 사용되던 의약품 원료를 키랄 의약품 분리에 이용하였기 때문 이었다. 다음 공정도[그림 9]와 같이 SMB는 최소 2 개의 용매 재생 칼럼과 2개의 분리 칼럼(흡착과 탈착 칼럼)으로 구성되는데 2개 분리 칼럼에서 광학이성질 체의 흡착과 탈착이 이루어진다. 생산용 SMB 크로마 토그래피를 이용하여 키랄 의약품을 100~1000g/Kg CSP day의 속도로 생산할 수 있으며, 회분식 크로마 토그래피에 비하여 생산성 향상과 용매 절감 효과를 (S)-Ibuprofen (an active analgesic agent)

CH

CH

H

C

H _COOH

그림 8. 이부프로펜의 유효 성분구조.

얻을 수 있다.

SMB 크로마토그래피는 CSP 흡착제(solid)와 이 동상(fluid)이 서로 반대 방향으로 움직이도록 칼럼 사이의 밸브 스위칭이 이루어진다. 밸브 스위칭 방향 과 이동상의 움직이는 방향이 같아 CSP와 이동상이 반대방향으로 움직이는 효과를 유도한다. 다수의 칼 럼의 중간 부분에서 유입되는 혼합물은 시료 주입구 로부터 일정 거리에서 단일 성분으로 분리가 이루어 져 칼럼들의 양단에서 연속적으로 배출된다. 위에 비 유 [그림 10]에서 두 성분의 혼합물을 하나의 회분식 크로마토그래피 칼럼으로 분리하는 경우 (A)를 보면, 각 성분은 고정상에 대한 친화력에 상대적인 차이가 있으므로 칼럼을 따라 이동하는 속도가 다르게 나타 난다. 이 상황은 고양이와 거북이의 달리기 경주와 유 사하다. 이들 고양이와 거북이는 모두 목적지에 도달 하지만 그 도착시간에는 차이가 있다. 아래의 (B)에 서 같이 움직이는 컨베이어 벨트 위에서 벨트의 이동 방향에 반대 방향으로 달리기를 할 때 비교적 빠른 고

양이는 오른쪽에 도달하는 반면 속도가 느린 거북이 는 벨트의 왼쪽에 이를 것이다. 움직이는 벨트의 중간 부분에 연속적으로 들어오는 고양이와 거북이를 분리 할 수 있는 ‘거북이-고양이 연속 분리기’ 작동이 가능 한 것이다. 이 때 CSP입자는 밸브 스위칭에 의해 유 체의 반대방향으로 흐르는 것처럼 상대운동이 이루어 지고, 성분 A와 B의 이동속도는 각각 음과 양이 된다.

칼럼들의 중간에 연속적으로 유입된 feed의 두성분이 분리가 이루어져 성분 A와 B는 각각 extract와 raffinate port로 수집된다.

결론

한미 FTA에 의해 국내 제약사들의 사업 방향 전 환이 필요하며 이중 유망한 제약사들의 사업화 전략 이 키랄 의약품의 분리 공정 연구와 API의 위탁생산 이다. SMB 공정은 전형적인 화학공학의 기술이 집약 된 API 생산 공정이며 SMB 공정은 국내 다수의 화 공 연구자들에 의해 개발되었다. 이를 제약산업에 기 술 이전하여 국내 제약사들의 국제 경쟁력 향상에 도 움이 되었으면 하는 바람이다.

Eluent

pump Extract

pump

C1 C2 C3 C4

1

0 1

2 3

4 65 87 9

2

1

0 1

2 3

4 65 87 9

2

그림 9. SMB의 공정도.

그림 10. SMB의 원리를 설명하는 만화.