인비트로·엑스비보·인비보: 실험실 약효, 몸속에서도 같을까

배양세포·분리조직·생체 개체··· 결과 나온 '환경'부터 확인해야엑스비보는 연구와 치료제 의미 달라··· 인비보도 동물과 사람 구분 필수'카스게비'는 체외 편집, '럭스터나'는 체내 전달··· 제형·전달 방식이 성공 가른다

사진=AI(챗GPT) 생성

바이오 기업이 "신약 후보물질의 탁월한 항암 효능을 입증했다"며 보도자료를 낼 때, 투자자와 연구자가 가장 먼저 확인해야 할 지표는 약효의 수치가 아닌 '실험 환경'이다. 배양접시 속 암세포가 사멸한 것인지, 생쥐의 종양이 축소된 것인지, 실제 환자의 무진행생존기간(PFS)이 연장된 것인지에 따라 파이프라인의 기업가치는 완전히 달라진다. 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립병진과학발전센터(NCATS)가 강조하듯, 실험실 배양기 안에서의 강력한 활성이 사람 몸속에서의 유효성과 안전성을 보증하지는 않기 때문이다.

이 간극을 독해하는 기본 열쇠가 바로 인비트로(in vitro), 엑스비보(ex vivo), 인비보(in vivo)다. 신약 기초연구에서는 실험이 수행된 물리적 환경을 가리키며, 첨단 세포·유전자치료제 영역에서는 치료 기전이 일어나는 시공간적 위치를 구획한다. 같은 용어라도 전임상 실험 결과를 설명하는지, 치료제의 투여 플랫폼을 설명하는지에 따라 접근법을 달리해야 하는 이유다.

몸 밖 세포부터 살아 있는 개체까지··· '출처'와 '환경'의 층위

인비트로는 시험관, 페트리디시, 웰플레이트 등 살아 있는 생체 외부의 인공 환경에서 세포나 단백질 등 생체 분자를 이용해 수행하는 연구다. 암세포주에 화합물을 처리해 증식 억제율(IC50)을 측정하거나 표적 효소와의 결합력을 확인하는 시험이 대표적이다.

엑스비보는 생체에서 갓 떼어낸 세포, 조직, 장기 조각을 체외 환경으로 옮겨와 관찰·조작하는 방식이다. 환자에게서 절제한 종양 조직의 미세환경과 세포 간 상호작용을 최대한 유지한 상태로 약물 반응성을 스크리닝하는 오가노이드 연구 등이 있다. 흔히 엑스비보를 '세포를 꺼내 조작한 뒤 다시 몸에 넣는 것'으로만 좁혀 이해하기 쉽지만, 채취한 조직을 몸에 재투여하지 않고 체외에서 분석만 마치는 조직학적 평가 역시 엑스비보 연구에 포함된다.

인비보는 동물이나 사람 등 완전한 생명체 내부에서 직접 약효와 체내 동태를 평가하는 단계다. 질환 모델 생쥐에 후보물질을 투여해 종양 부피 변화나 약물의 혈중 반감기를 확인하는 시험이 해당한다. 이를테면 '사람 유래 암세포를 이식한 쥐(CDX/PDX 모델)'에서 효능을 확인했더라도 이는 마우스 인비보 시험에 속한다. '인비보 효능 확인'이라는 문구만 보고 인체 임상에서의 성공 가능성을 낙관해서는 안 되는 이유다.

인비트로와 엑스비보의 경계가 겹칠 수 있는 만큼, 단순히 세포 수준인지 조직 수준인지를 기계적으로 나누기보다 시료의 체외 배양 기간과 원래 조직 구조의 보존 여부를 따져야 한다. 아울러 이 세 용어는 연구 환경의 분류일 뿐, 모든 신약이 반드시 계단식으로 밟아 나가야 하는 정형화된 개발 공정표도 아니다.

배양접시의 유효 농도, 몸속 표적 장기 도달은 '별개 문제'

인비트로 실험의 최대 강점은 온도, pH, 약물 노출 시간 등 변수를 정밀하게 통제할 수 있다는 점이다. 수많은 유효물질을 초고속 스크리닝(HTS)하고, 특정 신호전달 경로를 어떻게 차단하는지 작용 기전(MoA)을 규명하는 데 최적화돼 있다.

그러나 생체 내부는 단순한 배양액이 아니다. 경구 투여된 약물은 소화관 장벽을 뚫고 흡수돼야 하며, 혈류를 타고 표적 장기로 이동하는 과정에서 혈장 단백질과 결합하거나 간 대사 효소에 의해 분해되고 신장으로 배설된다. 배양접시에서 세포를 죽였던 농도가 실제 체내 표적 조직에서는 형성되지 않을 수 있고, 반대로 그 농도를 강제로 맞추기 위해 투여량을 올렸다가 간이나 심장 독성으로 개발이 좌초되기도 한다.

이 때문에 신약 개발에서는 표적 결합력 못지않게 체내 표적 부위에서 유효 농도가 얼마나 유지되는지(약동학·약역학, PK·PD)를 살핀다. 인비트로 간세포 실험으로 대사 경로를 예측할 수 있지만 전신 면역반응과 복합 장기 네트워크를 재현하기엔 역부족이다. 엑스비보 조직 절편 시험 역시 국소 미세환경의 단면을 보여줄 뿐 전신 생체 반응을 대변하지는 못한다.

최근 제약바이오 업계가 3차원 생체모사 장기칩(Organ-on-a-chip)이나 인체 오가노이드 등 동물대체시험법(NAMs)에 주목하는 배경도 여기에 있다. 미국 FDA 역시 비임상 단계에서 불필요한 동물 희생을 줄이고 인체 예측률을 끌어올리기 위해 새로운 평가 모델 검증 가이드라인을 구체화하고 있다. 결국 핵심은 '어떤 모델이 인체 생리학적 특성을 왜곡 없이 반영하느냐'다.

'카스게비'의 체외 편집과 '럭스터나'의 체내 전달

유전자치료제 분야로 넘어오면 인비보와 엑스비보는 '유전체 조작이 물리적으로 어디서 일어나는가'를 가르는 핵심 기술 플랫폼 용어가 된다.

엑스비보 유전자치료는 환자나 공여자의 세포를 체외로 채취한 뒤 유전적 변형을 가해 다시 환자 몸에 주입하는 형태다. 대표적 자가 CAR-T 치료제인 노바티스의 '킴리아'는 환자의 T세포를 채집해 체외에서 렌티바이러스 벡터로 암세포 표적 수용체 유전자를 삽입한 뒤 증식시켜 되돌려준다. 이는 유전물질을 추가하는 '유전자 전달' 방식이다.

반면 버텍스와 크리스퍼 테라퓨틱스가 개발한 '카스게비'는 크리스퍼(CRISPR/Cas9) 유전자 가위를 이용한 순수 '엑스비보 유전자편집' 치료제다. 환자의 조혈모세포를 꺼내 체외에서 BCL11A 유전자의 적혈구계 인핸서 부위를 정밀하게 잘라내 태아혈색소 생성을 유도한다. 겸상적혈구병의 근본 원인인 베타글로빈 유전자 변이 서열 자체를 일일이 수리하는 것이 아니라, 체내 우회로를 열어주는 유전체 편집 세포를 체외에서 안전하게 제조한 뒤 이식하는 원리다.

인비보 유전자치료는 반대로 유전물질이나 유전자 가위 단백질을 체내 표적 세포로 직접 배달한다. 환자의 세포를 체외에서 배양·조작하는 번거로운 제조 공정이 생략되지만, 전달체(아데노연관바이러스, 지질나노입자 등)가 표적 장기까지 안전하게 도달해야 하는 고난도 전달 기술이 요구된다.

스파크 테라퓨틱스의 유전성 망막질환 치료제 '럭스터나'는 정상 RPE65 유전자를 탑재한 AAV2 벡터를 안구 망막하 공간에 외과적으로 주입하는 대표적 인비보 치료제다. 인비보 치료가 정맥을 통한 전신 주사에만 국한되지 않고 국소 장기 직접 투여 방식으로도 구현된다는 점을 명확히 보여주는 사례다. 반대로 카스게비는 최종 투여 방식 자체는 정맥 주사지만, 핵심 조작이 체외에서 끝났으므로 엑스비보 치료제로 분류된다.

제조 공정·생체 면역·투여 경로···다각도로 리스크 따져야

치료 방식에 따라 개발 리스크의 성격도 판이하다. 엑스비보 방식은 환자에게 주입하기 전 체외에서 세포의 활성과 순도, 오프타깃(비표적 절단) 여부를 철저히 검증할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 자가 세포 치료의 경우 환자 맞춤형 제조에 수 주 이상의 시간이 소요되고, 세포 채취 실패 리스크가 존재한다. 특히 카스게비 투여 환자는 변형된 조혈모세포의 안착을 위해 고강도 골수파괴 화학요법(부설판 등)을 견뎌내야 하는 전처치 부담을 안는다.

인비보 방식은 대량 생산이 가능하고 기성품(Off-the-shelf) 형태로 보관·유통할 수 있다는 산업적 강점이 뚜렷하다. 그러나 바이러스 캡시드나 지질 입자에 대한 인체 면역반응, 간 쏠림 현상 등 비표적 장기 축적으로 인한 부작용 우려를 상시 통제해야 한다. 럭스터나의 경우에도 전달체 자체의 독성뿐 아니라 망막하 주사 시술 과정에서 발생할 수 있는 망막 천공, 안내염 등 국소 위험을 면밀히 모니터링해야 한다.

끝으로 세포 치료에서 채집한 세포를 몸에 돌려주는 '재주입'과 질환 재발 시 치료제를 다시 투여하는 '반복투여'는 서로 다른 개념이다. 카스게비나 킴리아 같은 치료제는 원칙적으로 단회 투여(One-time)로 완치를 지향하는 요법이며, 체외 조작 방식이라고 해서 언제든 손쉽게 반복 투여가 가능한 것은 아니다.

신약 파이프라인의 가치를 매길 때는 "어떤 조건의 실험계에서 얻은 데이터인가"를 짚어낼 필요가 있다. 비임상 인비트로 데이터에 불과한 소식을 환자 투여 성공으로 오독하지 않고, 엑스비보와 인비보 플랫폼이 지닌 고유의 공정 한계와 전달체 리스크를 함께 따져볼 때 비로소 파이프라인의 진짜 가치가 보일 것이다.