Biologics LC-MS/MS 분석과 ELISA 비교: 항체 정량의 새로운 대안

항체/ADC 정량에서 LC-MS/MS 도입의 기술적 가능성과 과제

FDA 및 EMA의 최근 흐름 정리

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1. 서론 – 바이오의약품 시대, 항체 분석의 중요성

전통적인 저분자 약물(small molecule)과는 전혀 다른 특성을 지닌 바이오의약품(Biologics)의 급성장은 제약 산업 전반의 흐름을 바꾸어 놓았다. 특히 단클론항체(monoclonal antibody, mAb)와 항체-약물 접합체(ADC)의 등장은 항암, 자가면역, 희귀질환 등 다양한 분야에서 새로운 치료 대안을 제시하고 있다.

이러한 대형 분자의 개발이 가속화됨에 따라, 정량 분석법의 고도화는 필수적인 과제가 되었다. 지금까지는 항체 분석의 대표적인 기술로 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay)가 널리 사용되어 왔지만, 최근 몇 년 사이 LC-MS/MS 기반의 정량 분석법이 바이오 분석의 대안으로 주목받고 있다.

이 글에서는 LC-MS/MS와 ELISA 간의 기술적 비교, 항체 및 ADC 정량에서의 응용 가능성, 그리고 FDA/EMA 등 규제기관의 입장을 중심으로, 바이오의약품 분석의 미래를 살펴보고자 한다.

Biologics LC-MS/MS 분석과 ELISA 비교: 항체 정량의 새로운 대안

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2. 항체/ADC 정량 분석의 기본 이해

2.1. 항체의 구조적 특성과 분석 도전

항체는 대략 150 kDa의 고분자로, 다수의 당사슬(glycosylation)과 이질적인 사슬 구조를 가진 복잡한 생체분자이다. 일반적인 small molecule과는 다르게:

• 이질성(Heterogeneity)이 크고,
• 기질 간섭(matrix effect)에 취약하며,
• 단백질 간 상호작용으로 분석 신뢰도에 영향을 받는다.

이로 인해 단순한 분자량 측정 이상의 정밀한 정량 분석법 개발이 필요하다.

2.2. ADC (Antibody Drug Conjugate)의 분석 복잡성

ADC는 항체에 화학적으로 결합된 약물(payload)을 포함하고 있으며, 분석 항목은 다음과 같이 나뉜다:

• Total antibody
• Conjugated drug
• Unconjugated free drug
• DAR (Drug-to-Antibody Ratio)

이러한 복수의 분석 대상은 단일 분석법으로는 접근하기 어려운 복잡성을 갖는다.

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3. ELISA의 장점과 한계

ELISA는 오랫동안 바이오의약품 정량 분석의 골격이 되어왔다. 그 이유는 다음과 같다:

3.1. 장점

• 높은 민감도 (sub-ng/mL)
• 상대적으로 저렴한 장비와 소모품
• 자동화가 용이한 고처리량 분석

제약사들이 대규모 임상 샘플을 처리하는 데에는 매우 유리한 조건이다.

3.2. 주요 한계

그러나 ELISA는 다음과 같은 구조적 한계를 가지고 있다:

• 항체 의존성 분석(anti-idiotype Ab 필수)
  → 개발 초기에는 사용 불가하거나 오랜 시간 소요
• 정확한 절대정량 불가
  → 표준물질에 의존하여 relative quantitation
• 종종 높은 교차 반응성
  → 타 항체 또는 내인성 단백질과 결합

특히 ADC의 경우, 총 항체(total antibody)와 conjugated drug를 분리 분석하는 데에는 ELISA의 한계가 뚜렷하다.

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4. LC-MS/MS 기반 항체 분석의 가능성과 기술적 도전

4.1. 기술적 접근 방식

LC-MS/MS 기반의 항체 분석은 일반적으로 bottom-up approach를 사용한다. 즉, 단백질을 트립신 등으로 소화한 후, signature peptide를 타겟으로 하여 정량하는 방식이다.

✔ 예: 항체의 CDR(complementarity-determining region)에 특이적인 peptide 선택

또한 ADC의 경우에는:

• Conjugated drug의 release 후 free drug 정량
• DAR 분석을 위한 intact protein LC-MS/MS 혹은 middle-down 분석

도 병행 가능하다.

4.2. 장점

• 표준화된 MS 기기 및 공통 인프라 사용 가능
• 분석 항목의 확장성 (total Ab, free drug, DAR 등)
• 다수의 바이오시료 분석에 일관성 부여
• 항체 개발 초기부터 signature peptide 기반 method 적용 가능

4.3. 도전 과제

그러나 다음의 어려움도 있다:

• 시료 전처리 과정의 복잡성 (단백질 침전, 소화, 정제 등)
• Signature peptide 선정 시 특이성 확보 필요
• 소화 효율의 일관성 확보
• 분석시간 증가 및 비용 상승

결과적으로 숙련된 실험자와 고도화된 method 개발 경험이 필수적이다.

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5. 규제기관(FDA, EMA)의 시각과 최신 동향

5.1. FDA 가이드라인

FDA는 2018년 이후 LC-MS/MS를 항체 정량 분석에도 공식적으로 언급하며 다음을 강조했다:

• Signature peptide 기반의 정확한 target 설정
• Peptide의 stability, recovery, matrix effect 개별 검증
• ELISA 대비 LLOQ가 높은 경우에도, 특정 상황에서는 인정 가능

실제 많은 바이오시밀러 및 ADC 허가 문서에서 LC-MS/MS 기반 총 항체 및 payload 분석이 포함되어 있다.

5.2. EMA의 입장

EMA 또한 LC-MS/MS 기반 분석의 가능성을 다음과 같이 기술한다:

• "Alternative bioanalytical methods may be accepted, provided adequate qualification"
• 피험자 간 면역 반응성 차이를 극복할 수 있는 분석법으로 LC-MS/MS 추천

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6. 실제 사례: Trastuzumab 정량 분석

한 항암 단클론항체(trastuzumab)의 개발 중 LC-MS/MS 기반 signature peptide 분석법이 도입된 사례를 보자.

분석법	LLOQ	Precision (%CV)	분석시간
ELISA	0.1 μg/mL	6.5%	1.5시간
LC-MS/MS	1.0 μg/mL	7.2%	3.5시간

 

ELISA 대비 LLOQ는 높았지만, method robustness와 IS 기반 정량이 가능하다는 점에서 초기 개발 단계 분석법으로 높은 신뢰를 얻었다. 특히 내재적 특이항체(anti-drug antibody)에 영향을 받지 않는다는 점이 큰 장점이었다.

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7. 정리 – ELISA와 LC-MS/MS, 상호보완의 시대

LC-MS/MS는 단순히 ELISA를 대체하는 기술이 아니라, 바이오의약품 개발에 있어 상호보완적인 분석 전략으로 자리매김하고 있다. 요약하면 다음과 같다:

항목	ELISA	LC-MS/MS
민감도	매우 높음	낮은 편
정량 정확성	상대 정량	절대 정량 가능
개발 초기 사용	항체 필요	즉시 사용 가능
분석 대상	Total Ab	Peptide, Free Drug, DAR 등 다양
분석시간	짧음	길음 (전처리 포함)

 

향후 면역 반응성과 이질성이 커지는 신규 항체 플랫폼 (Bispecific Ab, CAR-T 등)이 등장함에 따라, 정량 분석에서도 다중 접근법의 혼용이 요구될 것이다. LC-MS/MS는 이러한 흐름에 있어 매우 유효한 전략이 될 수 있으며, FDA와 EMA의 방향성도 이러한 분석 유연성을 적극 수용하는 쪽으로 바뀌고 있다.

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마무리

바이오의약품 분석의 시대는 여전히 진화 중이다. 더 이상 하나의 분석법으로 모든 문제를 해결할 수 없는 환경 속에서, 분석자에게 요구되는 것은 기술 간 균형 감각과 전략적 판단력이다. ELISA가 제공하는 민감도, LC-MS/MS가 제공하는 정밀성과 다중 분석력—이 두 가지 모두를 적재적소에 활용하는 것이야말로, 지금 우리가 추구해야 할 분석의 방향일 것이다.