암 진단 기술 어디까지 왔나?- 1 μg (1/1000 mg) 유방암 시료에서 300개 이상 단백질 표지자를 한 번에 정량 분석할 수 있는 기술 개발- 저렴한 비용으로 혈액 한 방울로 다양한 암을 진단할 수 있는 기반 마련서울대학교병원 의공학과 김영수 교수, KIST 이철주 박사 공동연구팀 (이하 한국 Seoul 팀, 책임자 김영수 교수)은 질량분석기 (Triple Quadrupole Mass Spectrometer)의 다중반응검지법 (Multiple Reaction Monitoring, MRM) 을 이용하여 유방암 세포 시료 극미량 1 μg (1/1000 mg)으로 319개 단백질 표지자의 절대 정량 분석 기술을 개발했다.이 연구는 미국국립암연구원의 지원으로 미국 Fred Hutchinson Cancer Research Center 의 Amada Paoulovich 박사 (이하 미국 서부 Seattle 팀)과 BROAD Institute of Harvard and MIT 의 Steven Carr 박사 (이하 미국 동부 Boston 팀)과 공동으로 진행됐다.우리 몸의 세포 형질을 결정하는 중요 요소는 유전자와 단백질이다. 현재 유전체 정보는 Next Generation Sequencing (NGS) 기술의 발전으로 비교적 쉽게 얻을 수 있지만, 단백질체 정량(특정 단백질 양(농도) 측정) 분석은 속도 및 규모에서 제한적으로 이뤄지고 있다.암은 증식과정에서 고유의 단백질을 만들어 내는데, 혈액을 뽑아서, 암세포가 분비한 단백질의 양을 측정하는 것이 종양표지자 검사다. 임상에서 이뤄지는 종양표지자 검사는 [표1]과 같다. 정확한 암 검진을 위해서는 CT, MRI, PET 등 각종 영상검사를 한다. 이러한 검사는 고비용, 방사선 노출의 위험으로 매달 할 수 없다. 종양표지자 검사는 저렴한 비용에 정기적으로 암 유무를 screening 할 수 있다. [표1] 종양 표지자 적용되는 암 AFP 간암, 배아세포암 CEA 대장직장암, 소화기암, 폐암, 유방암 PSA, free PSA 전립선암 ferritin 백혈병, 간암, 췌장염, 폐암, 유방암 TG 갑상선 종양 SCC 자궁경부암, 폐편평세포암 Free light chain 다발성골수종 CA125 난소암 beta-HCG 태반 종양, 고환종양 NSE APUDoma 폐소세포암, 신경맥세포종 cyfra21-1 폐암 Pepsinogen I/II 위선종, 위암 HE4 난소암 proGRP 소세포폐암 현재 종양표지자 검사는 암 세포가 분비한 단백질(항원)과 항체의 반응으로 농도를 측정한다. 종양표지자 마다 새로운 항체 분석법을 개발해야 하므로 시간과 비용이 많이 든다. 같은 검사를 해도 각 분석실험실마다 단백질 분석 편차가 있어서 표준화된 동일한 값을 얻기 어렵다.이러한 고민에서 개발된 것이 질량분석기를 이용한 다중반응검지법이다. 이 검사법은 극미량 1 μg 시료의 한 번 검사로 100~300여개의 단백질 표지자를 한 번에 정량할 수 있다. 어떤 단백질이 암 표지자인지 밝혀지면, 한 번의 피 검사로 여러 수십 개의 암을 밝혀낼 수 있다.원리는 다음과 같다.[그림1 참조] 한 방울의 혈액에 100개의 단백질 표지자가 있다고 가정하자. 특정 단백질을 화학적 전처리하여 단백질 단편으로 만든 후 전자 스캔으로 질량(Q1)을 측정한다. 같은 단백질 단편을 분쇄하여 단백질 파편으로 만든 후 전자 스캔으로 질량(Q3)을 측정한다. 각 단백질은 지문 같은 고유의 Q1/ Q3 질량 값이 있다. 연구팀은 100개 단백질의 고유의 Q1/ Q3 값을 질량분석기에 미리 입력한다. [그림1]다중반응검지법(Multiple Reaction Monitoring,MRM) 원리- 질량분석기 중에서 Triple Quadrupole Mass Spectrometer를 Liquid Chromatography (LC) 에 연결하여 단백질을 정량하는 질량 분석 기법- 인체 시료와 같은 액상 시료 I μg 이하 시료의 한번 주입으로 100-300개 이상 단백질 단편의 동시 절대 정량 분석이 가능- 정량하려는 타겟 단백질을 tyrpsin 등으로 가수분해하여 만든 peptide 질량 (precursor ion m/z, 오른쪽 그림의 Q1에서 측정)를 MS1 스펙트럼으로 측정하고 그 peptide 를 분쇄하여 (Q2에서 분쇄) 만들어진 조각질량 (product ion m/z, Q3에서 측정)을 MS2 스펙트럼으로 측정한다. - MS1 의 precursor ion m/z 및 MS2 의 product ion m/z 을 Transition 이라 정의한다. 각 단백질 마다 지문 같은 고유한 Transition을 지정할 수 있다. 일례로, 가운데 그림의 “Transition = 400.24/205.21”은 Target Protein A를 지정하는 값이다. - 100 개 단백질의 정량을 위해서는 100개 각각 단백질에 대한 Transition을 정하여 질량분석기에 입력하고 msec 단위로 100개를 연속적으로 스캔한 질량 강도를 측정하면 각각 해당하는 단백질 농도를 절대 정량 분석할 수 있다. - 동위원소 치환된 peptide를 Internal Standard 로 시료에 첨가하면 절대 정량 분석이 가능하고 적절한 전처리 분획에 의해서 ng/ml 농도의 민감도의 분석이 가능하다. 그 후 혈액을 질량분석기에 넣고 msec (1000 분의 1초) 단위로 혈액 속 단백질 입자들을 스캔하여 질량을 분석하고, 결과 값과 미리 입력한 단백질 고유의 Q1/ Q3값과 대조한다. A 단백질의 Q1/ Q3값이 400/ 200이라고 하자. 혈액 내 단백질 입자들 중 Q1/ Q3값이 400/ 200인 것이 20개가 있으면, A 단백질이 20개가 있다는 뜻이다. 연구팀은 30개의 유방암 세포주를 화학적 전처리 후에 발생한 319개의 단백질 단편 시료 중 162개를 한국 Seoul 팀, 미국 서부 Seattle 팀, 미국 동부 Boston 팀으로 이송하여 동일한 질량분석기와 기술로 단백질을 정량하였다. 그 결과, 각 3팀 간의 162개 평균 분석치의 변화는 0.2% 이내였다.이는 언제 어디서든 동일한 질량분석기와 검사법을 따르면 동일한 단백질 정량 값을 얻을 수 있다는 뜻이다. 즉 국제적으로 대규모 단백질체에 대한 절대 정량 분석 기술이 가능해져 대량 단백질 표지자의 절대 분석 시대가 열린 것이다.김영수 교수는 “개인 맞춤의학의 도래에 따라서 대규모 단백질 표지자가 세계적으로 통일된 절대 정량 분석 값으로 분석이 가능해지면 공통 기술 개발이 가능해져서 단백질 표지자의 분석과 의료 산업 기술의 발전에 크게 기여할 것으로 예상 된다” 며 “본 연구에 수행한 질량분석기기를 이용하여 초고속 다중 단백질 표지자 분석이 가능하면 초저가 혁신적인 의료 분석 장비가 개발될 수 있을 것으로 예상 된다” 고 말했다.이 연구는 국제 저명 학술지인 Nature Methods 인용지수(Impact factor=23) 에 12월 온라인 호에 게재되었다.