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- 두삼 옹
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1 대한진단검사의학회지제 28 권제 2 호 2008 Korean J Lab Med 2008;28:103-8 DOI /kjlm 원저 임상미생물학 실시간 - 중합효소연쇄반응을이용한결핵균의검출 장호은 1 허세란 1 유광철 1 송상훈 3 김성한 2 김홍빈 2 박경운 1,3 송정한 1,3 이재호 2 박성섭 3 김의종 3 분당서울대학교병원진단검사의학과 1, 분당서울대학교병원내과 2, 서울대학교의과대학검사의학교실 3 Detection of Mycobacterium tuberculosis complex Using Real-time Polymerase Chain Reaction Ho Eun Chang 1, Se Ran Heo 1, Kwang Cheol Yoo 1, Sang Hoon Song, M.D. 3, Sung-Han Kim, M.D. 2, Hong Bin Kim, M.D. 2, Kyoung Un Park, M.D. 1,3, Junghan Song, M.D. 1,3, Jae Ho Lee, M.D. 2, Sung Sup Park, M.D. 3, and Eui Chong Kim, M.D. 3 Departments of Laboratory Medicine 1, Internal Medicine 2, Seoul National University Bundang Hospital, Seongnam; Department of Laboratory Medicine 3, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea Background : For the detection of Mycobacterium tuberculosis complex (MTB), PCR is known to be sensitive, specific, and rapid compared to the conventional methods of acid-fast-bacilli (AFB) smear and culture. We evaluated a new approach for MTB detection using real-time PCR. Methods : The specificity of real-time PCR was evaluated using 20 MTB isolates and 37 nontuberculous mycobacteria (NTM) isolates identified by AccuProbe Mycobacterium tuberculosis complex colony identification test (Gen-Probe Inc., USA) and Myco-ID (M&D, Korea). One hundred sputum specimens (50 AFB smear-positive and 50 negative specimens) were analyzed using real-time PCR and Amplicor Mycobacterium tuberculosis test (Roche, Germany). The results of real-time PCR positives (55 samples) and negatives (598 samples) were analyzed by AFB smear and culture. Results : The real-time PCR assay accurately discriminated between MTB and NTM species. Realtime PCR and Amplicor test yielded the same results in 96.0% (96/100) of the sputum specimens tested. The sensitivity and specificity of real-time PCR based on AFB culture were 97.4% and 88.5%, respectively. Of the 55 real-time PCR positive specimens, 83.6% (46/55) were culture-positive, 30.9 % (17/55) were smear-positive, 52.7% (29/55) were smear-negative and culture-positive, and 14.5% (8/55) were both smear and culture-negative. Among the 598 real-time PCR negative specimens, 60 were not tested for AFB smear or culture and 10 were contaminated. Of the remaining 528 specimens, 478 (90.5%) were both smear and culture-negative and 39 (7.4%) were culture-positive. Conclusions : For the detection of MTB, real-time PCR was sensitive and specific and comparable to conventional methods. It can be used for rapid identification of M. tuberculosis in clinical laboratories. (Korean J Lab Med 2008;28:103-8) Key Words : Mycobacterium tuberculosis complex, Real-time polymerase chain reaction, Sensitivity, Specificity 서 론 접 수 : 2007년 10월 24일 접수번호 : KJLM2081 수정본접수 : 2008년 1월 11일 게재승인일 : 2008년 1월 11일 교신저자 : 박경운 우 경기도성남시분당구구미동 300 분당서울대학교병원진단검사의학과 전화 : , Fax: m91w95@dreamwiz.com 결핵은유병률이지속적으로감소되어왔지만여전히미국, 서구유럽의여러나라에비하여우리나라에서높은유병률을보이는, 국가에서 3종법정전염병으로관리하고있는감염성질환이다 [1, 2]. 최근에는면역결핍환자들에있어서의결핵균감염, 약제내성결핵균의등장, 비결핵항산균에의한감염의증가 103
2 104 장호은 허세란 유광철외 8 인 등으로결핵균의신속한검출과동정에대한관심이커지고있다 [3-5]. 미국등상대적으로비결핵항산균의빈도가높은지역에서는항산균도말양성객담의 30% 에서 50% 까지비결핵항산균이분리되고있으며국내에서도기존에는 10.3% 에서 12.2% 까지보고되어왔으나최근에는 30% 수준까지그비율이높아지고있는추세이다 [3, 6]. 그러므로결핵균과비결핵항산균을신속하게구별할수있는적절한검사방법이요구되고있다 [7, 8]. 이에항산균을보다민감하고신속히검출및동정하기위해여러분자유전학적검사방법들이시도되어왔다 [9-12]. 본연구에서는실시간-중합효소연쇄반응을이용하여결핵균을검출하고기존의분자유전학적방법들과비교하였다. 대상및방법 1. 대상 1) 항산균집락의동정항산균배양양성인균주중 AccuProbe Mycobacterium tuberculosis complex colony identification test (Gen-Probe Inc., San Diego, CA, USA) 와 Myco-ID (M&D, Wonju, Korea) 에서결핵균으로동정된 20균주와비결핵항산균으로동정된 37 균주를대상으로하여실시간-중합효소연쇄반응을시행하였다. 2) 객담검체에서의결핵균검출항산균도말양성인객담 50검체와음성인객담 50검체를대상으로항산균배양, Amplicor Mycobacterium tuberculosis test (Roche, Penzberg, Germany) 와실시간-중합효소연쇄반응을시행하였다. 2) 항산균의분리및동정 (1) Amplicor Mycobacterium tuberculosis test 항산균도말및배양후남은침사를 -70 에보관후검사를시행하였다. Amplicor Mycobacterium tuberculosis test (Roche) 제품을이용하여제조회사의지시에따라시행하였고흡광도가 0.35 이상인경우양성으로판정하였다 [10]. (2) AccuProbe Mycobacterium tuberculosis complex colony identification test AccuProbe Mycobacterium tuberculosis complex colony identification test (Gen-Probe) 제품을이용하여제조회사의지시에따라시행하였고형광값이 30,000 RLU (relative light units) 이상인경우결핵균으로, 30,000 RLU 이하인경우비결핵항산균으로판정하였다 [14]. (3) Myco-ID 항산균배양에서균이자라 AccuProbe (Gen-Probe) 검사에서비결핵항산균으로선별된균주는 rpob 유전자를대상으로중합효소연쇄반응-제한절편길이다형성을이용하는 Myco-ID (M&D) 검사를시행하여비결핵항산균을동정하였다. 핵산추출은 100 에서 20분간가열하고 15,000 rpm에서 5분간원심분리한후상층액을취하는방법을이용하였다. 추출한핵산은이중-중합효소연쇄반응을시행한후 360 bp의증폭산물을전기영동으로확인하였다. 증폭산물을 Msp I 효소로처리하여 4% 아가로오즈겔에전기영동한후나타나는핵산절편양상을마이코박테리아및노카디아동정알고리즘에따라분석하였다. 핵산절편양상이알고리즘과정확히일치하지않는경우 Hae III, Alu I 등의효소로처리하여확인하였다 [14]. 3) 실시간-중합효소연쇄반응결과의분석 2006년 1월부터 6월까지결핵균중합효소연쇄반응검사가의뢰된 653건을대상으로하였다. 2. 방법 1) 항산균도말및배양항산균도말은 Ziehl-Neelsen 염색법을이용하였고배양은 3% Ogawa 배지 (Shin-yang chemical, Seoul, Korea) 를이용하였으며, 최대 8주까지배양하였다. 항산균도말결과는미국질병예방통제국의기준에따라음성, trace 및 1+ 부터 4+ 로판정하였다 [13]. (4) 실시간-중합효소연쇄반응검사항산균도말및배양후남은침사를 -70 에보관후검사를시행하였다. 침사를 0.5 M HCl로처리한후리트머스종이에일부를떨어뜨려중화상태임을확인하였다. 중화된침사에 Insta- Gene Matrix (Bio-Rad laboratories, Hercules, CA, USA) 200 L를첨가하여 56 에서 20분, 100 에서 20분가열하고 15,000 rpm에서 5분간원심분리한후상층액을취해서 -70 에보관하여실시간-중합효소연쇄반응에사용하였다. 배양균주에서는핵산의추출을위해 100 에서 20분간가열하고 15,000 rpm에서 5분간원심분리한후상층액을취하였다. 실시간-중합효소연쇄반응을위한시발체와소식자는결핵균의 SenX3-RegX3 부위를대상으로제작되었다 [15]. 시발체의염
3 Detection of MTB Using Real-time PCR 105 기서열은 TAQ-T1 5 -GTA GCG ATG AGG AGG AGT GG- 3 과 TAQ-T2 5 -ACT CGG CGA GAG CTG CC-3 였고소식자의염기서열은 TAQ-Tp 5 -FAM-ACG AGG AGT CGC TGG CCG ATC C-TAMRA-3 였다 (Bioneer, Daejeon, Korea). 시발체염기서열과소식자염기서열의결핵균에대한특이도는 반응액의조성 (20 L) 은다음과같았다 : 10 LightCycler DNA Master HybProbe (Roche, Penzberg, Germany) 2.0 L, 3.0 mm Mg 2+, 0.4 M 각시발체, 0.4 M 소식자, 추출된핵산 3 L. 증폭반응은검체의경우 95 에서 3분동안초기변성을시행하였고, 95 에서 10초, 58 에서 20초, 72 에서 20초의순서로 50회반복하고 40 에서 10초동안안정화시키도록시행하였다. 균주의핵산을대상으로한경우의증폭반응은 95 에서 3분동안초기변성을시행하였고, 95 에서 5초, 58 에서 10초, 72 에서 10초의순서로 50회반복하고 40 에서 10초동안안정화시켰다. 증폭신호의검출을위해서측정파장 530 nm, 분석파장 530/705 nm로설정하여연장반응에서의형광신호를단발적으로측정하였다 (single fluorescence measurement). 증폭반응에는 LightCycler 2.0 (Roche, Penzberg, Germany) 을이용하였다. 반응이끝난후 crossing point (Cp) 값을산출하고완만한증폭곡선을나타낸경우양성으로판정하였다. 양성대조물질은 AccuProbe (Gen-Probe) 검사와 Myco-ID (M&D) 검사에서결핵균으로동정된균주의핵산을, 음성대조물질은증류수를이용하였다. 3) 실시간-중합효소연쇄반응결과의분석결핵균실시간-중합효소연쇄반응검사가의뢰된총 653건에대한항산균도말과배양결과를분석하였다. 항산균배양과도말의결과는실시간-중합효소연쇄반응이의뢰된동일한종류, 3일이내검체의경우를기준으로하였다. Table 1. Comparison of relative light units values from AccuProbe test and crossing point values from real-time PCR assay for M. tuberculosis complex and nontuberculous mycobacteria species Mycobacteria species (N) AccuProbe (RLU) Real-time PCR (Cp) Mean SD Median Mean SD NTM (37)* 1, MTB (20) 662, , , *Species and number of isolates of NTM are as bellow: M. abscessus 5; M. asiaticum 1; M. avium 5; M. fortuitum type I, 4; M. gordonae type I, 1; M. intracellulare type I, 5; M. kansasii type I, 1; M. kansasii type II-1, 1; M. kansasii type III-1, 1; M. mucogenicum 3; M. nonchromogenicum 2; M. peregrinum 1; M. scrofulaceum 2; M. septicum 2; M. shimoidi 2 and M. pulveris 1. Abbreviations: MTB, M. tuberculosis complex; NTM, nontuberculous mycobacteria; RLU, relative light units; Cp, crossing point. 반응양성인균주의평균 Cp값은 23.87이었다. AccuProbe 검사에서결핵균의평균 RLU값은 662,445이었고비결핵항산균의평균 RLU값은 1,100이었다 (Table 1). 2. 객담에서실시간-중합효소연쇄반응을이용한결핵균검출방법의비교 항산균도말, 항산균배양, Amplicor 검사, 실시간-중합효소연쇄반응의네가지검사가모두양성또는음성으로일치하는경우가항산균도말양성의경우 78.0% (39/50), 음성의경우 94.0 % (47/50) 이었다. 항산균도말결과양성이었으나배양결과비결핵항산균으로동정된경우는일치하는것으로판단하였다. 불일치를보인 14건의경우실시간-중합효소연쇄반응과 Amplicor 검사사이에일치된결과를보인경우가 71.4% (10/14) 였다 (Table 2). 항산균배양결과를기준으로할때실시간-중합효소연쇄반응의민감도와특이도는각각 97.4% (38/39) 와 88.5% (54/61) 로 Amplicor 검사와동일했다. 결과 1. 실시간-중합효소연쇄반응을이용한항산균집락의동정 AccuProbe 검사와 Myco-ID 검사를통해최종동정결과가결핵균인 20균주와비결핵항산균 16종의 37균주에대하여실시간-중합효소연쇄반응을시행한결과, 결핵균은 20균주모두에서양성이었고비결핵항산균 37균주는모두음성이어서균주를대상으로하였을경우민감도와특이도는모두 100% 였다. 비결핵항산균 16종은 Table 1에표시했다. 실시간-중합효소연쇄 3. 임상검체에서실시간-중합효소연쇄반응을이용한결핵균검출성적결핵균중합효소연쇄반응검사가의뢰된 653건의임상검체중실시간-중합효소연쇄반응결과양성은 55건이었고음성은 598건이었다. 양성결과중동일인의 2회양성으로중복된경우는 4명의 8건이었고항산균배양양성은 83.6% (46/55), 항산균도말양성은 30.9% (17/55) 였으며, 항산균도말음성이었으나배양양성인경우는 52.7% (29/55) 였다. 항산균도말및배양에서모두음성이었지만실시간-중합효소연쇄반응에서양성
4 106 장호은 허세란 유광철외 8 인 Table 2. Comparison of AFB stain, AFB culture, real-time PCR, and Amplicor test from 50 AFB smear positive and 50 AFB smear negative specimens AFB smear AFB culture MTB NTM 본연구에서는결핵균의검출을위하여실시간-중합효소연쇄반응을사용하였다. 실시간-중합효소연쇄반응은유전자의증폭산물에결합된형광물질로부터방출되는형광량을실시간으로측정하여분석하는방법으로중합효소연쇄반응이후전기영동, 교잡반응과같은추가적인과정없이분석이가능하므로기존중합효소연쇄반응보다오염가능성이개선되고검사소요시간도단축되는장점을가진방법이다. 또한한쌍의시발체와소식자가함께사용되어비특이적반응이감소되고특이도가향상되는방법이다. 이는유사한유전정보를가진항산균에서결핵균을특이적으로검출하는데도움이될수있는장점이다. 실시간-중합효소연쇄반응시에는증폭과정에대한조건을설정하는것이외에핵산추출의과정을고려해야했다. 높은민감도와특이도로결핵균을검출할수있는중합효소연쇄반응의조건을갖춘방법이라하더라도양질의핵산추출이선행되지않으면최종적으로좋은결과를산출할수없다는점이간과되어서는안된다 [15, 16]. 본연구에서는핵산추출을위해컬럼을이용하는방법, 기존의페놀을이용하는방법등여러가지방법을시도해보았으나 Insta- Amplicor Positive* (70.0) 50 (100) ( 2.0) ( 2.0) (12.0) (8.0) ( 2.0) ( 4.0) Negative ( 4.0) 50 (100) ( 2.0) (94.0) *M. tuberculosis complex and NTM were identified using AccuProbe test. Abbreviations: MTB, M. tuberculosis complex; NTM, nontuberculous mycobacteria. 을보인경우는 14.5% (8/55) 였다. 음성결과는 598건이었으나 60건이항산균도말또는배양이의뢰되지않았고, 10건은오염된경우로분석이가능한결과는모두 528건이었다. 528건중결핵균은 39건, 비결핵항산균이었던경우는 8건이었다. 또한도말양성은 5건이었는데 3건은배양음성이었고 1건은비결핵항산균이었다 (Table 3). 고 Real-time PCR 찰 Specimens N (%) Total (%) Table 3. The results of AFB culture and smear from 55 realtime PCR-positive and 528 real-time PCR negative specimens AFB smear Real-time PCR AFB culture Total Positive Negative Positive MTB 17 (1)* NTM No growth Negative MTB 1 (1)* NTM No growth Total 23 (2) *Number of smears scored as trace. Abbreviations: See Table 2. Gene matrix 를이용하는방법이가장결과가우수하여최종적으로선택했다 [10, 17]. 저자들이항산염색양성과음성각각 50검체를대상으로수행한실시간-중합효소연쇄반응을기존의 Amplicor 검사와비교하였을때, 두방법간일치를보인경우는 96.0% (96/100) 이었고불일치를보인경우는 4% (4/100) 였으며, 민감도, 특이도가각각 97.4% 와 88.5% 로 Amplicor 검사와동일했다. 이는기존의검체를대상으로한결핵균검출방법의민감도와특이도에대한보고중, 이등 [9] 의 88.8%, 86.8%, 최등 [10] 의 80.8%, 99%, 김등 [11] 의 82.9%, 93.8%, Ozkutuk 등 [18] 의 73%, 100% 결과와실시간-중합효소연쇄반응을이용한보고중 Broccolo 등 [15] 의 94.0%, 100%, Bruijnesteijn 등 [16] 의 66.7%, 100% 의결과와비교해볼때뒤지지않는결과라고판단되었다. 또한결핵균 20균주에서는모두양성, 비결핵항산균 37균주에서는모두음성을보여배양된균주에대한실시간-중합효소연쇄반응의민감도와특이도가매우우수하다는것을확인할수있었다. 6개월간임상검체를대상으로실시간-중합효소연쇄반응을시행하여항산균도말및배양결과를분석하였을때양성 55 건중 83.6% (46/55) 가배양양성, 52.7% (29/55) 는도말음성, 배양양성이었고음성중배양이의뢰되지않은경우와오염의경우를제외한 528건에서 91.9% (481/528) 가배양음성이었다. 전체양성률은 8.4% (55/653) 로나타났다. 이는중합효소연쇄반응법에의한기존의평균양성률보고 7.9% 보다약간높은결과이다 [19]. 또한 598건의음성결과중 3건의배양음성, 도말양성, 8건의배양결과비결핵항산균인경우는신속하지만특이도가떨어지는항산균도말의단점을보완할수있으리라판단되었다. 8건의실시간- 중합효소연쇄반응양성, 배양음성의경우는 2건은결핵환자, 2건은예전에결핵으로진단받은환자의검체였고 4건은결핵과무관한환자의검체였다. 한편, Amplicor 검사와
5 Detection of MTB Using Real-time PCR 107 병행시행한객담검체에서항산균배양양성, 도말음성이고실시간-중합효소연쇄반응양성이었던경우가 4% (2/50) 이었던반면 (Table 2), 실제 6개월간의실시간-중합효소연쇄반응결과분석에서도출된 55건의실시간-중합효소연쇄반응양성중배양양성, 도말음성인경우는 52.7% (29/55) 로서차이를나타내었다 (Table 3). 이는, Amplicor 검사와병행시행한검체군의경우하나의검체로항산균도말, 배양, Amplicor 검사와실시간-중합효소연쇄반응의네가지검사를병행하기위해침사를분주하고, 핵산을추출하였으므로실시간-중합효소연쇄반응에사용된핵산의양이실제검사를시행하면서사용되는핵산의양과차이가있었던것으로판단된다. 또한 Amplicor 검사와병행시행한검체군은결핵균검사실에의뢰된검체를대상으로하였고, 6개월간의실시간-중합효소연쇄반응결과분석의대상이되는검체군은분자유전검사실에의뢰된검체를대상으로하여검체군에도차이가있었을것으로판단된다. 실시간-중합효소연쇄반응의오염에의한위양성의위험이매우낮은장점은집락을대상으로하는경우특히유용할수있다. 또한검사과정이단축되어간편하므로대량의검체를대상으로하는검사실에서적용하기에매우효과적이다. 검사과정상의효율성, 검체와균주모두에적용이가능한활용도까지고려하면검사실에서신속하고정확하게결핵을진단하는실용적인방법이될수있다고생각된다. 요약배경 : 중합효소연쇄반응을이용하여결핵균을검출하는방법은기존의항산균염색과배양과비교했을때민감하고특이적이며빠른것으로알려져있다. 저자들은새로운접근법인실시간-중합효소연쇄반응을이용하여결핵균을검출하는방법을평가하였다. 방법 : 실시간-중합효소연쇄반응의특이도는 AccuProbe Mycobacterium tuberculosis complex colony identification test (Gen-Probe Inc., USA) 와 Myco-ID (M&D, Korea) 로동정된 20개의결핵균과 37개의비결핵항산균을이용하여평가하였다. 100개의객담검체 ( 항산균도말양성 50검체와음성 50검체 ) 를실시간-중합효소연쇄반응과 Amplicor Mycobacterium tuberculosis tset (Roche, Germany) 로분석하였다. 임상검체중실시간-중합효소연쇄반응양성 55건및음성 598 건의검체에서항산균도말과배양결과를조사했다. 결과 : 실시간-중합효소연쇄반응은정확히결핵균과비결핵항산균을구별했다. 객담검체의 96.0% (96/100) 는실시간-중 합효소연쇄반응과 Amplicor 검사에서일치했다. 항산균배양을기준으로할때실시간-중합효소연쇄반응의민감도, 특이도는각각 97.4%, 88.5% 였다. 55건의실시간-중합효소연쇄반응양성검체에서 83.6% (46/55) 는항산균배양양성이었고 30.9% (17/55) 는항산균도말양성이었다. 항산균도말음성이나배양양성인경우는 52.7% (29/55) 이었다. 실시간-중합효소연쇄반응양성이나항산균도말및배양에서음성인경우는 14.5% (8/ 55) 이었다. 실시간-중합효소연쇄반응음성인 598건중 60건은항산균배양또는도말이의뢰되지않았고 10건은배양결과오염된경우였다. 이들경우를제외한 528건중항산균배양과도말이모두음성인경우는 90.5% (478/528) 였고 7.4% (39/528) 는배양양성이었다. 결론 : 실시간-중합효소연쇄반응을이용하여결핵균을검출하는방법은민감하고특이적이었으며기존의분자검사들과대등했다. 이방법은임상검사실에서결핵균을신속히검출하는데사용할수있다고판단된다. 참고문헌 1. World Health Organization. Global tuberculosis control: surveillance, planning, financing (WHO Report 2004). Geneva: World Health Organization, Dye C, Scheele S, Dolin P, Pathania V, Raviglione MC. Consensus statement. Global burden of tuberculosis: estimated incidence, prevalence, and mortality by country. WHO Global Surveillance and Monitoring Project. JAMA 1999;282: Koh WJ, Kwon OJ, Yu CM, Jeon K, Suh GY, Chung MP, et al. Recovery rate of nontuberculous mycobacteria from acid-fast-bacilli smearpositive sputum specimens. Tuberc Respir Dis 2003;54: ( 고원중, 권오정, 유창민, 전경만, 서지영, 정만표, 등. 항산균도말양성객담에서비결핵성마이코박테리아의분리비율. 결핵및호흡기질환 2003;54:22-32.) 4. Yim JJ and Han SK. Diagnosis and treatment of nontuberculous mycobacterial pulmonary diseases. J Korean Med Assoc 2005;48: ( 임재준및한성구. 비결핵성마이코박테리아폐질환의진단과치료. 대한의사협회지 2005;48: ) 5. Marin M, Garcia de Viedma D, Ruiz-Serrano MJ, Bouza E. Rapid direct detection of multiple rifampin and isoniazid resistance mutations in Mycobacterium tuberculosis in respiratory samples by real-time PCR. Antimicrob Agents Chemother 2004;48: Wright PW, Wallace RJ Jr, Wright NW, Brown BA, Griffith DE. Sen-
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