분자진단의 기술 분야

 

분자진단의 어세이(Assays)란

 

분자진단은 PCR-ELISA 또는 FISH(Fluorescence in situ hybridization)와 같은 in vitro 생물학적 분석을 사용합니다. 이러한 어세이는 molecule이라 하는 분자, 특히 저농도의 분자를 검출할 수 있고, 이 분자는 환자로부터 채취된 샘플에서 질병 또는 위험성을 나타내는 마커입니다. 이러한 분석을 위해서는 분석 전 샘플의 저장이 중요하며, 특히 손으로의 조작은 최소한으로 줄여야 합니다.

 

96 well 및 멀티 피펫 사용 모습

 

특히, 분자 중의 하나인 RNA 분자는 손상받기 쉽기 때문에 다루는 것에 몇가지 어려움이 있습니다. 세포 내에서 RNA는 유전자를 단백질로 발현시키는 과정에서 유전자 발현 척도를 제공하지만, 세포에는 RNAse라는 RNA 가수분해 효소가 있어서 RNA가 분해되기 쉬운 환경입니다. 따라서 분석 전 샘플은 액체 질소 안에서 급속 냉동하거나 보존제 안에서 배양할 수 있습니다.

 

 

분자 진단법의 장점

분자 진단법은 민감한 마커를 검출 할 수 있기 때문에 기존 생검보다 침습성이 낮습니다. 예를 들면, 사람의 혈장에는 무세포 핵산이 존재하기 때문에 단순한 혈액 샘플은 종양이나 이식, 태아로부터의 유전 정보를 샘플링하기에 충분합니다.

 

 

분자 진단법의 주요 기술

핵산 검출에 기초한 분자진단법의 대부분은 전부는 아니지만 PCR (polymerase chain reaction)을 사용하여 핵산 분자의 수를 대폭적으로 증가하여 환자 샘플 중 표적 배열을 증폭합니다.

PCR은 합성된 프라이머, DNA 중합효소, dNTP를 사용하여 template DNA를 증폭하는 방법입니다. 이 혼합물은 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 변성시키기 위한 고온 조건과 프라이머가 template DNA에 부착하고 프라이머를 연장하기 위한 중합효소를 위한 저온 조건, 즉 적어도 두 온도 조건 사이에서 순환합니다. PCR을 이용하여 DNA 서열의 변이를 검출하기 위해서는 일반적으로 와일드 타입 배열보다 효율적으로 관심 있는 변이체를 증폭하는 올리고뉴클레오티드 반응물의 설계와 사용이 필요합니다.현재의 PCR은 DNA 서열을 검출하기 위해 가장 널리 사용되는 방법입니다.

마커 검출에는 실시간 PCR (real-time PCR),  다이렉트 시퀀싱 (direct sequencing), 마이크로 어레이 칩 (microarray chips), MALDI-TOF 등이 사용됩니다. 이 중에서 마이크로 어레이 칩은 많은 마커를 한 번에 테스트하는 조립식 칩입니다. 이러한 원리는 프로테옴과 게놈 모두에 동일하게 적용됩니다. High-throughput protein array는 상보적 DNA 또는 항체를 사용하여 결합할 수 있으며, 따라서 많은 다른 단백질을 병렬하여 검출할 수 있습니다.

 

 

분자 진단법의 사용 측면

분자 진단 테스트는 민감도, 시간, 비용 및 규제 승인 부분에서 다양하게 다뤄지며, 이를 사용하는 실험실에서 적용되는 검증 수준도 다릅니다. 따라서 특히 환자의 치료 결정을 알리기 위해 결과를 사용할 수 있는 경우에는 규제 요건과 적절하게 제어된 사용을 바탕으로 강력한 검증이 필요합니다.

 

 

임신 중 검사에 사용되는 분자 진단법

일부 환자들에게서 다운증후군 등 염색체 이상에 대한 기존 산전 검사는 염색체 수와 외관을 분석하는 데 의존하고 있습니다. Microarray comparative genomic hybridisation과 같은 분자진단법은 혈장의 무세포 DNA를 샘플로 사용하기에 침습성이 낮을 수 있지만, 2013년 시점에서는 여전히 기존 테스트에 포함되어 있습니다.

 

 

치료에 사용되는 분자 진단법

약리 유전학에서 환자의 단일 뉴클레오티드 다형성 중 일부는 DNA에 약간의 차이가 있지만 특정 약물을 얼마나 빠르게 대사하는지 예측하는 데 도움이 됩니다. 

예를 들어, CYP2C19 효소는 항응고제 클로피도그렐 (Clopidogrel)과 같은 몇몇 약물을 그러한 활성 형태로 대사합니다. 일부 환자는 2C19 유전자에 특정 부분에 다형성을 가지고 있기 때문에, 그 약물들의 대사가 부족하게 됩니다. 의사는 이러한 다형성을 검사하여 그 환자에게 그 약물이 완전히 효과가 있는지 여부를 확인할 수 있습니다.

분자생물학의 진보는 이전에는 단일 질환으로 분류되었던 것도 실제로는 전혀 다른 원인과 치료법을 가진 여러 아형이라는 것을 보여주는 데에도 도움이 되었습니다. 특히, 분자 진단은 감염병이나 암 등의 아형을 진단하거나 러셀 실버 증후군과 같은 유전적 요소를 가진 질환의 유전자 해석에도 도움이 됩니다.

 

 

전염병 검사에 사용되는 분자 진단법

분자 진단은 클라미디아, 인플루엔자 바이러스, 결핵 등의 감염병이나 H1N1 바이러스, SARS-CoV-2와 같은 특정 병원체를 확인하는 데 사용되기도 합니다. 

유전자 식별은 신속하게 해야합니다. 예를 들어, 루프를 통한 등온 증폭시험은 말라리아 원충을 진단하는 데, 이러한 말라리아 원충은 개발도상국에서 해결하기 어려운 질병입니다. 그러나 게놈 분석 분야에서 진보적인 발전이 있었음에도 불구하고, 2013년에는 다른 방법으로 감염이 확인되는 경우가 많아졌습니다. 프로테옴, 박테리오파지, 크로마토그래피 파일과 같은 방법이 여기에 속합니다.

또한 분자진단은 병원체의 특이한 변형을 이해하는 데 사용되기도 하는데, 예를 들어 그것은 전염병을 유발하는 병원체에 어떤 약제 내성 유전자를 가지고 있는지를 검출함으로써 어떤 치료를 피해야 하는 지 확인할 수 있습니다.

게다가, 메타게놈 차세대 시퀀싱에 기반한 분자진단 어세이는 바이어스 없이 병원체를 동정하기 위한 방법으로 시행될 수 있습니다.