콘텐츠로 건너뛰기
Merck

Permeability 실험 가이드:
약물 투과성 평가 방법과 비교

Permeability 실험은 세포 장벽을 통과하는 약물의 이동 속도와 정도를 정량화해, 약물의 장 흡수 가능성이나 혈뇌장벽 통과 가능성을 예측하는 평가 방법입니다.

Home진행 중인 캠페인실험 Q&A 지식 허브 | 머크 라이프사이언스Permeability 실험 가이드: 약물 투과성 평가 방법과 비교

Permeability 실험 가이드: 약물 투과성 평가 방법과 비교

Permeability 실험은 세포 장벽을 통과하는 약물의 이동 속도와 정도를 정량화해, 약물의 장 흡수 가능성이나 혈뇌장벽 통과 가능성을 예측하는 평가 방법입니다.

본 글에서는 세포 단층 기반 Transwell assay, 인공막 PAMPA, 특수 장벽 모델을 중심으로 세포 장벽 투과도 실험의 원리와 선택 기준을 비교해 정리합니다. 이 세 가지 방법은 신약 개발에서 흡수·분포 특성을 단계적으로 평가할 때 널리 사용되며, 이 중 Caco-2 기반 평가는 BCS 관련 가이드라인에서 in vitro 투과도 근거로 자주 인용됩니다

1. Permeability 실험이란

Permeability(세포 장벽 투과도) 실험은 세포 단층이나 인공막을 사이에 둔 두 구획 사이에서 약물이 이동하는 정도를 시간에 따라 측정하는 in vitro 평가법입니다. 이 실험으로 장 상피, 폐·혈관 내피, 혈뇌장벽 등을 통과하는 약물의 잠재적 투과성을 간접 예측해 신약 후보의 흡수·분포 특성을 선별합니다.

2. Permeability 실험의 핵심 원리

Permeability 실험에서는 약물을 donor 구획에 투여한 뒤 장벽을 통과해 receiver 구획으로 이동한 양을 측정하여 apparent permeability coefficient (Papp)로 환산합니다. 

Papp는 단위 시간당 장벽을 통과한 약물의 양(dQ/dt)을 장벽의 유효 표면적(A)과 donor 측 초기 농도(C₀)로 나눈 값입니다. 동일한 조건에서 Papp 값이 클수록 장벽 투과성이 높은 약물로 해석됩니다. 세포 기반 모델은 수동 확산과 더불어 수송체·efflux 경로를 반영하고, PAMPA와 같은 인공막 모델은 수동 확산에 의한 투과성을 고속·저비용으로 평가합니다. 제약사에서는 Papp 해석의 신뢰도를 확보하기 위해 고·저투과성 레퍼런스 화합물과 efflux 기질을 함께 포함해 시스템 적합성을 점검합니다. (FAQ Q5 참고)

3. Permeability 실험 방법 비교: Transwell·PAMPA·장벽 모델

아래 표는 세포 단층 Transwell assay, 인공막 기반 PAMPA, 장기 특이 in vitro 장벽 모델의 원리와 장단점, 적합한 활용 상황을 비교한 것입니다.

PAMPA는 인공막 기반으로 수동 확산(passive diffusion) 중심의 투과성을 빠르게 비교하는 데 적합하지만, 수송체/efflux 등 능동 경로는 반영하지 못해 해당 영향이 큰 화합물에서는 실제 장벽 투과 특성과 차이가 날 수 있습니다. 반면 Caco-2/MDCK 등 세포 단층(Transwell) 기반 모델은 tight junction과 함께 수송체·efflux 영향을 포함한 생물학적 장벽 요소를 반영할 수 있으며, 필요 시 HUVEC 같은 내피 장벽 모델을 통해 marker 기반으로 장벽 무결성 변화까지 관찰할 수 있어 목적에 따라 선택합니다. 관련 assay 개요와 응용 예시는 참고자료에서 확인할 수 있습니다.

그림 1. HUVEC 단층을 이용한 세포 장벽 Permeability 예시. 정상적인 단층(monolayer)에서는 FITC-dextran 투과가 낮게 유지되지만, TNF-α 처리로 장벽이 손상되면 형광 신호와 Permeability가 증가하는 모습을 보여준다.

그림 1.HUVEC 단층을 이용한 세포 장벽 Permeability 예시. 정상적인 단층(monolayer)에서는 FITC-dextran 투과가 낮게 유지되지만, TNF-α 처리로 장벽이 손상되면 형광 신호와 Permeability가 증가하는 모습을 보여준다.

4. 결론

Permeability 실험은 하나의 정답 모델을 선택하는 것이 아니라, 개발 단계와 목적에 따라 Transwell, PAMPA, 장기 특이 장벽 모델을 조합해 약물 투과성을 다각도로 평가하는 전략이 중요합니다. 세포 장벽 구축부터 데이터 수집까지 워크플로를 표준화하려면 머크 생명과학의 Millipore® 인서트·플레이트 및 Transwell Permeability Assay 전용 제품 정보를 함께 참고하는 것이 유용합니다.

5. 자주묻는 질문(FAQ)

In vitro Papp 값은 경구 약물의 소장 흡수와 통계적으로 유의한 상관성을 보이지만, 실제 흡수율은 용해도, 제형, 장내 환경, first-pass 대사 등에 따라 달라집니다. 따라서 세포 장벽 투과도 데이터는 in vivo PK, 대사 안정성, 단백질 결합 결과와 함께 종합적으로 해석하는 것이 바람직합니다.

일반적으로 이들 시험은 임상 진입 여부를 단독으로 결정하는 “필수 관문”이라기보다, 초기–중기 개발에서 흡수/장벽 통과 리스크를 줄이기 위해 널리 사용하는 표준 in vitro 평가 도구입니다. 필요 시 목적에 따라 ex vivo 장 조직 모델, organ-on-chip, in situ 관류(perfusion) 등 예측력/기전 확인을 보완하는 시험을 추가로 사용하기도 합니다.

초기 단계에서는 PAMPA로 수동 확산 중심의 상대적 투과도를 빠르게 비교하고, 선별된 후보에 대해서만 Caco-2(인간 장 상피 유래) 또는 MDCK(개 신장 유래, BBB 모델로도 용) 세포 단층에서 보다 실제에 가까운 장벽 투과성을 확인하는 것이 효율적입니다. 두 단계 모두에서 propranolol(고투과), atenolol(저투과), digoxin(P-gp 기질) 등의 레퍼런스 화합물을 포함해 시스템 적합성을 점검하고, 필요 시 Caco-2 KO(P-gp/BCRP/MRP2 KO)를 병행하면 wild-type 대비 efflux transporter 기여도를 정량적으로 분리해 메커니즘 기반 제형 설계에 활용할 수 있습니다..

TEER가 모델별 내부 기준 이상(예: Caco-2 >350 Ω·cm², MDCK >150 Ω·cm²)이고 FITC-dextran/Lucifer yellow 같은 paracellular marker 투과가 낮으면 장벽이 정상으로 판단합니다. TEER는 Millicell® ERS-3 Digital Voltohmmeter로 측정하며, TEER만으로 투과도를 정량할 수 없으므로 marker flux를 병행해 누출 여부와 paracellular 기여도를 확인합니다.

제약사에서는 시스템 적합성과 재현성 확인을 위해 고투과성 레퍼런스(예: propranolol, metoprolol; 보통 Papp > 10×10⁻⁶ cm/s)와 저투과성 레퍼런스(예: atenolol, mannitol; 보통 Papp < 1×10⁻⁶ cm/s)를 함께 측정합니다. 또한 efflux 영향 확인을 위해 digoxin(P-gp)이나 prazosin(BCRP) 같은 수송체 기질을 포함해 능동 배출 여부를 평가할 수 있습니다. (Papp 절대값/컷오프는 모델·조건에 따라 달라 내부 기준과 함께 해석하는 것이 일반적입니다.)

낮은 Papp는 경구 흡수나 장벽 통과 측면에서는 불리할 수 있지만, 장 내에서 국소 작용하는 약물이나 피부·점막 국소 제형처럼 전신 노출을 최소화해야 하는 경우에는 오히려 장점이 될 수 있습니다. 또한 prodrug 설계, 제형 개선, 수송체 활용 전략 등을 통해 Permeability를 보완할 여지가 있어 단일 수치만으로 후보를 바로 배제하지는 않습니다.

일반적으로 용해도 및 용출 시험, microsome·hepatocyte 기반 대사 안정성, 혈장 단백질 결합, in vivo PK/PD 평가를 연계해 약물의 ADME 프로파일을 완성합니다. 이를 통해 “얼마나 잘 통과하는지”뿐 아니라 “얼마나 오래, 어느 조직에 얼마나 도달하는지”까지 포함한 약물 전달 특성을 정량적으로 파악할 수 있습니다.​

참고자료

위 문헌들은 본 글의 세포 장벽 투과도 실험 비교의 주요 근거입니다. 자세한 프로토콜은 각 원문을 확인하세요.

  1. Application of method suitability for drug permeability classification, Volpe DA, et al. PMC2976984 (2010). 
  2. Caco-2 cell line standardization with pharmaceutical relevance, Markovic M, et al. PMC10674574 (2023).
  3. Caco-2 cells permeability assay protocol, ReadyCell / MedTech Barcelona Blog (2025). 
  4. Real-time Parallel Artificial Membrane Permeability Assay based on supramolecular fluorescent artificial receptors, He S, et al. PMC7673371 (2020). 
  5. In-vitro blood–brain barrier models for drug screening and permeation studies: an overviewDeli MA, et al. PMC6805046 (2019). 
  6. In Vitro Vascular Permeability Assay (ECM644) Protocol, MilliporeSigma Technical Document.
  7. Evaluation of the reproducibility of Parallel Artificial Membrane Permeability Assay (PAMPA), MilliporeSigma Technical Article.
  8. Reference compounds for permeability assays, ReadyCell / MedTech Barcelona Blog (2025). 
  9. Application of method suitability for drug permeability classification, Volpe DA, et al. PMC2976984 (2010). 
  10. Real-time Parallel Artificial Membrane Permeability Assay based on supramolecular fluorescent artificial receptors He S, et al. PMC7673371 (2020). 
  11. In-vitro blood–brain barrier models for drug screening and permeation studies: an overview. Deli MA, et al. PMC6805046 (2019).
  12. In vitro and in silico modeling of gastro-intestinal drug absorption, Lennernäs H, et al. PMC11859300 (2024). 
  13. The apparent permeabilities of Caco-2 cells to marketed drugs, Sun H, et al. PMC4655101 (2015). 
  14. The impact of Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) on the disposition of various drugs Amin ML, et al. PMID 32193356 (2020).