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현장진단검사(Point of care testing) 연구 동향 및 적용 분야
김종표, 정희진(홍익대학교)
목 차
1. 서론
2. 본론
2.1. POCT의 분류
2.2. POCT의 측정 원리
2.2.1. 광학적 측정
2.2.2. 전기화학적 측정
2.2.3. 면역학적 측정
2.3. POCT의 응용 분야
2.3.1. 식품 분야
2.3.2. 의료 분야
2.3.3. 농축산업 분야
3. 결론
4. 참고문헌
1. 서론
Point of care testing (POCT)이란, 별도의 검사실에서 검사를 진행하지 않고 환자가 있는 장소에서 진단을 수행하는 현장 검사이다. 즉, 증상이 의심될 때 병원에 가지 않고 집안에서 본인이 직접 간이 측정을 실시하여 질병의 유무를 예상할 수 있기 때문에 기존의 검사 시스템과 달리 현장에서 수분 이내 검사가 가능하고, 장소에 제약을 받지 않는다는 큰 장점을 가지고 있다. 현재 일상생활에서 많이 쓰이는 POCT의 예로는 소변 막대, 임신테스트기, 혈중 포도당을 파악하는 혈당계 등이 있으며, 매년 새로운 POCT 기기가 개발 및 실용화되고 있을 뿐만 아니라, 의료 관계자들도 이러한 첨단 검사 기술과 관리 전략을 점점 더 많이 채택하고 있는 추세이다. POCT는 특히 기존의 고가의 장비를 바탕으로 한 진단, 치료 및 모니터링 방법이 지니는 한계점을 개선할 뿐만 아니라, 신속하고 민감하며 비용이 낮은 테스트를 제공하여 피검자들의 만족도를 증가시키고 있다.
POCT의 원리를 의료 뿐만이 아니라 환경 모니터링, 식품 안전 및 국토 안보와 같은 분석 응용범위로 확장할 수 있으며, 융복합적 기술로 그 전개 범위가 넓어지고 있다. 나노기술은 광학적, 전기적, 자기적, 화학적 기능을 발전 시켜 정확도와 정밀도를 포함한 POCT의 성능을 향상시켰으며, 데이터의 연결 및 관리가 용이해짐에 따라, 기능재료와 기계 학습이 통합된 소형 바이오 센서의 개발은 POCT의 가장 중요한 요소로 간주되고 있다. POCT의 개발에 있어 큰 시너지가 발생할 수 있는 인공지능, 장치 자동화와 같은 기술과의 융합이 진행되고 있으며, 그 응용 가능성이 기대된다 [1].
본 원고에서는 광학적, 전기화학적, 면역학적 방법으로 나누어 POCT의 원리에 대해 설명하고 각각의 특징을 기술한다. 또한, POCT가 식품, 의료, 농축산업에서 어떻게 응용되고 있는지 그 응용 분야에 대해 알아보도록 한다.
2. 본론
2.1. POCT의 분류
POCT는 소형실험대용 분석기기에 사용되는 기술과 일회용 분석기기에 사용되는 기술로 분류할 수 있다.
소형실험대용 분석기기는 임상실험실용 분석기기를 소형화한 것으로 혈액 내 기체분석 및 전해질분석 등에 사용된다. 임상실험실용 분석기기가 분석자의 숙련도에 따라 상이한 결과가 도출될 수 있지만, POCT에 사용되는 소형실험대용 분석기기는 이동성을 지니도록 설계되며 실험실 간 이동을 원활히 할 수 있는 장점이 있으며, 분석 후 기기의 세정작업 및 표준화 작업 등을 자동화함으로써, 숙련된 분석자가 아니어도 사용할 수 있는 것이 특징이다. 소형실험대용 분석기기는 복잡한 임상실험실용 분석기기의 핵심기술은 포함하지만, 주변 기술은 간략화 및 단순화함으로써 분석 시간의 단축 및 검사의 간편함을 실현하여, 궁극적으로는 임상시험용 실험실 분석기법을 완전 대체할 수 있을 것이 기대된다. 소형실험대용 분석기기의 대표적인 예로는 Lab-On-a-Chip (LOC) 기술을 들 수 있는데, 이는 유리, 실리콘, 또는 플라스틱으로 구성된 수 cm2 면적의 칩 위에 마이크로 센서, 미세유로 등의 분석에 장치들이 장착된 초소형 타입 분석기술이다. LOC을 이용하여 독성물질에 대한 반응 정도를 세포 수준에서 검출할 수 있으며, 살아있는 세포의 실시간 반응을 조절 및 구사할 수 있기 때문에 복잡한 생리 신호를 검출할 수 있다. 따라서, 세포 수준에서 생리활성 물질을 스크리닝할 수 있어 궁극적으로는 임상에서의 POC, 동물실험 대체용 in vitro 스크리닝 기술 개발, 신약후보물질에 대한 초고속 스크리닝 등으로의 응용 및 발전이 가능하다 [2].
일회용 분석기기의 경우, 소변 내 알부민 검사, 혈당, 혈액응고시험 등에 사용되는데, 겉으로 보았을 때에는 간단하게 여겨질 수 있으나, 내부적으로는 미세가공을 바탕으로 한 복잡한 작업이 수행된다. 즉, 혈장에서 세포를 분리하거나, 용제를 첨가하고 결과를 판독하는 등의 일련의 과정이 매우 작은 공간에서 자동적으로 이루어지는데, 반응 시 유발되는 교차오염 또는 생화학적 위험을 최소화 시키기 위하여 일회용기기가 제작된다. 대형 고가 장비를 작고 가볍게 키트형식으로 일회용화 함으로써 세척이 필요 없고, 간편한 사용 및 진단이 가능하다는 장점이 있으나, 경제성을 고려하여 일회용 분석기의 단가를 최대한 낮추는 것이 범용적인 실사용을 위한 필수 조건이라 할 수 있겠다. 이에 맞춰 환경 친화적인 일회용 부품 사용 및 일회용 부품을 영구형 부품으로 대체하는 등의 기술 개발이 필요하다.
2.2. POCT의 측정 원리
POCT 검사를 통해 분석대상을 측정하는 원리를 광학적 측정 방법, 전기적 측정방법, 면역학적 측정방법으로 나눌 수 있으며, 각각의 특성은 다음과 같다.
2.2.1. 광학적 측정
물체가 발하는 빛을 측정하는 방법을 이용한 진단은 인체에 직접적인 해를 깨치지 않고 빛의 강도를 계측하거나, 이미지 영상화를 통하여 질환 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 광전자공학, 광섬유 광학, 광학 마이크로 시스템, 마이크로 유체학 등을 기반으로 하는 광학현미경, 공초점 광학현미경, 광학 단층 촬영 시스템과 같은 다양한 광학 측정 기술이 개발되었으며, 최근에는 이를 응용한 POCT 용 소형 측정 장비 및 실시간 이미징 장비의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 광학적 측정에는 색 변화 감지, 흡광도 측정, 반사율 측정 등의 방법이 사용된다 [3].
색 변화 감지는 육안으로 색을 관찰한 결과를 바탕으로 행해지기 때문에 피검자 및 검사자가 결과를 쉽게 확인 할 수 있는 장점이 있으며, pH 변화에 의한 산성도 검사, 효소 반응에 의한 특이염료의 발색반응, 면역학적 반응에 의한 염료의 발색반응 등에 응용된다. 셀룰로오스 막과 같은 다공성 박막을 사용하여, 모세관 현상에 의한 크로마토그래피법을 원리로 시료를 운반하여 검출에 이용하는데, 색 변화 감지에 의한 POCT 키트의 대표적인 예로 임신 진단 키트를 들 수 있는다. 이러한 색 변화 및 발색 정도 파악에 의한 정성 분석은 반 정량적인 방법이기 때문에 정확한 수치를 알고자 하는 대상 물질 검출에 대해서는 진단의 한계를 갖는다.
흡광도 측정은 특정 파장에 해당하는 빛이 광원에서부터 검체를 투과하는 동안 감소되는 정도가 시료의 농도와 관련이 있다는 비어의 법칙(Beer‘s Law)을 바탕으로 한다. 단일파장의 빛을 발생하는 광원을 사용하여 시료 내 특정물질의 농도를 측정할 수 있으며, 시료가 특정 파장에서 빛을 흡수하는 물질인 경우 그 특이성은 높아진다. 또한, 두 가지 파장에 해당하는 빛을 발생시킬 수 있는 경우, 특정물질의 두 가지 상태(예를 들어, 물질 A와 결합한 물질 B와, 물질 A와 결합하지 않은 물질 B)의 상대적 비율 및 절대적인 양을 측정할 수 있다. 형광 표지 인자를 사용할 경우, 매우 높은 감도로 시료를 검사할 수 있으나, 현재까지 개발된 고감도의 형광 표지 인자 검출 장비는 대부분 환자 자신이 사용하기에는 부피가 크기 때문에 개인용으로 사용이 어렵고, 병상용 검사장비로 사용되는 경우가 많다. 따라서, POCT를 위한 축소화 기술이 요구된다.
반사율 측정은 물체 표면에서 빛이 반사될 때 보이는 색을 이용하는 방법으로, 요검사에 사용되는 스틱에 고체 표면 반사 빛을 측정하는 반사율 광도계의 원리가 사용되고 있다. 구체적으로는, 소변 샘플 중의 백혈구를 검출하기 위한 검사 스틱에 존재하는 수분 민감성 시약의 성능이 습기로 인해 약화되었는 지를 확인하기 위해, 시약과 소변 샘플 및 적외선 염료 사이의 반응 생성물에 대한 특정 파장에서의 광 반사율 측정이 이용된다 [3].
광학적 측정을 통한 POCT의 사용 예로, 휴대용 광현미경, 미세내시경, 광학 단층 촬영 시스템을 들 수 있다. 이러한 시스템을 통하여 생체 내외에서 획득한 진단 결과를 곧바로 시각화하는 POCT가 성공적으로 구현되기 위해서는 광학 이미징 플랫폼의 소형화뿐만 아니라, 컴퓨터 계산을 통한 이미징 기술, 광학 하드웨어의 간략화가 필요하며, 이용자들이 손쉽게 구사하고 휴대가 간편하며 가격 경쟁력이 있는 휴대 기기 센싱 플랫폼에 응용하는 기법의 개발이 요구된다. 특히, 시공간적 해상도가 낮을 경우, 기기의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이를 고려하여 기기의 능력치를 최대화함이 중요하다 [4].
2.2.2. 전기화학적 측정
전기화학적 측정 방법의 원리는 주어진 시스템에 전기적 자극을 가하였을 때, 주어진 자극에 대한 화학적 응답을 분석하는 것이다. 일반적으로 POCT에 응용되는 전기화학적 측정법은 전기적 자극에 대하여, 물질이 수반하는 전자의 이동에 의해 발생하는 산화-환원반응을 기반으로 하여 발생하는 신호를 관측함으로써 실행된다. 전기화학적 측정 방법은 민감도 및 선택도가 높아 혼탁액 상태의 시료를 대상으로 사용 가능하다는 특징이 있다. 예를 들어, 혈액 내에 포함되어 있는 특정 분자의 농도를 측정하고자 할 때 전기화학적 측정법을 사용하면, 혈액 샘플을 원심분리를 통하여, 층 분리하는 과정을 생략하고, 혈액 자체를 측정에 사용할 수 있다. 전극계에서 발생하는 산화-환원 반응을 측정하는 방법이 주로 사용되는데, 기준전극과 검출 전극 간에 일정한 전압을 유지해 주어야 하며, 이는 보통 배터리를 사용하여 가능해진다.
전기화학적 측정 방법 중에서 바이오 분자를 센서에 사용하는 바이오센서 검량법은 일상생활에서의 혈당측정 등에 적용되어 실용적으로 사용되고 있다. 즉, 혈액 내 포도당은 직접적인 방법으로 검출되기는 어렵지만, 포도당을 산화시키는 효소에 의해 생성되는 과산화수소 또는 기질로 사용되는 산소의 농도를 백금전극을 이용하여, 측정하고 포도당 산화효소의 활성점에 있는 flavin adenine dinucleotide (FAD) 또는 포도당 산화효소의 작용과 연결된 전기적 매개체의 산화-환원 상태를 측정하여 전류를 검출하고, 이를 이용하여 포도당의 농도를 역산하여 산출할 수 있다 [5]. 또한 전류법을 이용하는 전기화학적 센서는 글루코스, 락테이트, 콜레스테롤과 같은 작은 분자량의 물질을 정량분석하는데 유용하게 사용되고 있다.
2.2.3. 면역학적 측정
면역학적 측정 방법은 항원에 특이적으로 결합하는 항체를 사용하는 분석법을 일컬으며, 항체의 특성에 따라 다양한 종류의 분석 장비를 사용할 수 있다. 항원과 항체의 결합을 응용하여 항원을 검출하는 면역측정법 중에서 일반적으로 널리 사용되는 방법인 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)는, 종래의 radioimmunoassay (RIA)와는 달리 방사성물질을 사용하지 않기 때문에 안전하며, 항원에 반응하는 1차 항체 그리고 그 1차 항체에 반응하는 2차 항체를 첨가한 후 최종적으로 효소 반응에 바탕을 두는 발색반응을 이용하여, 시그널을 얻기 때문에 감도 및 정량성이 좋은 점을 특징으로 들 수 있다. 2차 항체에는 효소가 결합되어 광학적인 측정 또는 전기화학적인 측정이 가능한 효소 반응이 발생하는데, 이를 측정하는 시스템을 소형화하여 POCT에 응용하고 있다. 면역학적 측정의 항원으로 사용되는 물질은 마약류나 특정 약물과 같은 저분자 물질에서 질환관련 바이오마커 및 감염성 질환에서 발견되는 미생물이나 바이러스 유래의 특정 단백질에 이르기까지 매우 다양하다.
하지만, ELISA로 대표되는 종래의 면역측정법은 항체 및 항원을 플레이트에 고정하는 과정, 플레이트 상의 비특이적 반응을 억제하기 위한 블로킹 과정, 1차 및 2차 항체 반응 후의 비특이적인 흡착을 제거하기 위한 수차례의 세척 과정이 필요하고, 전체적으로 수 시간의 소요되며 복잡한 과정을 요구하기 때문에 측정 결과의 불균일성을 초래하는 원인이 된다. 또한, 1차 항체 및 2차 항체의 ‘적절한’ pair 선별이 요구되기 때문에 시행착오를 거쳐 최적의 항체 pair를 실험적으로 찾아내야 하며, 그 조건에 따라 항원-항체 결합력의 결과값이 좌우된다는 단점이 있어, 이를 개선할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.
2.3. POCT의 응용 분야
2.3.1. 식품 분야
세계보건기구(WHO)에 의하면 전 세계적으로 매년 약 2억 명이 오염된 식품과 물에 의해 사망함이 보고되어 있다. 식품에 의한 질병의 주 원인은 미생물 오염이라 할 수 있는데, 식품 내에 존재하는 병원균의 검출은 해당 미생물을 특정 지을 수 있는 단백질, DNA, RNA를 검출함으로써 파악할 수 있다. 이때, 식품은 기본적으로 유통기간이 짧다는 특성이 있으므로 빠른 검사를 통한 위해 여부를 판단하고 손상된 식품이 건강에 미치는 악영향을 검출하는 것은 식품 안전 분석에 있어서 매우 중요하다.
POCT는 사용장소에 대한 제약이 없고 간편하고 신속하게 정량 검출이 가능하기 때문에 이와 같은 식품 내 존재하는 병원균 검출에 유용하게 사용될 수 있다. 실제로 종이를 이용한 칩 기반 장치, 특히, 횡방향 흐름 시험 스트립과 미세 유체 종이 기반 분석 장치는 식품 안전 분석을 위해 가장 광범위하게 사용되는 POCT 장치로 알려져 있다. 종이는 실리콘, 유리, 플라스틱과 기질과 비교하였을 때, 비교적 저렴하며 생분해성이 뛰어나며 제작 용이성, 개조 및 기능화 등 여러 장점을 제공하므로 POCT 장치의 기반 재료로써 유용성이 점차 부각되고 있다. 고성능 액체크로마토그래피와 질량분석과 같은 기술이 식품 오염 탐지에 고전적으로 사용되고 있지만, 비용이 많이 들고 장비가 고가이며, 분석에 장시간이 소요되고, 분석 결과 해석에 전문가의 숙달된 기술이 요구되기 때문에 일반적인 POCT사용에 제한되며, 식품 관련 질병이 많이 발생하는 개발도상국에서는 이러한 검사의 접근성은 더욱 제한된다. 따라서, 간단하고 정확한 진단용 POCT를 개발해야 할 필요성이 점차 증가하고 있다. 액체크로마토그래피, 질량분석기 이외에도 식품에 잔류하는 미생물 및 물과 같은 음료 내 병원성 물질을 검사하는 기존의 방법으로 PCR과 같은 방법이 있는데 이는 실험장비가 존재하는 실험실에서 수행되어야 하기 때문에, 현장에서 실험실까지의 운반에 시간이 소요되고, 실험을 수행하는데 3-4시간 가량이 필요한 점을 고려하면 신속성이 낮다. 종이 및 칩 등을 바탕으로 하는 POCT는 빠르고 비용 면에서 효율적이며, 사용자 친화적이어서 신속한 식품 안전 분석에 유용하게 사용되고 있기 때문에 그 응용범위는 더욱 확산될 것이 기대된다 [6].
2.3.2. 의료 분야
검사 결과의 신속성으로 인해 질환이 의심스러운 자는 자택에서 POCT를 이용한 간이진단법으로 질환 유무를 판단할 수 있고, 보다 정밀한 검사를 위해 병원을 방문하여 병원 내에서의 POCT 시스템을 통해 단 한 번의 방문으로 진단 후 치료까지 받을 수 있다. 그렇기 때문에 환자의 물리적, 심리적 부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 진단에 소요되는 전문 인력을 포함해 검사에 소요되는 비용이 적다. 이는 POCT가 일반적인 실험실 기반 검사에 비해 검사 과정이 단순하고 상대적으로 강도가 높지 않은 경험을 통해서 수행 가능하며, 검사 결과 해석에 고차원적인 난이도를 요구하지 않도록 설계되어 있기 때문이다.
세계 각국에서는 이러한 장점 및 기침, 발열 등의 독감 증상을 경험한 환자들이 약국을 우선적으로 방문한다는 사실을 고려하여 접근성이 높은 약국에서 POCT를 수행하여 만성질환, 인플루엔자, 성병 등을 조기에 확인하고 있다. 의약품정책연구소에 따르면 미국과 캐나다 등 외국에서는 약사와 의사와의 협력을 통한 POCT를 통하여 불필요한 항생제 처방을 줄여, 궁극적으로 질환 전파 가능성을 낮출 수 있음이 보고되었고, 2021년 현재 미국 및 캐나다에서 기 시행되고 있는 지역 약국 등에서 COVID-19 관련 감염성 질환 감염 여부를 즉석으로 확인할 수 있는 POCT 제도의 도입 필요성이 국내에서도 제기되고 있다. 세계보건기구는 HIV와 같은 성 매개 감염을 신속하고 편리하게 검사할 수 있는 POCT 개발에도 적극적이다. 초기 검사를 통해 COVID-19 및 인플루엔자와 같은 감염성 질환을 원인 물질의 감염 여부를 확인하여 치료제를 빠른 시일 안에 처방하는 것이 환자의 발병 기간이 짧고, 합병증 발생 가능성 및 전파 가능성이 낮아, 환자의 건강뿐 아니라, 사회적인 감염 통제에도 매우 중요하기 때문이다. 약사-의사 협력 통한 신속 독감 검사로 불필요한 항생제 처방을 줄여 미국의 경우 실험실이 아닌 곳에서 훈련 없이 사용될 수 있는 검사로 오류의 위험이 낮은 간단한 검사들을 임상실험개선개정안(Clinical Laboratory Improvement Amendments, CLIA) 면제 검사로 선정했다. 현재 FDA에서 120개의 검사가 승인되었으며, 이 중 감염성 질환의 검사에 해당하는 CLIA-waived POCT는 총 16가지이다 (표 1) [7].
2.3.3 농축산업 분야
농업 분야에서 POCT은 환경, 개체 별 모니터링 목적으로 구분되어 가축, 어류, 곡식 등의 농축업생산물 관리에 적용되어, 작물, 가축, 물고기 등이 최적의 생산성을 낼 수 있는 환경을 유지하는 데 활용된다. 가축 전염병으로 인한 피해가 증가하고 있는 가운데 현장진단을 이용한 실시간 조기진단을 통해 신속한 격리 및 대응이 가능하기 때문에 피해를 최소화 할 수 있고, 가축 전염병 발생 시 신속한 현장진단 및 데이터 분석으로 전염 경로 예측 및 국가적 재난 방재 시스템 구축의 필요성이 증가하고 있다. 또한, 인간과 마찬가지로 해당 생물 종의 병원체 감염 여부, 상태 등을 POCT 시스템을 통해 간편하고 신속하게 진단할 수 있으며, 이러한 방법을 통해 전염성 질환의 확산을 조기에 방지할 수 있다. 최근에는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술의 응용을 통해 무선 통신을 통한 스마트 농장의 개발에도 그 응용범위가 넓어지고 있다.
한 가지 예로, 식중독 원인균인 살모넬라균이 축산물 가공제품제에 존재하는 양을 진단하여 살모넬라균 오염에 의한 질병 피해를 최소화함이 필요한데, ㈜피비엠이스트에서는 BioSignTM Salmonella kit를 개발하여 POCT 시스템에서 구현하였다. 기존의 살모넬라균 검출 방법은 의심되는 검체를 배지에서 전 배양 및 선택 배양 후에 분리 배양, 생화학적 확인, 응집 시험 등을 거쳐 성장을 관측하는 방법을 기반으로 하기 때문에 약 5일이 소요된다. 이에 반해 BioSignTM 은 전 배양 및 선택 배양 후에 칩에서 검출하는 방법을 기반으로 하기 때문에, 28시간 이내에 살모넬라균을 검출 가능하고, 칩 상에서 15분 이내에 검출이 가능하여, 검출 소요 시간이 짧아지기 때문에, 축산물 및 축산물가공품의 recall time이 짧아져 경제적 피해를 최소화할 수 있다. 또한, 미숙련자도 사용이 가능하여 농축산지에서 널리 사용될 수 있다는 장점을 갖는다 [8].
3. 결론
최근 전염병에 대한 사람들의 경각심이 증가함에 따라 POCT에 대한 관심도 또한 증가하였다. 시간과 장소에 구애받지 않으며 간편하고 신속하게 타깃 물질의 존재 여부를 판단 가능한 POCT의 장점을 바탕으로 하여, 보다 높은 정밀함과 정확함의 확보 및 응용 범위의 확산 등에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다. 또한, 스마트폰 어플리케이션과 POCT의 연동을 통해 환자의 위치, 환자 수 등 정보를 파악할 수 있고 multiplex test가 가능하기 때문에 변형된 유사 전염병 또한 한 번에 검출이 가능하다 [9]. 향후 인공지능, IoT 등의 분야와 접목하여 다양한 각도에서 POCT가 활용한다면 더욱더 그 실용성이 각광받을 진단법이라고 사료된다.
4. 참고문헌
==>첨부파일(PDF) 참조
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