High-throughput screening (HTS) 분석법 개발과 검증 – 신약 스크리닝과 병행한 분석 설계

1. 서론 – 왜 지금 HTS 분석법 개발이 중요한가?

신약 개발의 초기 단계에서 가장 큰 허들은 단연코 타겟 적합성을 갖춘 후보물질(hits)을 빠르게 선별하는 과정입니다. 화합물 라이브러리는 해마다 방대해지고, 시간은 한정되어 있으며, 실험의 신뢰도까지 보장받아야 하죠. 이 모든 요구사항을 동시에 만족시키는 방법이 바로 HTS (High-throughput Screening) 입니다.

HTS는 단순히 '많이 돌리는' 자동화 시스템이 아닙니다. 수만 건의 데이터를 짧은 시간에 확보할 수 있는 만큼, 그 안에서 유의미한 신호를 검출하고 분석하기 위한 분석법 개발과 검증 프로세스가 그 어느 때보다 정교하게 요구됩니다.

현재 필자는 국내 제약회사에서 분석 연구를 담당하고 있으며, 최근 몇 년 간 다양한 HTS 기반 분석법을 실제 신약 스크리닝에 적용하면서 경험한 현장 중심의 이야기를 바탕으로 본 글을 정리해보았습니다. 단순한 기술 소개를 넘어, 실무자의 입장에서 어떤 점을 고민하고 해결해야 하는지를 공유드리고자 합니다.

2. HTS 분석법 개발: 단순 자동화가 아닌 정밀 설계의 시작

많은 분들이 HTS를 ‘화합물을 많이 돌릴 수 있는 기술’로 인식하지만, 실무에서는 그렇게 간단하지 않습니다. 실제 분석법을 HTS용으로 개발할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 실험의 기본 구조, 즉 assay format입니다.

HTS에서 사용되는 주요 분석법은 아래와 같습니다:

• Fluorescence-based Assay
• Luminescence Assay
• Absorbance Assay
• Radioactive Assay (TR-FRET 포함)
• Cell-based Reporter Assay

내부 프로젝트에서는 효소 기반 타겟에 대해서는 fluorescence-based assay를, 세포 내 신호전달 경로 측정에는 luminescence-based reporter assay를 주로 사용합니다. 초기 분석법 스크리닝 단계에서는 최소 2~3종 이상의 포맷을 병행해보고, 시그널-노이즈 비율(S/N), 다이내믹 레인지(dynamic range), 그리고 반복성(CV)을 기준으로 최종 포맷을 확정합니다.

3. 실무에서 꼭 확인하는 핵심 지표들: Z-factor, CV, S/N

HTS 분석법은 무엇보다 재현성(reproducibility)과 신뢰도(reliability)가 생명입니다. 아무리 시그널이 커도 반복성이 없다면 분석법으로 채택되지 않습니다.

실무에서 가장 중요하게 보는 기준 세 가지는 다음과 같습니다:

• Z-factor: 통계적으로 assay 품질을 나타내는 대표 지표. 0.5 이상이 최소 기준이며, 0.6 이상일 때 ‘고신뢰’ 분석법으로 간주합니다.
• Coefficient of Variation (CV): intra-plate 및 inter-plate 반복성 확인 지표. 일반적으로 10% 이하가 기준이며, 5% 이하일 경우 HTS에서 우수한 성능을 인정받습니다.
• Signal-to-noise (S/N) 또는 Signal-to-background (S/B): 최소한 5 이상, 가능하면 10 이상을 확보해야 미세한 hit를 놓치지 않습니다.

이 지표들은 분석법 개발 초기에만 확인하는 것이 아니라, 실험 batch 간 consistency를 모니터링할 때도 지속적으로 활용됩니다.

4. 실제 분석법 검증 단계: 파일럿에서 실제 적용까지

HTS 분석법은 아래와 같은 3단계의 실험을 통해 검증됩니다:

1) 파일럿 검증 (Pilot validation)

• 2~3개의 화합물을 대상으로 positive/negative control 설정
• 3일간 반복 실험 진행하여 intra-plate CV, Z-factor 등 확인

2) 소규모 라이브러리 스크리닝

• 내부 100~500 compound 수준의 라이브러리를 활용해 signal consistency, hit rate 평가
• Plate-to-plate consistency 확인

3) 풀 HTS 실행 전 사전 검증 (pre-HTS check)

• 전체 라이브러리를 실제로 투입하기 전 5~10 plate 돌려봄
• automation error, plate edge effect 등 사전 점검

5. 분석법 개발 시 실제로 겪는 문제점들

실무에선 늘 예상치 못한 문제가 생깁니다. 아래는 HTS 분석법을 실제로 개발하며 겪었던 대표적인 이슈들입니다:

• Edge Effect: 384-well plate의 바깥쪽 well에서 시그널이 낮게 나오는 현상. 해결법으로는 plate sealing 방식 변경, 외곽 well에 buffer 배치 등이 있습니다.
• Reagent Stability: detection reagent의 shelf-life 문제. 분석 당일 새로 제조하거나, 저장 조건 최적화 필요.
• Cell Confluency Variability: 세포 기반 assay에서 well 간 confluency 차이 발생. 세포 seeding 시간 및 cell counting 방식 표준화로 해결.
• Pipetting 오류: 자동화 장비의 tip alignment 문제나 viscous reagent의 aspiration 문제 발생. 장비 사전 교정 및 점도 기반 pipetting speed 조정으로 개선 가능.

6. 신약 스크리닝과 분석법 설계의 병렬 전략

HTS 분석법 개발은 단순히 분석팀의 일이 아니라, 신약 탐색(Discovery) 파트와 긴밀히 협업하는 작업입니다. 초기부터 hit selection 기준, assay 포맷, 예상되는 target response를 함께 설계해야, 나중에 데이터 해석에서 문제가 생기지 않습니다.

예를 들어, kinase inhibitor 스크리닝 프로젝트에서는 단순히 IC50 값을 보는 것이 아니라, downstream phospho-protein level까지 추적하는 multi-layer assay를 도입했습니다. 이를 위해 ELISA 기반 분석법과 phospho-specific antibody를 활용한 HTS-ready 시스템을 병행 구축했습니다.

이처럼 단일 분석법보다는 multi-assay platform을 설계하여, 초기 hit의 약리기전을 다각도로 검증하는 전략이 점점 중요해지고 있습니다.

7. 실무 팁: HTS 분석 설계 체크리스트 (업무에 바로 써먹는)

✔️ Assay 포맷: fluorescence, luminescence, cell-based 중 목표에 맞는 포맷 선택

✔️ Positive/Negative Control 설정: control 화합물의 batch 확인 및 일정 농도 이상 반응 유도 필요

✔️ Plate 포맷: 96 vs 384 vs 1536 – throughput 대비 signal 안정성 고려

✔️ 자동화 장비 셋업: pipetting robot, plate washer, reader 간 sync 확인

✔️ 분석법 반복성 평가: intra-plate CV < 10%, Z-factor > 0.5 확인

✔️ Data 처리 시스템 구축: raw data → normalization → hit selection → clustering 전 과정 자동화

✔️ 시약 batch 관리: 제조일, 보관온도, 보존제 등 기록 필수

✔️ 분석 중간점검: 실험 중 signal drift 여부, tip clogging 여부 매일 확인

✔️ 연구기록 유지: assay condition 변화, 실험 오류, control deviation은 반드시 기록

8. 결론 – HTS 분석은 데이터의 시작점, 그리고 전략의 중심

HTS 분석법 개발은 단순히 빠른 분석을 위한 도구가 아닙니다. 신약 후보물질의 품질을 결정짓는 필터이며, 데이터를 통해 전략을 수립하는 출발점입니다. 특히 분석연구원으로서 우리는 이 필터가 얼마나 정확하게 작동하는지, 또 어떤 가치를 줄 수 있는지를 가장 가까이에서 체감하는 사람들입니다.

HTS 분석법을 단순히 자동화 기술이 아니라, 기초 실험 설계부터 해석까지 연결된 하나의 생명과학 전략으로 접근하고 있습니다. 분석연구팀은 항상 약리팀, 탐색팀, in vivo 파트와 함께 논의하며 assay를 설계하고 해석합니다.

HTS 분석법 하나를 개발한다는 것은, 단순한 실험 조건 확정이 아니라 앞으로 수개월, 길게는 수년 간의 데이터 기반 전략의 초석을 다지는 일이라고 생각합니다.

앞으로도 더 많은 사례와 노하우를 공유드릴 수 있도록 노력하겠습니다. HTS 분석법 개발, 어렵고 복잡하지만 정말 매력 있는 분야입니다.

High-throughput screening (HTS) 분석법 개발과 검증 – 신약 스크리닝과 병행한 분석 설계