- 태아 다운증후군 판별하는 ‘비침습적 산전검사(NIPT)’용 표준물질 개발
# 첫 아이를 임신한 김모(39)씨는 기쁨도 잠시, 혹시 태아에 문제가 있진 않을까 온갖 걱정이 앞섰다. 출산연령이 늦어짐에 따라 태아와 임산부의 상태를 진단하는 산전(産前) 검사는 필수가 되고 있다. 특히 바늘을 임산부의 배에 찌르지 않고 혈액만으로 기형아를 판별하는 ‘비침습적 산전검사(NIPT)’가 편리하고 안전한 방법으로 각광받고 있다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 비침습적 산전검사(NIPT)*용 다운증후군 표준물질을 개발하는 데 성공했다. 산전검사의 품질을 향상시켜 태아의 기형 여부 진단에 정확도를 높일 것으로 전망된다.
* 비침습적 산전검사(NIPT, Noninvasive Prenatal Test): 임신 10주차부터 혈액으로 태아의 기형 여부를 진단할 수 있는 검사. 임산부 혈액에 존재하는 미량의 태아 DNA를 분석해 다운증후군(21번 염색체가 3개)과 같이 특정 염색체 개수에 대한 이상 여부를 판별한다.
KRISS 바이오분석표준센터 연구팀은 독자적인 DNA 정량분석 기술을 활용, 다운증후군에 양성인 혈청표준물질을 개발했다. 이번 성과는 다운증후군 표준물질로는 세계 최초로 혈청* 형태로 개발되어, 실제 임산부 혈액의 DNA 형태와 99 % 이상 일치한다.
다운증후군 표준물질은 현재 NIPT를 제공하는 업체들에 보급되어 품질 관리와 정확도 향상을 위한 시료로 시범 사용되고 있다.
* 혈청: 혈액에서 유형 성분(혈병)과 섬유소원을 제거한 나머지.
산전검사가 보편화됨에 따라 최근 임산부의 혈액만으로 태아의 기형 유무를 검사할 수 있는 NIPT가 각광받고 있다. NIPT는 임산부의 혈액 속 5 %에도 미치지 못하는 태아의 DNA를 검사해서, 특정 염색체 수가 2개인지 3개인지를 판별해내는 고도의 기술을 요구한다.
하지만 아직 NIPT 결과만으로 기형 여부를 확신하기에는 불안요인이 있다. 검사 자체의 난도가 높은데다 혈액에서 DNA만 남기는 정제과정에서 DNA의 양이 많게는 50 %까지 손실될 수 있기 때문이다.
현재는 NIPT 결과에 조금이라도 이상 징후가 보이면 고위험군으로 판명, 배에 바늘을 찌르는 양수검사를 실시토록 하고 있다. 양수검사는 수십만 원의 비용이 추가되고 경우에 따라 합병증까지 유발할 수 있어 부담이 가중될 수밖에 없다.
이처럼 검사기관의 신뢰성 확보가 필요할 때 유용하게 활용되는 것이 표준물질이다. 표준물질은 흔히 ‘답안지가 주어진 문제’에 비유된다. 표준물질(문제)과 정확한 측정결과(답안지)를 검사기관에 제공하면 업체는 자사 장비의 교정이나 방법의 정확성을 개선시킬 수 있다.
그러나 지금까지 개발된 표준물질들은 정제된 다운증후군 양성 DNA를 용액에 첨가한 형태로 판매됐다. NIPT의 품질문제는 DNA 정제과정에서 발생할 수 있는데, 이미 정제된 물질로 검사해서는 완벽하게 검사기관의 신뢰성을 검증할 수 없다는 지적이 나왔다.
KRISS 바이오분석표준센터 권하정, 배영경, 정지선, 양인철 박사 연구팀은 기존의 문제점을 해결하고 새로운 표준물질을 제조하기 위해 신개념 측정기술을 이용했다. 안정동위원소표지 DNA(SILD, Stable Isotope Labeled DNA)를 활용한 DNA 정량분석 기술을 최초로 개발한 것이다. 그 결과 정제되기 전인 혈청 상태로 다운증후군 표준물질을 개발하는 데 성공했다.
KRISS 권하정 선임연구원은 “이번 표준물질 개발에 활용한 DNA 정량분석 방법은 복잡한 매질에서 DNA 양을 정확히 측정할 수 있는 획기적인 기술”이라며 “질병의 진단부터 혈액이나 식음료 등 정제되지 않은 다양한 시료의 품질 평가까지 다방면으로 활용할 수 있다”고 말했다.
KRISS 양인철 책임연구원은 “검사기관이 표준물질로 NIPT를 수행하면 21번 염색체가 3개라는 확실한 답이 나와야 하고, 그렇지 못할 경우 검사 과정의 오류를 의심해봐야 한다”며 “이번 표준물질은 NIPT 전 과정의 품질관리에 사용할 수 있어 NIPT의 정확도가 향상되고 임산부의 추가 검사에 대한 부담을 덜어줄 것”이라고 했다.
과학기술정보통신부의 주요사업 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 분석화학 분야의 최고 권위지인 애널리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry, IF: 6.042)에 게재되었다.
* 연구성과 추가 설명
표준물질 제조과정 요약 및 핵심기술 설명
다운증후군 표준물질 제조과정
안정동위원소표지 DNA(SILD, Stable Isotope Labeled DNA)를 활용한 DNA 정량분석 기술
KRISS 연구팀은 DNA 정제과정에서의 손실을 보정하기 위해 SILD DNA를 사용한 내부표준법을 개발, 혈청 내 DNA를 5 % 이내의 정확도로 분석하는 데 성공했다.
시료 내 SILD는 자연상태의 DNA와 화학적 성질이 동일하기 때문에 시료의 전처리 과정 중에 손실이 있을 경우, 같은 비율로 손실된다. 따라서 일정량의 SILD를 시료에 넣으면 실험 도중 발생하는 DNA 손실을 보정할 수 있으며, 이후 질량분석법을 이용하여 원래 시료에 함유된 DNA 양을 측정할 수 있다.
이번 기술은 복잡한 시료 내 DNA 총량을 정확하게 측정하는 세계 최초의 방법이다.
⁕ 동위원소(isotope)
자연계에 존재하는 대부분의 탄소는 원자량이 12 (12C), 대부분의 질소는 원자량이 14 (14N)인 상태로 존재한다. 그러나 극미량의 탄소와 질소는 중성자가 추가로 존재하여 원자량이 13(13C) 및 15(15N)인 상태로 존재하게 된다. 이처럼 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소를 동위원소라고 한다.
⁕ 안정동위원소표지 DNA(SILD, Stable Isotope Labeled DNA)
DNA를 구성하는 4종의 염기 (아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 사이토신(Cytosine), 티민(Thymine))를 구성하는 탄소원자와 질소원자를 인위적으로 동위원소인 13C 및 15N으로 치환하도록 미생물을 배양하여 제조한 것을 말한다. 이 DNA는 결과적으로 질량수는 다르지만 같은 분자구조를 띄기 때문에 화학적으로 동일하여 내부표준법에 사용할 수 있으며, 질량분석기로 분석하여 자연계에 존재하는 DNA와 구분할 수 있다.
⁕ 내부표준법(internal standard method)
특성이 알려진 물질을 시료 속에 첨가하고 이를 표준으로 목적 물질을 정량분석하는 분석법. 기기를 사용하는 정량분석은 분석 결과를 표준물질의 그것과 비교함으로써 가능하게 되는데, 이때 일정량의 표준물질을 원래의 시료에 첨가하고 분석 조작하여 동일한 실험 조건 하에서 양쪽의 정량적 신호를 얻어 이것을 비교, 분석한다.
○ 어디에 사용할 수 있나?
‧ 다운증후군 표준물질 활용분야: NIPT 서비스를 제공하는 업체의 평가
1) 검사기관에서 내부 품질관리를 위해 자체적으로 활용
2) 검사기관 정확도 평가 실시기관(한국유전자검사평가원)에서 NIPT 업체들의 정도관리를 위한 시료로 활용
3) 산부인과에서 NIPT 의뢰 기관을 평가하기 위한 용도로 활용
※ 현재 국내에는 마크로젠, 녹십자지놈, 이원다이애그노믹스 등 약 10여개의 업체에서 NIPT 검사를 제공하고 있다. (임산부는 산부인과에 가고, 산부인과는 임산부의 혈액을 채취해 NIPT 기관에 검사를 의뢰하는 방식)
‧ DNA 정량분석기술 활용분야
1) 질병의 진단 및 경과 관찰
일부 종양 환자는 혈장 중 DNA 농도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 혈장 내 DNA의 양을 질병 진단이나 치료 경과의 지표로 활용할 수 있다. 또한, DNA의 총량과 관련된 새로운 질환 탐색도 가능할 것으로 기대된다.
2) 분자진단용 표준물질 개발
NIPT용 다운증후군 표준물질을 비롯하여 분자진단용 표준물질을 개발하는 과정에서는 해당 DNA의 정확한 정량 과정이 수반되어야 한다. 본 기술을 바탕으로 분자진단분야의 표준물질의 개발을 확장할 수 있게 되었다.
3) 식음료 및 의약품의 품질평가
식품 및 의약품에 존재하는 DNA양을 분석하여 정제 여부 및 오염 여부 등에 대한 품질 평가를 실시할 수 있다.
* 논문 및 지원사업 관련 정보
‧ 논문명: “Stable Isotope Labeled DNA: A New Strategy for the Quantification
of Total DNA Using Liquid Chromatography(Analytical Chemistry) 2019.”
‧ 논문 주소: pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.8b04940
‧ 지원 사업: 한국표준과학연구원 주요사업
