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질량분석기를 이용한 질병진단 응용 동향
질량분석기를 이용한 질병진단 응용 동향 저자 이상후 (서울의과학연구소 & SCL헬스케어)
등록일 2018.08.30
자료번호 BRIC VIEW 2018-T31
조회 743  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
질량분석기(mass spectrometry, MS)는 현재 임상에서 질병진단에 유용한 생체 지표나 약물 또는 그 대사체들을 고특이도 및 고감도로 정성 및 정량 분석하는데 매우 효과적이고 유용한 분석도구로 활용되고 있다. 특히, 질병 진단용으로 허가되어 상용화된 MS와 연구 개발용으로 시판되는 MS가 사용자의 목적에 맞게 임상 진단 검사실 또는 일반 연구실에서 사용되고 있으며, 현재 질병 진단에 주로 사용되는 MS 플랫폼은 liquid chromatography (LC)-MS, gas chromatography (GC)-MS, matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time-of-flight (TOF) MS, MALDI-TOF-imaging MS (MALDI-IMS) 및 inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)가 있다. MS가 질병 진단을 목적으로 적용되는 주요 분야는 도핑 검사를 포함한 약물 오남용 검사, 조직 병리, 암, 심혈관 질환, 희귀질환, 내분비 질환 및 미생물 동정 검사 등이 있다. 현재 질병 진단 분야에 MS의 적용 범위가 점점 확대됨에 따라, 미국 Clinical & Laboratory Standards Institute (CLSI)에서는 질병 진단에 MS를 사용하는 기관 또는 사용자들에게 시료 전처리부터 결과 분석까지 표준화된 가이드라인에 따라 분석을 진행하도록 요구하고 있다. 이러한 MS의 질병 진단 분야로의 확장성을 고려할 때, 현재의 MS 장치들의 기술적 성능(감도, 정확도, 정밀도, 최소 샘플량, 고효율 대용량 시료 처리 등) 향상을 위한 기술개발과 더불어 FDA(또는 KFDA)에 승인된 MS 기반 플랫폼 및 이를 구동하기 위한 국제적으로 공인된 기관에서 제공하는 표준화된 참고용 물질로 정도 관리가 가능한 시약류의 개발도 함께 진행되어야 할 것이다.
키워드: Mass spectrometry, disease, clinical diagnosis, , cancer, rare disease, clinical microbiology identification, iKnife, CLSI guidelines
분야: Biotechnology
써모피셔사이언티픽
목차

1. 서론
2. 질량분석기의 구성
3. 시료 제조(전처리)
4. 질병진단에서 MS 응용
  4.1 약물 오남용 및 도핑 검사
  4.2 조직 병리
  4.3 암
  4.4 심혈관 질환
  4.5 희귀질환
  4.6 내분비 질환
  4.7 미생물 동정
5. 결론 및 향후 전망
6. 참고문헌


1. 서론

MS는 1912년에 Joseph John Thomson에 의해서 개발되었는데, 기지의 성분에 대한 정량분석뿐만 아니라, 미지 성분에 대한 정성 및 정량 분석까지 가능한 강력한 분석도구이기 때문에 현재까지 널리 사용되고 있다. 특히, 2002년 John Fenn과 Koichi Tanaka가 두 가지 연성 이온화(soft ionization)기법을 개발한 공로로 노벨상을 수상했고, 이를 계기로 질량 분석기에 대한 관심이 더욱 증가되었고, 질병진단 분야를 포함한 다양한 분야에서 응용되고 있다.

MS가 임상에서 성공적으로 사용되고 있는 경우는, 면역검사에서 양성을 보이는 오남용 약물(abuse drugs) 선별검사의 확인[1], 선천성 대사이상질환(inborn erros of metabolism)[2] 및 스테로이드 호르몬의 분석[3] 등이 대표적이다. 최근에는 미생물 동정을 빠른 시간 내에 정확하게 측정할 수 있는 수준까지 기술개발이 되었다[4].

연구실 수준에서 임상 검사실 수준으로 MS가 적용되기 시작한 주요한 동기가 1981년 미 항공모함 니미츠호에서 있었던 항공기 추락사고였다. 이후 몇 가지 중요한 사건들을 거치면서 MS의 임상적 응용이 점차 확대되기 시작하였다(그림 1).

초기 면역검사 기반한 약물 선별검사에서 보인 높은 위양성률을 MS 검사를 통해 상당히 낮춘 효과를 얻기도 했으며, 1991년에 신생아 선별검사에 tandem MS (MS/MS)가 적용되기 시작하였으며, 스테로이드 호르몬인 testosterone의 특이도가 MS 적용으로 인하여 향상되었고, 1996년도에 접어들면서 MS로 온전한 세균을 빠르게 동정할 수 있게 되었고, 1997년에는 GC-MS에서 LC-MS/MS로 검사 플랫폼이 바뀌기 시작하였고, 이후 혈액 감염균의 분자진단에도 MS가 적용되기 시작하였으며, 2010년부터는 대사체학, 단백질체학 및 기타 오믹스학에 MS가 응용되기 시작하였고, 2013년에는 미생물 동정에 MALDI-TOF MS가 적용되었고 FDA 승인까지 받게 되었다. 이후 2014년도부터는 암 수술실에서 외과적 수술시에 경계선상에 있던 판독이 모호한 조직의 제거 유무를 MS 기반한 knife 시스템이 도입되어 실시간으로 결과 판독이 가능하게 되었다.

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그림 1. MS의 임상적 응용 확대 과정에서 연대별 중요한 이슈들.



이 보고서에서는 과거부터 현재까지 질병을 진단하는 임상 검사실에서 MS가 적용되고 있는 분야에 대해서 소개하며, MS가 비용 절감 방식으로 환자 진단 및 관리를 향상시키는데 어떻게 사용되고 있는지에 대해서도 살펴보고자 한다.

2. 질량분석기의 구성

MS는 물질의 질량을 질량 대 전하의 비(m/z)로 측정하며, 시료의 상태에 무관하게 액체 또는 고체 시료까지 분석이 가능하며 극미량의 농도(10-15 mole 수준)까지도 측정이 가능하다[5]. MS는 크게 시료 도입부, 이온화원(ionization source), 질량 필터(분리기)(mass analyzer), 검출기(detector)로 구성되며(그림 2), 생성된 이온의 자유 이동 경로를 확보하기 위해서 MS내부는 약 10-6torr 이하의 진공도가 유지된다. 이온의 시료도입부는 MS 내부로 시료를 주입시키는 부분이며, LC-MS나 GC-MS의 경우, LC와 GC가 시료 주입부의 역할을 한다. 이온화원은 MS에서 시료를 이온화하는 곳으로서, 고체 상태의 시료를 이온화하는 MALDI, 액체 상태에서 이온화하는 electrospray ionizaition (ESI)과 atmospheric pressure chemical ionization (APCI), 기체 유기분자를 이온화는 electron ionization(EI)과 chemical ionization (CI)법이 가장 흔히 사용되고 있다. 이온화원에서 이온화 및 조각화(fragmentation)된 질량이온들을 각각의 질량값대로 분리하는 질량 필터는, 종류에 따라 TOF, quadrupole, quadrupole ion trap (QIT), Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR) 및 orbitrap 등이 있으며, 이중에서 TOF, triple quadrupole (qQq) 및 QIT가 많이 사용되고 있다. 검출기는 micro-channel plate, electron multiplier, hybrid 방식 등이 있다.

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그림 2. MS 상에서의 시표 분석 절차.



3. 시료 제조(전처리)

질량분석기를 이용한 분석 전에 인체 시료를 제조(추출, 분리 및 정제)하는 과정이 필요한데, 시료 제조 방법은 분석하고자 하는 물질의 화학적 특성(산성 또는 염기성), 단백질의 결합 유무, 시료의 유형(혈장, 혈청 또는 소변 등) 등에 따라 결정된다[6]. 일반적으로 시료 제조는 단백질 침전(protein precipitation, PP), 액체-액체 추출(liquid-liquid extraction, LLE), 면역 친화성 정제(immunoaffinity purification, IAP) 및 고체상 추출(solid-phase extraction, SPE)법의 조합 또는 단독 사용을 통해 수행된다.

시료 매질(matrix)은 MS 분석과정에서 고려해야 할 매우 중요한 요소인데, 전혈(whole blood)이나 조 추출물(crude extracts)은 시료 매질의 복잡성과 매질 성분에 비해 상대적으로 낮은 분석물질의 농도 때문에 고도의 시료 전처리 과정이 필요하다. 그러나 소변에 존재하는 분석물질들은 보통 간단한 희석 과정을 통해서도 시료 분석 시 충분한 감도를 얻는 경우가 많다.

인체 시료의 제조에 많이 사용되는 3가지 전처리 방법을 요약하면 다음과 같다.

3.1 SPE

SPE는 매질 성분으로부터 관심의 분석 물질을 분리하는 흡착 기반 전처리 방법이다. SPE는 액체의 이동상과 고체의 정지상을 이용한다. 관심의 물질들은 이동상과 고정상 사이에서 분배 계수의 차이 그리고 극성과 전하의 차이에 따라 분리되기도 하며, 용출 용매와는 다른 결합 용매 및 세척 용매를 사용하여 관심의 물질이 매질 성분과 분리된다. SPE의 최종 결과물은 간섭을 일으키는 매질 성분들로부터 관심의 물질을 1차적으로 분리하여 얻은 조 추출물이다. 최근에는 SPE 방법이 GC-MS[7] 또는 LC-MS[8]에 연결되어 온라인 추출 장치가 장착된 자동화 시스템으로 개발되어 광범위하게 사용되고 있다. 한편, SPE은 역상, 순상, 이온교환 또는 흡착 방식의 충진제가 들어있는 SPE 카트리지가 상업화되어 시중에 판매되고 있으며, 향후에도 MS를 이용한 질병진단 연구에서 인체시료의 전처리 과정에 없어서는 안될 중요한 시료 전처리 방법이 될 것으로 여겨진다.

3.2 IAP

IAP는 immunoextraction(면역 추출)이라고도 불리며, 매질 성분으로부터 항체 결합성 물질을 분리시키기 위해 고체상으로 항체를 사용한다. IAP 후에 MS로 직접 검출하기 때문에 기존의 경쟁적 및 샌드위치 면역검사법들에 비해 특이도가 더 높다. 따라서 항체-항원 상호작용에서 관찰되는 낮은 특이도를 극복할 수 있는 시료 전처리 방법이다. 이런 장점으로 인하여 질병 진단 분야에서 MS 분석 전에 시료 전처리 방법으로 많이 사용되고 있다.

3.3 희석

상대적으로 덜 복잡한 매질(소변 등)이나 고농도로 존재하는 관심의 물질 같은 경우에는, 간단한 시료 희석만으로도 매질 성분을 감소시키는데 효과적인 방법이다. 주로, 이 방법은 소변에 존재하는 약물의 선별검사나 확진 검사에 사용되고 있다.

4. 질병 진단에서 MS 응용

4.1 약물 오남용 및 도핑 검사

1988년도에 MS가 면역검사에서 양성을 보이는 오남용 약물의 선별검사에 대한 확인검사[1]로 성공적으로 적용된 이후에, ultra-performance liquid chromatography (UPLC)-MS/MS를 통한 특이도와 민감도가 향상되고, 대용량 시료 처리가 가능하며, 비용 절감 효과가 있는 약물 오남용 검사법이 2009년도에 개발되었으며[9], 현재까지도 유사한 검사방법들이 사용되고 있다. 이러한 HPLC-/UPLC-MS/MS법들의 개발로 인하여 GC-MS법에 기반한 약물 오남용 검사를 상당부분 대체하고 있는 상태이었다. 왜냐하면, GC-MS법보다 LC-MS/MS법이 더 빠른 시간 내에 분석이 가능하며 시료의 유도체화를 필요로 하는 GC-MS법에 비해 LC-MS/MS법은 유도체화가 필요 없기 때문이다. 그런데, 이 당시까지만 해도 시료 유형은 피검자의 소변에 국한되어 있었다. 하지만 2004년에 미국 Substance Abuse & Mental Health Services Administration (SAMHSA)가 땀, 타액 및 모발에서도 약물 검사를 가능하게 하는 새로운 규정을 미 정부측에 제안하였고[10], 기존의 소변 시료만을 대상으로 검사하는 약물 검사 프로그램에 변화가 일어나기 시작했다. 최근 들어 모발 시료가 약물 오남용 검사에서 주목을 받고 있는데, 기존의 다른 시료(혈액 또는 기타 체액)에 비해 장기간에 걸친 약물 검출이 가능하며 모발의 평균 증식에 기반한 약물 섭취에 대한 연대기적 정보를 얻을 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 기존의 모발 검사는 많은 양의 모발이 필요했고, 시료 전처리에 많은 시간이 소요되며, 주로 LC-MS(LC-MS/MS)나 GC-MS로 분석하였다. 그런데, MS imaging (MSI)법을 사용하게 되면 단일 모발 시료 분석이 가능할 뿐만 아니라, 좀 더 정확하고 가시적인 연대기적 정보를 알 수 있기 때문에 최근 들어 상당한 주목을 받고 있다[11].

1960년대 중반에 반도핑(anti-doping) 규정의 설치 이후에 MS가 현대 스포츠 약물 검사에서 중요한 역할을 현재까지 하고 있으며, 1999년 이후로는 World Anti-Doping Agency (WADA)가 전세계 스포츠 약물 검사에 대한 제반 사항을 규정 및 조율하고 있다. 현재까지 도핑 컨트롤에서 표적 및 비표적 MS 접근법으로 모든 약물들을 검출, 동정 및 정량분석하고 있다. 도핑 검사에서 MS를 사용하는 주요한 이유가 빠른 분석 속도, 다중약제 동시 분석, 정밀성, 정확성, 민감도 및 특이도가 우수하기 때문이다[12]. WADA에 의한 반-도핑 규정 제정뿐만 아니라, 도핑의 의미를 만들고 주기적인 업데이트를 진행하고 있기 때문에, 이에 걸맞는 분석법이 필요한 시점에 즉시 사용할 수 있도록 기술개발도 함께 진행되고 있다[13]. 현재까지 한국을 포함한 전 세계 도핑센터에서 주로 검사하고 있는 약물류는 화학적 약물류가 거의 대부분인데, 유전자 도핑이란 용어가 2003년 WADA에 의해서 규정된 이후로 오남용 가능성 때문에 금지약물 리스트에 등재되어 MS 기반한 검사법이 개발되어 적용되고 있다. 유전자 도핑은 세포, 유전자, 유전적 인자의 사용 또는 유전자 발현의 조절 등에 의한 비치료적인 목적으로 운동선수의 운동력을 향상시키는 것으로서, 특히, RNA interference (RNAi)의 기능이 밝혀짐에 따라 MS 기반 분석법이 재평가되었고, 인체 혈장에서 모델 small interfering RNA (siRNA와 mRNA를 통한 myostatin의 생산과정을 표적)의 MS 분석 조건들이 최적화 되었다[14]. 이런 과정을 통해 현재 불법 비승인 약물을 남용하고 있는 사람들의 혈장과 소변에서도 RNA 기반 유전자 도핑 물질을 측정하는 것이 가능해졌다.

4.2 조직 병리

조직 병리학에서 이온화 원으로는 가장 많이 사용되는 것이 MALDI인데, 조직 단편 시료에 특정 매질을 혼합 및 건조시킨 후, 레이저를 발사하여 이온화 및 탈착시킨 후에 TOF 방식을 통해 검출기에서 측정한다. 이때 이온들은 m/z 값에 따라 분류된다. 단백질, 펩타이드, 탄수화물 또는 지질류가 MALDI-TOF MS로 검출될 수 있다[15]. 1997년에 개발된 MALDI-TOF-imaging MS (MALDI-IMS)는 현재 조직병리학에서 주로 사용되고 있는 면역조직검사를 대체할 수 있을 정도로 기술적으로 개발된 상태이다. 현재 임상 검사실에서 조직검사를 통해 암의 분류 및 진단 시에 다양한 항체 및 염색을 통해 검사하는 면역조직화학법(immunohistochemical (IHC) method)이나 조직염색법을 통해 현미경으로 진단하는 방법이 많이 사용되고 있는데, MALDI-IMS법을 사용하게 되면 단지 한 개의 조직 단편만으로 암의 분류 및 진단이 가능하다. 특히 매우 작은 조직 시료만을 확보해야 할 경우에는 MALDI-IMS법이 IHC법보다 더 적합한 분석방법이 될 수 있다[16]. 이런 이유 때문에, MALDI-IMS는 폐암 같은 암 종에서 소량의 조직 시료만으로 암의 분자적 분류나 변이 선별 검사에 적용될 가능성이 매우 높다고 볼 수 있으며, 기존 IHC법에 의해 산출된 검사 결과에 대해 병리전문의들의 주관적인 판단으로 인한 결과의 오류를 최소화 시켜 줄 수 있는 새로운 진단법이 될 것으로 보인다. 아울러, MALDI-IMS의 빠른 시료 분석 시간(시료 제조부터 MS 분석까지)으로 인하여 환자에게 결과 전달 시간이 상당히 단축될 것이며, 조직병리 검사 결과의 누적 데이터를 근거로 디지털 병리학의 발전을 가속화 시킬 것이다. 하지만 디지털 병리학 시대가 도래하더라도 MALDI-IMS법에 근거한 신속한 표적 물질(단백질, 펩타이드, 당, 대사체 등)의 검출에 의한 진단 결과뿐만 아니라, 기존에 수행중인 조직염색법 또는 면역조직화학법에 근거한 진단 결과, 그리고 대규모 유전자서열분석 및 MALDI기법을 통한 분자병리적인 결과물들이 모두 디지털 병리학에 필요한 데이터가 될 것이다(그림 3).

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그림 3. 조직병리의 검사방법 및 미래 검사 방법
(남색: 현재 사용중인 분석법, 붉은색: 미래 사용될 분석법).



4.3 암

2017년 미국 텍사스 대학 화학과의 J. Zihang 교수가 획기적인 연구 성과를 발표하였는데, 바로 “MasSpec Pen”을 사용하여 인체에서 비파괴적으로 조직을 분석하고, 생세포와 암 세포가 혼재되어 있는 조직부위에서 선택적으로 암 조직만을 진단할 수 있는 기술이다[17]. 이 “MasSpec Pen”은 하나의 probe이며, 이 probe가 MS에 연결되어 있는 구조이다(그림 4). 이 장치가 주목을 받는 이유는, 기존의 조직병리학적인 진단에 사용되는 방법들은 노동 및 시간 집약적이며 진단 및 치료 과정에서 최종적인 의사결정이 지연되는 경우가 종종 있지만, “MasSpec Pen”은 대략 10초 이내에 암 세포인지 정상 세포인지 구별할 수 있다는 장점이 있다. 실제로 이 획기적인 장치를 이용해서 사람의 유방암, 폐암, 갑상선암 및 난소암 조직에서 암과 연관성 있는 생체 지표들인 대사체, 지질 및 단백질에 해당하는 이온 피크들이 MS 스펙트럼상에서 관찰되었다. 아울러, 감도, 특이도 및 전체 정확도가 각각 96.4%, 96.2% 및 96.3%로 매우 높게 얻어졌고, 양성 종양 조직과 악성 종양 조직까지도 구분할 수 있다는 것이 증명되었다[17].

주변 이온화(ambient ionizaition) MS법 중에 desorption electrospray ionization (DESI)-MS법이 다양한 암 조직을 시료 전처리 과정 없이 직접 분석이 가능하기 때문에 암 진단 영역에서 주목을 받고 있다. 그런데 최근에는 DESI-MS법이 시료 전처리에 많은 시간이 필요한 MSI 기법에 거의 배타적으로 사용되고 있다[18]. 이 방법은 시료와 혼합시킬 특정 화학적 매질이 필요 없으며, m/z 500 이하의 낮은 스펙트럼 범위에서도 신호-대-잡음 비율이 높은 감도로 스펙트럼이 얻어질 수 있다는 장점이 있으며, 암 대사의 공간적 맵핑이 가능하다. 한편, intelligent knife (iKnife)로도 불리는 rapid evaporative ionization MS (REIMS)는 전자 수술장치와 MS가 직접 조합된 시스템으로 난소암 및 유방암 등의 암 조직 검사용으로 개발되었는데, 전자 수술적 조직 절개로 만들어진 에어로졸 입자들이 MS로 직접 분석되어 암 조직의 지질 조성에 대해서 실시간으로 정보를 제공한다. 결국, REIMS는 암 조직에 대한 외과적 절개 부위 결정을 포함하여 수술과정에서 암 조직과 정상 조직을 확인하는 유용한 분석법으로 주목을 받고 있다[19].

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그림 4. MasSpec Pen 시스템의 구조.



4.4 심혈관 질환

혈전증과 지혈에 밀접히 관련된 혈소판을 구성하는 단백질 성분들이 심혈관 질환과 관련되어 있으며, 이를 근거로 최근에 혈소판 구성 단백질인 collagen, fibrinogen, ADP, vWF, thrombin 및 thromboxane이 심혈관 질환의 생체 지표로 활용하고 있다. 특히, 이러한 단백질들은 nanoLC-MS/MS 시스템으로 분석이 가능하도록 임상적 검증이 실시되었다[20]. 이러한 단백질들은 심혈관 질환을 조기에 진단할 수 있는 새로운 지표로서 국내외 임상 검사실에서 조만간 사용될 수 있을 것이다.

육류를 좋아하는 식습관을 가진 사람들이 심혈관 질환에 걸린 확률이 높은 이유가 장내 세균이 만드는 2차 대사산물 때문이라는 새로운 연구 결과가 2011년에 보고 되었는데, 육류에 많이 들어있는 phosphatidylcholine과 L-carnitine을 섭취하게 되면 장내 특정 세균류가 이 두 가지 물질의 choline 부분을 대사시켜 trimethylamine (TMA)을 합성한 후에, 간에 있는 FMO3 효소에 의해 trimethylamine N-oxide(TMAO)로 전환되는데, 이 물질이 동맥경화나 뇌졸증 같은 심혈관 질환을 유발시킨다는 것이 임상적으로 증명되었다(그림 5).

이 연구에서 TMA나 TMAO는 LC-ESI-MS/MS로 분석하였다. 한편, 육류 섭취시에 단백질이 분해되거나 대사 될 때, 아미노산 중에 하나인 arginine의 대사체인 asymmetric dimethylarginine (ADMA)이 합성되는데, 이 물질은 건강한 혈관을 유지하는데 도움이 되는 nitric oxide (NO)의 합성을 저해하는 물질로 작용한다. 따라서 ADMA를 LC-ESI-MS/MS로 정량 분석하게 되면 심혈관 질환 발병에 대한 진단 지표로 사용할 수 있다[21]. 이러한 획기적인 임상 연구 결과로 인하여, 미국 Cleveland Heart Laboratories에서는 LC-ESI-MS/MS를 사용하여 TMAO와 ADMA를 심혈관 질환에 대한 진단 지표로 검사 서비스를 하고 있는 상태이다.

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그림 5. 육류 섭취에 따른 장내 세균이 합성하는 대사체에 의한 심혈관 질환 발생 메커니즘.



4.5 희귀질환

선천성 대사이상질환(inborn errors of metabolism)은 음식물 등의 생화학적 대사에 관여하는 효소가 유전적으로 부족하여 몸에 유해한 중간 산물이 뇌 또는 장기에 축적되어 돌이킬 수 없는 정신지체 등 장애 초래하는 유전성 질환으로, 1991년에 ESI-MS/MS를 사용하여 선천성 대사이상 선별검사(newborn screening test, NST)가 처음으로 시작되었다[22]. NST 검사는 출생 후 48~72시간 내에 신생아의 발 뒤꿈치에서 외측부를 란셋으로 찔러 큰 방울의 혈액을 채혈지의 한쪽 면에 묻혀 건조시킨 시료(dried blood spot, 혈액여지)를 전문 병원이나 임상 검사실에서 실시한다. 이후 검사 종목이 확대되면서, 현재 국내의 경우 6종(페닐케톤뇨증, 갑상선 기능저하증, 호모시스틴뇨증, 단풍단뇨증, 갈락토스혈증, 선천성 부산 과형성증)에 대한 검사는 정부에서 무료로 검사비를 지원해 주고 나머지 49종 검사는 법정 비급여 검사로 환자가 일정 검사비를 부담하고 검사를 받을 수 있다. 무료로 지원되는 6종 중에 페닐케톤뇨증, 호모시스틴뇨증 및 단풍단뇨증과 16종 유기산대사이상질환, 13종 지방산대사이상질환 및 20종 아미노산대사이상질환은 ESI-MS/MS로 검사가 진행되고 있다. 현재 국내에는 선천성 대사이상 검사 기관이 총 14개 기관이 있다[23].

리소좀 축적 질환(lysosomal storage disorders, LSDs)은 인체세포에 있는 지질류와 탄수화물류를 분해하는 특정 효소의 결핍으로 인하여 발생하는 유전성 희귀질환이다. 이 질환으로 인해 분해되지 않은 지질류와 탄수화물류가 환자의 세포 내 소기관인 리소좀(lysosome)에 축적되어 리소좀 고유의 기능인 다양한 효소들의 활성을 저해해서 정상적인 기능을 하지 못하게 된다. 가장 많이 알려진 LSDs가 Fabry 병, Guacher 병, Krabbe 병, Niemann-Pick A/B 병, Pompe 병 그리고 MPS I 병(뮤코다당증)인데, 2004년에 상기 6가지 질환 중에 MPS I 병을 제외한 5가지 질환에 해당하는 각각의 효소 활성도 검사를 환자의 혈액을 여지에 건조시킨 혈액여지시료를 대상으로 ESI-MS/MS를 이용하여 동시에 선별 검사하는 방법이 보고되었다[24]. 이후, 2010년에는 5가지 질환의 각각 기질물질들로 사용되는 화합물들의 과량을 제거하기 위한 UPLC-ESI-MS/MS법이 개발되어 정확도가 향상된 효소 활성검사가 이용되고 있다[25]. 특히, 2018년 7월에 글로벌 진단제품 개발사인 PerkinElmer Inc.가 ESI-MS/MS법을 이용한 상기 6가지 질환에 대한 효소 활성 검사용 키트(NeoLSD™ MSMS kit)를 미국 FDA로부터 진단용 in vitro diagnostics (IVD) 제품으로 허가를 받아 시판 중에 있다.

4.6 내분비 질환

과거부터 현재까지 내분비 질환과 관련된 생체 지표 분석에 종종 사용하는 검사방법이 항체-항원 반응에 기인한 면역검사법이다. 하지만 면역검사법의 단점이 표적 물질외에 다른 간섭물질들의 영향으로 인해 특이도가 낮다는 문제점이 있다. 이런 이유로 내분비 질환 진단시에 면역검사를 대체할 수 있는 특이도, 민감도, 재현성 및 반복성이 우수한 MS가 현대 내분비 질환의 생체 지표 측정 및 진단에 응용되고 있다[26]. 내분비 호르몬을 분석하는 방법은 GC-MS법이 주로 사용되었는데, 최근 들어 LC-MS/MS로 분석법이 바뀌고 있는데, 이유는 GC-MS 분석에 필요한 스테로이드 유도체화가 필요 없고 동시에 다중 스테로이드를 짧은 시간 내에 정확하게 정량이 가능하기 때문이다. 시료의 종류는 혈액, 모발, 타액 등이 주요 대상이 된다. 모발과 타액의 경우는 비침습적 시료 채취가 가능하기 때문에 임상 검사실에서 미래에 내분비 질환 검사 시료로서 상당한 관심을 받고 있다. 특히, 타액 내 스테로이드의 일종인 cortisol 호르몬의 경우에는 Cushing 증후군과 Addison 병을 진단할 수 있는 생체 지표로 활용되고 있으며, 미국의 경우 LC-MS/MS를 이용한 타액 내 cortisol 검사가 상기 두 가지 질병의 진단에 활용되고 있다. 국내의 경우는 아직 연구용 수준으로 검사기 이뤄지고 있는 상태이다. 한편, 스테로이드 호르몬 중에 하나인 vitamin D는 뼈 대사와 칼슘 항상성 유지 등 생리학적으로 중요한 역할을 하는 인체 내 스테로이드인데, vitamin D가 부족할 경우 암, 심혈관 질환, 당뇨 또는 자가면역 질환 발병 위험률이 높아진다는 연구 결과로 인하여, 혈중 vitamin D 농도 측정법이 주목을 받고 있다. 그런데 vitamin D는 두 가지 이성질체(vitamin D2 및 D3)가 있고, 주요한 대사체로 25-OH-vitamin D2, 25-OH-vitamin D3 및 1,25-(OH)2 vitamin D가 있다. 하지만 이 중에서 혈중 반감기기 가장 긴 25-OH-vitamin D2/D3가 대표적인 생체 지표로 활용되고 있다. 분석 방법은 LC-MS/MS가 주로 사용되고 있다[27].

MS를 이용한 스테로이드 호르몬 검사법 및 분석 프로토콜의 표준화를 위해 미국 CDC에서는 Hormone Standardization Program (HoSt)/Vitamin D Standardization Certification Programs (VDSCP)을 운영하고 있는데, 하나의 quality control program이다[28]. 현재 전세계 스테로이드 호르몬을 검사 서비스하고 있는 임상 진단 검사실 에서 이 프로그램을 통해 각자 기관의 MS 기반한 검사법의 정도 관리를 하고 있다.

4.7 미생물 동정

MALDI-TOF MS가 개발되어 질병 진단에 응용된 가장 중요한 성과중에 하나가 미생물의 신속한 동정기술이다[29]. MALDI-TOF MS가 도입되기 전에는, 진단 목적으로 미생물을 동정하는 임상 검사실에서 Gram 염색법, 배양법, 생화학적 검사 및 감수성 검사 등을 통해서 미생물을 동정하였다. 미국 FDA에 의해 승인된 MALDI-TOF MS를 이용한 미생물 동정기술은 기존 방법들에 비해 동정에 소요되는 평균 시간을 1.45일까지 감소시키는 효과를 보이며, 표준 배양법에 비해 시약비용과 노동력이 50% 이상 절감되는 효과가 있는 것으로 밝혀졌다[30]. 더욱이, FDA는 bioMerieux Inc.와 Bruker Daltonics Inc.같은 진단 장비사들에 의해 제조된 MALDI-TOF MS 시스템(소프트웨어와 미생물 데이터베이스 포함)을 질병 진단용 병원성 미생물 동정 분석기기로 허가하였다.

한편, polymerase chain reation (PCR)-MS라는 유전자 증폭장치와 MS가 결합된 획기적인 시스템이 병원성 미생물 동정 분야에서 상당한 주목을 받고 있는데, PCR의 유전자 검출 고민감도와 MS의 고해상도가 결합된 차세대 병원성 미생물 동정 목적으로 상용화된 분석 장치 중에 하나이다(31). 현재 상용화된 대표적인 장치들은 PCR-ESI-MS법을 이용한 병원성 미생물 동정 시스템인데, Abbott Ibis Biosciences Inc.가 상용화한 PLEX-ID System과 Agilent Technologies Inc.가 상용화한 MassTag PCR이 대표적이다.

5. 결론 및 향후 전망

MS를 질병 진단에 이용하는 궁극적인 목적은, 질병과 관련된 생체 지표를 조기에 검출하여 환자의 생존율과 치료율을 높이고, MS의 높은 민감도와 특이도에 기인하여 표적 물질을 정확하게 정성 및 정량 분석하여 정확한 진단 결과를 제공함에 있다. 이를 통해 환자의 의료비 절감 및 나아가 정부 차원의 의료 재정 절감 효과를 기대해 볼 수 있다. 현재, MS가 임상에서 적용되고 있는 주요 분야는 약물 오남용 및 도핑 검사, 조직 병리, 암, 심혈관 질환, 희귀질환, 내분비 질환 및 미생물 동정 검사 등이 있다. 하지만 이중에서 보험 급여화된 검사 종목의 범위는 매우 좁은 상태이다. 미국 같은 선진국의 경우는 한국에 비해 보험 급여화된 종목의 수가 많지만, 국내의 경우는 아직 그 수가 제한적이다. 이를 위해서 임상 전문의, 연구자, MS 관계사 및 정부 부처 관계자 등이 협력하여 좀 더 다양한 질병 진단 분야로 MS 플랫폼을 확장시키기 위한 임상 연구가 실시되어야 할 것이며, 검증된 검사 항목에 대해서는 신속히 급여화를 추진하여 좀 더 많은 환자 또는 일반인들에게 질병 진단용으로 활용되어야 할 것이다. 또한 MS 플랫폼을 질병 진단용으로 적용하고자 하는 임상 검사실은 시료 전처리부터 검사 결과의 산출까지 미국 비영리기관인 CLSI에서 제정한 가이드라인에 따라 MS 기반 검사들을 수행하도록 권장하고 있으며[32], 최근에는 국내 임상 질병진단 검사실도 MS 기반 검사의 표준화를 위해 CLSI 가이드라인을 따르고 있는 추세이다. 현재, CLSI에서는 Newborn Screening by Tandem Mass Spectrometry(2nd Ed.), Mass Spectrometry for Androgen and Estrogen Measurements in Serum(1st Ed.), Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Methods(1st Ed.), Mass Spectrometry in the Clinical Laboratory: General Principles and Guidance(1st Ed.), Gas Chromatography/Mass Spectrometry Confirmation of Drugs(2nd Ed.), Methods for the Identification of Cultured Microorganisms Using Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry(1st Ed.) 등의 가이드라인이 있다.

MS가 다양한 임상 진단 분야에서 효과적으로 응용되고 있지만, 질병을 진단하고자 하는 검사실에서는 MS 시스템 자체의 가격을 고려해야 될 것이다. 현재 질병 진단에 사용되는 주요한 MS 시스템은 거의 모두 외산 장비이며, MS 종류에 따라 가격이 다양한데, 대략 $15,000 ~ $60,000 사이에 가격이 형성되어 있다고 볼 수 있다. 이런 점을 고려할 때, 기존의 면역검사를 이용하여 검사하는 검사 종목들을 MS 시스템으로 변경하여 진단하고자 할 때 환자에게 청구하는 검사 가격을 고려하지 않을 수 없다. 또한 MS는 숙련된 전문가가 다뤄야 할 상대적으로 민감한 분석 기기라는 것도 임상 진단 검사실에서 고려해야 될 부분이다. 특히, 진단 검사실에서 laboratory-developed tests (LDTs)를 개발하고 진단에 적용하고자 할 때는 더욱 더 숙련된 전문가가 필요하다. 따라서 MS가 질병 진단용으로 좀 더 범용적이면서 효과적으로 사용되기 위해서는, 기존 고가의 외산 MS 시스템 보다 가격은 낮으면서 일반 검사실 종사자나 연구자가 사용하기 편리한 MS 시스템의 개발이 필요할 것이며, 나아가 질병 진단용으로 FDA(또는 KFDA)에 의해 허가된 MS 기반 플랫폼들과 미국 National Institute of Standards and Technology (NIST)에서 제공하는 standard reference material (SRM)로 정도 관리가 가능한 검사 kits, calibrators 및 QCs 등이 상업적으로도 쉽게 구입이 가능해야 할 것이다.

최근에, 국내 기업 중에 ㈜아스타는 MALDI-TOF MS 시스템을 자체 개발하여 미생물 동정 분야로 KFDA 허가를 받아 상용화에 성공하였는데, 향후에도 ㈜아스타와 같이 MS 시스템을 독자적으로 개발하는 국내 기업들이 많이 생성되어 국내 질병 진단 시장 뿐만 아니라 해외 진단 시장까지 진출할 수 있기를 기대해 본다.

6. 참고문헌

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이상후(2018). 질량분석기를 이용한 질병진단 응용 동향. BRIC View 2018-T31. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3055 (Aug 30, 2018)
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