유전자가위 기반 고감도 암 진단 플랫폼 개발

[서해원당]

유전자가위 기반 고감도 암 진단 플랫폼 개발

                                                                  Bio통신원(한국생명공학연구원)

                                                                                                                                                등록2024.11.05

- 유전자가위 활용해 혈액에서 암 관련 유전자를 고감도로 검출하는 ʻSCOPEʼ 진단플랫폼 개발

…40분 이내에 PCR 검사 이상의 정확한 암 진단 가능
- 더 빠르고 정확한 암 진단 및 모니터링으로 환자 맞춤형 치료전략 마련에 활용 기대

한-미 공동연구진이 mRNA(messenger RNA, 메신저 RNA)를 이용해 암을 조기에 진단할 수 있는 기술을 개발하였다. 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오나노연구센터 강태준 박사 연구팀은 매사추세츠 종합병원(Massachusetts General Hospital, MGH), 하버드 의과대학(Harvard Medical School, HMS), 성균관대학교와 함께 체액에 존재하는 바이오마커 검출 성능을 획기적으로 향상한 진단 플랫폼 SCOPE(Self-amplified and CRISPR-aided Operation to Profile Extracellular Vesicles)를 개발하였다고 밝혔다.

이번에 개발된 플랫폼은 암 관련 유전자 돌연변이를 정밀하게 관찰하여 암 조기 진단이나 치료반응 모니터링, 종양 재발 가능성을 평가하는 데 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 액체 생체검사법은 혈액이나 소변과 같은 체액에 존재하는 바이오마커를 이용하여 암을 진단하고 모니터링한다. 종양 세포가 증식, 사멸 등 변화하는 과정에서 분비하는 특정 DNA나 RNA 등의 유전물질을 검출하는 것으로 기존의 조직 생체검사법이나 영상진단법보다 간편해 많은 관심을 받아왔다.

액체 생체검사법에서 정확하게 암을 진단하기 위해서는 체액 내 바이오마커를 정밀히 탐지해야 하지만 그 양이 매우 적어 그동안 임상에서 적용이 어려웠다. 공동연구팀이 개발한 SCOPE는 종양 세포가 방출하는 세포 외 소포체(extracellular vesicles, EVs)의 mRNA(messenger RNA, 메신저 RNA)를 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas13a)를 이용해 대폭 증가시켜 감지해 그간의 한계를 극복했다.

연구팀은 개발한 진단 플랫폼을 동물모델에 적용해 극소량(40㎕, 마이크로(10-6)리터)의 세포 외 소포체 샘플만으로도 초기 폐암을 진단해내었고, 대장암 환자의 샘플에서는 기존 PCR 검사보다 높은 민감도와 특이도로 암 돌연변이 유전자를 검출하며 임상 적용 가능성을 높였다.

특히 SCOPE 플랫폼은 16개의 샘플을 동시에 처리할 수 있고, 결과도 40분 만에 제공한다. 이뿐만 아니라 연구팀은 국내 분자진단 전문기업 ㈜레보스케치와 협력해 소형화하여 기존의 복잡한 장비 없이도 의료현장이나 연구현장에서 간편하게 활용할 수 있도록 하였다. 

이번 연구를 주도한 생명연 강태준 박사는 “SCOPE는 기존 방법으로는 어려운 주요 암 돌연변이를 전례 없는 수준의 민감도로 검출할 수 있는 효율적인 시스템이다.”라고 이번 성과를 소개하며, “여러 암 관련 바이오마커를 간소화된 방법으로 감지하여 암 진단과 모니터링 현장에서 신속한 의사결정을 지원할 수 있을 것이다.”라고 말했다. 공동 연구책임자인 하버드 의과대학 이학호 교수는 “SCOPE는 소량의 혈액만으로도 기존 영상진단 이전에 종양의 분자적 변화를 확인할 수 있다.”라며, 이 기술의 임상적 유용성을 강조했다.

이번 연구는 10월 7일 세계적인 저널인 Nature Biotechnology(IF 33.1) 온라인 판에 게재되었으며,  (논문명 : Amplifying mutational profiling of extracellular vesicle mRNA with SCOPE / 교신저자 : 생명연 강태준 박사, MGH Cesar M. Castro 교수, 하버드 의과대학 이학호 교수 / 제1저자 : 성균관대 송자연 교수)

과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업‧나노소재기술개발사업‧중견연구자지원사업, 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다.

연  구  결  과  개  요

□ 연구배경

 ○ 종양 세포에 의해 혈류로 방출되는 세포 외 소포체(Extracellular vesicles, EVs)는 mRNA를 포함한 중요한 분자 정보를 전달함. 그러나 혈액 샘플의 EV mRNA 농도가 낮기 때문에 기존 진단 방법으로는 정밀한 검출이 어려움. 특히 세포 외 소포체 내 돌연변이 mRNA를 검출할 수 있는 특이도를 가지는 기술이 부재한 실정임.

□ 연구내용

 ○ 본 연구팀이 개발한 진단 플랫폼의 경우, CRISPR-Cas13a 시스템을 활용하여 저농도의 암 돌연변이까지 정확하게 식별하여 고민감도/고특이도 성능을 보유함.

 ○ 해당 진단 플랫폼을 다양한 전임상 및 임상 모델에 적용하였음. 동물 연구에서 초기 폐암을 검출하였고, 대장암 및 교모세포종 환자의 혈액 내 세포 외 소포체에 존재하는 암 돌연변이 유전자를 모니터링하는 데 성공함.

 ○ 이러한 결과는 정밀 종양학 분야의 임상 적용에 대한 해당 진단 플랫폼의 잠재력을 의미함.

□ 연구성과의 의미

 ○ 본 연구진이 개발한 진단 플랫폼은 CRISPR-Cas13a를 사용하여 세포 외 소포체 내 특정 암 돌연변이 서열을 식별하고 신호 증폭을 유발하여 sub-attomolar 수준의 높은 민감도를 보유함.

 ○ 해당 진단 플랫폼은 암 돌연변이 유전자를 단일 뉴클레오티드까지 구별하는 높은 특이도를 보유하고 있으며, KRAS, BRAF, EGFR 및 IDH1 돌연변이 유전자를 성공적으로 검출하여, 종양 생물학에 대한 중요한 통찰력을 제공함.

 ○ 해당 진단 플랫폼은 1단계 등온 반응으로 작동하여 매우 미량의 샘플량으로 40분 이내에 신속한 진단 결과를 제공함.

 ○ 동물모델에서 폐암을 조기 진단하고, 대장암 환자 진단 및 재발 모니터링, 교모세포종 환자 진단을 통해, 액체 생검 기반 진단시스템의 임상적 유용성을 확인함.

  - 본 연구의 CRISPR 유전자 가위 기술 기반 진단 플랫폼은 종양에서 유래된 암 돌연변이 유전자를 추적하기 위한 고감도/고특이도 진단법을 제공함으로써 암 진단에 혁신을 가져올 것으로 기대됨. 이러한 발전은 암 조기 진단, 치료 반응 모니터링, 재발 감지를 가능하게 함으로써 암 환자 관리를 크게 향상할 수 있음. 폐암 조기 발견부터 대장암 예후에 이르는 응용 분야를 갖춘 해당 진단 플랫폼은 암 돌연변이 프로파일링을 기반으로 한 환자 맞춤형 치료전략을 촉진할 수 있음.

연  구  결  과  문  답

이번 성과 뭐가 다른가

1. CRISPR-Cas13a 기술과 EV mRNA 분석을 결합하여 단일 염기 수준의 변이를 고감도로 검출

2. 기존 연구들이 EV RNA의 낮은 농도로 인해 검출 한계가 있었던 반면, 이번 성과는 증폭 기술을 활용해 EV 내 극미량의 암 돌연변이 유전자도 정밀하게 검출할 수 있도록 했으며, 신속한 현장 진단이 가능

어디에 쓸 수 있나

1. 정밀 의학과 암 진단에 활용되어, 조기 암 진단, 실시간 종양 모니터링, 치료 반응 평가, 암 재발 검출에 사용될 수 있음.

2. 비침습적인 액체 생검을 통해 환자의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있어 개인 맞춤형 치료에 중요한 역할을 할 수 있음. 

3. 임상 시험에서 신약 개발 및 기초 생물학적 연구에도 활용될 가능성이 있음

실용화까지 필요한 시간은

본 연구 결과는 해외 특허 출원이 진행된 상황이며, 실용화를 위한 다양한 최적화 실험 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것.

실용화를 위한 과제는

실용화를 위해서는 더 많은 임상 샘플을 테스트하고, 최적화 등의 실험이 진행되어야 함. 

연구를 시작한 계기는

본 연구진은 액체 생검을 통해 비침습적으로 암을 조기 진단하고 실시간으로 종양 변화를 모니터링할 수 있는 기술의 필요성 때문에 연구를 시작함. 기존의 암 진단 방법인 조직 생검이 침습적이고 시간 소모적이며, 종양 이질성을 충분히 반영하지 못하는 문제를 해결하기 위해 연구진은 CRISPR-Cas13a 기반의 고감도 EV mRNA 분석을 통해 더 정밀하고 빠른 암 진단 방법을 개발하고자 했음.

에피소드가 있다면

돌연변이 염기서열을 구분하는 CRISPR/guide RNA 디자인을 하는데 어려움을 겪었지만 많은 최적화 실험을 통해 특이도가 높은 CRISPR/guide RNA를 디자인 할 수 있었음.

꼭 이루고 싶은 목표는

암 진단 센서 뿐만 아니라, 더 나아가 다양한 감염병 진단 센서등 다양한 분야에 적용될 수 있는 연구를 후속 연구로 진행하고자 함.

신진연구자를 위한 한마디

융복합 연구를 위한 다양한 교류를 통하여 다양한 공동연구의 중요성을 강조하고자 함.

               그림 1. 세포 외 소포체 내 돌연변이 유전자를 검출하는 CRISPR 기술 기반의 진단 기술 ‘SCOPE’ 개발
                          CRISPR-Cas13a/crRNA를 활용하여 돌연변이 유전자를 정확하게 인식하고, 현장 진단 장비를                                 통해 빠르고 편리하게 진단할 수 있는 통합형 시스템 개발 [사진=한국생명공학연구원]

                                  그림 2. 국내 분자진단 전문기업과 협력해 휴대용 진단 장비 개발
  poly[(2-dimethylamino)ethyl acrylate] (pDMAEA) 폴리머로 코팅된 PCR 튜브를 이용해 샘플 전처리, 현장 진단, 스마트폰 기반 데이터 분석을 통합한 휴대용 진단 장비 개발 [사진=한국생명공학연구원]

                                      그림 3. SCOPE의 비소세포폐암의 조기진단
                                     비소세포폐암 마우스 모델에서 주차별 혈액샘플을 분석한 결과,

                                     1주차 때부터 유의미하게 신호가 증가하는 것을 확인하여 조기 진단

                                     가능성을 확보 [사진=한국생명공학연구원]

                                                              그림 4. 대장암 환자 모니터링
                                   대장암 환자와 정상 샘플에서 대표적인 암 관련 표적 유전자인 KRAS

                                  유전자를 분석하여 대장암 환자 혈장 내 세포 외 소포체에 존재하는

                                  KRAS 돌연변이 유전자를 정확하게 식별함. KRAS 돌연변이가 있는

                                  17명의 환자를 1년 동안 수술 전과 후를 추적 관찰하여 재발환자 및

                                   비재발환자를 구별해냄 [사진=한국생명공학연구원]