Ultra-fast LC-MS/MS를 활용한 고처리량(High-throughput) 약물 분석 전략

Ultra-fast LC-MS/MS를 활용한 고처리량(High-throughput) 약물 분석 전략

1. 들어가며: 왜 지금 High-throughput LC-MS/MS인가?

제약사 분석팀에서 하루에도 수백~수천 개의 시료를 분석해야 하는 상황은 더 이상 이례적인 일이 아니다. 장기 안전성 시험, 비임상 독성시험, FIH 초기 임상에서 수집되는 PK 시료, formulation별 비교 연구까지 겹치면, 어느 순간부터 분석팀의 일상은 “샘플이 쌓여가는 속도를 장비가 따라가지 못하는” 상태에 빠지게 된다.

최근 몇 년 동안 국내 제약사, 특히 한미약품처럼 파이프라인이 넓고 임상 단계가 다양하게 병행되는 기업의 경우, 분석팀은 단순히 정확한 LC-MS/MS 분석뿐 아니라 분석 속도(time-to-result)를 경쟁력으로 삼아야 하는 상황에 들어섰다. 신약 개발 속도가 곧 회사의 생존과 직결되는 시대이기 때문이다.

이런 환경 속에서 다시 주목받는 기술이 바로 Ultra-fast LC-MS/MS다.
이 기술은 말 그대로 한 개의 분석을 몇 분이 아니라 수십 초 단위로 줄이는 방식이다.

예를 들어, 기존에 5~6분 소요되던 PK 분석이 0.5~1.0분으로 단축되면 어떤 일이 벌어질까?

• 하루 처리량: 수백 건 → 수천 건
• 분석 인력: 동일 인력으로 2~3배 이상 처리
• 임상 샘플 TAT: 일 단위 → 당일 혹은 익일 수준
• 플랫폼 표준화: 전 프로젝트에 공통 적용 가능

즉, 분석팀은 단순히 처리 속도를 높이는 것이 아니라,
임상·비임상 전체 개발 전략의 속도를 뒤바꾸는 역할을 하게 된다.

이번 글에서는 초고속 LC-MS/MS 분석의 원리부터, 장비 셋업, 전처리 간소화, column·gradient 최적화, 데이터 품질 유지법, 그리고 실제 제약사 실무 적용 전략까지 실제 분석팀의 경험과 workflow 기반으로 자세하게 다뤄보겠다.

2. Ultra-fast LC-MS/MS의 핵심 원리 – 무엇을 줄이고 무엇을 남겨야 하는가

Ultra-fast LC-MS/MS는 본질적으로 두 가지 목표를 가진다.

① LC 구간 단축 (chromatographic run time 감소)

기존 5–8분 → 0.3–1.0분

• column 길이 단축 (50 mm → 20 mm → 10 mm)
• particle size 축소 (3 μm → 1.7 μm → sub-2 μm)
• flow rate 증가 (0.3 mL/min → 0.7–1.0 mL/min)
• fast gradient 운영 (초기 조건 유지 없음, 즉시 elution)

즉, 분리 효율을 “필요 수준까지만” 챙기고 그 외의 여백은 제거한다.

② MS dwell time 최소화 및 scheduling MS 활용

• dwell time 감소 (20–30 ms → 5–10 ms)
• scheduled MRM 적용 → retention window 내에서만 측정
• polarity switching 최소화 (가능하면 1 polarity로)

초고속 분석에서 가장 중요한 것은 MS가 “목적 화합물이 용출하는 순간만” 집중하도록 만드는 것이다.

3. 초고속 분석을 가로막는 가장 흔한 오해들

고처리량 분석을 실제로 도입하면 다음과 같은 오해 또는 시행착오가 자주 발생한다.

오해 1: 러닝타임을 줄이면 분석 품질이 반드시 떨어진다? → 사실 아님

분석 품질이 떨어지는 것처럼 보이는 대부분의 경우는
분리 문제 자체가 아니라 “주입 용매·기기 dead volume·RT variability” 등 LC 시스템의 미세 문제 때문이다.

적절한 셋업을 하면 초고속에서도 충분히 높은 accuracy와 precision을 확보할 수 있다.

오해 2: 초고속 방법은 수명(short lifetime)이 짧다? → 절반만 맞음

Ultra-fast LC에서 column은 더 빠르게 stress를 받는 것은 사실이지만,
정확히는 “column이 아니라 LC 펌프·seal·tubing 장력” 등 시스템적 문제가 더 크다.

현대 UHPLC는 15,000 psi까지 안정적으로 버틴다.
Column은 오히려 최신 sub-2 μm 제품이 더 오래 버티기도 한다.

오해 3: baseline이 흔들리면 방법 전체가 불안정하다? → baseline은 완벽할 필요가 없음

0.5–0.7분 내에 elution이 끝나는 fast gradient에서는 baseline 자체가 안정적일 이유가 없다.
중요한 것은 baseline의 흔들림이 analyte peak area에 영향을 주지 않는지다.

즉, baseline quality는 품질 지표가 아니다.

4. 초고속 LC-MS/MS 개발의 실제 workflow

고처리량 분석 도입을 준비하는 제약사 분석팀에서 가장 궁금해하는 것은
“아무것도 없는 상태에서 어떻게 시작할까?” 이다.

아래는 실무에서 실제 사용하는 초고속 LC-MS/MS 개발 절차다.

Step 1. 분석 목표 설정 (1분 이내인지? 30초 이내인지?)

• 타깃 처리량: 하루 2,000건? 5,000건?
• 필요한 peak capacity: 2성분? 10성분?
• 분석 농도 범위: LOQ 0.1 ng/mL? 1 ng/mL?

Step 2. Column 선택

초고속에서 가장 많이 쓰는 조합:

① 10 × 2.1 mm / 1.7 μm C18

• 가장 전통적
• 대부분 small molecule에 최적화

② Biphenyl column 또는 Phenyl-hexyl

• aromatic compound에 유리
• fast gradient에서도 selectivity 유지

③ Fused-core particle (2.7 μm)

• 낮은 backpressure → flow rate 증가 가능
• 품질은 sub-2 μm에 근접

Step 3. Gradient 설정

가장 보편적인 ultra-fast gradient 예시:

 

Time (min)	%B
0.00	5
0.05	90
0.30	90
0.31	5
0.50	STOP

즉, run time 0.5분.

Step 4. Flow rate & column temperature

• Flow: 0.6–1.0 mL/min
• Column temp: 50–60°C

온도 상승은 압력을 낮추고 peak shape을 개선하는 데 매우 효과적이다.

Step 5. MS parameter tuning

• dwell time: 5–10 ms
• collision energy 최적화 자동화
• scheduled MRM 적용 (RT window 0.15–0.2분)

Step 6. Fast autosampler cycle time 확보

고처리량 시스템의 병목지점은 사실 LC가 아니라 autosampler다.

대부분의 분석팀이 간과한다.

• injection cycle time을 10초 이내로 줄여야 진짜 초고속이 된다.
• Needle wash 시간을 2~3단계에서 1단계로 통합
• Pre-injection delay 제거
• Partial loop injection 방식 사용

5. Ultra-fast 분석을 방해하는 문제와 해결 전략

실제 분석팀에서 가장 자주 겪는 실패 사례를 정리해 보면 다음과 같다.

문제 1: Peak이 너무 빠르게 지나가 selective하지 않음

이는 column chemistry의 문제이다.

✔ 해결 전략

• biphenyl column으로 교체 → aromatic 특성 유지
• column 길이를 10 mm에서 20 mm로 약간 늘림
• pH 튜닝 적용 (pKa 기반 selectivity 변동)

문제 2: retention time drift

초고속에서는 RT drift가 매우 치명적이다.

✔ 해결 전략

• column 온도 변동 최소화 → 60°C 고정
• LC preheater 사용
• 배관 dead volume 최소화

문제 3: matrix effect 심화

초고속에서는 elution window가 짧아 dirty matrix가 동시에 나오며 suppression이 증가한다.

✔ 해결 전략

• SPE 대신 protein precipitation + quick wash 조합
• phospholipid removal plate 적용
• scheduled MRM window를 0.2분 이하로 축소
• internal standard retention time을 analyte와 최대한 일치

6. Ultra-fast LC-MS/MS의 핵심 전처리 전략: “간소화가 곧 고처리량”

속도를 올리는 가장 강력한 방법은 사실 LC가 아니라 전처리 단순화다.

1) PPT(Protein Precipitation)의 단점 극복

• 고농도 organic → injection volume 제한
• phospholipid 간섭 → matrix effect 상승

해결책

• PPT 후 1:1 희석하여 organic 비율 조정
• phospholipid removal plate 1-step 적용

2) SLE (Supported Liquid Extraction)

• PPT 대비 cleaner matrix
• 초고속 LC와 매우 잘 맞음

3) Online SPE + fast-LC 조합

상당수 글로벌 제약사가 이미 사용 중.

• 전처리 인력 거의 불필요
• carryover 위험 낮음
• LC cycle time 단축

7. 고처리량 LC-MS/MS가 바꾸는 제약사 분석팀의 미래

국내 제약사 분석팀의 공통된 고민은 다음과 같다.

• 임상 sample 분석 TAT 지연
• 1인당 분석 생산성 정체
• ISR 실패율 증가
• re-analysis 증가
• 프로젝트 간 병목현상

Ultra-fast LC-MS/MS는 이 모든 문제를 구조적으로 해결한다.

① 분석 throughput: 2~5배 증가

1000 sample/day → 3000–5000 sample/day
(장비 추가 없이)

② 전처리 인력 감소: 30–50% 절감

단순 PPT 기반 automation 가능

③ 임상시험 속도 상승

경구제제 formulation 비교 → 1주 단축
비임상 dose-escalation → 2–3주 단축

④ 프로젝트 우선순위 전략 재배열 가능

분석팀이 개발 속도를 결정하지 않음 → 병목 제거

8. 고처리량 LC-MS/MS 구축을 위한 제약사 실무 체크리스트 (현장에서 실제 사용)

Ultra-fast LC-MS/MS를 도입하려는 분석팀이 반드시 확인해야 할 체크리스트를 정리했다.

[A] 장비 구성 체크

• Pump pressure 15,000 psi 이상?
• Autosampler cycle time < 10초?
• Column oven preheater 존재?
• MS polarity switching < 20 ms?
• Scheduled MRM 지원?

[B] Column 선택 체크

• Sub-2 μm or core-shell particle?
• 10 mm or 20 mm length?
• 50–60°C stable?
• Matrix compatibility 검증 완료?

[C] LC configuration 체크

• 0.3–1.0 mL/min flow 유지 안정성
• gradient delay volume 최소화
• tubing dead volume 100 µL 이하
• injector wash solvent 최적화

[D] 전처리 체크

• phospholipid 제거 여부
• PPT 후 dilution factor ≥ 3x
• carryover < 20% LOQ 기준
• autosampler stability ≥ 24h

[E] Quality 유지 체크

• QCs span: LLOQ, low, mid, high
• RT RSD ≤ 2%
• ISR acceptance ≥ 67%
• Peak width ≥ 3 sec (0.05 min)

9. 결론: Ultra-fast LC-MS/MS는 “트렌드”가 아니라 “필수 전략”이다

초고속 LC-MS/MS는 단순히 빠른 분석을 위한 옵션이 아니라
제약사 전체 개발 생산성의 핵심 인프라다.

High-throughput 분석이 가능해지면

• 분석팀의 병목이 사라지고
• 임상/비임상 전체 일정이 단축되며
• 신약 개발의 속도 자체가 달라진다.

특히 국내 제약사처럼 대규모 PK/TK 분석이 동일 시점에 몰리는 구조에서는
Ultra-fast LC-MS/MS는 사실상 “필수 기술”이다.

앞으로 분석팀이 AI 기반 peak integration, digital QC, automated sample prep까지 도입하면
초고속 LC-MS/MS는 단순히 분석 속도 증가 이상의 가치를 제공할 것이다.