세계에서 가장 빠른 항생제내성검사기술이 국내 연구팀에 의해 개발되었다.

기존 보다 최대 20시간까지 항생제 내성 유무(有無)를 빨리 확인할 수 있어, 슈퍼박테리아(대부분의 항생제에 내성이 생긴 세균)와 같이 세균성 감염 환자의 생존율이 증가할 것으로 기대된다. 

서울대학교 전기공학부(권성훈 교수), 서울대학교병원 진단검사의학과(송상훈, 김의종 교수), 의공학과(이정찬, 김희찬 교수), 가톨릭의대 이승옥 교수, ㈜벤처기업 퀀타매트릭스 정용균 박사 공동연구팀은 이번 연구를 국제 저명 학술지인 사이언스 트랜스레셔널 메디신(Science Translational Medicine, 인용지수: 14.414) 12월호에 발표했다.

세균성 감염 환자는 내성이 없는 항생제를 처방 받기 위해 항생제내성검사를 받는다. 기존 검사법(배지미량희석법, Broth microdilution method)은 환자의 세균을 검사실에서 배양한 후, 특수 화학 처리한 용액 및 항생제와 반응시켜, 용액의 흐린 정도에 따라 항생제 내성 유무를 진단한다.
 
문제는 검사 시간이다. 결과 확인까지 보통 16~24시간이 걸린다. 급한 경우, 의사들은 본인의 경험을 바탕으로 내성이 없을 것으로 예상되는 항생제를 투여한 후, 검사 결과에 따라 내성이 없는 다른 항생제를 처방한다.

새 검사법은 3~4시간이면 충분하다. 원리는 다음과 같다. 세균 세포는 항생제에 따라 다양한 형태로 변하는데, 세포 하나하나의 형태 변화를 유형별로 분석하면, 항생제 내성 유무를 확인할 수 있다.

팀은 이를 위해 검사 키트를 개발했다. 검사 키트는 가로 12.8 cm 세로 8.6 cm 크기의 특수 화학 처리한 칩이며, 칩에는 96 여개의 홈이 있고 각각의 홈은 미세유체로 둘러싸여 있다. 이 미세유체에 환자에서 채취한 세균 세포와 아가로즈 혼합용액을 함께 투여한다.

홈 속의 아가로즈 용액은 젤처럼 굳어져, 세균 세포를 고정시킨다. 이때 각각의 홈에 최대 20가지의 항생제를 투여한 후, 현미경 리더시스템으로 세균 세포의 형태 변화를 분석한다.

연구팀은 새 검사법으로 임상적으로 중요한 5개의 균주인 포도상구균, 반코마이신 내성 장알균, 대장균, 폐렴간균, 녹농균을 병원 내 모든 항생제와 반응시켰다. 현미경 분석 결과, 내성이 있는 항생제에서는 세균 세포가 분열됐고, 내성이 없는 항생제에서는 세균 세포의 모양이 길어지거나 부풀어졌다. 

이를 토대로 세균 세포의 형태 변화에 따라 항생제 내성 유무를 확인할 수 있다.

예컨대 대장균 환자의 세균 세포를 채취한 후 연구팀이 개발한 검사 키트에 아미카신(Amikacin)항생제와 아작탐(Aztreonam)항생제를 반응시킨다. 아미카신에는 세균 세포가 분열됐고, 아작탐에는 세균 세포의 모양이 길어지면, 이 환자는 아작탐을 처방 받으면 된다. 

연구팀은 검증을 위해 서울대병원, 인천성모병원의 감염성 세균 환자 189명의 임상균주를 채취하여, 새 검사법(비교군)과 기존 검사법(대조군)으로 검사했다.

검사 결과는 91.5% 일치했다. 미국 FDA의 새로운 항생제 검사 권장 성능 기준을 충족시켰다.

세균성 감염병 치료에서 적절한 항생제의 신속한 처방은 매우 중요하다. 새 검사법은 이를 가능하게 하여, 환자의 생존율을 높이고 입원기간을 대폭 감소시킬 것으로 예상된다.

이 기술은 새로운 항생제 개발에 필요한 항생제 스크리닝에도 사용될 수 있어 침체된 항생제 신약 개발에 기여할 것으로 기대된다.

김의종 교수는 “이 기술은 사람을 살리는 기술” 라고 말했다.

□ 연구 개요

Title: 단일 세포의 형태 분석을 통한 신속한 항생제 감수성 검사
(A Rapid Antimicrobial Susceptibility Test Based on Single-Cell Morphological Analysis)

1. 연구 배경 및 현황

알렉산더 플레밍이 1928년에 페니실린이라는 항생제를 발견한 후에 항생제는 수 많은 감염증에 걸린 환자를 살리는데 유용하게 사용되었다. 그러나 항생제의 무분별한 사용으로 인해 항생제에 대한 내성을 가진 균들이 등장하였고 현재 전세계적으로 항생제 내성 균주는 심각한 문제가 되었다. 병원에서는 감염증에 걸린 사람에게 적합한 항생제를 처방하기 위해서 항생제 감수성 검사를 시행한다. 이 검사를 통해서 환자가 감염된 병원균이 어떤 항생제에 대해서 내성을 가지는지 확인하고 그 결과를 토대로 환자에게 항생제를 처방한다. 하지만 현재 병원에서 사용하는 항생제 감수성 검사는 약물에 대한 균의 반응을 시험 용액의 Optical Density(탁도)를 통해 관찰하여 판단하기 때문에 16~20 시간이 소요된다. 그래서 의사는 경험적인 판단에 기초하여 항생제를 먼저 처방해야만 하고 이 후에 검사 결과가 나오면 그 때 다시 적합한 항생제를 처방한다.
이 시간을 줄이기 위해 다양한 방법이 시도 되었다. 그 중에서 가장 빠르고 가능성이 있는 방법은 균의 단일 세포가 항생제에 대해서 반응하는 것을 관찰하는 것이다. 개별 세포의 반응이 곧 전체 시험 용액의 탁도에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 이 방법은 궁극적으로 가장 빠른 검사 방법이다. 병원균이 항생제 환경에서 반응하는 것을 단일 세포 수준에서 관찰하기 위해서 최근에 개발된 미세 유체 시스템을 이용하는 방법을 이용하였다. 그러나 이 방법에서는 병원균의 성장에 따른 면적 변화만을 측정하였고 이 경우 항생제 감수성 정확도가 현저히 떨어지는 문제가 발생하였다. 이 방법은 다양한 항생제 환경에서 균의 형태 변화가 있다는 사실을 확인하지 못하였고 대응하지 못한 것이다.

2. 연구 내용 및 결과

본 연구진은 항생제에 대한 병원균의 반응을 단일 세포 수준에서 관찰하되 단순한 면적을 측정하는 것이 아니라 균의 개수와 형태의 변화를 분석하는 방법을 이용하여 3시간 내에 결과를 낼 수 있는 기술을 개발하였다. 본 기술은 병원균과 아가로즈 혼합용액을 미세유체 기반의 칩에 주입한 후 굳혀서 균을 고정한 뒤에 다양한 약제를 공급한 뒤에 현미경을 통해서 단일 세포의 반응을 관찰하였다.

다양한 항생제의 종류와 농도에 따른 균의 개수와 형태 변화를 분석하였다. 그 결과, 병원균이 약제에 따라서 분열하지 않고 길어지거나 부푸는 경우는 약에 대해서 내성이 없는 것으로 판별하는 새로운 기준을 제시하였다. 임상적으로 중요한 4개의 균주에 대해서 현재 병원에서 사용 중인 모든 항생제에 대해서 시험을 한 뒤 일반화된 기준을 확립하였다.

또한, 형태 분석을 객관적인 기준을 가지고 판단하기 위해서 형태 분석한 기준을 바탕으로 현미경으로 관찰한 이미지를 자동으로 분석하는 이미지 분석 프로그램을 개발하였다. 표준 균주에 대해서 이 기준을 적용하였을 때 미국임상검사표준협회 (Clinical and Laboratory Standards Institute, CLSI) 에서 제시하는 성능 관리 범위에 부합하였다.

3. 연구 성과 및 향후 계획

연구진은 단일 세포의 형태 분석을 이용하여 서울대 병원과 인천 성모 병원에서 제공한 189명의 임상 균주에 대한 항생제 감수성 검사를 실시하였다. 이 임상 균주 중에는 사회적으로 문제가 되고 있는 메티실린 내성 황색포도상구균(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA), 반코마이신내성장구균(Vancomycin-resistant Enterococcus, VRE) 그리고 다제내성 그람 음성균이 절반 가량 포함이 되었다. 시험 결과, 3~4시간만에 도출한 결과가 표준 방법인 배지미량희석법 (Broth microdilution method)과 91.5% 의 일치율을 보였다. 전체 결과는 미국 식품의약청(Food and Drug Administration, FDA)에서 새로운 항생제 검사 방법에게 권장하는 성능 기준을 만족하는 결과를 도출하였고 이를 통해 실제 임상에서 적용이 가능한 성능을 가진 시스템이라는 것을 증명하였다.

본 연구에서 개발한 기술을 이용하면 환자가 감염된 균을 치료하는데 적합한 항생제를 신속하게 파악이 가능하다. 이를 통해 환자에게 정확한 약제를 빠르게 처방이 가능하여 환자의 생존율을 증가시킴과 동시에 입원 기간을 단축시켜 사회적, 경제적 효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 항생제 내성 균주의 발생 문제에도 기여할 수 있다. 이번 연구에서 개발한 방법을 실제 병원에서 사용하기 위해서는 먼저 자동화된 분주 장비와 이미징 장비 개발이 필요하다. 그리고 사업화를 위해서 세계 유수의 미생물 진단 회사들과 협력하여 실제 임상 환경에서 효율적으로 작동하는 시스템을 개발할 예정이다. 이번 연구 결과는 세계적인 권위의 학술지인 사이언스 트랜스레셔널 메디신 (Science Translational Medicine, 인용지수: 14.414)에 게재되었다.