분자진단기술을 이용한 질병위험관리, 그리고 암 진단 및 암 관리

분자진단기술을 이용한 질병위험관리

 

질병관리를 위해서는 손자병법에 나오는 '지피지기면 백전불태'라는 말처럼 상대를 알고 나를 알면 백 번 싸워도 위태롭지 않다는 뜻으로, 즉 상대방과 나의 강점 및 약점을 파악하고 싸움에 임하면 승산이 있습니다.

 

질환 검사를 위한 정밀의료기기 사용 모습

 

이를 질병관리 측면에 적용하여 보면 환자의 게놈, 즉 유전정보는 미래에 질환이 발병할 확률에 영향을 미치는 유전적 돌연변이 또는 무작위 돌연변이를 포함할 수 있습니다. 예를 들어 린치 증후군은 환자가 대장암이나 기타 암에 걸리기 쉬운 유전적 질환으로 알려져 있습니다. 따라서 린치 증후군을 유발하는 유전자의 조기 발견은 환자에게 양호한 결과를 가져다 줄 수 있는 가능성을 높일 수 있습니다.

 

또한 심혈관 위험은 생물학적 마커에 의해 나타나는 것으로 알려져 있고, 특히 스크리닝을 통해 낭포성 섬유증과 같은 유전적 질환을 가진 아이가 태어날 위험을 측정 할 수 있습니다.

 

하지만 유전자 검사는 윤리적으로 복잡한 문제를 안고 있습니다. 더욱이 일부 환자는 자신의 유전적 위험을 아는 스트레스를 원하지 않을지도 모릅니다. 또한 보편적 의료 시스템이 없는 나라에세는 유전자 검사를 통해 알려진 질환 발병 위험성으로 인해 보험료를 상승시킬 수 있다는 시각의 우려가 있습니다.

 

 

 

분자진단기술을 이용한 암 관리

 

암(cancer)은 종양 생물학에서 연구가 오래 된 학문 중 하나로 종양 세포에서의 종양 대사산물입니다. 다른말로 표현하자면 암은 종양을 통제 불능의 상태로 성장시키는 세포 과정의 변화를 말합니다. 

 

암 세포는 KRAS나 CTNNB1(β-카테닌 또는 베타-카테닌)과 같은 종양 유전자에 돌연변이를 가질 수 있습니다. 암 세포의 DNA와 mRNA (메신저 RNA)에 의한 발현 수준과 같은 분자적 특성을 분석함으로써 의사는 암을 특정하고 환자에게 최적의 치료법을 선택할 수 있기에 환자의 암 관리에 도움이 됩니다. 2010년에 새로이 개발된 어세이(assays)는 특정 단백질 마커 분자에 대한 일련의 항체를 통합하는 기술로서, 이러한 멀티플렉스 (multiplex) 분석 기법은 한 번에 많은 마커를 측정할 수 있습니다. 또한 건강한 세포보다 암 세포에서 많이 발현하는 마이크로 RNA (micro RNA) 분자가 미래의 잠재적인 바이오마커에 포함될 수 있습니다.

 

암에 대해 전문가들은 과도한 분자적 원인과 끊임없는 진화를 수반하는 질병으로 보고 있습니다. 더욱이, 개인마다 질병의 발현이 모두 완벽하게 동일하지 않기 때문에 개인에게도 질병의 이질성이 있습니다. 이러한 특성으로 암 분자 연구는 종양의 성장과 전이에서 변이의 중요성을 증명합니다. 특히 유전자 서열의 변이를 검출하기 위한 많은 기술은 암 연구를 위해 개발되며 진보되고 있습니다. 이러한 기술은 일반적으로 중합효소 연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction), 혼성화 (hybridization), 차세대 시퀀싱(NGS; next-generation sequencing)이 대표적입니다. 

 

이 중에서 PCR 기술에 대해 간략히 설명하면, PCR은 단어에서 의미를 찾을 수 있듯이, polymerase라 부르는 중합효소로 특정 서열을 연속적으로 증폭할 수 있는 기술입니다.  따라서 특정 DNA 샘플을 수백만~수십억개의 카피(copies)로 신속하게 복사하는데 널리 쓰이는 방법으로 과학자들이 아주 작은 DNA 샘플을 충분히 증폭해서 상세한 연구를 가능하게 합니다.

 

현재 PCR 및 혼성화 분석, NGS 기술은 FDA에 의해 체외진단으로 승인되어 in vitro (생체 외부) 실험이 가능합니다.

간략한 용어 설명을 하자면, In vitro는 살아있는 생명체가 아닌 생체 외 또는 시험관 같은 제어 가능한 환경에서 수행되는 실험을 말하며, 반대말로 in vivo(생체 내부)가 있습니다.

 

특히 암에 대한 분자진단 검사에 대해 중요한 문제 중 하나로 DNA 서열에서 변이를 검출하는 것입니다. 진단에 사용되는 종양 생검 샘플은 야생형(wild type) 서열과 비교하여 항상 표적 변이체의 불과 5%만이 포함되어 있습니다. 또한 말초혈 또는 소변과 같은 비침습적 방식을 위한 검사에서는 0.1% 미만의 변이를 검출하기에 충분할 정도로 특이적이어야 합니다.

 

현재 전통적인 PCR을 최적화함으로써 암의 DNA 서열 변이체를 검출하는 방법으로 증폭-굴절률 돌연변이 시스템(ARMS; amplification-refractory mutation system)이 있습니다. ARMS의 원리는 DNA 중합효소의 연장 활성( extension activity)이 프라이머의 3' 말단 부분에서의 미스매치(mismatch)에 매우 민감하다는 것을 응용합니다. 많은 기업에서 ARMS PCR 프라이머를 기반으로 한 진단 테스트를 개발하고 있습니다. 예를 들어, Qiagen사의 therasscreen, Roche사의 cobas, Biomerieux사의 THxID는 KRAS 유전자, EGFR 유전자, BRAF 유전자에서 폐암과 전이성 멜라노마 변이를 검출하기 위한 FDA 승인된 PCR 검사를 개발하였습니다. 이들의 IVD 키트는 FFPE 조직 샘플에서 추출된 genomic DNA로 검증되었습니다. 

 

혼성화 방식을 이용하여 암을 진단하는 검사법으로 마이크로 어레이(microarrays)도 있습니다. Affymetrix사의 Genechip 기술은 한 well 당 1~10 copies의 mRNA를 검출할 수 있는 어레이 상에서 100만개 이상의 서로 다른 프로브(probe)를 합성할 수 있습니다. 일반적으로 최적화된 마이크로 어레이는 다른 타겟을 대상으로 상대 정량이 반복적으로 가능하도록 설계될 수 있습니다.  현재 FDA는 마이크로 어레이를 이용한 몇 가지 진단 분석을 승인했습니다.  Agendia사의 MammaPrint 어세이는 유방암과 관련된 70 여개의 유전자 발현을 프로파일링함으로써 유방암의 재발 위험을 알릴 수 있습니다. 또한  Autogenomics사의 INFNITI CYP2C19 어세이는 항우울제에 대한 치료에 영향을 주는 다형유전자(polymorphisms)를 프로파일링할 수 있습니다. Affymetrix사의 CytoScan Dx는 염색체 돌연변이를 분석함으로써 지적 장애와 선천성 장애를 확인할 수 있습니다.

 

앞으로는 암 진단 도구가 NGS에 초점을 맞출 가능성이 높습니다. DNA와 RNA 시퀀싱을 활용해 암 진단을 함으로써 분자진단 도구 분야의 기술이 더욱 발전할 것으로 생각합니다. NGS의 처리량과 가격은 지난 10년 간 약 100배로 급격히 감소했지만, 우리는 전체 게놈 수준에서 심층 시퀀싱을 수행하기에는 아직 어려움이 있습니다.  Ion Torrent는 translational AmpliSeq에 기초를 둔 일부 NGS 패널을 개발하고 있으며, 희귀한 유전자 서열 변이를 검출하기 위해 암 관련 유전자의 심층 서열을 이용하는 것에 초점을 맞추고 있습니다.

 

실제로 암 위험 평가에 사용되는 분자진단 도구로는 Miriad Genetics에 의한 BRCA 1/2 검사가 있는데, 이는 유방암의 평생 위험을 여성에 대해 평가합니다. 일부 암은 명확한 증상을 가진 사람들에게만 사용되는 것은 아닙니다. 일부의 사람들은 뚜렷한 증상이 나타나지 않기 때문에 조기에 암을 발견할 수 있다면 분석하는 데 유용할 것입니다. 예를 들어, ColoGuard 검사는 55세 이상의 사람들에게서 대장암을 선별하는 데 사용할 수 있습니다.

 

또한 암이 가지는 다양한 진행단계를 가진 장기적인 질환이라는 특성으로 인해 분자진단 도구는 암 진행 예후를 관찰하는 것에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 게놈 헬스에 의한 OncoType Dx 검사는 유방암 위험을 추정할 수 있습니다. 이러한 기술은 유방암 생검 조직에서 RNA 발현 수준을 검사함으로써 필요한 경우에 화학 요법을 요구하도록 환자에게 알릴 수 있습니다. 

 

DNA, RNA 수준의 분자 진단에 대한 정부의 지원이 높아지면서, 암에 대한 임상 DNA 검출 검사가 곧 이용될 수 있게 될 것으로 보입니다. 현재의 암 진단 연구는 빠르게 발전하고 있으며, 의사와 환자의 비용을 절감하고, 시간 소비를 줄이고, 보다 간단한 방법을 목표로 연구 개발이 진행되고 있는 추세입니다.