채혈 않고 1ml 안되는 소변으로 전립선암 진단 실마리-소변유래 엑소좀 내 마이크로 RNA 신호증폭 기술 개발

채혈 않고 1ml 안되는 소변으로 전립선암 진단 실마리-소변유래 엑소좀 내 마이크로 RNA 신호증폭 기술 개발

 

등록일2021.08.17.

 

 

 

아프지 않고 시원하게 검사

채혈 않고 1ml 안되는 소변으로 전립선암 진단할 실마리  

- 소변 유래 엑소좀 내 마이크로RNA 신호 증폭 기술 개발 - 

 

 

□ 채혈이 필요한 전립선암 진단을 1ml도 안되는 소변으로 진단하는 날이 올 수 있을까?

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술연구원 (KIST) 최낙원, 강지윤 박사, 고려대학교 봉기완 교수 공동 연구팀이 고려대학교 안암병원 비뇨의학과 강성구 교수, 심지성 교수와 협력하여 소변에 대단히 적은 양으로 존재하는 엑소좀* 내 전립선암 관련 마이크로RNA*를 검출할 수 있는 기술을 개발했다”고 밝혔다.

  * 엑소좀: 세포외 소포체라고도 불리며 세포들 사이 또는 세포와 외부 환경의 끊임 없는 정보 교환을 위해 중간 매개체 역할을 하는 세포 유래 물질임. 엑소좀 안에는 DNA, RNA, 단백질을 포함하고 있어 유래된 세포의 상태와 정보를 알 수 있으며, 혈액, 소변, 침, 눈물 등 다양한 체액에 존재함

  * 마이크로RNA : 약 20-25개의 핵산으로 구성된 짧은 RNA의 일종으로 메신저 RNA (mRNA)와 같은 전사 (transcription) RNA의 기능이 못하도록 막거나 유전자 발현의 후전사 (post-transcription) 조절을 함

 

□ 불필요한 조직검사나 수술, 방사선요법을 줄이기 위해 기존 전립선암 진단에 쓰이는 혈액 내 전립선 특이 항원(PSA) 검사 보다 더 민감한 바이오마커를 개발하려는 연구가 활발하다.  

 ○ 체액 내 엑소좀에 함유된 마이크로RNA가 다양한 질병과 연관 되어 있음이 알려지면서 전립선암 진단을 위한 마커로 엑소좀 내 마이크로 RNA가 고려되어 왔다. 

□ 하지만 분비되는 엑소좀이 적은데다 엑소좀 내 마이크로RNA 농도 역시 낮아 진단에 실제 활용할 수 있도록 적은 샘플에서 효율적으로 마이크로RNA를 검출할 수 있는 기술이 필요한 실정이었다.

 

□ 이에 연구팀은 아주 적은 양의 마이크로RNA 신호를 하이드로젤 안에서 증폭하여 검출할 수 있는 기술을 개발하고 

 ○ 실제 이를 이용해 정상인과 전립선암 환자의 소변 샘플 0.6ml 에서 마이크로RNA 발현량 차이를 민감하게 검출해냈다. 

 ○ 기존 PSA 검사의 경우 민감도 90% 기준 특이도 30%를 가지고 있는데 이보다 약 2.2배 높은 68%의 특이도를 보이며 이는 기존 마이크로RNA 검출법 대비 약 67배 적은 부피의 샘플로 얻은 결과 이다. 

 

□ 연구팀은 엑소좀 내 마이크로RNA가 질병 특이도 높은 바이오마커로서 쓰일 수 있기 때문에 이번에 개발한 체액 분석 기술을 활용하여 전립선암 외에도 다양한 질병을 보다 정확하고 민감하게 진단할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

 

□ 최낙원 박사는 “이번 연구에서 전립선암 환자 19명, 정상인 19명의 소변 내 엑소좀 마이크로RNA를 검출하였는데, 앞으로 코호트 규모를 확장시켜 보다 확실한 전립선암 확진 마커를 발굴해낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업, 나노소재기술개발사업, 선도연구센터 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 바이오센서 분야 국제학술지 바이오센서스 & 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)에 7월 16일 온라인 게재되었다.

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 한국과학기술연구원, 고려대학교 김준범 학생연구원>

 

논문명

Hydrogel-based hybridization chain reaction (HCR) for detection of urinary exosomal miRNAs as a diagnostic tool of porstate cancer

저널명 

Biosensors and Bioelectronics

키워드 

exosome (세포외 소포체), miRNA (마이크로RNA), hydrogel microparticle (하이드로젤 마이크로입자), diagnostics (진단), prostate cancer (전립선 암)

DOI

https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113504

저  자

최낙원 박사 (공동 교신 저자/한국과학기술연구원), 봉기완 교수(공동 교신 저자/고려대학교), 김준범 (제1저자/한국과학기술연구원, 고려대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 전립선암 진단에 보편적으로 사용되는 혈액 내 전립선 특이항원 (PSA) 검사는 특이도가 낮고 위양성이 높기 때문에 불필요한 조직검사, 수술 및 방사선 요법으로 이어질 수 있다.

 ○ 이에 다양한 질병과 높은 상관관계가 있다고 보고되는 마이크로RNA*, 특히 엑소좀* 내 존재하는 여러 종류의 마이크로RNA를 검출하여 진단을 위한 바이오마커로 이용하려는 연구가 활발하다.

     ※ 마이크로RNA : 약 20-25개의 핵산으로 구성된 짧은 RNA의 일종으로 메신저 RNA (mRNA)와 같은 전사 (transcription) RNA의 기능이 못하도록 막거나 유전자 발현의 후전사 (post-transcription) 조절을 함

     ※ 엑소좀 : 세포외 소포체라고도 불리며 세포들 사이 또는 세포와 외부 환경의 끊임 없는 정보 교환을 위해 중간 매개체 역할을 하는 세포 유래 물질임. 엑소좀 안에는 DNA, RNA, 단백질을 포함하고 있어 유래된 세포의 상태와 정보를 알 수 있으며, 혈액, 소변, 침, 눈물 등 다양한 체액에 존재함

 ○ 엑소좀 내에 존재하는 마이크로RNA는 혈액 뿐 아니라 타액, 땀, 소변 등 다양한 체액에 존재하며 내부에 존재하는 마이크로RNA 또한 외부 환경과 분리되어 잘 보존되어져 있다는 장점을 갖고 있다.

 ○ 하지만 체액 내 농도가 매우 낮아 기존 기술로 이를 검출하여 이용하기 에는 한계가 있었다. 특히 미량의 핵산을 검출하는 데 널리 쓰이는 실시간 중합효소연쇄반응(qPCR)은 짧은 염기서열을 가진 여러 마이크로RNA를 검출할 때 비특이적 증폭이 일어날 수 있어 적합하지 않다.

2. 연구 내용 

 ○ 하이드로젤 마이크로입자를 이용한 마이크로RNA 동시 다중 검출법과 핵산 혼성화 연쇄 반응을 융합하여 높은 민감도를 가지면서 동시에 여러 종류의 마이크로RNA를 한번에 검출할 수 있는 기술을 새로이 개발하였다.

 ○ 기존 하이드로젤 마이크로입자 기반 마이크로RNA 검출 기술과 핵산 혼성화 연쇄반응은 각각 민감도가 떨어지거나 다중검출에 제한이 있다는 한계점이 존재하였다. 하지만 두 기술을 융합함으로써 두 단점을 모두 보완하였다.

 ○ 그 결과 기존 대비 약 35배 더 우수한 민감도를 가지며 이를 통해 실제 소변에서 채취한 엑소좀 내 마이크로RNA를 검출하였다.

 ○ 마이크로RNA 바이오마커 쌍의 발현 비율로 질병을 진단하는 플랫폼을 구축하여 채취 당시의 상태에 따라 농도가 쉽게 변하는 소변을 사용함에도 불구하고 검출 신호를 표준화(normalization) 하지 않고도 전립선암 여부를 판단할 수 있었다.

 

3. 기대 효과

 ○ 실제 전립선암 환자군와 정상군의 소변 유래 엑소좀 내 마이크로 RNA를 새롭게 개발한 기술로 분석하여 전립선암과 높은 상관관계를 보이는 마이크로RNA 바이오마커 쌍을 새롭게 발굴하였다.

 ○ 채 1 mL도 되지 않는, 0.6 mL의 전립선암 환자 및 정상인 소변샘플 에서 전립선암과 유의미한 상관관계가 있는 엑소좀 내 마이크로RNA 바이오마커 쌍을 검출, 분석하여 전립선암 진단 가능성을 검증하였다.

 ○ 이 같은 방법으로 전립선암을 진단하였을 때 수신자 조작 특성* 값이 0.88로, 평균적으로 0.56에서 0.68에 위치하는 기존 PSA 검사에 비해 더 우수한 민감도와 특이도를 가지고 있음을 확인하였다.

     ※ 수신자 조작 특성(receiver operating characteristic, ROC) : 적중 확률 대 오적중 확률의 그래프이다. 진단의 민감도 및 특이도를 확인할 수 있으며 영역의 값이 1에 가까울수록 적중 확률이 높고 0에 가까울수록 오적중 확률이 높다.

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림 1) 전립선암 환자군과 정상 대조군의 소변 유래 엑소좀 내 마이크로RNA 동시 다중 신호 증폭 및 임상진단 활용 가능성 검증

전립선암 환자군과 정상 대조군 간에 특정 엑소좀 마이크로RNA(miR-3665, miR-6090)의 발현비율이 현저히 다름을 확인할 수 있으며 이를 통해 전립선암 진단의 임상적 활용 가능성을 검증하였다. 특히 수신자 조작 특성 그래프의 값이 0.884로, 기존 PSA 검사에 비해 더 우수한 민감도와 특이도를 가지고 있음 확인하였다.

그림 설명 및 그림 제공: 한국과학기술연구원, 고려대학교 김준범 학생연구자

 

 

 

 

 

(그림 2) 하이드로젤 마이크로입자를 이용한 소변 유래 엑소좀 마이크로RNA 신호 증폭 기술

소변에서 추출한 엑소좀 내 마이크로RNA 중 전립선암과 연관이 있는 바이오마커 타겟들이 하이드로젤 마이크로입자 안에 고정된 프로브와 상보적으로 결합하고, 타겟이 결합된 프로브에서만 특이적으로 핵산 혼성화 연쇄 반응이 일어나 형광 신호가 증폭되어 극미량의 타겟을 검출할 수 있다.

그림 설명 및 그림 제공: 한국과학기술연구원, 고려대학교 김준범 학생연구자

 

 

 

 

연구 이야기

 

                 <작성 : 한국과학기술연구원, 고려대학교 김준범 학생연구원>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

지난 수 십 년간 전립선 특이 항원 (PSA) 검사를 통한 전립선암 검사는 가장 널리 쓰이면서 동시에 무용론이 끊이지 않았던 진단 방법이다. 따라서 이를 해결 또는 보완하기 위한 새로운 비침습적인 전립선암 진단 방법에 대한 필요성이 계속해서 대두되었고 이를 엑소좀 내 마이크로RNA라는 새로운 바이오마커와 하이드로젤 및 핵산 혼성화 연쇄 반응을 융합한 새로운 기술로 해결할 수 있다고 생각하여 연구를 시작하게 되었다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

소변에서 엑소좀 내 마이크로RNA를 추출하는 방법과 하이드로젤 기반 마이크로RNA 진단 방법에 핵산 혼성화 연쇄 반응을 융합하는 기술을 개발하는 방법을 투 트랙으로 나누어 연구를 진행하였다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

기존의 핵산 혼성화 연쇄 반응은 수용액 상태에서 진행된다. 이를 다중 검출의 편리성을 위해 하이드로젤에 고정시킨 상태로 반응시키려 하자 처음에는 연쇄 반응 개시가 저해되어 증폭이 잘 일어나지 않았다. 이러한 문제를 뉴트라비딘이라는 단백질 가교제를 이용해 개시제가 더 잘 반응하도록 하여 극복하였다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

다양한 체액 유래 바이오마커를 이용하여 PSA 검사를 대체하는 전립선암 진단법을 개발하고자 하는 노력은 계속되어왔다. 그러나 대개는 혈액을 이용하기 때문에 일부 침습적이거나 소변을 이용하는 경우 낮은 민감도 때문에 많은 양 (40mL 또는 그 이상)을 필요로 하였다. 이번에 개발한 기술은 채 1 mL 도 되지 않는, 0.6 mL의 미량 소변에서 엑소좀 내 마이크로RNA를 추출하여 전립선암 진단에 성공한 최초의 성과이다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

기존 PSA 검사를 대체 또는 상호 보완하는 소변 검사로 활용될 수 있다. 실용화를 위해서는 비숙련자도 사용할 수 있도록 현재의 하이드로젤 마이크로입자를 키트화하여 비숙련자의 반복 실험 시에도 재현성을 확보하는 것이 필요하고 생각한다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

엑소좀 내 마이크로RNA는 전립선암뿐만 아니라 다양한 질병에도 높은 특이도를 가지고 있다. 따라서 현재 공동 연구팀이 만든 진단 플랫폼으로 다른 질병도 진단 할 수 있도록 응용하는 연구를 진행하고 싶다.