ICH Q3D 기반 주사제 원소 불순물 시험 설계

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주사제 원소 불순물 시험 설계 (ICH Q3D 기반)

배경 및 규제 요구사항

ICH Q3D 가이드라인은 의약품 완제품의 원소 불순물(Elemental Impurities)에 대해 **독성학적 기반의 허용 한도(PDE)**를 설정하고, 기존의 비특이적 중금속 시험을 대체하도록 요구합니다. 특히 주사제(비경구 제제)의 경우 경구 제제보다 엄격한 한도가 부여되어 있으며, Class 1 원소(예: 카드뮴 2 µg/일, 납 5 µg/일 등)는 매우 낮은 PDE를 가지고 있습니다. ICH Q3D 가이드라인은 24종 원소에 대한 일일 허용노출량(PDE)을 경구, 주사, 흡입 경로별로 제시하고 있으며, 미국 FDA와 유럽 EMA, 대한민국 MFDS 모두 이를 자국 규제에 도입하여 신약 및 시판 의약품의 원소 불순물 관리전략 수립을 의무화하였습니다. 예를 들어 미국 FDA는 USP <232> 일반챕터를 통해 ICH Q3D의 원소 목록과 PDE 한도를 제시하고 있으며 제약사는 이에 준수해야 합니다. EMA 역시 ICH Q3D를 승인 요건으로 반영하였고, MFDS도 해당 가이드라인을 수용하여 품목 허가 시 원소 불순물 위험평가 및 관리계획 제출을 요구하고 있습니다. 추가적으로, **FDA는 영양주사제(LVP)**의 알루미늄 함량을 특별 관리하여 25 µg/L 이하로 제한하고 있는데, 이는 신생아 등 환자에서 알루미늄 축적을 방지하기 위한 조치입니다.

ICH Q3D의 핵심은 완제품에서 원소불순물이 일일 투여량 기준 PDE 이하로 존재하도록 관리하는 것입니다. 이를 위해 개발단계에서 원소 불순물에 대한 위험성 평가를 실시하여, 원료약 및 부형제, 제조공정(촉매, 설비 등), 용수, 용기/폐쇄 시스템별로 기여 가능한 원소 불순물을 확인합니다. 평가 결과 각 원소가 PDE의 30% 초과 수준으로 존재할 잠재 위험이 있으면 해당 원소를 분석을 통해 확인하거나, 원인 요소를 개선하는 관리전략을 수립해야 합니다. 주사제는 경로 특성상 Class 1, 2A뿐만 아니라 일부 독성이 낮은 Class 3 원소까지도 고려 대상으로 간주되며, 특히 Class 1 (As, Cd, Hg, Pb)과 Class 2A (Co, V, Ni)은 모든 주사제에서 반드시 평가해야 합니다. Table A.2.1에 제시된 ICH Q3D 주사제 PDE 값 일부를 보면 다음과 같습니다:

• Class 1: Cd 2 µg/일, Pb 5 µg/일, As (무기) 15 µg/일, Hg 3 µg/일 등 (독성이 가장 높아 엄격한 한도 적용)

• Class 2A: Co 5 µg/일, V 10 µg/일, Ni 20 µg/일 (역시 비교적 낮은 한도)

• Class 2B: Pd 10 µg/일, Pt 10 µg/일, Ir/Rh/Ru/Os 10 µg/일, Ag 10 µg/일, Au 100 µg/일, Tl 8 µg/일, Se 80 µg/일 등

• Class 3: Li 250 µg/일, Sb 90 µg/일, Ba 700 µg/일, Mo 1500 µg/일, Cu 300 µg/일, Sn 600 µg/일, Cr 1100 µg/일 등 (비교적 독성이 낮아 높은 PDE)

위와 같은 한도를 바탕으로, 각 원소가 제제 최대 투여량에서 PDE를 초과하지 않도록 원료 및 공정을 관리하거나 최종제품에서 분석을 통해 확인해야 합니다. 일반적으로 완제품 내 원소 불순물 함량이 PDE 대비 매우 낮은 것으로 입증되면 정기적 완제품 시험 생략이 가능하지만, 주사제의 경우 안전계수가 적어 초도 생산시부터 각 배치 방출시험으로 관리하는 보수적 전략이 권고됩니다.

분석 방법 선택 기준 및 전략

원소 불순물의 분석을 위해 ICP(유도결합플라즈마) 기반 기기가 주로 사용됩니다. ICH Q3D 도입 이후 제약업계에서는 기존의 황화물 침전법 등의 중금속 한도시험을 대체하여, 개별 원소를 정량할 수 있는 ICP-MS/OES 등의 신규 분석기술 도입이 요구되었습니다. **USP <233>**에서도 원소 불순물 분석을 위해 ICP-MS 또는 ICP-OES의 사용을 권장하고 있으며, 시료 특성에 맞는 전처리 방법(직접 분석, 산 또는 유기용매 희석, 마이크로웨이브 산분해 등)을 선택하도록 명시하고 있습니다. 각 분석 기술의 특징과 적용 기준은 다음과 같습니다:

• ICP-MS (유도결합플라즈마 질량분석): 가장 감도가 높아 ng/mL 수준까지 검출 가능하므로 대부분 원소 불순물에 1차 선택됩니다. 한 번의 주사로 다수 원소를 동시에 정량할 수 있어 효율적입니다. 특히 Class 1 및 2A, 2B 원소들은 주사제 한도가 매우 낮아(수 ppb 수준) ICP-MS 없이는 정밀한 정량이 어려우므로 ICP-MS 적용이 필수적입니다. 단, Ar 가스 기반 플라즈마를 사용하므로 아르곤 중첩 간섭(예: ^40Ar^35Cl^+가 As의 m/z=75 간섭 등)이 발생할 수 있어, 충돌/반응 셀(He 등 사용)을 활용한 보정이 필요합니다. 또한 Hg 등의 원소는 플라즈마 내부 흡착으로 메모리 효과가 나타날 수 있어 세심한 세척과 적절한 내부표준 교정이 요구됩니다.

• ICP-OES (유도결합플라즈마 방출분광): 수 ppb～수 ppm 수준의 감도를 보이며, 다중 원소 동시분석이 가능하고 분석 속도가 빠릅니다. PDE 한도가 비교적 높거나 (Class 3 원소 등) 시료 매트릭스 중 고농도 원소(Na, P 등)가 많아 ICP-MS의 분석간섭이 우려되는 경우 ICP-OES를 고려합니다. 예를 들어 Cu, Fe, Ba와 같이 PDE가 수백 µg/일 이상인 원소들은 ICP-OES로도 충분히 검출 가능하며, 고체 시료를 적게 희석하고도 분석할 수 있는 장점이 있습니다. 다만 ICP-OES는 분광 간섭이 발생할 수 있어, 분광선 선택과 배경보정 기법 활용이 필요합니다.

• 원자흡광분석(AAS): ICP 장비에 비해 단일 원소별로 개별 분석해야 하므로 효율성은 떨어지지만, 장비 운용이 비교적 간단하고 저렴합니다. 그래파이트로 furnace AAS를 활용하면 수 ppb 수준의 감도를 낼 수 있어 ICP-MS 대체가 가능합니다. 예를 들어 일부 제약사는 ICP 도입 전까지 AAS로 As, Pb 등을 개별 관리해왔습니다. 또한 **수은(Hg)**의 경우 전통적으로 냉증기 원자흡광(CV-AAS) 법으로 ppt 수준까지 정량해왔으며, 비소(As), 셀레늄(Se), 안티몬(Sb) 등은 **수소화물 생성 원자흡광(HG-AAS)**으로 감도를 높일 수 있습니다. 따라서 ICP 장비 부재 시 대안으로 AAS를 활용하되, 여러 원소를 순차적으로 분석해야 하므로 시간과 노력이 많이 드는 한계가 있습니다.

이상의 고려를 바탕으로 각 원소별로 적절한 분석 기법을 선정하였습니다. 특히 Class 1 및 2A/2B의 독성이 높은 원소들은 ICP-MS를 기본으로 하고, Class 3이나 비교적 독성이 낮은 원소는 ICP-OES로도 충분히 검출 가능한 경우 ICP-OES를 병행하거나 대체할 수 있습니다. 표 1은 분석 대상 33종 원소별 시험 전략과 권장 장비를 정리한 것입니다 (염화물 포함 총 34항목).

원소별 시험 전략 및 장비 선택

표 1. ICH Q3D 기반 주사제 원소 불순물 관리 시험 전략 (원소별 분석법 및 비고):

원소 (기호) ICH Q3D 분류 주사제 PDE (µg/day) 권장 분석법 비고

표 1: 각 원소별 권장 시험방법 및 고려 사항. ICH Q3D 분류와 PDE는 가이드라인상의 주사제 기준값이며, N/A는 공식 분류/한도가 없음을 의미합니다.

상기 표에서 보듯이 **Class 1 원소 (As, Cd, Hg, Pb)**는 독성이 가장 크고 허용한도가 가장 낮으므로 ICP-MS를 통한 정밀분석이 요구됩니다. **Class 2A (Co, V, Ni)**와 **Class 2B (Ag 등 촉매유래 원소)**도 대부분 주사제 PDE가 5~20 µg/일 수준으로 낮아 ICP-MS를 활용한 동시다중 분석이 효과적입니다. 한편 Class 3 원소들은 허용한도가 비교적 높아, 해당 불순물이 다량 존재할 우려가 적거나 검출되더라도 ppm 단위까지 허용될 수 있습니다. 이 경우 ICP-OES로도 충분한 감도를 얻을 수 있으며, 실제로 일부 제약사는 Class 3 원소들에 한해 ICP-OES를 써서 분석 시간을 단축하기도 합니다. 표에서 권장된 주 기법 외에 부가적인 대안도 참고할 수 있습니다. 예를 들어 Hg의 경우 ICP-MS 이외에 냉증기-AAS를 보조법으로 활용하거나, As/Sb/Se의 경우 수소화물 생성 AAS 기법으로 감도를 향상시키는 방법도 있습니다. 다만 다원소 동시분석이 불가능한 대안법들은 특정 원소의 보충적 확인시험으로 활용하고, 기본적인 배치 방출시험은 ICP 기반 방법으로 수행하는 것이 효율적입니다.

시료 전처리 및 품질보증 고려사항

시료 전처리는 제형 특성과 분석 기기 종류에 따라 최적화합니다. 주사제의 경우 크게 용액형 제제와 분말 또는 현탁형으로 나눌 수 있습니다:

• 용액형 주사제: 시료를 적절히 희석하여 바로 분석 가능합니다. 일반적으로 ICP-MS/OES 분석 시 시료를 묽은 산으로 희석하여 원소들을 안정화시킵니다. 예를 들어 주사용수 기반 용액은 12% HNO_3 용액으로 1050배 희석함으로써 기기 플라즈마에 적합한 매트릭스로 맞춥니다. 시료가 유기용매 기반일 경우 적절한 용매로 희석하거나 필요시 미량의 유기용매 호환성 개선 조치를 취합니다. 이때 내부 표준물질(Internal Standard)을 소량 첨가하여 분무 효율이나 계기 신호 드리프트를 보정할 수 있습니다 (예: Indium, Yttrium, Rhodium 등을 수 ppb 수준으로 첨가).

• 분말/현탁형 주사제: 동결건조 분말이나 현탁 주사제 등은 균질한 시료 채취를 위해 산분해 소화 과정을 거칩니다. 일반적으로 밀폐형 마이크로웨이브 소화를 사용하여 시료를 완전히 용해합니다. 대표적으로 농질 질산(HNO_3)과 과산화수소(H_2O_2) 혹은 염산(HCl)을 혼합한 산혼합물을 사용하여 120~200℃로 가열 소화하면 유기물질을 분해하고 금속/무기 성분을 모두 용출할 수 있습니다. 소화 후에는 내용물을 여과하거나 증류수로 정용하여 일정 부피로 맞춘 뒤 분석에 투입합니다. 이러한 산분해 전처리는 시료 내 원소불순물을 최대한 회수하기 위한 방법으로, 특히 난용성 성분이 있거나 분석 대상 원소가 용액에서 흡착/손실될 우려가 있는 경우 적용합니다. 단, 소화 시 사용되는 시약 자체의 블랭크 기여도가 낮아야 하므로 고순도 초순수와 초석회질산 (trace grade) 등의 시약을 사용해야 합니다. 또한 유리 용기에서 금속이 용출되거나 시료의 목표 원소(예: B, Na 등)가 백그라운드로 섞일 수 있으므로 불활성 재질 용기(테플론 폭기 등)를 사용하는 것이 바람직합니다.

전처리된 시료는 ICP-MS/OES 장비의 검량범위에 맞도록 희석배수와 매트릭스 조성을 최적화합니다. USP <233>에서는 최종 분석용액 중 목표 원소의 최대 허용농도(J값) 계산법을 제시하고 있는데, 이는 PDE를 일일 최대투여량으로 나누어 산출한 농도로서 각 원소의 규제 한도농도에 해당합니다. 분석법은 해당 J값의 50% 수준까지 정량 가능하도록 설정하는 것이 권장됩니다. 따라서 검량선은 J값 대비 0.5배 ~ 1.5배 농도 범위로 구성하고, 검출한계(LOD)와 정량한계(LOQ)는 충분히 낮은지 검증합니다. 다중원소 혼합 표준용액(CRM)을 사용하여 5~6점 검량선을 작성하고, 내부표준을 통해 신호 세기를 보정하면 원소별 정확도를 높일 수 있습니다.

품질보증(QA) 요소로서 매 시험마다 **공시료(blank)**와 **품질관리 시료(QC)**를 함께 분석합니다. 공시료는 시약과 용매만으로 준비하여 환경 오염이나 시약 기여도를 확인하는 용도로, 각 원소가 LOQ 미만으로 검출되는지 확인합니다. QC 시료는 시료 매트릭스에 원소 표준물을 스파이크한 것으로, 일반적으로 목표 농도의 50%, 100%, 150% 수준으로 첨가하여 회수율을 확인합니다. 배치 방출시험의 신뢰성을 위해, 스파이크 회수율이 사전에 정의된 기준(일반적으로 70150% 사이)에 들어와야 합니다. 예를 들어 아데노신 주사제에 10종 원소를 첨가하여 회수율을 평가한 연구에서도 모든 원소에서 70150% 범위의 정확도를 보여 해당 방법이 적합함을 확인하였습니다. 또한 이 연구에서는 검량선 직선성(R^2 > 0.99)과 LOQ 수준에서의 재현성 등을 입증하여 ICP-MS법의 유효성을 검증하였습니다. 이처럼 방법 밸리데이션을 통해 정확도(스파이크 회수), 정밀도(반복분석 RSD), 직선성, LOQ 등을 충족시킨 후, 배치 방출시험용 공식시험법으로 설정하게 됩니다.

일반적인 분석 절차는 아래와 같습니다:

1. 시약/기구 준비 및 계기 설정: 모든 시약과 용기류가 원소 불순물 저오염 등급인지 확인합니다. ICP-MS의 경우 분석 전에 질량축 보정, 분해능 조정, 필요 시 충돌셀 기체 조건(He, O2 등)을 최적화하고, ICP-OES는 선택 파장 및 분광 간섭 보정 설정을 검토합니다. 분석 대상 원소별로 적절한 분석질량 혹은 파장을 미리 선정하여 스펙트럼 간섭을 최소화합니다.

2. 검량선 작성: 다원소 혼합 표준용액 또는 개별 표준용액을 사용하여 검량용 시료를 준비합니다. 요구되는 검출민감도를 고려하여 표준용액 농도를 결정하며, 보통 5~6개 농도 점을 최소 LOQ의 0.5배 ~ 1.5배 J값 구간에 분포시키고 직선 회귀를 얻습니다. 표준용액과 동일한 농도로 내부표준물질을 포함시켜 보정하는 것이 일반적입니다. 검량선의 상관계수(R^2)가 0.995 이상 등 사전에 정의한 기준을 만족하는지 확인합니다.

3. 시료 전처리 및 측정: 각 배치의 시료를 전처리하여 준비한 후, ICP 장비로 측정합니다. 다중원소 동시분석 모드로 구동하여 대상 원소 30여 종의 신호를 모두 획득합니다. 분석 중 교차오염 방지를 위해 원소 간 세척 단계(rinse)를 충분히 두고, 메모리 효과가 큰 Hg 등의 경우 마지막에 별도 세척을 실시합니다. 필요시 주입 순서상 농도 낮은 시료부터 높은 시료 순으로 진행하여 carryover 영향을 줄입니다.

4. 결과 처리 및 검증: 얻어진 각 원소별 농도를 일일 투여량 기준으로 환산하여 PDE 대비 %로 평가합니다. 모든 원소가 규제 한도 미만이면 배치에 대해 적합 판정을 내립니다. 만약 특정 원소가 사전 설정된 **관리기준(예: PDE의 30%)**을 초과하면 원인 조사 및 CAPA를 실시하고, 배치 방출 여부를 결정합니다. 매 분석마다 함께 측정된 QC 시료의 회수율이 적합 범위에 있고, 공시료에서 유의한 피크가 검출되지 않았음을 확인하여 분석의 신뢰성을 보증합니다. 또한 주기적으로 표준용액을 재분석하여(예: 10번째 샘플마다 중간 QC 측정) 계기의 드리프트나 감도 저하가 없는지 확인하는 것도 중요합니다.

5. 정기적 시험 주기 검토: 초기 몇 개 배치에 대한 데이터가 축적되고, 원소 불순물이 지속적으로 PDE의 매우 낮은 수준(예: <30%)으로 검출될 경우 시험 주기를 연장하거나 주기적 모니터링으로 전환할 수 있습니다. 이때에는 철저한 위험 평가를 근거로 규제당국에 사후관리전략으로 제출하여 승인받아야 합니다. 단, 주사제는 잠재위험이 높으므로 최소 처음 승인 후 몇 개 롯트에 대해서는 각 배치 시험을 실시하는 것이 권장되며, 변경 시에도 사전 협의가 바람직합니다.

적용 사례 및 고찰

위 설계안은 현재 다수의 제약사에서 사용하고 있는 원소 불순물 관리전략을 반영한 것입니다. 실제로 ICP-MS를 이용한 다성분 동시 분석법은 다양한 제형에 적용되고 있으며, 문헌 보고에 따르면 20여 종 이상의 원소를 한 번의 분석으로 신속 정확하게 정량할 수 있습니다. 예를 들어 Shimadzu의 응용 사례에서는 ICP-MS를 활용해 정제 1개 함유량 수준에서 24종 원소를 검출한계 이상 정밀 분석하였고, 모든 원소에서 PDE 기준을 충족하는 결과를 얻었습니다. 또한 앞서 언급한 연구에서 아데노신 주사제에 존재할 가능성이 있는 10종의 중금속 원소(Cd, Pb, As, Hg 등)를 ICP-MS로 동시 정량하고 밸리데이션 한 결과, 높은 직선성(R^2>0.99)과 양호한 회수율(70~150%)을 보여 해당 주사제에 적용 가능한 시험법을 확립하였습니다. Agilent 등의 기기 제조사에서도 ICP-OES를 이용한 원소 불순물 분석법을 제시하고 있는데, Aspirin 제제에 대한 예시에서 24종 원소를 ICP-OES로 분석하여 밸리데이션을 수행한 사례가 있습니다. 이처럼 ICP-MS/OES 기반 분석법은 실제 규제 순응을 위해 충분한 성능을 보유하고 있으며, 제약 업계에서도 ICH Q3D 준수를 위한 표준 방법으로 정착되었습니다.

특히 주사제의 특성을 고려할 때, 제조공정이나 용기에서 유래하는 특이 원소(예: 텅스텐: 주사기 니들 가공잔류물, 붕소/나트륨: 유리 용출물 등)까지도 폭넓게 모니터링 하는 것이 권고됩니다. 이러한 원소들은 ICH Q3D에 명시적 한도는 없어도 품질 영향이 있을 수 있으므로 위 설계안처럼 관리 대상에 포함하였습니다. 염화물(Cl^-)의 경우 금속성 원소는 아니지만 주사제 내 과도한 무기염 존재는 제품 안정성이나 투여 안전성에 영향을 줄 수 있어, 필요 시 이온크로마토그래피 등의 방법으로 확인합니다. 예컨대 제조공정 중 HCl을 사용한 경우 최종세정이 적절했는지 잔류 염소이온 시험을 실시할 수 있습니다.

결론

ICH Q3D 가이드라인을 준수하는 주사제 원소 불순물 시험 설계안을 정리하면 다음과 같습니다. 미국, 유럽, 한국의 규제 기준에 부합하도록 24종 이상의 유해 원소에 대한 PDE 한도를 고려하였고, 각 원소의 특성에 따라 ICP-MS, ICP-OES, AAS 등의 분석법 선택 기준을 제시하였습니다. 주사제 제형의 시료 특성에 맞춘 전처리 방법(직접 희석 vs. 산분해)을 기술하고, 스파이크 회수시험 등 품질보증 절차를 포함하였습니다. 또한 문헌 및 업계 사례를 통해 해당 분석 전략의 타당성과 실효성을 뒷받침하였습니다.

제시된 시험법은 한 번의 분석으로 대부분의 원소 불순물을 동시에 검출할 수 있어 효율적이며, 엄격한 밸리데이션과 지속적 QC 모니터링을 통해 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 이로써 주사제 제품이 환자에게 투여될 때 중금속 및 유해 원소로 인한 위험을 최소화하고, 규제 당국의 요구 사항을 만족하는 품질 보증체계를 갖출 수 있을 것입니다. 지속적인 위험 평가와 데이터 축적을 통해 추후 필요한 경우 시험 주기 최적화 등의 조정도 가능하며, 궁극적으로 ICH Q3D 원칙에 입각한 원소 불순물 관리가 제품 수명주기 전반에 걸쳐 이루어지도록 합니다.