방광암은 조기 발견 시 완치율이 90% 이상으로 매우 높은 편이지만, 재발률이 70%에 달해 지속적인 관리가 필요합니다. 특히 늦게 발견될 경우, 방광 제거 수술 후 인공 방광을 이식하거나 소변 주머니를 사용하는 대수술이 필요해 환자의 삶의 질이 크게 저하됩니다. 그러나 현재 사용되는 소변 검사 키트는 민감도가 낮고, 요도에 관을 삽입해 방광 내부를 검사하는 방광경 검사는 고통과 부담이 크기 때문에 환자에게 간편하고 정확한 진단 기술이 요구됩니다.
집에서 방광암 조기 진단
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 생체분자인식연구센터 정영도 박사 연구팀은 고려대학교 의과대학 비뇨의학과 강석호 교수 연구팀과 공동으로 집에서도 간편하게 사용할 수 있는 소변용 방광암 진단 키트를 개발했다고 밝혔습니다. 이 진단 키트는 소변의 전처리 없이도 방광암 바이오마커를 높은 정확도로 검출할 수 있습니다.
연구팀은 물과 기름이 층을 이루는 원리를 활용해 방광암 바이오마커를 검출하는 새로운 진단 키트를 설계했습니다. 소변에서 방광암 바이오마커를 검출하기 어려웠던 이유는 소변 내 바이오마커의 농도가 낮고 혈뇨와 같은 불순물이 신호를 방해했기 때문입니다. 반면, 이번에 개발된 진단 키트는 바이오마커와 결합된 필름이 파괴되며 발생하는 부력 있는 신호 전달체가 기름층으로 이동해 신호를 발생시키는 방식으로 작동합니다. 이를 통해 혈뇨와 같은 불순물이 신호에 간섭하지 않도록 설계됐으며 신호 증폭 효과를 극대화해 바이오마커를 정확히 검출할 수 있습니다.
연구팀은 고려대학교 비뇨의학과에서 환자 80명과 정상인 25명을 대상으로 이중맹검(double blindness)으로 임상시험을 진행한 결과, 개발된 진단 키트의 민감도가 88.8%에 달하는 것을 확인했습니다. 이는 기존 상용화된 검사법의 민감도가 20%에 불과했던 것에 비해 크게 향상된 결과입니다. 특히 기존 검사법으로는 조기 방광암 진단이 거의 불가능했으나, 이번에 개발된 키트는 초기 방광암도 높은 정확도로 검출할 수 있었습니다.
개발된 진단 키트는 비침습적이고 간편한 소변 검사를 통해 방광암을 조기에 진단할 수 있는 혁신적인 방법입니다. 이를 통해 불필요한 방광경 검사를 줄이고 조기 발견으로 환자의 생존율을 높이는 것은 물론, 삶의 질까지 보호할 수 있을 것으로 기대됩니다. 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 종합 검진 센터에서 대량으로 신속하게 사용할 수 있는 방식과 가정에서 간편히 사용할 수 있는 제품개발을 목표로 연구를 이어갈 계획입니다.
KIST 정영도 박사는 “간단한 방광암 진단 키트를 개발해 불필요한 방광경 검사를 줄이고자 한 이번 연구에서 방광암 조기 진단의 가능성을 확인했다”라고 밝혔습니다. 고려대학교 강석호 교수는 “이번 연구는 KIST와 고려대 간 임상중개연구를 통해 이루어진 성과로 방광암뿐만 아니라 다양한 질환의 조기 진단 기술 개발에도 새로운 길을 열 것으로 기대된다”라고 말했습니다.
특히, KIST 정영도 박사와 고려대의대 강석호 교수가 한국기계연구원의 이동진 박사와 함께 창업 예정인 ‘플로트바이오사이언스’는 균일한 대량 생산이 가능한 소변용 방광암 조기 진단 키트 사업화를 추진하고 있으며 2024년 NST 융합 창업 챌린지에서 예비융합창업팀으로 선정됐습니다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업 및 연구재단사업(2023R1A2C100438911)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Biomedical Engineering」 (IF 27.7, JCR 분야 0.4%)에 게재됐습니다.
○ 연구배경
인구 노령화와 함께, 최근 방광암 환자 수가 급격히 늘고 있습니다. 방광암은 70%의 재발률을 보이며, 늦게 발견하게 되면 방광을 제거해야 해서, 인공 방광 또는 소변 주머니를 차고 다녀야 합니다. 따라서 환자의 삶의 질은 떨어지게 되므로, 조기 진단이 무척 중요합니다. 현재, 간단한 소변용 진단 키트가 존재하지만, 조기 방광암의 발견은 어려운 실정이며, 민감도가 낮아, 침습적인 방광경 검사를 해야만 정확한 진단이 가능합니다. 그러나, 방광경 검사는 침습적이며, 고통과 감염의 위험을 수반하여 자주 반복적으로 테스트하기는 어려운 실정입니다.
○ 연구내용
기존, 소변용 방광암 진단 키트가 낮은 민감도를 보이는 원인은 소변 내에는 바이오마커가 극미량으로 존재하기 때문에, 진단 키트나 바이오센서가 신호를 증폭해야 됩니다. 소변에는 다양한 종류의 불순물들이 포함되어 있으며, 특히 방광암 환자의 경우, 주된 증상인 혈뇨로 인해 잘못된 신호 또는 신호 간섭 또한 크게 증폭되며, 오류 신호를 발생시켜 잘못된 진단 결과를 초래하기 때문에 정확한 진단이 어렵습니다. 특히 조기 방광암에서는 더 큰 신호 증폭이 필요하여 진단이 까다롭습니다.
이를 극복하기 위해, 연구진은 효소 바이오마커에 의해 부서지는 하이드로겔 필름을 제조하였습니다. 하이드로겔 필름 안에는 부력을 가지고 물에 뜨는 신호전달체가 있어서, 바이오마커의 반응에 의해 필름이 부서지면, 신호 전달체가 물에 뜨도록 설계되었습니다. 효소의 반복되는 반응과 형광 신호 전환을 통해 2차 증폭으로 미량의 바이오마커를 검출이 가능하도록 했고, 또한, 기름과 물이 섞이지 않는 원리를 이용하여, 물에 뜬 신호전달체가 기름층으로 이동하고 불순물이 없는 기름층에서 간섭이 없는 신호가 발생할 수 있도록 하여 정확한 진단이 가능했습니다.
비뇨의학과의 임상중개 연구를 통해 80건의 방광암 의심 환자 샘플 (60건 환자, 20건 비뇨기계 질병)과 정상인 샘플 (25건)을 이중 맹검으로 테스트하여 88.8% 민감도를 달성했습니다. 동일한 환자군에서 상용화된 기존의 키트는 20%의 민감도를 보여, 개발한 진단 키트의 우수성을 검증하였습니다.
○ 기대효과
향후, 대량생산 및 균일한 검사 방법을 발전시켜, 상용화하고자 노력 중이며, 주 개발자인 KIST 정영도 박사와 고려대 의과대학 강석호 교수는 창업을 준비 중입니다. 향후, 대량 신속 진단 방식, 집에서 간편하게 진단하는 방식 등의 사용성을 다변화하여, 종합 검진 센터와 가정에서 사용할 수 있는 제품을 위한 연구를 지속하고 있습니다.
이번 연구를 통해 방광암을 보다 쉽고 자주 간편하게 진단함으로 조기에 발견하여, 조기 치료를 가능하게 함으로써 소변주머니나, 인공방광등의 침습적 치료에 의한 환자의 삶의 질 저하를 막을 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
KIST 정영도 박사는 물과 기름층에서의 나노재료들의 성질과 이동을 조절하는 원천기술과 이를 응용하여 진단 키트를 개발하는 연구를 진행하고 있었는데, KIST-고려대 의과대학 임상 중개 연구 프로그램으로 비뇨의학과 강석호 교수님을 만나며, 방광암의 특성과, 방광암 효소 바이오마커의 제안으로 소변을 이용한 진단 키트 개발 연구를 확장하게 되었습니다.
처음에는 간편하게 소변으로 방광암을 진단하는 키트를 만드는 목적으로 연구가 시작되었습니다. 연구자 임상 시험을 통하여 기대보다 높은 민감도를 달성하게 되었습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이미 상용화된 제품의 민감도 한계는 많이 알려졌으며, 이를 극복하기 위한 다양한 형태의 소변용 방광암 진단 키트 개발 연구가 이루어졌습니다. 특히, 방광암 환자의 소변 샘플에 혈뇨가 많고, 다양한 불순물이 섞여 있기에, 정확한 진단을 위해서는 소변 샘플의 전처리 및 엄격한 진단 프로토콜을 따르는 게 매우 중요한 요소였기에, 대부분은 전문가가 소변을 받아서 직접 샘플을 처리하고 진단 프로토콜을 따라 시험하는 고가의 테스트가 학계에 보고되고 있었습니다.
이번 연구는 소변의 불순물, 혈뇨 등 신호를 일으키는 과정에 간섭할 수 있는 물질이 신호 발생에 영향을 못 미치도록 하는 설계를 가진 진단 키트를 개발 함으로써, 가정이나 의원/보건소에서 전문가 없이도 간편하게 소변의 전처리 없이 정확하게 조기 방광암을 진단할 수 있도록 했습니다. 이런 전문인력의 노동력과 소변의 연구소의 배송등의 비용과 절차를 건너뛰고 그 자리에서 바로 진단할 수 있는 방식으로 비용을 절약하고, 간편하게 진단함으로 의심환자가 일반인이 자주, 많이 검사할 수 있는 기회를 제공할 수 있게 되었습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
현재, 성과로 스마트폰을 이용한 가정에서의 진단 방식이 구축되었으며, 추후 다량의 소변 샘플을 진단할 수 있는 검진센터용 방식을 개발 중에 있습니다. 상용화가 된다면, 종합검진이나, 가정에서 간편하게 방광암 여부를 소변으로 알아볼 수 있게 될 것입니다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
조기에 방광암을 발견하여 환자들이 소변주머니나 인공방광등의 침습적인 치료 전 단계에서 치료받을 수 있도록 도울 수 있고, 이로 인한 국가적 의료비용 등을 절감할 수 있습니다. 실용화를 위해서는 균일한 대량생산 공정 개발과 인허가를 위한 다량 샘플의 통한 임상 시험이 필요합니다.
출처: [BRIC Bio통신원] 방광암 조기 진단, 이제 집에서도 간편하게,
https://www.ibric.org/s.do?TGeolEjBpN