BRIC View 2018-T31 BRIC View 동향리포트 질량분석기를이용한질병진단응용동향 이상후 서울의과학연구소 & SCL 헬스케어 E-mail: sprout30@scllab.co.kr 요약문 질량분석기 (mass spectrometry, MS) 는현재임상에서질병진단에유용한생체지표나약물또는그대사체들을고특이도및고감도로정성및정량분석하는데매우효과적이고유용한분석도구로활용되고있다. 특히, 질병진단용으로허가되어상용화된 MS와연구개발용으로시판되는 MS가사용자의목적에맞게임상진단검사실또는일반연구실에서사용되고있으며, 현재질병진단에주로사용되는 MS 플랫폼은 liquid chromatography (LC)-MS, gas chromatography (GC)-MS, matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time-of-flight (TOF) MS, MALDI-TOF-imaging MS (MALDI-IMS) 및 inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) 가있다. MS가질병진단을목적으로적용되는주요분야는도핑검사를포함한약물오남용검사, 조직병리, 암, 심혈관질환, 희귀질환, 내분비질환및미생물동정검사등이있다. 현재질병진단분야에 MS의적용범위가점점확대됨에따라, 미국 Clinical & Laboratory Standards Institute (CLSI) 에서는질병진단에 MS를사용하는기관또는사용자들에게시료전처리부터결과분석까지표준화된가이드라인에따라분석을진행하도록요구하고있다. 이러한 MS의질병진단분야로의확장성을고려할때, 현재의 MS 장치들의기술적성능 ( 감도, 정확도, 정밀도, 최소샘플량, 고효율대용량시료처리등 ) 향상을위한기술개발과더불어 FDA( 또는 KFDA) 에승인된 MS 기반플랫폼및이를구동하기위한국제적으로공인된기관에서제공하는표준화된참고용물질로정도관리가가능한시약류의개발도함께진행되어야할것이다. Key Words: Mass spectrometry, disease, clinical diagnosis, cancer, rare disease, clinical microbiology identification, iknife, CLSI guidelines 목차 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 1 / 14
1. 서론 2. 질량분석기의구성 3. 시료제조 ( 전처리 ) 4. 질병진단에서 MS 응용 4.1 약물오남용및도핑검사 4.2 조직병리 4.3 암 4.4 심혈관질환 4.5 희귀질환 4.6 내분비질환 4.7 미생물동정 5. 결론및향후전망 6. 참고문헌 1. 서론 MS는 1912년에 Joseph John Thomson에의해서개발되었는데, 기지의성분에대한정량분석뿐만아니라, 미지성분에대한정성및정량분석까지가능한강력한분석도구이기때문에현재까지널리사용되고있다. 특히, 2002년 John Fenn과 Koichi Tanaka가두가지연성이온화 (soft ionization) 기법을개발한공로로노벨상을수상했고, 이를계기로질량분석기에대한관심이더욱증가되었고, 질병진단분야를포함한다양한분야에서응용되고있다. MS가임상에서성공적으로사용되고있는경우는, 면역검사에서양성을보이는오남용약물 (abuse drugs) 선별검사의확인 [1], 선천성대사이상질환 (inborn erros of metabolism)[2] 및스테로이드호르몬의분석 [3] 등이대표적이다. 최근에는미생물동정을빠른시간내에정확하게측정할수있는수준까지기술개발이되었다 [4]. 연구실수준에서임상검사실수준으로 MS가적용되기시작한주요한동기가 1981년미항공모함니미츠호에서있었던항공기추락사고였다. 이후몇가지중요한사건들을거치면서 MS의임상적응용이점차확대되기시작하였다 ( 그림 1). 초기면역검사기반한약물선별검사에서보인높은위양성률을 MS 검사를통해상당히낮춘효과를얻기도했으며, 1991년에신생아선별검사에 tandem MS (MS/MS) 가적용되기시작하였으며, 스테로이드호르몬인 testosterone의특이도가 MS 적용으로인하여향상되었고, 1996년도에접어들면서 MS로온전한세균을빠르게동정할수있게되었고, 1997년에는 GC- MS에서 LC-MS/MS로검사플랫폼이바뀌기시작하였고, 이후혈액감염균의분자진단에도 MS가적용되기시작하였으며, 2010년부터는대사체학, 단백질체학및기타오믹스학에 MS가응용되기시작하였고, 2013년에는미생물동정에 MALDI-TOF MS가적용되었고 FDA 승인까지받게되었다. 이후 2014년도부터는암수술실에서외과적수술시에경계선상에있던판독이모호한조직의제거 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 2 / 14
유무를 MS 기반한 knife 시스템이도입되어실시간으로결과판독이가능하게되었다. 그림 1. MS 의임상적응용확대과정에서연대별중요한이슈들. 이보고서에서는과거부터현재까지질병을진단하는임상검사실에서 MS가적용되고있는분야에대해서소개하며, MS가비용절감방식으로환자진단및관리를향상시키는데어떻게사용되고있는지에대해서도살펴보고자한다. 2. 질량분석기의구성 MS는물질의질량을질량대전하의비 (m/z) 로측정하며, 시료의상태에무관하게액체또는고체시료까지분석이가능하며극미량의농도 (10-15 mole 수준 ) 까지도측정이가능하다 [5]. MS는크게시료도입부, 이온화원 (ionization source), 질량필터 ( 분리기 )(mass analyzer), 검출기 (detector) 로구성되며 ( 그림 2), 생성된이온의자유이동경로를확보하기위해서 MS내부는약 10-6 torr 이하의진공도가유지된다. 이온의시료도입부는 MS 내부로시료를주입시키는부분이며, LC-MS나 GC-MS의경우, LC와 GC가시료주입부의역할을한다. 이온화원은 MS에서시료를이온화하는곳으로서, 고체상태의시료를이온화하는 MALDI, 액체상태에서이온화하는 electrospray ionizaition (ESI) 과 atmospheric pressure chemical ionization (APCI), 기체유기분자를이온화는 electron ionization(ei) 과 chemical ionization (CI) 법이가장흔히사용되고있다. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 3 / 14
이온화원에서이온화및조각화 (fragmentation) 된질량이온들을각각의질량값대로분리하는질량필터는, 종류에따라 TOF, quadrupole, quadrupole ion trap (QIT), Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR) 및 orbitrap 등이있으며, 이중에서 TOF, triple quadrupole (qqq) 및 QIT가많이사용되고있다. 검출기는 micro-channel plate, electron multiplier, hybrid 방식등이있다. 그림 2. MS 상에서의시표분석절차. 3. 시료제조 ( 전처리 ) 질량분석기를이용한분석전에인체시료를제조 ( 추출, 분리및정제 ) 하는과정이필요한데, 시료제조방법은분석하고자하는물질의화학적특성 ( 산성또는염기성 ), 단백질의결합유무, 시료의유형 ( 혈장, 혈청또는소변등 ) 등에따라결정된다 [6]. 일반적으로시료제조는단백질침전 (protein precipitation, PP), 액체-액체추출 (liquid-liquid extraction, LLE), 면역친화성정제 (immunoaffinity purification, IAP) 및고체상추출 (solid-phase extraction, SPE) 법의조합또는단독사용을통해수행된다. 시료매질 (matrix) 은 MS 분석과정에서고려해야할매우중요한요소인데, 전혈 (whole blood) 이나조추출물 (crude extracts) 은시료매질의복잡성과매질성분에비해상대적으로낮은분석물질의농도때문에고도의시료전처리과정이필요하다. 그러나소변에존재하는분석물질들은보통간단한희석과정을통해서도시료분석시충분한감도를얻는경우가많다. 인체시료의제조에많이사용되는 3가지전처리방법을요약하면다음과같다. 3.1 SPE SPE는매질성분으로부터관심의분석물질을분리하는흡착기반전처리방법이다. SPE는액체의이동상과고체의정지상을이용한다. 관심의물질들은이동상과고정상사이에서분배계수의차이그리고극성과전하의차이에따라분리되기도하며, 용출용매와는다른결합용매및세척용매를사용하여관심의물질이매질성분과분리된다. SPE의최종결과물은간섭을일으키는매질성분들로부터관심의물질을 1차적으로분리하여얻은조추출물이다. 최근에는 SPE 방법이 GC-MS[7] 또는 LC-MS[8] 에연결되어온라인추출장치가장착된자동화시스템으로개발되어광범위하게사용되고있다. 한편, SPE은역상, 순상, 이온교환또는흡착방식의충진제가들어있는 SPE 카트리지가상업화되어시중에판매되고있으며, 향후에도 MS를이용한질병진단연구에서인체시료의전처리과정에없어서는안될중요한시료전처리방법이될것으로여겨진다. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 4 / 14
3.2 IAP IAP는 immunoextraction( 면역추출 ) 이라고도불리며, 매질성분으로부터항체결합성물질을분리시키기위해고체상으로항체를사용한다. IAP 후에 MS로직접검출하기때문에기존의경쟁적및샌드위치면역검사법들에비해특이도가더높다. 따라서항체-항원상호작용에서관찰되는낮은특이도를극복할수있는시료전처리방법이다. 이런장점으로인하여질병진단분야에서 MS 분석전에시료전처리방법으로많이사용되고있다. 3.3 희석 상대적으로덜복잡한매질 ( 소변등 ) 이나고농도로존재하는관심의물질같은경우에는, 간단한시료희석만으로도매질성분을감소시키는데효과적인방법이다. 주로, 이방법은소변에존재하는약물의선별검사나확진검사에사용되고있다. 4. 질병진단에서 MS 응용 4.1 약물오남용및도핑검사 1988년도에 MS가면역검사에서양성을보이는오남용약물의선별검사에대한확인검사 [1] 로성공적으로적용된이후에, ultra-performance liquid chromatography (UPLC)-MS/MS를통한특이도와민감도가향상되고, 대용량시료처리가가능하며, 비용절감효과가있는약물오남용검사법이 2009년도에개발되었으며 [9], 현재까지도유사한검사방법들이사용되고있다. 이러한 HPLC-/UPLC-MS/MS법들의개발로인하여 GC-MS법에기반한약물오남용검사를상당부분대체하고있는상태이었다. 왜냐하면, GC-MS법보다 LC-MS/MS법이더빠른시간내에분석이가능하며시료의유도체화를필요로하는 GC-MS법에비해 LC-MS/MS법은유도체화가필요없기때문이다. 그런데, 이당시까지만해도시료유형은피검자의소변에국한되어있었다. 하지만 2004년에미국 Substance Abuse & Mental Health Services Administration (SAMHSA) 가땀, 타액및모발에서도약물검사를가능하게하는새로운규정을미정부측에제안하였고 [10], 기존의소변시료만을대상으로검사하는약물검사프로그램에변화가일어나기시작했다. 최근들어모발시료가약물오남용검사에서주목을받고있는데, 기존의다른시료 ( 혈액또는기타체액 ) 에비해장기간에걸친약물검출이가능하며모발의평균증식에기반한약물섭취에대한연대기적정보를얻을수있기때문이다. 그럼에도불구하고, 기존의모발검사는많은양의모발이필요했고, 시료전처리에많은시간이소요되며, 주로 LC-MS(LC-MS/MS) 나 GC-MS로분석하였다. 그런데, MS imaging (MSI) 법을사용하게되면단일모발시료분석이가능할뿐만아니라, 좀더정확하고가시적인연대기적정보를알수있기때문에최근들어상당한주목을받고있다 [11]. 1960년대중반에반도핑 (anti-doping) 규정의설치이후에 MS가현대스포츠약물검사에서중요한역할을현재까지하고있으며, 1999년이후로는 World Anti-Doping Agency (WADA) 가 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 5 / 14
전세계스포츠약물검사에대한제반사항을규정및조율하고있다. 현재까지도핑컨트롤에서표적및비표적 MS 접근법으로모든약물들을검출, 동정및정량분석하고있다. 도핑검사에서 MS를사용하는주요한이유가빠른분석속도, 다중약제동시분석, 정밀성, 정확성, 민감도및특이도가우수하기때문이다 [12]. WADA에의한반-도핑규정제정뿐만아니라, 도핑의의미를만들고주기적인업데이트를진행하고있기때문에, 이에걸맞는분석법이필요한시점에즉시사용할수있도록기술개발도함께진행되고있다 [13]. 현재까지한국을포함한전세계도핑센터에서주로검사하고있는약물류는화학적약물류가거의대부분인데, 유전자도핑이란용어가 2003년 WADA에의해서규정된이후로오남용가능성때문에금지약물리스트에등재되어 MS 기반한검사법이개발되어적용되고있다. 유전자도핑은세포, 유전자, 유전적인자의사용또는유전자발현의조절등에의한비치료적인목적으로운동선수의운동력을향상시키는것으로서, 특히, RNA interference (RNAi) 의기능이밝혀짐에따라 MS 기반분석법이재평가되었고, 인체혈장에서모델 small interfering RNA (sirna와 mrna를통한 myostatin의생산과정을표적 ) 의 MS 분석조건들이최적화되었다 [14]. 이런과정을통해현재불법비승인약물을남용하고있는사람들의혈장과소변에서도 RNA 기반유전자도핑물질을측정하는것이가능해졌다. 4.2 조직병리 조직병리학에서이온화원으로는가장많이사용되는것이 MALDI인데, 조직단편시료에특정매질을혼합및건조시킨후, 레이저를발사하여이온화및탈착시킨후에 TOF 방식을통해검출기에서측정한다. 이때이온들은 m/z 값에따라분류된다. 단백질, 펩타이드, 탄수화물또는지질류가 MALDI-TOF MS로검출될수있다 [15]. 1997년에개발된 MALDI-TOF-imaging MS (MALDI- IMS) 는현재조직병리학에서주로사용되고있는면역조직검사를대체할수있을정도로기술적으로개발된상태이다. 현재임상검사실에서조직검사를통해암의분류및진단시에다양한항체및염색을통해검사하는면역조직화학법 (immunohistochemical (IHC) method) 이나조직염색법을통해현미경으로진단하는방법이많이사용되고있는데, MALDI-IMS법을사용하게되면단지한개의조직단편만으로암의분류및진단이가능하다. 특히매우작은조직시료만을확보해야할경우에는 MALDI-IMS법이 IHC법보다더적합한분석방법이될수있다 [16]. 이런이유때문에, MALDI-IMS는폐암같은암종에서소량의조직시료만으로암의분자적분류나변이선별검사에적용될가능성이매우높다고볼수있으며, 기존 IHC법에의해산출된검사결과에대해병리전문의들의주관적인판단으로인한결과의오류를최소화시켜줄수있는새로운진단법이될것으로보인다. 아울러, MALDI-IMS의빠른시료분석시간 ( 시료제조부터 MS 분석까지 ) 으로인하여환자에게결과전달시간이상당히단축될것이며, 조직병리검사결과의누적데이터를근거로디지털병리학의발전을가속화시킬것이다. 하지만디지털병리학시대가도래하더라도 MALDI-IMS법에근거한신속한표적물질 ( 단백질, 펩타이드, 당, 대사체등 ) 의검출에의한진단결과뿐만아니라, 기존에수행중인조직염색법또는면역조직화학법에근거한진단결과, 그리고대규모유전자서열분석및 MALDI기법을통한분자병리적인결과물들이모두디지털병리학에필요한데이터가될것이다 ( 그림 3). 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 6 / 14
그림 3. 조직병리의검사방법및미래검사방법 ( 남색 : 현재사용중인분석법, 붉은색 : 미래사용될분석법 ). 4.3 암 2017년미국텍사스대학화학과의 J. Zihang 교수가획기적인연구성과를발표하였는데, 바로 MasSpec Pen 을사용하여인체에서비파괴적으로조직을분석하고, 생세포와암세포가혼재되어있는조직부위에서선택적으로암조직만을진단할수있는기술이다 [17]. 이 MasSpec Pen 은하나의 probe이며, 이 probe가 MS에연결되어있는구조이다 ( 그림 4). 이장치가주목을받는이유는, 기존의조직병리학적인진단에사용되는방법들은노동및시간집약적이며진단및치료과정에서최종적인의사결정이지연되는경우가종종있지만, MasSpec Pen 은대략 10초이내에암세포인지정상세포인지구별할수있다는장점이있다. 실제로이획기적인장치를이용해서사람의유방암, 폐암, 갑상선암및난소암조직에서암과연관성있는생체지표들인대사체, 지질및단백질에해당하는이온피크들이 MS 스펙트럼상에서관찰되었다. 아울러, 감도, 특이도및전체정확도가각각 96.4%, 96.2% 및 96.3% 로매우높게얻어졌고, 양성종양조직과악성종양조직까지도구분할수있다는것이증명되었다 [17]. 주변이온화 (ambient ionizaition) MS법중에 desorption electrospray ionization (DESI)- MS법이다양한암조직을시료전처리과정없이직접분석이가능하기때문에암진단영역에서주목을받고있다. 그런데최근에는 DESI-MS법이시료전처리에많은시간이필요한 MSI 기법에거의배타적으로사용되고있다 [18]. 이방법은시료와혼합시킬특정화학적매질이필요없으며, m/z 500 이하의낮은스펙트럼범위에서도신호-대-잡음비율이높은감도로스펙트럼이얻어질수있다는장점이있으며, 암대사의공간적맵핑이가능하다. 한편, intelligent knife (iknife) 로도불리는 rapid evaporative ionization MS (REIMS) 는전자수술장치와 MS가직접조합된시스템으로난소암및유방암등의암조직검사용으로개발되었는데, 전자수술적조직절개로만들어진에어로졸입자들이 MS로직접분석되어암조직의지질조성에대해서실시간으로정보를제공한다. 결국, REIMS는암조직에대한외과적절개부위결정을포함하여수술과정에서암조직과정상조직을확인하는유용한분석법으로주목을받고있다 [19]. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 7 / 14
그림 4. MasSpec Pen 시스템의구조. 4.4 심혈관질환 혈전증과지혈에밀접히관련된혈소판을구성하는단백질성분들이심혈관질환과관련되어있으며, 이를근거로최근에혈소판구성단백질인 collagen, fibrinogen, ADP, vwf, thrombin 및 thromboxane이심혈관질환의생체지표로활용하고있다. 특히, 이러한단백질들은 nanolc-ms/ms 시스템으로분석이가능하도록임상적검증이실시되었다 [20]. 이러한단백질들은심혈관질환을조기에진단할수있는새로운지표로서국내외임상검사실에서조만간사용될수있을것이다. 육류를좋아하는식습관을가진사람들이심혈관질환에걸린확률이높은이유가장내세균이만드는 2차대사산물때문이라는새로운연구결과가 2011년에보고되었는데, 육류에많이들어있는 phosphatidylcholine과 L-carnitine을섭취하게되면장내특정세균류가이두가지물질의 choline 부분을대사시켜 trimethylamine (TMA) 을합성한후에, 간에있는 FMO 3 효소에의해 trimethylamine N-oxide (TMAO) 로전환되는데, 이물질이동맥경화나뇌졸증같은심혈관질환을유발시킨다는것이임상적으로증명되었다 ( 그림 5). 이연구에서 TMA나 TMAO는 LC-ESI-MS/MS로분석하였다. 한편, 육류섭취시에단백질이분해되거나대사될때, 아미노산중에하나인 arginine의대사체인 asymmetric dimethylarginine (ADMA) 이합성되는데, 이물질은건강한혈관을유지하는데도움이되는 nitric oxide (NO) 의합성을저해하는물질로작용한다. 따라서 ADMA를 LC-ESI-MS/MS로정량분석하게되면심혈관질환발병에대한진단지표로사용할수있다 [21]. 이러한획기적인임상연구결과로인하여, 미국 Cleveland Heart Laboratories에서는 LC-ESI-MS/MS를사용하여 TMAO와 ADMA를심혈관질환에대한진단지표로검사서비스를하고있는상태이다. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 8 / 14
그림 5. 육류섭취에따른장내세균이합성하는대사체에의한심혈관질환발생메커니즘. 4.5 희귀질환 선천성대사이상질환 (inborn errors of metabolism) 은음식물등의생화학적대사에관여하는효소가유전적으로부족하여몸에유해한중간산물이뇌또는장기에축적되어돌이킬수없는정신지체등장애초래하는유전성질환으로, 1991년에 ESI-MS/MS를사용하여선천성대사이상선별검사 (newborn screening test, NST) 가처음으로시작되었다 [22]. NST 검사는출생후 48~72시간내에신생아의발뒤꿈치에서외측부를란셋으로찔러큰방울의혈액을채혈지의한쪽면에묻혀건조시킨시료 (dried blood spot, 혈액여지 ) 를전문병원이나임상검사실에서실시한다. 이후검사종목이확대되면서, 현재국내의경우 6종 ( 페닐케톤뇨증, 갑상선기능저하증, 호모시스틴뇨증, 단풍단뇨증, 갈락토스혈증, 선천성부산과형성증 ) 에대한검사는정부에서무료로검사비를지원해주고나머지 49종검사는법정비급여검사로환자가일정검사비를부담하고검사를받을수있다. 무료로지원되는 6종중에페닐케톤뇨증, 호모시스틴뇨증및단풍단뇨증과 16종유기산대사이상질환, 13종지방산대사이상질환및 20종아미노산대사이상질환은 ESI-MS/MS로검사가진행되고있다. 현재국내에는선천성대사이상검사기관이총 14개기관이있다 [23]. 리소좀축적질환 (lysosomal storage disorders, LSDs) 은인체세포에있는지질류와탄수화물류를분해하는특정효소의결핍으로인하여발생하는유전성희귀질환이다. 이질환으로인해분해되지않은지질류와탄수화물류가환자의세포내소기관인리소좀 (lysosome) 에축적되어리소좀고유의기능인다양한효소들의활성을저해해서정상적인기능을하지못하게된다. 가장많이알려진 LSDs가 Fabry 병, Guacher 병, Krabbe 병, Niemann-Pick A/B 병, Pompe 병그리고 MPS I 병 ( 뮤코다당증 ) 인데, 2004년에상기 6가지질환중에 MPS I 병을제외한 5가지질환에해당하는각각의효소활성도검사를환자의혈액을여지에건조시킨혈액여지시료를대상으로 ESI-MS/MS를이용하여동시에선별검사하는방법이보고되었다 [24]. 이후, 2010년에는 5가지질환의각각기질물질들로사용되는화합물들의과량을제거하기위한 UPLC-ESI-MS/MS법이개발되어정확도가향상된효소활성검사가이용되고있다 [25]. 특히, 2018년 7월에글로벌진단제품개발사인 PerkinElmer Inc. 가 ESI-MS/MS법을이용한상기 6가지질환에대한효소활성검사용 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 9 / 14
키트 (NeoLSD MSMS kit) 를미국 FDA 로부터진단용 in vitro diagnostics (IVD) 제품으로허가를받아 시판중에있다. 4.6 내분비질환 과거부터현재까지내분비질환과관련된생체지표분석에종종사용하는검사방법이항체-항원반응에기인한면역검사법이다. 하지만면역검사법의단점이표적물질외에다른간섭물질들의영향으로인해특이도가낮다는문제점이있다. 이런이유로내분비질환진단시에면역검사를대체할수있는특이도, 민감도, 재현성및반복성이우수한 MS가현대내분비질환의생체지표측정및진단에응용되고있다 [26]. 내분비호르몬을분석하는방법은 GC-MS법이주로사용되었는데, 최근들어 LC-MS/MS로분석법이바뀌고있는데, 이유는 GC-MS 분석에필요한스테로이드유도체화가필요없고동시에다중스테로이드를짧은시간내에정확하게정량이가능하기때문이다. 시료의종류는혈액, 모발, 타액등이주요대상이된다. 모발과타액의경우는비침습적시료채취가가능하기때문에임상검사실에서미래에내분비질환검사시료로서상당한관심을받고있다. 특히, 타액내스테로이드의일종인 cortisol 호르몬의경우에는 Cushing 증후군과 Addison 병을진단할수있는생체지표로활용되고있으며, 미국의경우 LC-MS/MS를이용한타액내 cortisol 검사가상기두가지질병의진단에활용되고있다. 국내의경우는아직연구용수준으로검사기이뤄지고있는상태이다. 한편, 스테로이드호르몬중에하나인 vitamin D는뼈대사와칼슘항상성유지등생리학적으로중요한역할을하는인체내스테로이드인데, vitamin D가부족할경우암, 심혈관질환, 당뇨또는자가면역질환발병위험률이높아진다는연구결과로인하여, 혈중 vitamin D 농도측정법이주목을받고있다. 그런데 vitamin D는두가지이성질체 (vitamin D 2 및 D 3 ) 가있고, 주요한대사체로 25-OH-vitamin D 2, 25-OH-vitamin D 3 및 1,25- (OH) 2 vitamin D가있다. 하지만이중에서혈중반감기기가장긴 25-OH-vitamin D 2 /D 3 가대표적인생체지표로활용되고있다. 분석방법은 LC-MS/MS가주로사용되고있다 [27]. MS를이용한스테로이드호르몬검사법및분석프로토콜의표준화를위해미국 CDC에서는 Hormone Standardization Program (HoSt)/Vitamin D Standardization Certification Programs (VDSCP) 을운영하고있는데, 하나의 quality control program이다 [28]. 현재전세계스테로이드호르몬을검사서비스하고있는임상진단검사실에서이프로그램을통해각자기관의 MS 기반한검사법의정도관리를하고있다. 4.7 미생물동정 MALDI-TOF MS가개발되어질병진단에응용된가장중요한성과중에하나가미생물의신속한동정기술이다 [29]. MALDI-TOF MS가도입되기전에는, 진단목적으로미생물을동정하는임상검사실에서 Gram 염색법, 배양법, 생화학적검사및감수성검사등을통해서미생물을동정하였다. 미국 FDA에의해승인된 MALDI-TOF MS를이용한미생물동정기술은기존방법들에비해동정에소요되는평균시간을 1.45일까지감소시키는효과를보이며, 표준배양법에비해 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 10 / 14
시약비용과노동력이 50% 이상절감되는효과가있는것으로밝혀졌다 [30]. 더욱이, FDA는 biomerieux Inc. 와 Bruker Daltonics Inc. 같은진단장비사들에의해제조된 MALDI-TOF MS 시스템 ( 소프트웨어와미생물데이터베이스포함 ) 을질병진단용병원성미생물동정분석기기로허가하였다. 한편, polymerase chain reation (PCR)-MS라는유전자증폭장치와 MS가결합된획기적인시스템이병원성미생물동정분야에서상당한주목을받고있는데, PCR의유전자검출고민감도와 MS의고해상도가결합된차세대병원성미생물동정목적으로상용화된분석장치중에하나이다 (31). 현재상용화된대표적인장치들은 PCR-ESI-MS법을이용한병원성미생물동정시스템인데, Abbott Ibis Biosciences Inc. 가상용화한 PLEX-ID System과 Agilent Technologies Inc. 가상용화한 MassTag PCR이대표적이다. 5. 결론및향후전망 MS를질병진단에이용하는궁극적인목적은, 질병과관련된생체지표를조기에검출하여환자의생존율과치료율을높이고, MS의높은민감도와특이도에기인하여표적물질을정확하게정성및정량분석하여정확한진단결과를제공함에있다. 이를통해환자의의료비절감및나아가정부차원의의료재정절감효과를기대해볼수있다. 현재, MS가임상에서적용되고있는주요분야는약물오남용및도핑검사, 조직병리, 암, 심혈관질환, 희귀질환, 내분비질환및미생물동정검사등이있다. 하지만이중에서보험급여화된검사종목의범위는매우좁은상태이다. 미국같은선진국의경우는한국에비해보험급여화된종목의수가많지만, 국내의경우는아직그수가제한적이다. 이를위해서임상전문의, 연구자, MS 관계사및정부부처관계자등이협력하여좀더다양한질병진단분야로 MS 플랫폼을확장시키기위한임상연구가실시되어야할것이며, 검증된검사항목에대해서는신속히급여화를추진하여좀더많은환자또는일반인들에게질병진단용으로활용되어야할것이다. 또한 MS 플랫폼을질병진단용으로적용하고자하는임상검사실은시료전처리부터검사결과의산출까지미국비영리기관인 CLSI에서제정한가이드라인에따라 MS 기반검사들을수행하도록권장하고있으며 [32], 최근에는국내임상질병진단검사실도 MS 기반검사의표준화를위해 CLSI 가이드라인을따르고있는추세이다. 현재, CLSI에서는 Newborn Screening by Tandem Mass Spectrometry(2 nd Ed.), Mass Spectrometry for Androgen and Estrogen Measurements in Serum(1 st Ed.), Liquid Chromatography- Mass Spectrometry Methods(1 st Ed.), Mass Spectrometry in the Clinical Laboratory: General Principles and Guidance(1 st Ed.), Gas Chromatography/Mass Spectrometry Confirmation of Drugs(2 nd Ed.), Methods for the Identification of Cultured Microorganisms Using Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry(1 st Ed.) 등의가이드라인이있다. MS가다양한임상진단분야에서효과적으로응용되고있지만, 질병을진단하고자하는검사실에서는 MS 시스템자체의가격을고려해야될것이다. 현재질병진단에사용되는주요한 MS 시스템은거의모두외산장비이며, MS 종류에따라가격이다양한데, 대략 $15,000 ~ $60,000 사이에가격이형성되어있다고볼수있다. 이런점을고려할때, 기존의면역검사를이용하여 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 11 / 14
검사하는검사종목들을 MS 시스템으로변경하여진단하고자할때환자에게청구하는검사가격을고려하지않을수없다. 또한 MS는숙련된전문가가다뤄야할상대적으로민감한분석기기라는것도임상진단검사실에서고려해야될부분이다. 특히, 진단검사실에서 laboratorydeveloped tests (LDTs) 를개발하고진단에적용하고자할때는더욱더숙련된전문가가필요하다. 따라서 MS가질병진단용으로좀더범용적이면서효과적으로사용되기위해서는, 기존고가의외산 MS 시스템보다가격은낮으면서일반검사실종사자나연구자가사용하기편리한 MS 시스템의개발이필요할것이며, 나아가질병진단용으로 FDA( 또는 KFDA) 에의해허가된 MS 기반플랫폼들과미국 National Institute of Standards and Technology (NIST) 에서제공하는 standard reference material (SRM) 로정도관리가가능한검사 kits, calibrators 및 QCs 등이상업적으로도쉽게구입이가능해야할것이다. 최근에, 국내기업중에 아스타는 MALDI-TOF MS 시스템을자체개발하여미생물동정분야로 KFDA 허가를받아상용화에성공하였는데, 향후에도 아스타와같이 MS 시스템을독자적으로개발하는국내기업들이많이생성되어국내질병진단시장뿐만아니라해외진단시장까지진출할수있기를기대해본다. 6. 참고문헌 [1] Irving J. (1988) Drug testing in the military-technical and legal problems. Clin. Chem. 34, 637-640. [2] Millington D. S. et al., (1990) Tandem mass spectrometry: a new method for acylcarnitine profiling with potential for neonatal screening for inborn errors of metabolism. J. Inherit. Metab. Dis. 13, 321-324. [3] Fitzgerald R. L. Herold D. A. (1996) Serum total testosterone: immunoassay compared with negative chemical ionization gas chromatography-mass spectrometry. Clin. Chem. 42, 749-755. [4] Holland R.D. et al., (1996) Rapid identification of intact whole bacteria based on spectral patterns using matrix-assisted laser desorption/ionization with time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun. Mass Spectrom. 10, 1227-1232. [5] 강민정. (2006) 질량분석기의원리와응용. 고분자과학과기술. 17(3), 368-377. [6] 이상후. (2015) 대사체학 (Metabolomics) 의최근연구동향. BRIC View 2015-T09. [7] Springer, A. E. (2014) Validated modeling for German white wine varietal authentication based on headspace solid-phase microextraction online coupled with gas chromatography mass spectrometry fingerprinting. J. Agric. Food Chem., 62(28), 6844-6851. [8] Navarrete, A. et al. (2013) Simultaneous online SPE-HPLC-MS/MS analysis of docetaxel, temsirolimus and sirolimus in whole blood and human plasma. J. Chromatogr. B, Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 921-922, 35-42. [9] Eichhorst J. C. et al. (2009) Drugs of abuse testing by tandem mass spectrometry: A rapid, simple method to replace immunoassays. Clin. Chem. 42(15), 1531-1542. [10] Rules Proposed for Workplace Drug Testing,(2004) SAMHSA News, 12 (3) May/June; a publicationof the United States Department of Health and Human Services. [11] Flinders B. et al. (2017) Mass spectrometry imaging of drugs of abuse in hair. Methods Mol. Biol. 1618, 137-147. [12] Schanzer W. & Thevis M. (2015) Human sports drug testing by mass spectrometry. Mass Spectrom, Rev. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 12 / 14
2015; 9999: 1-31. [13] Thevis M. (2010) Mass spectrometry in sports drug testing Characterization of prohibited substances and doping control analytical assays. Hoboken: Wiley. [14] Kohler M, Schanzer W, Thevis M. (2011) RNA interference for performance enhancement and detection in doping control. Drug Test Anal. 3, 661 667. [15] Kriegsmann J. et al. (2018) Mass spectrometry in pathology Vision for a future workflow. Pathol, Res. Pract. 214(8), 1057-1063. [16] Kriegsmann M. et al. (2016) Reliable entity subtyping in non-small cell lung cancer by matrix-assisted laser desorption/ionization imaging mass spectrometry on formalin-fixed paraffin-embedded tissuespecimens, Mol. Cell. Proteomics: MCP 15, 3081 3089. [17] Zhang J.et al. (2017) Nondestructive tissue analysis for ex vivo and in vivo cancer diagnosis using a handheld mass spectrometry system. Sci. Transl. Med. 9(406), eaan3968. [18] Takats Z. et al. (2017) Ambient mass spectrometry in cancer research. Adv. Cancer Res. 134, 231-256. [19] Phelps D. L. et al. (2018) The surgical intelligent knife distinguishes normal, borderline and malignant gynaecological tissues using rapid evaporative ionisation mass spectrometry (REIMS). Br. J. Cancer 118, 1349 1358. [20] Malchow S. et al. (2017) Quantification of cardiovascular disease biomarkers in human platelets by targeted mass spectrometry. Proteomes 5, 31. [21] Maas R. et al.(2009) Association of the endogenous nitric oxide synthase inhibitor ADMA with carotid artery intimal media thickness in the Framingham Heart Study Offspring Cohort. Stroke 40, 2715-2719. [22] Almannai M. et al. (2016) Newborn screening: a review of history, recent advancements, and future perspectives in the era of next generation sequencing. Curr. Opin. Pediatr. 28(6), 694-699. [23] 인구보건복지협회 (http://www.ppfk.or.kr/sub/business/business3/health2.asp) - 선천성대사이상검사및환아관리. [24] Li Y. et al. (2004) Direct multiplex assay of lysosomal enzymes in dried blood spots for newborn screening. Clin. Chem. 50(10), 1785-1796. [25] Kasper D.C. et al. (2010) The application of multiplexed, multi-dimensional ultra-high-performance liquid chromatography/tandem mass spectrometry to the high-throughput screening of lysosomal storage disorders in newborn dried blood spots. Rapid Commun. Mass Spectrom. 24, 986 994. [26] Handelsman D.J. (2017) Mass spectrometry, immunoassay and valid steroid measurements in reproductive medicine and science. Human Reprod. 32(6), 1147 1150. [27] Lee S. et al. (2016) A rapid and simple liquid-chromatography-tandem mass spectrometry method for measuring 25-hydroxyvitamin D2 and 25-hydroxyvitamin D3 in human serum:comparison with two automated immunoassays. Ann. Clin. Lab. Sci. 46(6), 645-653. [28] https://www.cdc.gov/labstandards/hs.html. [29] Clark A. E. et al. (2013) Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry: a fundamental shift in the routine practice of clinical microbiology. Clin. Microbiol. Rev. 26, 547 603. [30] Tan K. E. et al. (2012) Prospective evaluation of a matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry system in a hospital clinical microbiology laboratory for identification of bacteria and yeasts: a bench-by-bench study for assessing the impact on time to identification and cost-effectiveness. J. Clin. Microbiol. 50, 3301 3308. 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 13 / 14
[31] Prasanna D. K. et al. (2012) Mass spectrometry in the clinical microbiology laboratory, Part I: PCR-MS. Clin. Microbiol. Newsletter 34(17), 135-140. [32] CLSI guidelines 인용 : https://clsi.org/ The views and opinions expressed by its writers do not necessarily reflect those of the Biological Research Information Center. 이상후 (2018). 질량분석기를이용한질병진단응용동향. BRIC View 2018-T31 Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?board=report&id=3055 (Aug 30, 2018) Email: member@ibric.org 질량분석기를이용한질병진단응용동향이상후 Page 14 / 14