韓, 차세대 면역진단 기술 대학 등 연구개발 必

국내 분자면역화학 진단시장 연평균 10%대 성장전망

진단시약 판매 매출 대부분, 원천 기술개발 시급

■감염병 진단기술 연구동향-면역진단기술

2) 해외 동향

해외 면역진단기술은 현장적용 가능한 형태의 기술개발과 함께 차세대 면역진단을 위한 원천기술 개발이 이루어지고 있다. 대학과 연구소의 연구결과를 바탕으로 스타트업(start-up) 기업 설립과 제품화가 활발히 이루어지고 있다.

미국 스탠포드대학교(Stanford University)에서는 형광신호 증폭현상을 나타내는 플라즈모닉 소재 표면에서 covid-19 항체를 혈장과 침에서 고감도로 검출하는 데 성공하였다. 금 나노 island로 이루어진 플라즈모닉 소재를 어레이 타입으로 준비하여, 각 어레이가 코로나 항체를 선택적으로 검출할 수 있도록 표면개질 하였다. 증폭된 형광신호를 스캔하는 방법으로 플라즈모닉 어레이에서 covid-19 관련 항체 다중검출에 성공하였다. 임상 검체를 이용한 검증 결과, 100% 분석적 민감도와 99.78%의 분석적 특이도를 나타내었다.

미국 신시내티대학교(University of Cincinnati)에서는 마이크로 채널의 모세관 현상을 이용한 발색기반 현장형 ELISA 기술을 개발하여 말라리아 진단에 성공하였다. 검체를 샘플 투입부에 용적하면 마이크로 채널을 따라 이동하면서 미리 담지되어 있던 반응물들에 의해 자동으로 반응이 일어나고, 최종적으로 검출부에 도달하여 발색반응이 일어나 스마트폰으로 검출하는 시스템이다. 말라리아 바이오마커 PfHRP2를 8ng/mL까지 검출하는 데 성공하였다(Microsystems & Nanoengineering, 6, 2020, 5).

독일 Siemens Healthineers에서는 covid-19 바이러스의 스파이크 단백질 S1의 receptor binding domain(RBD) 항체를 측방유동 면역진단 키트로 10분 이내에 검출할 수 있는 센서 스트립을 개발하여 판매하고 있다. 임신진단 키트와 유사한 방식으로, 타겟 항체가 검체에 존재 시 테스트 라인에서 나타나는 나노입자의 발색반응을 검사에 이용한다. 분석적 민감도와 특이도가 각각 100%, 99.8%로 나타났다.

미국 펜실베니아주립대학교에서는 임상 샘플에서 바이러스를 캡처하고, 이를 비표지방식으로 검출할 수 있는 센서기술을 개발하였다. 탄소나노튜브와 플라즈모닉 입자 복합체로 이루어진 소재에 바이러스가 캡처되도록 유도하고, 바이러스 입자를 라만분광신호로 검출하여 비표지 방식으로 직접 식별하는 방법을 이용하였다.

미국 메사추세추 병원(Massachusetts General Hospital)은 고감도 나노플라즈모닉 칩 상에서 패혈증 발현초기에 인체 내에서 생성되는 단백질 바이오마커 6종(MCP-1, IL-1β, IL-3, IL-6, IL-10 및 TNF-α)을 동시에 검출할 수 있는 바이오센서 칩과 의료기기를 개발하였다. 6종 모두 1pg/mL 극미량 검출이 가능하였으며, ELISA 대비 50배가 향상된 세계 최고의 성능을 확보하였다.

이스라엘 테크니온 공과대학교(Technion-Israel Institute of Technology)에서는 사람의 호흡을 분석하여 Covid-19 감염 여부를 판단할 수 있는 기술을 개발하였다. 나노입자의 어레이 형태로 이루어진 센서는 각각 패널이 다양한 유기 화합물로 코팅된 금 나노입자로 형성되어 있다. 호흡 내 존재하는 다양한 휘발성 유기화합물질이 입자에 반응하게 되면, 입자 간 거리가 변화하면서 생성되는 전류신호를 검출한다. 코로나 환자와 정상인의 호흡 패턴을 비교하여, 90% 이상 구분 가능함을 확인하였다.

■국내외 선도기관

분자진단 및 면역진단 기술 분야 국내·외 선도연구기관 및 주요 연구내용은 다음의 표와 같다. (표6, 7, 8 참고)

■산업동향 및 시장 동향 -국내 동향

1)시장 규모 및 전망

국내 체외진단 시장은 2018년 8.9억 달러에서 연평균 7.7%로 성장하여, 2023년에는 11.7억 달러에 이를 것으로 전망된다.

분자진단의 국내시장은 2017년 1,516억원에서 2023년 3,345천억원으로 연평균 14.3%의 높은 성장률이 전망된다. 면역화학적 진단시장은 2017년 3,086억원에서 2023년 5,589천억원으로 연평균 10.7%의 성장률이 전망된다.

국내 시장은 면역화학적 진단시장이 가장 큰 시장을 차지하고 있지만, 분자진단 시장이 가장 높은 성장률이 예상된다. 따라서 해외 분자진단기기 시장에 비해 국내 분자진단기기 시장은 성장단계로 분석되고, 국내 분자진단기기 시장은 RT-PCR 방식을 기반으로 시장이 형성될 것으로 예상된다.

최근 코로나 19 사태로 인해 국내 진단기업들의 기술력에 대한 세계시장의 재고가 이루어지고 있지만, 진단시약 판매로 인한 매출 증가 비율이 대부분이어서 원천기술을 통한 체외진단 의료기기 및 시스템 개발이 시급한 상황이다.

국내 체외진단 시장은 선진국 기업들이 상당 부분 차지하고 있으며, 많은 기업들이 제조사 디자인 생산(ODM), 주문자 상표 부착 생산(OEM) 방식으로 제품을 수출하고 있다. 국내 원천 기술개발을 통해 성장하고 있는 기업현황에 대해 소개하고자 한다.

① 지노믹트리

2000년 코넥스 상장 기업으로, 후성유전기반 암 분자진단 전문기업이다. 다양한 분자진단 원천기술과 제품을 기반으로 지속적 성장을 이루고 있다.

② 나노엔텍

초소형정밀기계기술(MEMS)과 바이오기술을 융합한 Bio-MEMS 기술을 보유하고 있다. 이를 바탕으로 생명과학 실험 기기, 의료용 체외진단기기 및 관련 소모품을 생산 및 판매한다. 체외진단 기기의 Lab On a Chip 기술 기반의 생명공학 연구기기와 현장진단 의료기기의 제조 및 판매를 하고 있다.

③ ㈜씨젠

분자진단 전문기업으로 RT-PCR을 보완한 원천기술을 확보한 기업이다. 진단시약 제품으로 인두유종 바이러스, 인플루엔자, 세균성 호흡기 질환 병원체 등에 대한 검사제품을 보유하고 있다. DNA 추출기, PCR 시약 자동 분주기, POCT, RT-PCR 등 분자진단을 위한 자동화 시스템을 구축하고 있다.

④ 랩지노믹스

차세대유전체검사, 분자진단검사, 유전체 분석 서비스를 주력으로 하는 기업이다. 감염성 병원체 진단을 위한 다양한 PCR kit를 제품으로 판매하고 있다.

⑤ GC녹십자

1980년대부터 진단키트 제품을 생산한 기업이다. 넓은 해외 네트워크를 보유하고 있고, 2019년 일본 후지레비오사와 면역분석기 판매 계약을 체결하기도 하였다. 최근 체외진단 장비 및 진단 시약 등을 생산하는 의료기기 전문기업인 중국 호론 사와 계약을 맺고 중국 현장진단 시장 진입을 가속화 하고 있다.

⑥ LG화학

국내 최대 규모의 알레르기, 호흡기 질환, 결핵 등에 대한 12종 진단키트를 생산하고 있다. 오송생명과학단지에 진단키트 생산공장을 보유하고 있고, 이를 바탕으로 해외 진출 전략을 수립하고 있다.

■산업동향 및 시장 동향 –해외동향

1)시장 규모 및 전망

체외진단(IVD, In Vitro Diagnostics) 기기의 기술별 시장 점유율은 분자진단이 27.9%로 가장 높으며 면역화학진단(18.6%) 및 현장진단기기(13.0%)의 순으로 나타난다.

2015년부터 2023년까지의 시장 성장률은 현장진단기기(5.6%)가 가장 높고, 그 다음으로 분자진단과 면역화학진단기기는 4.7%의 성장률이 예상된다. 감염병에 해당하는 시장은 2018년 167억 달러에서 연평균 5.5%로 성장하여 2023년에는 219억 달러 시장이 될 것으로 예상된다.

분자진단기기는 체외진단 중 가장 정확도가 높아 빠른 성장이 예상되며, 주요 선진국은 주로 Real-Time PCR 방식(정확도 99%)을 이용하는데 비해 개발도상국은 가격이 저렴한 Conventional PCR을 주로 사용하고 있다. 최근 기술의 발달로 기기의 소형화와 자동화가 이루어 지면서 현장진단기기(POCT, Point of Care Test)와 신속진단검사(RDT, Rapid Diagnostics Test), 다중진단 바이오 칩 등에 대한 관심이 지속적으로 커지고 있다.

2) 기업 현황

체외진단 시장은 스위스 Roche Diagnostics(24.9%), 독일 Siemens Healthineers(12.3%), 미국 Abbott Laboratories(9.6%) 및 Danaher Corporation이 전체 시장의 50%를 차지하여 진입장벽이 매우 높은 산업 분야이다.

① Roche Diagnostics(스위스)

제약, 진단을 주 사업으로 하고 있으며, 질병 조기진단, 예방, 진단 및 치료 시스템 개발을 위한 제품과 서비스를 제공한다. 임상화학, 면역화학, 분자진단, 시약 및 키트를 포함하는 제품들을 출시하고 있다.

② Siemens Healthineers(독일)

전 세계적으로 넓은 네트워크를 바탕으로 이미징, 조영제, 체내 진단기기, 면역분석, 임상화학, 전염병 진단 등 넓은 제품에 대한 포트폴리오를 구축하고 있다. 주력 제품인 AptioTM Automation은 진단검사의학 통합 솔루션으로 자동화 검사 기능을 제공한다.

③ Abbott Laboratories(미국)

면역/화학진단 분야의 세계 선두기업으로 자동화 스크리닝 장비, 바이러스 감염검사, 각종 질환 표지자 검사, 전자동 면역분석 장비 등을 판매하고 있다. 2017년 Alere Inc.를 인수하여 Point of care test 시장에서 선두를 달리고 있다.

④ Thermo Fisher Scientific(미국)

임상 과학, 실험실 연구 관련 통합 솔루션 및 서비스를 제공하는 기업이다. 생명공학 제품을 개발하고 있고, 2016년 Affymetrix를 인수하여 바이오칩 시장의 선두기업이 되었다. 질병 진단을 위한 다양한 시약, 기구, 소모품들을 제공한다.

■국내외 선도기업

분자진단 기술 및 면역화학 분야 국내외 선도기업은 다음의 표와 같다.

■미래의 연구방향

1) 현장 실시간 호흡기 감염 바이러스 검출 기술

감염병 위험대응의 일상화에 대응하기 위해서는 감염병 확산 예측·조기경보 구현을 위한 실시간 현장 호흡기 바이러스 검출 시스템의 개발이 필수적이다. 인공지능 기술과 융합하여 실시간으로 현장에서 호흡기 감염 바이러스를 판별하는 기술은 코로나 시대의 핵심기술이 될 가능성이 매우 큰 상황이다.

감염병 확산 예측·조기경보 기술은 질병의 전파 과정, 감염 환자, 인구 데이터 등 빅데이터를 활용해 감염병의 지역 확산 가능성을 예측하고 사전에 알려주는 기술이다. 여러 질병에 대한 의료 빅데이터를 구축하고 데이터 분석을 통한 질병 유무를 판단한 후, 가장 적합한 치료법을 제시해 주는 기술로 확장이 가능할 것으로 판단된다.

2) 나노바이오 시스템 융합기술

최근에는 고감도 바이오센서 소재, DNA 및 단백질 칩, Microfluidics(미세유체) 기술 및 Lab Chip 기술 등 전처리와 결과 해석을 신속·단순화한 현장검사 또는 신속진단검사 등에 관한 관심이 높아지고 있다. 신종플루, 조류인플루엔자 등 감염성 질환의 초기 대처를 위한 원인 물질 감별용 고감도 센서 및 바이오칩 등의 연구가 지속적으로 확대될 전망이다.

다중진단용 DNA 칩 기술과 초고속 등온 PCR 기술 융합을 통해 분자진단 기술의 고집적화와 휴대성이 강화될 것이며, AI 기술과 융합하여 초고속 데이터 처리가 가능하고, 진단정확도가 매우 높은 질병진단 시스템 개발 연구가 활발히 진행될 것이다. 또한, 분자 진단기술의 신속한 적용을 위한 병원체의 초고속 염기서열 분석기술이나 특정 질병 표지자인 바이오마커 발굴 기술 등은 포스트 코로나 시대에도 유망한 미래기술로 주목받을 것이다.

■정책 제언

1) 전주기 의료기기 연구개발사업 등 국내 의료기기산업 육성

정부는 2020년 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업을 추진하면서 의료기기산업을 국가전략산업으로 선정하여 국내 의료기기산업을 발전시키고자 노력하고 있다. ICT 기술을 기반으로 하는 융합의료기기 개발을 통해 세계적 경쟁력을 확보하고, 높은 인적 자원과 의료기기 인프라 구축을 통해 의료 빅데이터를 구축하는 것이 핵심목표이다.

인구 고령화 및 COVID-19 팬데믹에 의해 의료기기 시장 확대가 예상되지만, 국내 의료기기 기술 경쟁력은 매우 취약한 실정이다. 특히 기초·원천기술 개발뿐만 아니라 개발된 기술·제품의 의료기기 시장 진입을 위한 적극적인 실증평가 시스템 구축에 대한 대응이 부족하다. 따라서 기초/응용연구, 제품화, 임상시험 허가 및 인증, 보험 등재, 사업화 등으로 이어지는 의료기기 전주기 사업을 통합적으로 관리할 수 있는 국가연구개발 사업 및 핵심기관 설정이 매우 시급한 상황이다.

2) 차세대 진단기술의 선제적 보급 확대

최근 정부는 COVID-19 진단검사법으로 기존 비인두도말 PCR 기술뿐만 아니라 타액 PCR 검사와 신속항원검사도 COVID-19 진단검사법으로 활용하고자 한다. 해외에서는 활발하게 적용하고 있는 신속항원검사법을 확진자가 증폭되는 시점에 와서야 뒤늦게 적용한 것이다.

그럼에도 불구하고 이는 신속항원검사 기술의 민감도와 특이도를 확보한 국내 진단기기 및 진단키트 업체의 성장에 긍정적인 요인으로 작용할 것으로 보인다. 포스트 코로나 시대에는 국내에서 개발된 원천기술이 선제적으로 대한민국에서 보급될 수 있도록 임상시험의 간소화, 행정적 절차 간편화 및 의료기기산업 활성화 전략 추진을 기대한다.

▲ 표6 분자진단기술 국내 선도연구기관

▲ 표7 면역진단기술 국내 선도연구기관

▲ 표8 분자진단/면역진단 기술 해외선도연구기관

▲ 표9 체외진단 국내 주요기술별 시장규모

▲ 그림 6 기술별 체외진단기기 시장점유율

▲ 표11 글로벌 의료기기 시장 현황