나노입자 교잡검사-미니 핵자기공명장치-자성 DNA 기술 결합
한손에 쥘 수 있는 크기로 누구나 진료실에서 바로 사용 가능
결핵균 검출·내성 판정 2.5시간내 가능
1882년 로버트 코흐가 결핵균을 발견한 이래 인류를 가장 끈질기게 괴롭힌 결핵은 세계인구의
1/3이 감염되었고, 매년 2백만 명 이상이 사망하는 무서운 감염병이다.
한국은 결핵 전문병원, 격리병실, 입원시설이 부족하여 OECD 국가 중 결핵환자가 가장 많으며, 약제 내성균, 신환자 발생 등 결핵관리가 가장 뒤떨어진 국가가 되고 말았다. 동남아지역의 태국에 비하여도 결핵관리가 뒤떨어지고 있는 실정이다. 결핵을 해결하려면, 우선 결핵 신환자가 발생하기 이전에 기존의 환자를 발견하고 치료해야 한다. 북한의 미사일 협박과 개성공단 문제로 남북이 첨예한 대립을 벌리는 가운데서도 북한측이 결핵 약제를 지원하는 인력의 입국을 허락했다는 보도를 보면, 북한의 결핵은 더 더욱 심각하다는 생각이 든다. 한반도는 남북 모두 결핵에 대한 최선, 최상의 대책을 세워야 하는 지경에 이르렀다.
이제까지 결핵균을 검출하기 위한 여러 가지 진단적 방법들이 있었지만, 대부분은 너무 비싸고, 시간이 걸리거나 특이도가 낮았다. 과거, 지금도 마찬가지지만 객담을 시험관내 배양했던 때는 결핵균이 느리게 자라기 때문에 성장을 발견하기 까지는 4-8주가 걸렸는데, 1990년대부터 사용한 결핵균의 핵산 증폭(PCR)을 이용한 방법들은 확진에 필요한 시간을 2-3주로 줄였다. 그러나 민감도가 배양검사보다 낮고 고비용이기 때문에 임상 활용이 제한적이다(감염학, 2007). 현재의 진단방법은 시간, 경비, 그리고 PCR 등 실험실 장비가 필요하지만, 결핵이 가장 유행하는 지역인 아프리카, 중남미 등의 국가에서는 활용 가능한 시설이 제한되어 있는 상태이다.
보다 빠르고, 싸고, 더욱 특이성이 높고, 더욱 휴대가 간편한 결핵 검출기는 의사들이 원하고 원하던 꿈에도 그리던 기계이다. 최근 매사츄세츠 종합병원과 하버드 대학의 시스템생물학센터의 연구자인인 이학호 박사(서울대 물리학과 졸업, 하버드대 물리학박사) 연구팀이 이 연구에 성공하였다. 단지 수백달러에 불과한 휴대폰 크기에, 사용할 때 마다 수천원 정도(3-4달러)에 불과한 비용이 드는 새로운 진단기기이다. 결정적인 것은 이 기기를 사용하면 결핵균을 배양할 필요가 없기 때문에, 현재 사용중인 기계에 비하여 천 배 이상 민감하고, 12배 이상 빨라서 2시간 이내에 진단한다는 놀라운 개발이다<사진1>.
 | ▶ <사진1> 이학호 박사팀이 개발한 새로운 결핵 진단기(2013. 3월) |
 | ▶ <사진2> 7.5 x 2.5 센티미터 크기의 카트리지 형태의 결핵균 검출기. 객담에서 DNA를 분리하여 좌측의 공간에 넣으면 증폭된다. 결핵균 특이 서열은 마이크로 플루이드가 들어있는 중앙 채널에 자성으로 표지되어 있다. 우측의 미세 핵자기공명 코일을 통해 균을 검출할 수 있다. |
기존의 진단법은 객담을 염색하여 현미경으로 관찰하는 방법인데 하루 종일 걸리고 균이 객담 1미리리터에 만개 이상이 있을 때만 검출이 가능하다. 게다가 진단을 확인하기 위하여 결핵균을 배양하는데 수주일 소요되었다. 결핵균에 대한 면역을 측정하는 PPD 피부검사 방법 역시 3일 정도 소요되지만, HIV 양성 환자 등 면역저하자에서는 위음성이 나올 수 있다. 새로운 진단방법이 더욱 중요한 이유는 사용이 간편하기 때문이다. 개발의 가장 중요한 아이디어는 숙련된 훈련이 필요 없는 기계를 만든다는 점이다. 샘플을 넣고 나면, 기계가 양성인지 음성인지 결과를 알려준다. 이 기계를 컴퓨터에 연결하면 데이터를 전송하고 균의 수를 알려준다. 이 연구팀이 더욱 더 개량한 방법이 2013년 4월과 5월의 네이쳐 나노테크놀러지와 네이쳐 커뮤니케이션스에 자세한 개발방법과 실지 사용례가 실렸는데 검출기의 모양은 <사진2>와 같다.
저자들이 이번에 개발한 새로운 자기(magneto)-DNA 프로브(probe)는 임상샘플에서 직접적으로 신속하고 특이한 병원체 검출을 할 수 있는 새로운 기술을 보고하였다. 나노입자교잡 검사는 결핵균의 16S rRNA를 표적으로 증폭한 핵산을 미니 NMR 기계를 이용하여 증폭된 표적 핵산을 검출한다. 임상적으로 유용한 세균을 편하고 특이하게 검출하며, 세균을 1개 수준에서 민감하게 검출한다. 더욱이 이 검사는 확고하고, 빠르며, 동시에 13개의 세균을 2 시간 이내에 진단할 수 있다.
설비가 부족한 지역에서 결핵 환자를 빠르게 진단하는 업무는 여전히 난제이다. 특히 세균의 분리나 배양이 필요 없는 민감하고 믿을 만한 검사법은 진단과 치료 판정에 절대적이다. 이번 연구자들은 자성바코드방법에 근거하여 핵산을 검출하는 플렛폼을 개발하였다. PCR로 증폭한 결핵균 유전자가 서열에 특이한 입자에 붙게 되면 마그네틱 나노프로브로 표지하고 핵자기공명장치로 검출한다. 모든 구성요소는 <사진2>처럼 유리슬라이드 크기에 작은 액상의 카트리지에 층상구조로 배치하였다. 이 플렛폼으로 결핵균을 검출하고, 약제 내성 균주를 확인하는게 2.5 시간내에 가능하였다.
일반적으로 나노입자와 NMR, 핵산증폭, 마이크로 액상의 기술 등을 언급할 때는 큰 공간을 차지하고, 고가의 설비를 상상하기 쉽지만, 이번 연구자들이 개발한 새로운 기술을 활용한 휴대용기기와 마그네틱 바코드 판독은 민간하고 특이성이 높으며, 저 비용이고 환자가 있는 임상에서 바로 사용할 수 있는 기술이 될 것이다. 이학호 박사를 비롯한 한국인 과학자들의 새로운 발명이 결핵진단을 2.5 시간 이내로 단축하는 쾌거를 이룩하였다. 하루 빨리 실용화 되는 그 날을 기다려 본다.
사이언스데일리 (2013.05.05)