포스트 코로나 AI 기반 실시간 질병진단 기술 부상

의료빅데이터 구축, 감염병확산 예측, 조기경보 등

현장 적용 가능 핵심기술 연구활발

■포스트 코로나 대응 관점에서의 기술의 중요성

코로나 19 팬데믹의 완전한 종식은 불가능하다는 판단으로 현재 의료 시스템은 환자관리에서 건강관리 및 공중보건으로 전환될 전망이다. 이에 따라 건강 데이터 수집 및 공유가 중요해질 것으로 예측된다.

또한, 코로나 19 대응(이동제한령 및 경기부양책) 과정에서의 정부의 권한이 지속적으로 확대될 것으로 전망되며, 감염 확산 방지를 위한 추적 및 모니터링 기술 발달로 실시간 감염병 모니터링의 일상화가 뉴노멀로 자리 잡게 될 것으로 예측되고 있다.

세부적으로 인공지능(AI, Artificial Intelligence) 기반 실시간 질병진단기술이 포스트 코로나 시대의 핵심기술이 될 가능성이 매우 높은 상황이다. 의료 빅데이터를 구축하여 환자의 질병 유무를 판단하고, 가장 적합한 치료법을 제시해 주는 방법으로 실시간 질병진단 기술이 활용될 수 있다.

감염병 확산 예측·조기경보 기술은 질병의 전파 과정, 감염 환자, 인구 데이터 등 빅데이터를 활용해 감염병의 지역 확산 가능성을 예측하고 사전에 알려줄 수 있다. 정보 분석 기술, 위치정보 추적 기술 및 위험 알림 기술 등이 중요 요소기술이며, 감염병 사전대응과 역학조사에 활용될 수 있는 미래 핵심기술이다. 감염병 대응 소재 및 진단기술의 관점에서 포스트 코로나 시대 유망기술 목록을 다음 표로 정리하였다. 표1)참고

■감염병 진단기술 연구동향-분자진단기술

1)국내동향

국내 분자진단 기술은 대학 위주의 요소기술 개발, 연구소와 기업의 현장적용 목적의 기술개발이 주를 이루고 있다. 기존 분자진단 기술의 한계를 극복하는 신기술 개발, 현장적용에 필요한 전처리 통합 기술개발, 신속 유전자 등온증폭 기술개발 등이 이루어지고 있다. 다음은 2019년 이후 국내 연구개발 중인 R&D 과제에 대해 NITS에서 검색한 대표 내용을 정리한 것이다.

경희대학교에서는 실시간 등온증폭법을 이용한 회전식 유전자 진단 기기를 개발하였다. 회전식 카트리지 내에 유전자 등온증폭에 필요한 시약, 효소, 버퍼 등을 담지하고, 회전으로 형성되는 미세유체조절을 통한 등온증폭 반응 및 검출을 실시한다. 초소형 유전자 진단기기로 개발하여 현장 분자진단 기술 실현을 목표로 한다.

한양대학교에서는 현장형 분자진단이 가능한 POCT(Point-Of-Care Test) PCR chip을 개발하여 호흡기 바이러스 신속 분자진단 기술법을 개발하고 있다. FMCA(Fluorescence Melting Curve Analysis)를 기반으로 다종 호흡기 바이러스 신속진단 및 검증을 목표로 한다. 반응 시약이 미리 분주 또는 동결 건조된 8-Strips 형태를 제공하여 사용자 편의성이 증대된 기술을 개발 중이다.

한국과학기술연구원(KIST)에서는 현장진단 시 장소의 제약을 고려하여 온도 사이클 및 기타 기기를 요구하는 기존의 PCR 대신 등온증폭법이 적용될 수 있는 분자진단 시스템을 개발하고 있다. 샘플(전혈)용적과 전처리, 증폭 반응까지 사용자의 2차 감염을 원천적으로 방지할 수 있도록 밀폐된 카트리지 내에서 분석이 이루어진다. 전처리 후 얻어진 타겟 핵산은 최대 5종에 대한 분자진단이 가능하도록 한다.

오송첨단의료산업진흥재단에서는 현장 대응 근거리 유무선 전송 모듈시스템을 이용한 정밀 등온핵산증폭기를 개발하고 있다. 랩 칩 기반 분자진단 카트리지를 개발하여 다중 핵산증폭, 전처리/핵산증폭을 원스텝으로 처리하고자 한다.

㈜미코바이오메드와 삼성서울병원은 신종 및 해외 유입 감염병 조기 제어를 위한 현장검사 분자진단시스템 개발을 수행하였다. 핵산추출시스템을 이용하여 바이러스 4종의 RT-PCR 확진 키트를 개발하였다. 다중동시 진단 기술개발을 통한 전임상 테스트, 제품화를 준비하고 있다.

㈜에임메드는 전처리 통합형 디지털 분석기반 신속 체외 분자진단 키트 및 기기개발 연구를 수행하고 있다. 전자동 Lab-on-a disc를 기반으로 결핵/다제내성 결핵균 핵산증폭 기술을 개발하고 있다. 등온핵산 증폭과 실시간 검출 기능을 구현하여 임상시험 평가를 실시하고자 한다.

2)해외동향

해외연구기관들은 최신 분자진단 기술들을 실용화할 수 있는 형태로 개발하는 연구들을 수행하고 있다. 분자진단 관련 원천기술 대부분이 해외 대학 및 연구기관에서 개발되었다.

미국 University of California San Francisco 의과대학에서는 유전자 가위 기술을 이용한 Covid-19 현장진단기술을 개발하였다. 비인두 스왑(swab) 검체를 이용하여 Covid-19 바이러스 RNA를 추출하고, 등온증폭법의 하나인 Loop-Mediated Amplification(LAMP)법을 이용하여 Covid-19의 유전자를 증폭하였다.

이후 CRISPR-Cas12 유전자 가위를 이용하여 증폭 유전자를 인지한 후, 생성되는 프로브(probe) 입자의 신호를 검출하는 방법을 이용하였다. 생성된 산물을 측방유동(lateral flow) 스트립에 적용하여, 임신 진단키트와 같이 감염 여부를 확진할 수 있는 기술로 개발하였다.

영국 ASM Scientific에서는 37℃∼42oC에서 효소반응을 이용하여 유전자 증폭이 가능한 Recombinase Polymerase Amplification(RPA)법을 개발하였다. 다양한 유전자 등온증폭법 중 PCR 산물과 가장 유사한 산물을 형성하고, 증폭법이 간단하여 향후 PCR법을 대체할 차세대 등온증폭법으로 주목받고 있다. 유전자가 검출 가능한 수준까지 증폭되는데 30분 이하가 소요되며, 민감도와 특이도가 우수하다.

영국 TwistDx 사가 세계최초로 RPA법을 상용화하여 판매하고 있으며, 현재 가장 활발히 연구되고 있는 등온증폭법 중 하나이나, 시간 등온증폭을 위해 internal probe primer 제작이 필요하고, 진단에 필요한 가격이 다소 높은 편이다.

영국 Imperial College London에서는 실리콘 칩 상에서 마이크로 PCR를 진행할 수 있는 현장형 유전자 증폭 기술을 개발하였다. 반도체 공정을 이용하여 웨이퍼 크기로 PCR 칩(chip)을 형성할 수 있어 대량생산이 가능하고, 진단 가격이 저렴한 것이 장점이다.

일반 PCR과 RPA 등온증폭법을 실리콘 칩 상에서 수행하였으며, 유전자 증폭에 따라 형성되는 전기화학 신호를 바탕으로 1pg의 Covid-19 바이러스 유전자를 검출하는데 성공하였다. Nunez-Bajo, E., Silva Pinto Collins, A., Kasimatis, M. et al., Nat Commun 11, 6276 (2020)

일본 Eiken Chemical에서는 전자동 분자진단 기기인 “Simprova”를 개발하였다. 검체로부터 유전자를 추출, 분리하고 이를 등온증폭법 중 하나인 LAMP법으로 증폭한다. 반응 카트리지는 25개의 멀티채널을 가지고 있어 다중동시 진단이 가능하다. 전자동 분자진단 기기로 유전자 검출까지 30분이 소요되고, 검체는 혈장, 전혈, 소변, 침 등이 가능하다.

■감염병 진단기술 연구동향-면역진단기술

1) 국내 동향

국내 면역진단기술은 나노바이오기술이 융합된 요소기술 개발에 집중되어 있고, 현장현시검사(Point of Care Testing)를 위한 간단한 시스템 개발 및 이를 위한 산·학·연·병 공동 연구개발이 이루어지고 있다. 다음은 2019년 이후 국가연구개발사례를 NTIS에서 검색하여 정리한 내용이다.

광주과학기술원에서는 미량의 혈액, 타액, 소변 생체시료 내 존재하는 다양한 질환 관련 바이오마커 검출을 위한 무세척, 고감도, 고정량 면역 바이오센서를 개발하였다. 자극 감음성 물질의 합성 및 이를 이용한 고감도 면역 바이오센싱 원천기술개발을 목표로 한다.

중앙대학교에서는 감염병 현장진단을 위한 다중 라만진단키트 및 광학측정기술개발을 수행하고 있다. 기존 기술대비 감도가 우수하고, 분석시간을 단축할 수 있는 체외진단 기술개발을 목표로 한다. 라만분광법 기반의 고속·정밀 면역진단용 스트립 개발을 통하여 4분류 감염병 질환의 현장 신속대응 기술을 개발하고 있다.

한국재료연구원에서는 세계최초로 구형 플라즈모닉 나노입자의 진공합성 원리를 규명하고 3차원 고밀도 플라즈모닉 바이오센서 칩을 개발하였다. 면역진단을 바이오센서 칩 상에 적용하여 패혈증 및 조류인플루엔자 바이오마커를 0.1pg/mL 이하 극미량 검출에 성공하였으며, 현재는 임상시험을 진행 중이다.

한국화학연구원에서는 나노 복합구조체와 면역형광 고효율 신호증폭법을 이용한 고감도 결핵 항원 진단기술을 개발하고 있다. ZnO 나노선에 금속을 결합한 후 항체를 표면개질한다. 금속/ZnO 나노선 복합구조체의 광신호 증폭현상을 이용하여 고감도 결핵 항원 진단기술을 구현하고자 한다.

한국생명공학연구원에서는 고병원성 감염병 현장진단을 위한 IoT용 나노포어(nanopore) 센서기술을 개발하고 있다. 감염병 바이오마커의 나노스케일 단분자 측정이 가능한 나노포어를 개발하고, 바이오마커 특이적 결합이 가능한 프로브(probe)를 개발하여 바이오마커와 결합 시 형성되는 이온흐름량 변화를 전기신호로 분석하는 측정기술을 개발한다.

㈜젠바디에서는 선천 거대세포바이러스(Cytomegalovirus) 선천 거대세포바이러스 감염은 감각신경성 난청의 가장 흔한 원인이며 신경학적 합병증을 일으키는 원인 중 하나인 감염에 대한 비침습 신속진단 키트를 개발하고 있다. 항체 생산, 금 나노입자 기반 선별검사용 진단키트 개발, 형광기반 선별검사용 진단키트 개발 등을 통해 현장에서 20분 내 면역진단을 구현할 수 있는 기술을 개발하고 있다.

㈜바디텍메드에서는 잠복 및 활동성 결핵의 동시 진단이 가능한 최소침습 현장검사법 개발을 수행하고 있다. 말초혈(손가락피)을 이용한 사이토카인(cytokine) 검출 튜브를 개발하고, 형광면역 진단법을 활용한 현장검사법 활용을 목표로 한다.

▲ 코로나 19 진단 방법

▲ 표1 포스트 코로나 시대 유망기술 목록