생명공학과 IT 로날개단진단기술 혈액, 소변, 생체조직등의시료를분석하는진단기술은분자진단분야를중심으로빠르게발전하고있다. 진단기술은질병의빠르고정확한진단, 질병의진행상태분석및치료에대한반응예측등을통해건강한삶에크게기여하고있다. 인간의평균수명이길어지고신종질병들이지속적으로출현함에따라진단기술의중요성은더욱커질것이다. 윤수영연구위원 syyoon@lgeri.com 질병에걸렸을때대응하는방법은어떻 게발전되어왔을까? 질병에대한지식이충분 하지않았던과거에는질병에의해나타나는 증상을없애기위한대증요법이주를이루었 다. 즉, 열이나면해열제, 통증이있으면진통 제를투여하는것이다. 그러나질병의근본적 인원인에대한지식과더불어인체내에서그 원인을찾아내는기술, 그원인을치료하는기 술등이발전하면서질병에대응하는방법은 크게변화되어왔다. < 표 > 검사유형에따른분류 검사유형 생화학 (Clinical Chemistry) 면역화학 (Immuno-chemistry) 혈액학 (Hematology/ Hemostasis) 병리학 (Histology/Cytology) 분자진단 (Molecular Diagnostics) 간염을예로들어보자. 바이러스성간염 의원인이되는바이러스중가장먼저발견된 특징및진단가능질병 혈청, 혈장등체액안의화학성분을측정하는것으로, 혈당, 전해질, 효소, 호르몬, 지질등을측정하여당뇨, 동맥경화, 임신, 불임등을진단 항원 - 항체반응을이용하여감염성질환, 갑상선기능, 빈혈, 알러지, 임신, 약물남용등을진단 혈액과골수를연구하는분야로, 적혈구, 백혈구, 혈소판, 헤모글로빈등을검사하는전혈구검사 (CBC, Complete Blood Count) 나응혈인자검사가기본이됨. 백혈병, 빈혈, 자가면역질환등을진단하거나항응고치료모니터링을할수있음. 유리판위에펼친체액이나생체조직을염색한후현미경을통해분석함으로써암조직이나감염성병원체등을검사하는방법 인체나바이러스등의유전자정보를담고있는핵산 (DNA, RNA) 을검사하는것으로, 인간면역결핍바이러스 (HIV), 인유두종바이러스 (HPV) 등을검사하거나유전자검사등에이용 B형간염바이러스는 1965년에발견되었고, 이후 A, C, D형등다양한바이러스가발견되었다. 또한인체내에이러한바이러스가존재하는지밝혀내는진단기술이확립되었고, 그에따라적절한항바이러스의약품을사용할수있게되었다. 즉, 과학기술의발전에따라증상만경감시키는대증요법이아닌원인을치료하는원인요법이가능하게된것이다. 이러한발전에있어, 진단기술이중요한한축을이루고있다. 진단기술이발전함에따라질병의정확한원인및종류, 진행상태등을파악하여그에맞는치료를할수있게되었고, 아직증상이나타나지않았거나발생하지않은질병에대한정보를알아내어미리조치를취하는것도점차가능해지고있다. 진단기술의종류혈액, 소변, 생체조직등의시료를채취하여검사를수행하는진단기술은어떤시료로어떻게분석을하느냐에따라생화학진단, 면역화학진단, 분자진단등으로나눌수있다 (< 표 > 참조 ). 또한사용장소에따라대형병원이나전문검사센터에서사용하는대형기기와중소형병 의원또는가정에서사용하는현장진단기기 (POCT, Point-of-care Test) 로나눌수있다. 이러한진단기술은엑스레이, 초음파, LG Business Insight 2012 3 7 41
진단기술은여러관련학문및기술의발전으로빠르게진화하고있다. 로빠르게진화하고있다. 전문검사실용대형기기는상당부분자동화 / 통합화되고있고, 현장진단기기는빠르게사용자기반을넓혀가고있다. 바늘을이용하여혈액이나생체조직을 대형진단기기 ( 로슈 ) 현장진단기기 ( 앨리어 ) 체외진단시장 글로벌체외진단시장규모는 2009 년기준으로 388 억달러이 며, 2014 년까지연평균 5.4% 성 장하여 2014 년에는 504 억달러 규모가될것으로예상된다. 부문별시장규모는면역화학 진단이약 100 억달러, 생화학진 단이약 60 억달러, 분자진단이 약 40 억달러, POCT 는약 130 억달러이며, 분자진단분야의 MRI 등의영상진단기기로신체내부의해부학 적구조나기능적움직임을보며진단을수행 하는체내진단 (In-vivo Diagnostics, 주로영 상진단이라칭함 ) 과구별하여체외진단 (In-vitro Diagnostics) 으로불리기도한다. 더편리하고정교해지는진단기술 진단기술은여러관련학문및기술의발전으 시장규모성장률이가장높을것으로예측되고있다. 주요기업은로슈, 애보트, 지멘스, J&J 등이며이 4 개기업이 시장규모의절반이상을차지하고있다. 주요기업별시장점유율 기타 (46%) 로슈 (20%) 지멘스 (12%) 애보트 J&J (12%) (10%) 자료 : Frost & Sullivan, 2010, Kalorama Information, 2010, 생명공학정책연구센터와미래에셋증권자료에서재인용 ) 채취하는침습적인시술의불편함을줄이기위해비침습적인방법으로채취한시료, 즉침이나호흡등을이용한진단기술의개발에도많은노력이기울여지고있다. 최근가장빠른성장을보이고있는분야로는분자진단을들수있다. 유전체학 (Genomics) 등생명공학의발전에기반하여분자진단은진단기술의새로운장을열고있다. 대형진단기기의자동화, 통합화대형기기의발전현황은자동화와통합화로정리할수있다. 인체에서채취한시료를검사하기좋은상태로가공하고시약을넣어서분석하고결과를기록하는일련의과정에서, 사람이직접해야하는일의비중이매우낮아지고자동화되는추세이다. 또한예전에진단기술별로각각다른기기로따로분석하던것이점차통합화되어, 하나로연결된대형기기에서마치컨베이어벨트돌아가듯이많은종류의검사가자동으로이루어지게된다. 이러한자동화, 통합화를통해검사시간이단축되고, 사용되는시료의양도줄어들며, 사람의손을거침에따라발생할수있는오류의가능성도더낮아지게되었다. 대형진단기기의자동화, 통합화에는 IT 기술의역할이매우크다. 바코드시스템및 42 LG Business Insight 2012 3 7
POCT 의발전으로중소형병 의원및가정에서도신속한검사가가능하게되었다. 오류검사시스템등을통해시료와사람의이름이바뀌거나, 검사항목이잘못입력되는등환자의안전을저해하는오류가줄어들고, 검사결과가전자의무기록에자동으로입력되게함으로써적시에정확한결과가환자에게전달되는데도움을주고있다. 전문검사의상당부분이현장진단화검사결과를신속하게얻고자하는니즈, 대형병원이나전문검사센터의도움을받지않고도손쉽게진단검사를하고자하는니즈에부응하기위해서 POCT가개발되었다. POCT의쉬운예로는혈당계와임신진단키트를들수있다. POCT는개인들이자가검사를위해사용하는가정용과병 의원에서주로쓰는전문가용으로나눌수있다. 가정용 POCT 중가장많이쓰이는것은혈당계이고, 그외임신진단, 배란진단, 혈액응고, 콜레스테롤검사등이있다. 전문가용으로는혈당계뿐아니라감염질환, 콜레스테롤, 혈액응고, 심장표지자 ( 급성심근경색증등진단 ) 검사등다양한종류가있다. 기존에대형병원과전문검사센터에서진단검사전문가에의해서만가능하던검사들의상당부분이 POCT화되면서, 응급실, 수술실, 진료실, 가정등환자바로옆에서신속한검사및치료가가능하게되었고, 자체검사실을갖추지않은중소형병 의원에서도독자적으로필요한검사를할수있게되었다. 아직은대형기기에비해검사가능항목이적고정확도도낮은경우가많지만, 더다 양하고정확하고사용하기편리한현장진단기기들이지속적으로소개될것으로예상된다. 혈액검사에서침, 호흡, 머리카락검사로아프게피를뽑지않고침이나호흡만으로모든검사가가능하면얼마나좋을까? 혈액이나생체조직을이용한진단기술을대체할수있는수준은아니지만, 침, 호흡, 소변, 머리카락등을통해검사를하는비침습적인방법이꾸준히연구되고있다. 침은인체에서가장채취하기쉬운시료중의하나일것이다. HIV 1, 알코올및약물중독, 감기바이러스, 성호르몬등은이미침으로검사가가능하며, 미국오라슈어 (OraSure Technologies) 에서출시한오라퀵 (OraQuick) 제품을예로들수있다. 숨을내쉬어음주여부를측정하는음주측정기처럼날숨을이용하여질환을진단하는것도가능하다. 위염, 위궤양과같은소화기질환, 천식과같은호흡기질환등이호흡을통해진단될수있다. 영국베드폰트 (Bedfont Scientific) 의스모커라이져 (Smokerlyzer) 는 스모커라이져흡연검사기 ( 베드폰트 ) 1 AIDS( 후천성면역결핍증후군 ) 를일으키는인간면역결핍바이러스 오라퀵 HIV 검사기 ( 오라슈어 ) LG Business Insight 2012 3 7 43
유전체학의발전으로질병에대한이해가분자수준으로깊어졌고, 분자진단이크게발전했다. 담배나마리화나흡연을검사할수있는기기로, 고등학교등에서학생지도를위해사용되고있다. 침이나호흡이외에도구강점막도말 (Buccal Smear) 샘플을이용한분자진단, 머리카락을이용한약물중독과유전자검사, 소변을이용한성병검사등다양한비침습시료들이사용되고있다. 또한피부에붙이는패치나입는의복형태의진단기기들이꾸준히연구, 출시되고있다. 아직의료계나대중들로부터큰호응은받지못하고있지만, 진단가능항목이나정확도, 편의성이개선될수록호응은높아질것으로기대된다. 분자진단, 지놈프로젝트로비약적발전분자진단은유전자정보를담고있는핵산 (DNA, RNA) 을검사하여질병을진단하는기술이다. 분자진단의대상은크게인체와인체에감염된병원체로나눌수있다. 인체의핵산을분석함으로써질병발생및치료와관련된진단을할수있고, 병원체의핵산분석을통해특정병원체에감염되었는지정확하게확인할수있다. 유전정보를분석하는진단분야인만큼, 분자진단의발전에는유전체학이기반이되었다. 유전체학은생물체의 DNA 염기서열을분석하고, 생물체별로다른유전자형을밝혀내며, 특정유전자가생체에서어떻게발현되는지등을분석하는학문으로, 2003년완료된 휴먼지놈프로젝트 (Human Genome Project) 와함께비약적으로발전한분야이다. 유전체학의발전으로질병에대한이해가분자수준으로깊어졌다. 즉, 인체의 DNA 염기서열에생긴약간의변이또는유전자발현의시기와정도의차이에따라특정질병이걸린다는사실, 예전에는같은것으로알고있었던질병이라도인체나병원체의유전정보에따라차이가있다는사실등을알게되었고, 그에따라질병에대한치료법을결정하거나질병발생가능성을예측하게된것이다. 조기진단과맞춤의료를향한새지평감염질환의효과적인치료및감염방지특정질병에걸렸을때그에맞는효과적인치료를하기위해서는신속하고정확한진단이필수적이다. 감염질환의경우효과적인치료가이루어지지않으면다른사람들에게전염될수있으므로조기진단의중요성은더욱커진다. 감염질환을일으키는병원체를검사하기위해, 예전에는병원체를직접배양하여검사하는배양법또는병원체를분리, 배양한후항원항체반응을거치는면역화학진단법을주로이용하였는데, 이경우민감도와특이도가낮은경우가많았다 (<Box 기사 > 참조 ). 분자진단에서는병원체자체가아닌그유전자를증폭하여진단하므로민감도와특이도가높고, 화학적으로불활성화된시료나추출물을재료로사용하기때문에안전성이높다는장점이있다. 44 LG Business Insight 2012 3 7
분자진단의발전은감염질환의효과적인치료및감염방지에기여하고있다. 2009년에전세계를떠들썩하게했던신종플루의경우, 초기에정확한진단을하여타미플루등의항바이러스제제를투여하면대부분치료가가능하다. 그러나인플루엔자검사에일반적으로쓰이는신속항원검사 (Rapid Antigen Test, 면역화학진단법의일종 ) 로는신종플루확진이어렵다. 신속항원검사는계절독감과신종플루바이러스를구별하지못하기때문이다. 따라서신종플루를정확하게진단하기위해서는 RT-PCR( 역전사중합효소연쇄반응 ) 이라불리는분자진단기술을이용하여야한다. 신종플루창궐초기에신속항원검사로음성결과를받은환자가신종플루로사망하는사례가발생하여, 분자진단이대중들에게많이알려진계기가되기도하였다. 다음은 AIDS( 후천성면역결핍증후군 ) 를일으키는 HIV( 인간면역결핍바이러스 ) 를예로들어보자. 바이러스에감염된후검사결과상양성으로나오는데는시간이필요한데, 이를창문기 (Window Period) 라고한다. 이기간동안에는검사를해도음성으로나오기때문에감염사실을모른채다른사람들에게옮길수있으므로이기간을최대한줄이는진단기술을개발하는것이매우중요하다. HIV 감염진단을위한기존의면역화학진단법은창문기가매우길어 3~6개월까지걸리는경우도있었다. 그러나진단기술이세대를거듭하며발전하여면역화학진단법으로는 15일, 분자진단으로는 11일로단축되었다. 이렇 민감도 (Sensitivity) 와특이도 (Specificity) 진단기술의정확도를보는기준으로민감도 (Sensitivity) 와특이도 (Specificity) 가있다. 민감도는질병이있는환자에게질병이있다고나오는비율이고, 특이도는질병이없는환자에게질병이없다고나오는비율이다. 즉민감도가 80% 인진단기술이있다면실제로병이걸린환자중 80% 는양성결과를받지만, 나머지 20% 는음성결과를받는다. 위음성 (False Negative) 비율이 20% 에이르러, 조기에질병을확인하여치료를할기회를놓치게되는것이다. 마찬가지로, 특이도가 80% 인진단기술의경우병에걸리지않았지만양성결과를받을확률이 20% 이다. 이러한위양성 (False Positive) 의경우, 환자는질병을확인하기위해추가적인여러검사들을수행하게되고, 결국많은비용지출과마음고생이후에야병에걸리지않았다는결과를받게된다. 따라서진단기술의민감도와특이도를모두높이는것이정확한진단에있어매우중요하다. 게창문기가줄어드는것은환자본인의빠른치료에도중요하지만, 타인의감염위험도크게낮춰준다. 각국혈액원에서도헌혈된혈액을빠른시간내에안전하게사용하기위하여분자진단기술을적극적으로이용하고있다. 암의조기진단을향하여감염질환이상으로조기진단의기대가높은분야는암일것이다. 유방암의경우조기에발견하면 5년생존율이 98% 에이르지만, 전이가된후발견하면이는 23% 로떨어진다. 2 암을진단하기위해서는 CT와같은영상진단, 생체 2 미국기준, 자료 : Diagnostics 2011, PWC, 2011 LG Business Insight 2012 3 7 45
진단기술을이용해질병진행상태를주기적으로체크함으로써, 만성질환을효과적으로관리할수있다. 조직검사, 혈액을이용한종양표지자검사등이복합적으로사용되는데, 종양표지자검사, 즉체외진단을통한암의조기발견은아직충분히성과를내지못하고있다. 현재종양표지자검사중상대적으로정확도가높은것으로평가되고있는 PSA 검사 ( 전립선암진단 ) 의경우민감도는 20%, 특이도는 94% 에머물고있다. 3 이러한이유로아직암진단분야에서는혈액을이용한체외진단이주체적인역할을못하고있고, 건강진단용기본검사, 암치료에대한효과평가등의보조적역할로사용되고있다. 그러나 2009년이후민감도와특이도를높인다양한종류의진단기술들이소개되고있다. 전립선암의경우미국의캐리스 (Caris Life Sciences) 에서민감도 85%, 특이도 86% 인진단기술을허가받았고, 대장암의경우독일의에피게노믹스 (Epigenomics) 에서민감도 70%, 특이도 90% 인진단기술을허가받았다. 이러한기술들은아직시장에서충분히검증되지는않았지만, 암에대한연구와종양표지자의발굴이지속될수록, 암의조기진단에서체외진단의역할은더욱커질것으로기대되고있다. 환의관리에있어중요한역할을한다. 만성질환의가장대표적인예인당뇨병환자들의경우, 상태의경중에따라다르겠지만많게는하루 3~4회이상혈당검사를하고그에맞게인슐린등의약물투여나식사량, 운동량등을보정함으로써질병을관리한다. 철저한관리를통해질병의악화와합병증의발생을예방할수있는것이다. 그러나만약가정용혈당계가개발되지않았다면이러한철저한관리는거의불가능했을것으로보인다. 최근에는가정용혈당계에무선통신기술이결합되어측정결과가바로스마트폰이나개인용컴퓨터로전송되고, 혈당계제조회사나질병관리서비스회사에서제공하는웹서버또는병원의전자의무기록에축적되는것도가능하다. 이를통해더욱체계적인질병관리또는병원진료시참고자료의역할을할수있는것이다. 이는헬스케어의새로운패러다임이라불리고있는 Connected Health 또는 u-health 의기본이되는개념이다. 철저한질병관리를돕기위해혈당계는두가지방향으로발전하고있다. 첫째는 연속혈당계 + 자동조정인슐린펌프시스템 의개 효과적인만성질환관리의토대 진단기술, 특히현장진단기술의발전은만성질 3 기준농도를 4.1ng/ml 로잡았을때. 기준농도를낮출수록민감도는증가하지만특이도가크게떨어지게됨. 즉, 기준농도를 1.1 로잡을경우민감도는 83% 로증가하지만특이도는 39% 로크게떨어짐. ( 자료 : Journal of the American Medical Association, 2005;294;66-70) 연속혈당계와인슐린펌프 ( 메드트로닉 ) 46 LG Business Insight 2012 3 7
진단기술은의약품사용시가장효과가좋고부작용이적을만한사람을선별해줌으로써맞춤의료의구현에중요한역할을한다. 발이다. 즉, 상시적으로혈당량을체크하고, 그에따라적당량의인슐린이자동투여되도 록하는것이다. 이시스템은아직은인체의 인슐린분비를완벽히재현할만큼정교화되 지는못하여완전자동으로구현되지는못하고 있다. 4 둘째는바늘로찌르지않는비침습혈당 계의개발이다. 하루에도몇번씩검사해야하 는특성상비침습혈당계의개발은수많은당 뇨병환자들의숙원일것이다. 피부에붙이는 패치형태, 시계처럼손목에차는형태등다 양한형태의비침습혈당계가개발되고있고, 이미출시되었다시장에서사라진것도있다. 아직정확도등의측면에서시장을선도할제 품은개발되지못했으나, 수많은진단기업들이 비침습혈당계개발에심혈을기울이고있으 므로머지않은미래에비침습혈당계의상용 화를기대해볼수있을것이다. 맞춤의료구현의동반자 맞춤의료 (Personalized Medicine) 란각개인 별로다른유전정보등을기반으로 적절한시 간에적절한사람에게적절한치료를적절한 용량으로 제공하는것이라고정의할수있다. 진단기술은의약품사용시가장효과가좋고 부작용이적을만한사람을선별해줌으로써 4 상시혈당계는복부에착용하는형태로, 혈액이아닌피하간질액의혈당을측정하므로혈액으로부터바로측정하는것과비교해 Time-lag 이발생함. 그외에도완전자동화를위해서는개인의음식섭취패턴, 운동패턴, 그에따른혈당변화패턴, 인슐린흡수시간등이복합적으로고려되어야하므로완전자동화시스템의개발에는더많은연구가필요할것으로보임. 맞춤의료의완성에중요한역할을한다. 가장고전적인예로는항응고제인와파린 (Warfarin) 을들수있다. 시토크롬 P450 2C9라는유전자에변이가있는환자가와파린을복용하면와파린의대사가제대로되지않아급성신부전증, 출혈등의부작용이발생할수있다. 이에따라미국식품의약품안전청은와파린복용전에이유전자에대한검사를시행하도록권고하는내용을와파린제품설명서에추가하도록지시하기도했다. 최근의예로는미국화이자 (Pfizer) 의폐암치료제인잴코리 (Xalkori) 를들수있다. 이약은 ALK 양성비소세포성폐암 환자에게사용되는약이다. 이타겟환자군은전체폐암환자의 4~5% 에불과한데, 임상시험에서타겟환자군의 83% 에효과를보임으로써 2011년 8 월에미국, 12월에한국의식품의약품안전청으로부터허가를받았다. 만약 ALK 변이를밝혀내는진단기술이없어서전체폐암환자를대상으로임상시험을했다면, 이약은당연히치료효과가너무낮아항암제로허가를받지못했을것이다. 설사허가를받았더라도 95% 이상의환자는효과도보지못한채약값과부작용의위험을감수해야했을것이다. 그러나분자진단기술을이용하여전체폐암환자중이약에효과가있을만한환자를정확히확인할수있기때문에이환자들은하마터면세상에소개되지못했을약으로부터큰효과를볼수있게된것이다. LG Business Insight 2012 3 7 47
인간의평균수명이길어지고신종질병들이지속적으로출현함에따라진단기술의중요성은더욱커질것이다. 질환예측및예방은이제시작단계 분자진단을이용하여향후에걸릴확률이높 은질병이무엇일지미리알수있을경우생 활습관교정이나예방약복용등을통해질병 발생가능성을낮출수있을것이다. 미국에서소비자를대상으로유전자검사 서비스를제공하고있는 23andMe 의경우당 뇨병, 파킨슨병등 110 여가지질병에대한위 험성, 눈동자색깔이나알코올에대한반응등 50 여가지신체특징, 20 여가지약물에대한 효과및부작용가능성, 자녀에게 40 여가지 유전병이유전될가능성등에대한정보를제 공한다 (< 그림 > 참조 ). 그러나아직질환예측분야는초기단계 이고신뢰도가충분히높다고보기어렵다. 기 술발전에도불구하고아직한사람의전체 DNA 염기서열을분석하는데에는긴시간과 높은비용이필요하고, 유전자와질병의상관 관계가충분히밝혀지지않은상황이다. 이에 따라 23andMe 에서도서비스를의뢰하는사람 의전체유전자정보를분석하는것이아니라 < 그림 > 23andMe 의유전자검사서비스 온라인으로키트주문 키트를받은후튜브에침을넣어보냄. DNA 를분석함. (6~8 주소요 ) 일부정보를분석하여대략적인가능성을제시 하는것일뿐질병의정확한진단이나예측서 비스를제공하는것이아님을명시하고있다. 따라서질환예측및예방분야는많은 소비자들과과학자들의기대를받고있는분 야이기는하지만, 개인의건강을위해충분히 적용되기위해서는상당한시간이더필요할 것으로예상된다. 이상으로진단기술의종류및발전현황, 그의미들에대해살펴보았다. 진단기술은개 인의질병을빠르고정확하게확인하게함으로 써더쉽고저렴하게질병을치료할수있게 돕는다. 만성질환자들이지속적으로질병을 관리할수있도록기본데이터를제공해주고, 특정의약품에대해적은부작용으로높은효 과를얻을수있는환자군을선별해준다. 또 한미래에걸릴질병을예측하고예방할수있 도록돕는분야도아직은초기단계이지만빠 르게발전해나가고있다. 질병의원인등질병자체에대한이해, 그 원인을정확하고빠르고저렴하게찾아내는진 온라인으로결과확인 단기술, 질병의원인에선택적 으로작용하는치료법또는예 방법, 이들은상호보완적으로 중요한역할을계속할것이다. 또한인간의평균수명이길어 지고신종질병들이계속출현 함에따라진단기술의중요성 은더욱커질것이다. www.lgeri.com 48 LG Business Insight 2012 3 7