[붙임] 연구결과 개요

1. 연구 배경

균혈증이란 혈액에 세균이 존재하는 상태를 말하며, 세균이 세균성 감염이 있는 장기에서부터 혈액으로 유입하여 발생한다. 대부분 건강한 사람의 면역체계는 이렇게 유입된 적은 양의 세균을 혈류에서 신속하게 제거하나, 면역체계가 약화된 사람은 때때로 전신 염증반응을 일으키며 패혈증으로도 이어진다. 패혈증 진행을 막기 위해서는 균혈증 원인균에 대한 조기진단이 필요한데 현재 병원에서 표준으로 사용되고 있는 혈액배양법은 균종에 따라 최대 2~3일까지 시간이 소요된다는 단점이 있다. 혈액 내에 미량 존재하는 세균을 배지에서 증식(배양) 시켜야 검사를 할 수 있기 때문이다. 증식이 잘 안 되는 세균에 감염됐을 경우 검사 시간이 오래 걸려, 골든타임을 놓칠 수 있다.

기존 진단법의 한계를 PCR(중합효소연쇄반응법) 등의 분자진단기술을 통해 극복 하려는 시도가 최근 많이 이루어지고 있지만, 이 또한 혈액 내 극미량으로 존재하는 균을 검출하기에는 민감도와 정확도가 높지 않다. 또 핵산(DNA, RNA)1)추출 및 증폭과정이 필요하여 이를 위한 값비싼 장비가 필요하고, 시간 단축에도 어려움이 있다. 따라서 이를 해결할 수 있는 새로운 균혈증 진단기술의 개발이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구진은 기능성 자성 나노입자, 형광동소보합법(Fluorescence in situ Hybridization, FISH) 기술과 미세 유체 칩(마이크로미터 굵기 미세 관 회로로 구성된 손가락 크기 칩)기술을 융합하여 새로운 균혈증 진단법을 개발하였다. 기능성 자성 나노입자를 이용하여 혈액 속에 극미량으로 존재하는 세균을 자기장을 이용하여 분리 및 농축하고, 특정 세균 종에 특이적인 형광 DNA 탐침(FISH probe)을 이용하여 균혈증을 빠르게 검출할 수 있는 기술이다.

먼저 기능성 자성 나노입자 표면에는 세균에 특이적으로 결합하는 면역 단백질인 렉틴 단백질 (mannose binding lectin)이 고정되어 있어 세균을 기능성 입자 표면에 부착할 수 있다. 이 상태에서 칩에 포함된 자석에 노출되면 자기장에 의해 기능성 자성 나노입자를 모아 세균을 분리할 수 있다.

자성분리 된 세균을 미세 유체칩 내에서 FISH 형광 염색 처리하면 세균을 검출할 수 있다. FISH는 세포 내 목표로 하는 핵산 염기 서열(유전자)에 형광 프로브를 특이적으로 부착시키는 기술로 특이성이 높고 핵산 추출과 증폭 과정이 필요 없기 때문에 분석 시간을 크게 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

이 미세 유체 칩 기술을 활용하여 혈액 내 균의 빠른 진단 및 정량화가 가능하였고 자동화 시스템을 구축하여 현장 진단 기기로서의 가능성도 제시하였다.

또 돼지를 이용한 동물 전임상실험을 통해 균의 동정 및 정량화가 가능하다는 것을 입증하였으며, 실제 패혈증 의심 환자의 혈액 검체를 이용하여 본 기술로 검증해본 결과, 기존 진단 방법에서는 음성 결과가 나온 검체에서도 균을 정량적으로 동정하는 것이 가능하다는 것을 증명하였다.

3. 기대효과

본 기술은 기존 방법보다 진단에 필요한 시간을 크게 단축하고 민감도를 향상하게 시켰으며 진단에 필요한 혈액량도 많지 않아 의료현장에 사용되기에 적합한 기술이라 할 수 있다. 조기 균혈증 진단을 통해 패혈증 환자의 생존율을 높이는 데 이바지할 수 있으며 나아가 불필요한 항생제 오남용도 방지할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

[붙임] 용어설명

1. 핵산

DNA(디옥시리보핵산）,RNA(리보핵산)를 이루는 기본 단위로 인산 부분, 당 부분, 염기 부분 이뤄져있다. 염기는 다시 4종류로 구분되는데 4종류의 염기가 조합을 이뤄 배열된 순서를 염기 서열이라 한다. 단백질 정보가 암호화된 특정 염기서열 영역을 유전자라고 한다. FISH 기술은 이 염기서열 특정 영역만 골라 결합하는 FISH 탐침을 이용한 기술이다.

2. 형광 동소 보합법(Fluorescence in situ Hybridization, FISH)

형광 동소 보합법(Fluorescence in situ Hybridization, FISH)은 DNA, RNA의 특정 핵산 염기서열의 위치를 찾기 위해 사용하는 기술로 DNA, RNA에 상보적 결합이 가능한 형광 탐침(probe)을 통해 염색체를 확인하는 방법이다. 이 기술을 이용하면 큰 규모의 염색체 이상, 암 발현 유전자, 세균 균종 등을 확인할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 미세 유체 칩 기술과 형광 FISH 기술을 접목한 세균 감염 조기 진단기술. 초록색 형광으로 감염 여부를 알 수 있다. 자기장으로 세균만 빠르게 칩 안에서 분리할 수 있으며, 이 때 세균에 FISH 탐침이 달라붙어 형광이 발생하는 원리다.

그림2. 미세 유체 칩을 통해 자성으로 분리된 세균 FISH 검출 모습 개요도. 자성 나노입자를 세균에 부착 후 자석을 이용해 미세 유체 칩 채널 안에 분리한 뒤 FISH 방법을 이용하여 세균 형광염색 진행함. (대장균(E. coli): 초록, 황색포도상구균(S. aureus): 자홍). 혈액이 대장균과 황색포도상구균에 감염됐음을 알 수 있다.

그림3. 자성나노입자에 부착된 세균 (E. coli, S. aureus) 형광사진.(위) 세균에 결합하는 면역 단백질이 코팅된 자성 나노입자(rhMBL-MNP, 자홍색)와 이에 결합된 세균의 형광 이미지. 왼쪽은 대장균, 오른쪽은 황색포도상 구균 (아래) FISH 탐침으로 형광 염색된 대장균(E. coli) 모습. 대장균 FISH 탐침(E.coli probe)와 결합해 자홍색으로 변색됐다. (오른쪽 두 번째)