[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

감염성 질환은 바이러스, 박테리아(세균), 곰팡이, 기생충과 같이 외부로부터 우리 몸에 침입한 병원체에 의해 일어나는 전신 염증반응으로 심각한 상황에서는 급성 패혈증으로 진행되어 노인이나 면역력이 약화된 환자의 치사율을 높일 수 있다. 세계적으로 매년 3,000만 명 이상의 패혈증 환자가 발생되고 있다. 패혈증은 알맞은 치료를 받지 않으면 한 시간마다 치사율이 8%씩 증가하기 때문에 패혈증 환자의 생존율을 높이기 위해서는 빠른 진단이 필요하다.

하지만 현재 감염병 진단에 주로 쓰이는 혈액배양법은 수일이 소요되며, 사이토카인 농도 측정법과 PCR 진단법은 환자의 상태나 감염이 경과한 시간에 따라 거짓음성결과(감염이 됐지만 검사 결과가 무감염으로 나오는 경우)를 낼 수 있다. 또 감염 진단에 필요한 검사기기, 시약, 및 작업환경이 현장 진단에 적합하지 않기 때문에 응급실이나 중환자실과 같이 즉각적 현장 검사가 이루어져야 하는 공간에서 사용이 가능한 새로운 감염 진단 기술개발이 필요하다.

또 최근 코로나바이러스감염증-19 (COVID-19)은 같은 전염병의 대유행 상황에서 효과적 방역을 위해서는 빠른 진단이 필수다. 다양한 회사들이 PCR기반의 진단 기술을 개발하고 있지만 실제 검역이나 일상 생황에서는 발열 측정과 문진표 작성만으로 잠재적 감염자를 선별하는 작업을 수행중이다. 무증상 감염자의 비율을 고려했을 때 발열 측정보다 더 정확하고 PCR 방법보다 빠르고 간단한 새로운 감염진단 기술의 개발이 요구되는 시점이다.

2. 연구내용

인체 내에서 감염이 일어나게 되면 면역시스템의 활성화가 일어나고 면역세포와 염증성 혈관내피세포와의 상호작용이 증가한다는 사실에서 착안해 감염을 조기에 빠르고 쉽게 진단 할 수 있는 미세유체칩을 개발하였다.

감염이 발생하면 감염원으로부터 신체를 보호하는 면역세포인 백혈구가 감염원으로 이동한다. 혈액 속을 떠다니던 백혈구는 혈관을 통과(혈관외유출)해 감염된 세포로 이동하게 된다. 현재까지는 혈관 내피세포의 특정 단백질 발현양의 증가가 백혈구 혈관외유출을 주로 유발하는 것으로 알려져 있었다. 혈관내피세포 표면에 P-셀렉틴, E-셀렉틴, ICAM-1등의 단백질 발현이 증가하는 것이다.

연구팀은 감염이 일어난 후 백혈구의 표면에 P-셀렉틴을 잡을 수 있는 단백질(PSGL-1)의 발현량과 P-셀렉틴과 E-셀렉틴을 각각 잡을 수 있는 PSGL-1, ESL-1을 발현하는 백혈구의 비율이 증가한다는 사실을 추가적으로 규명했다. 백혈구 표면의 단백질 발현량 및 발현하는 세포수 비율의 증가 또한 혈관외유출에 관여하는 것이다. 따라서 염증 상태의 혈관 내피세포를 모사한 미세유체채널에 혈액을 흘릴 경우, 감염으로 인해 활성화된 백혈구가 정상 상태에 비해 더 미세유체채널에 붙게 된다.

연구팀은 염증 상태의 혈관 내피세포에서 발현되는 단백질 분자 중, 백혈구의 혈관외유출(Leukocyte extravasation)에 관계되는 대표적 단백질 분자인 P-셀렉틴, E-셀렉틴, ICAM을 미세유체관 내부에 도포해 염증 상태 혈관을 모사한 미세유체채널을 만들었다. 박테리아 등에 감염된 실험용쥐(Rat)의 혈액 한 방울 (50 μL)에 포함된 면역세포를 혈관내피를 모사한 미세유체소자 채널에 흘려주었을 때, 감염되지 않은 쥐의 백혈구보다 더 많은 양의 백혈구가 미세유체소자 표면에 달라붙는 것을 확인하였다. 특히, 감염된 지 1시간 밖에 지나지 않은 쥐의 백혈구도 미세유체채널 표면에 붙는 수가 급격히 증가하고 감염이 경과한 시간이 지나도 그 수가 정상 상태보다는 높게 유지돼 위음성 가능성이 낮다. 따라서 본 기술을 이용하면 빠른 시간 안에 정확하게 감염여부를 확인할 수 있을 것이다.

3. 기대효과

기존의 방법으로 알아내기 어렵던 초기 환자의 감염 여부를 한 방울의 혈액을 통해 판별 할 수 있고, 측정기기의 구성이 단순해 현장 진단 등에 최적화된 기술이라 할 수 있다. 중환자실 등의 감염환자의 빠른 진단이 필요한 곳에서 활용될 경우 환자의 생존율을 높이거나, 기존의 발열 체크와 문진표 작성에 의존하고 있는 1차 선별 작업에 활용될 경우 보다 정밀한 전염병 방역시스템을 구축하는데 기여할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 미세 유체 칩 (microfluidic chip)

마이크로미터(1천 분의 1 mm) 지름의 미세한 관 안에서 액체 흐름(유체)을 조종해 시료를 처리하는 칩.

2. 혈액배양검사

패혈증 및 균혈증의 원인균을 진단하기 위해 혈액에서 세균이나 진균(곰팡이)을 배양하는 검사. 미생물의 대사과정에서 발생하는 이산화탄소 농도로 감염여부와 세균 종류를 알 수 있다.

3. 사이토카인(Cytokine)

세포에 의해 분비되어 세포 신호전달에 관여하는 작은 크기의 단백질. 사이토카인은 세포내의 신호를 다음 단계로 전달하고 세포 기능을 바꾸는 역할을 한다. 감염원인 및 환자의 나이 등에 따라 사이토카인이 종류와 농도가 시간에 따라 변하기 때문에 진단에 일괄적으로 사용하기 어렵고 면역분석법으로 농도를 측정해야 하기 때문에 현장에서 5-10분안에 결과를 얻기 어렵다.

4. PCR(Polymerase Chain Reaction) 검사법

DNA 중합효소(Polymerase)를 이용하여 DNA(염기서열)의 양을 증폭시켜 병원균 감염여부를 검사는 방법. 병원균이 갖고 있는 특정 염기서열을 찾아내 감염여부를 알 수 있다. 검사 시간이 오래 걸린다.

5. 백혈구 혈관외유출(Leukocyte Extravasation)

조직에 염증이나 감염이 생길 경우, 혈관을 따라 온 몸을 순환하던 백혈구들이 혈관밖으로 유출돼 염증 및 감염 조직으로 이동하는 현상. 염증 및 감염 조직 주변 혈관 내피세포의 특정 단백질 발현량이 증가하는 것을 시작으로 백혈구와의 상호작용을 통한 백혈구 롤링(leukocyte rolling), 부착(adhesion), 혈관외유출(extravasation)단계를 거친다.

[붙임] 그림설명

그림1. 미세 유체 칩의 구조와 유체 관에 부착된 백혈구 (A) 개발된 미세 유체 칩(좌)과 유체 칩을 측면에서 본 구조(우) (B) 미세 유체 칩의 사진과 백혈구의 부착(rolling)현상을 관찰한 사진. 건강한 사람의 경우 부착된 백혈구 숫자가 적다.

그림2. 미세 유체 칩의 원리. 감염된 사람은 백혈구 표면에 발현되는 특정 단백질의 양과 이 단백질을 발현하는 백혈구 숫자(비율) 자체가 증가한다. 혈관 내피에서는 백혈구가 부착 할 수 있는 단백질이 발현된다. 연구진은 혈관 내피 단백질을 미세 유체 칩에 코팅해 감염여부를 진단 할 수 있는 진단 장치를 개발했다.

그림3. 감염 시간, 감염원 종류에 따른 검사 결과 및 명시야(brightfield) 결과 (A) 감염 후 1시간 경과한 동물 모델(쥐)의 혈액을 이용해도 감염 여부를 확인할 수 있다. (B) E. coli, MRSA (항생제내성균), 내독소물질 (lipopolysaccharides, LPS) 등 다양한 감염원에 의한 감염에서 공통적으로 표면에 붙는 백혈구의 수가 증가함을 확인하였다. (C) 형광(Fluorescence)을 이용하지 않아도 명시야(brightfield)에서도 검사결과 측정이 가능하여, 스마트폰 같이 간단한 카메라 측정 장비로도 검사를 할 수 있음을 알 수 있다.