Lesson 17 of 20

LNP 제조 — 네 가지 지질과 마이크로유체 혼합

제9장 「DLin-MC3-DMA 이온화 지질, DSPC, 콜레스테롤, PEG-DMG. 이 네 가지를…」

지질 하나로는 입자가 안 됩니다. 네 가지가 필요하고, 각각 다른 일을 합니다.

성분	몰비	노릇
SM-102 (이온화 지질)	50%	mRNA 를 붙잡고, 엔도솜에서 탈출시킨다 — 16강
DSPC (인지질)	10%	이중층의 뼈대. 꼬리가 곧고 길어 막을 단단하게 만든다
콜레스테롤	38.5%	지질 사이 빈틈을 메운다. 막 유동성을 조절하고 새는 것을 막는다
PEG-DMG	1.5%	바깥에 물 이불을 덮는다 — 아래

이 몰비는 Moderna 의 mRNA-1273 (COVID-19 백신)이 쓴 것과 같습니다. 50 : 10 : 38.5 : 1.5. 이야기가 이 조성을 그대로 가져온 것입니다.

High school네 가지 기름이 각자 다른 일을 한다

지질(기름) 하나로는 입자가 안 됩니다. 네 가지가 필요해요.

성분	비율	하는 일 (한마디로)
SM-102	50%	약을 붙잡고, 나중에 막을 뚫는다
DSPC	10%	벽을 만든다
콜레스테롤	38.5%	벽의 틈을 메운다
PEG-DMG	1.5%	바깥에 이불을 덮는다 (최종 배치는 1.8%)

이 비율은 어디서 왔나

Moderna 의 COVID-19 백신과 똑같은 비율입니다. 50 : 10 : 38.5 : 1.5.

이야기에서 이 조성을 그대로 가져다 쓴 거예요. 이미 수억 명에게 쓰인 조합이니 출발점으로 삼기에 안전합니다.

PEG-DMG — 1.5% 밖에 안 되는데 가장 자주 문제가 되는 성분

PEG 는 폴리에틸렌글리콜, 물을 잘 붙잡는 사슬입니다. DMG 는 그 사슬을 지질에 매어 두는 닻(디미리스토일글리세롤)입니다. 그러니 PEG-DMG = 지질 꼬리에 매단 PEG 사슬입니다.

입자 바깥으로 삐져나온 PEG 사슬이 물 분자를 붙잡아 수화층을 만듭니다. 그 이불이 하는 일이 셋입니다.

입자끼리 안 뭉치게 한다 — 없으면 만들자마자 덩어리가 진다
혈청 단백질과 면역계의 눈을 피한다 — 대식세포에게 덜 걷힌다
제조 중 입자 크기를 정한다 — 아래

PEG 비율을 올리면 입자가 작아진다

지질이 뭉치는 도중에 PEG 지질이 표면에 붙으면 거기서 성장이 멈춥니다. PEG 가 많을수록 일찍 멈추니 입자가 작아집니다. 1.5% 가 91 nm 를, 1.8% 가 최종 배치의 88 nm 를 만들었습니다.

대신 PEG 가 너무 많으면 엔도솜에서 벗겨지지 않아 탈출을 방해합니다. 그래서 DMG 처럼 짧은 닻을 씁니다 — 몸 안에서 슬슬 빠지도록.

High school1.5% 짜리 성분이 왜 그렇게 중요한가

PEG-DMG 는 전체의 1.5% 밖에 안 됩니다. 그런데 가장 자주 문제가 됩니다.

PEG 가 하는 일 — 물 이불

PEG 는 물을 잘 붙잡는 긴 사슬입니다. 입자 바깥으로 삐져나와 물 분자를 잔뜩 붙들고 있어요. 그게 수화층 입니다.

이불이 하는 일	없으면
입자끼리 안 붙게	만들자마자 덩어리가 짐
면역계의 눈을 피함	대식세포에게 금방 걷힘
입자 크기를 정함	입자가 계속 커짐

세 번째가 흥미롭습니다

지질이 뭉치는 도중에 PEG 지질이 표면에 붙으면 거기서 성장이 멈춥니다. PEG 가 많을수록 일찍 멈추니 입자가 작아집니다.

눈사람을 굴리다가 랩으로 감싸는 것과 비슷해요. 일찍 감싸면 작은 눈사람이 됩니다.

마이크로유체 혼합 — 왜 그냥 섞으면 안 되나

지질 쪽: 네 가지 지질을 에탄올에 녹인다 (지질은 물에 안 녹는다).

RNA 쪽: mRNA 를 산성 완충액(pH 4 근처)에 녹인다. 그 pH 에서 이온화 지질은 양전하이므로 음전하 RNA 를 붙잡을 수 있다.

합치면: 에탄올이 물에 희석되는 순간 지질이 더는 녹아 있을 수 없게 되어 스스로 뭉칩니다(자기조립). 그때 근처에 있던 RNA 를 안에 가둡니다.

문제는 이 뭉침이 순식간이라는 것입니다. 밀리초 단위입니다.

비커에 부어 섞으면

먼저 섞인 곳과 나중에 섞인 곳의 조건이 다릅니다. 작은 입자와 큰 입자가 뒤죽박죽 — PDI 가 높아집니다

마이크로유체 채널

머리카락 굵기 채널에서 두 흐름이 만나 모든 분자가 거의 같은 조건에서 섞입니다. 입자들이 고르게 나옵니다

마이크로채널 내 난류 혼합: 유속비 3:1, 총 유속 12 mL/min

손잡이	올리면	왜	최종 배치
총 유속	입자가 작아짐	더 빨리 섞이니 뭉칠 시간이 짧다	12 mL/min
유속비 (수용액:에탄올)	비율을 올리면 작아짐	에탄올이 더 빨리 희석되어 뭉침이 빨리 멈춘다	3:1 → 4:1
혼합 온도	내리면 촘촘해짐	지질 사슬이 덜 움직여 더 빽빽하게 쌓인다	상온 → 4 ℃
PEG-DMG 비율	입자가 작아짐	표면을 덮어 성장을 멈춘다	1.5% → 1.8%
N/P 비 (지질 아민 : RNA 인산)	봉입효율이 올라감	RNA 를 붙잡을 양전하가 넉넉해진다	—

오른쪽 칸의 세 화살표가 16강에서 본 그 세 가지입니다. 셋 다 코어를 촘촘하게 만드는 방향이고, 촘촘하면 겉보기 pKa 가 내려갑니다. 크기와 pKa 를 같은 손잡이가 함께 움직인다는 것이 이 강의 요점입니다.

손잡이 하나가 다섯 값을 함께 움직입니다. 그리고 그중 넷이 좋아 보여도 작동은 안 할 수 있습니다.

Python Runs in your browser

# 세 배치를 나란히 놓고, 손잡이가 다섯 값을 어떻게 함께 끌고 가는지 봅니다.
import numpy as np, pandas as pd

# 2차 배치(3:1 · 22 C · 1.5%)를 기준점으로 놓고 맞춘 경험식입니다.
# 실제 공정식이 아니라, 손잡이가 다섯 값을 함께 끄는 것을 보이기 위한 모형입니다.
def batch(flow, temp_c, peg):
    # 코어가 얼마나 촘촘한가 -- 급하게 뭉치고 차가울수록 촘촘하다. 기준점에서 0.
    pack = np.clip(0.50*(flow - 3) + 0.0278*(22 - temp_c), 0, 2)
    apka = 6.68 - 0.27*pack                          # 촘촘할수록 내려간다 (16강)
    size = 91*(1.5/peg)**0.10*(3/flow)**0.06
    pdi  = 0.09 + 0.020*pack
    ee   = np.clip(93.8 + 1.30*pack, 0, 99)
    return apka, size, pdi, ee

runs = [
    ("2차 · SM-102", 3.0, 22, 1.5),
    ("유량비만 4:1",  4.0, 22, 1.5),
    ("+ 4 도로",      4.0,  4, 1.5),
    ("+ PEG 1.8% (최종)", 4.0, 4, 1.8),
]
rows = []
for name, f, t, pg in runs:
    a, sz, d, e = batch(f, t, pg)
    rows.append((name, f"{f:.0f}:1", f"{t:.0f}C", f"{pg:.1f}%",
                 f"{a:.2f}", f"{sz:.0f} nm", f"{d:.2f}", f"{e:.1f}%"))
print(pd.DataFrame(rows, columns=["배치","유량비","온도","PEG",
                                  "겉보기pKa","크기","PDI","봉입"]).to_string(index=False))
print()
print("이야기의 실제 값 -- 배치 셋")
print("  1차 (9장)     210 nm · PDI 0.31 · 봉입 65%              -> 크기부터 실패")
print("  2차 (11장)     91 nm · PDI 0.09 · 봉입 93.8% · pKa 6.68 -> QC 통과. 그런데 탈출 실패")
print("  최종 (11장)    88 nm · PDI 0.11 · 봉입 95.1% · pKa 6.41 -> 성공")
print()
print("가운데 줄을 보세요. 크기도 PDI 도 최종 배치보다 오히려 좋습니다.")
print("그런데 세포 안에서 작동하지 않았습니다.")
print("QC 숫자는 '잘 만들어졌나' 를 잴 뿐, '작동하나' 를 재지 않습니다.")

High school위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

손잡이 네 개(총유속 · 유속비 · PEG 비율 · N/P 비)를 하나씩 돌려 가며 크기 · 봉입효율 · PDI 가 어떻게 변하는지 표로 찍었습니다.

첫 줄이 실패한 1차 배치(210 nm, 65%), 마지막 줄이 목표에 가까운 조건입니다.

여기서 볼 것 — 손잡이가 서로 싸운다

손잡이를 돌리면	좋아지는 것	나빠지는 것
유속을 올림	크기 ↓	—
PEG 를 늘림	크기 ↓	나중에 엔도솜 탈출이 어려워짐
N/P 를 올림	봉입효율 ↑	지질이 많아져 독성 ↑

이야기의 "이틀째, 사흘째. 크기가 줄어들었지만 봉입 효율이 올라가지 않았다" 가 이 표의 줄들입니다. 제형 개발의 실제 모습이에요.

그런데 더 무서운 일이 있습니다

2차 배치는 크기도 PDI 도 봉입도 다 좋았습니다. 그런데 세포에서 실패했어요.

왜냐면 QC 는 시험관 안의 입자만 봅니다. 언제 켜지는가(겉보기 pKa)는 그 어느 숫자에도 안 나타나요.

잘 만든 것과 작동하는 것은 다른 물음입니다

High school손잡이를 다 돌려도 안 될 때는 재료를 바꾼다

이야기에서 일주일을 헤매다가 결국 어떻게 풀었나요?

조성을 조절한 게 아니라 이온화 지질 자체를 바꿨습니다. SM-102 로.

이게 중요한 교훈입니다

상황	해야 할 일
손잡이를 돌리면 조금씩 나아짐	계속 돌린다
하나를 좋게 하면 다른 게 꼭 나빠짐	재료를 의심한다

수학 문제를 풀 때도 같습니다. 같은 방법으로 계속 시도해도 안 되면 계산을 더 열심히 하는 게 아니라 접근을 바꿔야 합니다.

막혔을 때 물어야 할 것 — "더 노력할 문제인가, 방법을 바꿀 문제인가"

🤔 Check yourself

PEG-DMG 가 전체의 1.5% 밖에 안 되는데도 결정적인 성분인 이유로 알맞지 않은 것은?

🤔 Check yourself

비커에 부어 섞는 대신 마이크로유체 채널을 쓰는 가장 중요한 이유는?