바이오인

1. 서론

2. 본론

  2.1. POCT의 분류

  2.2. POCT의 측정 원리

    2.2.1. 광학적 측정

    2.2.2. 전기화학적 측정

    2.2.3. 면역학적 측정

  2.3. POCT의 응용 분야

    2.3.1. 식품 분야

    2.3.2. 의료 분야

    2.3.3. 농축산업 분야

3. 결론

4. 참고문헌

현장에서 검사를 행하여 단 시간 내에 결과를 알 수 있어 신속한 대응을 가능하게 하는 현장진단검사(Point of care testing, POCT)에 대한 유효성이 증가함에 따라, 민감도, 특이도, 재현성과 같은 측정결과의 정확성을 향상시킬 수 있는 방향으로 진단법의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 

 

최근에는 바이러스의 확산에 따른 조기 검진의 중요성이 커지면서 신속하고 정확한 질병 검출을 위한 의약학적인 측면에서의 POCT의 필요성이 더욱 부각되고 있으며, 농축산품 보관 및 유통과정에서 증식 가능한 식중독균 검출과 같은 농축산업 및 식품분야를 포함하여 그 적용 범위가 점차 넓어지고 있다. 본 원고에서는 POCT의 원리를 설명하고, 그 활용 분야 및 연구동향에 대해 기술한다.

 

키워드: POCT, 현장진단검사, in-situ 측정, on-site 분석, 신속 검출

분야: Biotechnology, Chemical Biology, Molecular_Biology

 

◈본문

1. 서론

 

Point of care testing (POCT)이란, 별도의 검사실에서 검사를 진행하지 않고 환자가 있는 장소에서 진단을 수행하는 현장 검사이다. 즉, 증상이 의심될 때 병원에 가지 않고 집안에서 본인이 직접 간이 측정을 실시하여 질병의 유무를 예상할 수 있기 때문에 기존의 검사 시스템과 달리 현장에서 수분 이내 검사가 가능하고, 장소에 제약을 받지 않는다는 큰 장점을 가지고 있다.

 

 현재 일상생활에서 많이 쓰이는 POCT의 예로는 소변 막대, 임신테스트기, 혈중 포도당을 파악하는 혈당계 등이 있으며, 매년 새로운 POCT 기기가 개발 및 실용화되고 있을 뿐만 아니라, 의료 관계자들도 이러한 첨단 검사 기술과 관리 전략을 점점 더 많이 채택하고 있는 추세이다. POCT는 특히 기존의 고가의 장비를 바탕으로 한 진단, 치료 및 모니터링 방법이 지니는 한계점을 개선할 뿐만 아니라, 신속하고 민감하며 비용이 낮은 테스트를 제공하여 피검자들의 만족도를 증가시키고 있다.

 

POCT의 원리를 의료 뿐만이 아니라 환경 모니터링, 식품 안전 및 국토 안보와 같은 분석 응용범위로 확장할 수 있으며, 융복합적 기술로 그 전개 범위가 넓어지고 있다. 나노기술은 광학적, 전기적, 자기적, 화학적 기능을 발전 시켜 정확도와 정밀도를 포함한 POCT의 성능을 향상시켰으며, 데이터의 연결 및 관리가 용이해짐에 따라, 기능재료와 기계 학습이 통합된 소형 바이오 센서의 개발은 POCT의 가장 중요한 요소로 간주되고 있다. POCT의 개발에 있어 큰 시너지가 발생할 수 있는 인공지능, 장치 자동화와 같은 기술과의 융합이 진행되고 있으며, 그 응용 가능성이 기대된다 [1].

 

본 원고에서는 광학적, 전기화학적, 면역학적 방법으로 나누어 POCT의 원리에 대해 설명하고 각각의 특징을 기술한다. 또한, POCT가 식품, 의료, 농축산업에서 어떻게 응용되고 있는지 그 응용 분야에 대해 알아보도록 한다.

 

2. 본론

 

2.1. POCT의 분류

 

POCT는 소형실험대용 분석기기에 사용되는 기술과 일회용 분석기기에 사용되는 기술로 분류할 수 있다.

 

소형실험대용 분석기기는 임상실험실용 분석기기를 소형화한 것으로 혈액 내 기체분석 및 전해질분석 등에 사용된다. 임상실험실용 분석기기가 분석자의 숙련도에 따라 상이한 결과가 도출될 수 있지만, POCT에 사용되는 소형실험대용 분석기기는 이동성을 지니도록 설계되며 실험실 간 이동을 원활히 할 수 있는 장점이 있으며, 분석 후 기기의 세정작업 및 표준화 작업 등을 자동화함으로써, 숙련된 분석자가 아니어도 사용할 수 있는 것이 특징이다. 

 

소형실험대용 분석기기는 복잡한 임상실험실용 분석기기의 핵심기술은 포함하지만, 주변 기술은 간략화 및 단순화함으로써 분석 시간의 단축 및 검사의 간편함을 실현하여, 궁극적으로는 임상시험용 실험실 분석기법을 완전 대체할 수 있을 것이 기대된다. 소형실험대용 분석기기의 대표적인 예로는 Lab-On-a-Chip (LOC) 기술을 들 수 있는데, 이는 유리, 실리콘, 또는 플라스틱으로 구성된 수 cm2 면적의 칩 위에 마이크로 센서, 미세유로 등의 분석에 장치들이 장착된 초소형 타입 분석기술이다. 

 

LOC을 이용하여 독성물질에 대한 반응 정도를 세포 수준에서 검출할 수 있으며, 살아있는 세포의 실시간 반응을 조절 및 구사할 수 있기 때문에 복잡한 생리 신호를 검출할 수 있다. 따라서, 세포 수준에서 생리활성 물질을 스크리닝할 수 있어 궁극적으로는 임상에서의 POC, 동물실험 대체용 in vitro 스크리닝 기술 개발, 신약후보물질에 대한 초고속 스크리닝 등으로의 응용 및 발전이 가능하다 [2].

 

일회용 분석기기의 경우, 소변 내 알부민 검사, 혈당, 혈액응고시험 등에 사용되는데, 겉으로 보았을 때에는 간단하게 여겨질 수 있으나, 내부적으로는 미세가공을 바탕으로 한 복잡한 작업이 수행된다. 

 

즉, 혈장에서 세포를 분리하거나, 용제를 첨가하고 결과를 판독하는 등의 일련의 과정이 매우 작은 공간에서 자동적으로 이루어지는데, 반응 시 유발되는 교차오염 또는 생화학적 위험을 최소화 시키기 위하여 일회용기기가 제작된다. 

 

대형 고가 장비를 작고 가볍게 키트형식으로 일회용화 함으로써 세척이 필요 없고, 간편한 사용 및 진단이 가능하다는 장점이 있으나, 경제성을 고려하여 일회용 분석기의 단가를 최대한 낮추는 것이 범용적인 실사용을 위한 필수 조건이라 할 수 있겠다. 이에 맞춰 환경 친화적인 일회용 부품 사용 및 일회용 부품을 영구형 부품으로 대체하는 등의 기술 개발이 필요하다.

 

2.2. POCT의 측정 원리

 

POCT 검사를 통해 분석대상을 측정하는 원리를 광학적 측정 방법, 전기적 측정방법, 면역학적 측정방법으로 나눌 수 있으며, 각각의 특성은 다음과 같다.

 

2.2.1. 광학적 측정

 

물체가 발하는 빛을 측정하는 방법을 이용한 진단은 인체에 직접적인 해를 깨치지 않고 빛의 강도를 계측하거나, 이미지 영상화를 통하여 질환 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 광전자공학, 광섬유 광학, 광학 마이크로 시스템, 마이크로 유체학 등을 기반으로 하는 광학현미경, 공초점 광학현미경, 광학 단층 촬영 시스템과 같은 다양한 광학 측정 기술이 개발되었으며, 최근에는 이를 응용한 POCT 용 소형 측정 장비 및 실시간 이미징 장비의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 광학적 측정에는 색 변화 감지, 흡광도 측정, 반사율 측정 등의 방법이 사용된다 [3].

 

색 변화 감지는 육안으로 색을 관찰한 결과를 바탕으로 행해지기 때문에 피검자 및 검사자가 결과를 쉽게 확인 할 수 있는 장점이 있으며, pH 변화에 의한 산성도 검사, 효소 반응에 의한 특이염료의 발색반응, 면역학적 반응에 의한 염료의 발색반응 등에 응용된다. 

 

셀룰로오스 막과 같은 다공성 박막을 사용하여, 모세관 현상에 의한 크로마토그래피법을 원리로 시료를 운반하여 검출에 이용하는데, 색 변화 감지에 의한 POCT 키트의 대표적인 예로 임신 진단 키트를 들 수 있는다. 이러한 색 변화 및 발색 정도 파악에 의한 정성 분석은 반 정량적인 방법이기 때문에 정확한 수치를 알고자 하는 대상 물질 검출에 대해서는 진단의 한계를 갖는다.

 

흡광도 측정은 특정 파장에 해당하는 빛이 광원에서부터 검체를 투과하는 동안 감소되는 정도가 시료의 농도와 관련이 있다는 비어의 법칙(Beer‘s Law)을 바탕으로 한다. 단일파장의 빛을 발생하는 광원을 사용하여 시료 내 특정물질의 농도를 측정할 수 있으며, 시료가 특정 파장에서 빛을 흡수하는 물질인 경우 그 특이성은 높아진다. 

 

또한, 두 가지 파장에 해당하는 빛을 발생시킬 수 있는 경우, 특정물질의 두 가지 상태(예를 들어, 물질 A와 결합한 물질 B와, 물질 A와 결합하지 않은 물질 B)의 상대적 비율 및 절대적인 양을 측정할 수 있다. 형광 표지 인자를 사용할 경우, 매우 높은 감도로 시료를 검사할 수 있으나, 현재까지 개발된 고감도의 형광 표지 인자 검출 장비는 대부분 환자 자신이 사용하기에는 부피가 크기 때문에 개인용으로 사용이 어렵고, 병상용 검사장비로 사용되는 경우가 많다. 따라서, POCT를 위한 축소화 기술이 요구된다.

 

반사율 측정은 물체 표면에서 빛이 반사될 때 보이는 색을 이용하는 방법으로, 요검사에 사용되는 스틱에 고체 표면 반사 빛을 측정하는 반사율 광도계의 원리가 사용되고 있다. 구체적으로는, 소변 샘플 중의 백혈구를 검출하기 위한 검사 스틱에 존재하는 수분 민감성 시약의 성능이 습기로 인해 약화되었는 지를 확인하기 위해, 시약과 소변 샘플 및 적외선 염료 사이의 반응 생성물에 대한 특정 파장에서의 광 반사율 측정이 이용된다 [3].

 

광학적 측정을 통한 POCT의 사용 예로, 휴대용 광현미경, 미세내시경, 광학 단층 촬영 시스템을 들 수 있다. 이러한 시스템을 통하여 생체 내외에서 획득한 진단 결과를 곧바로 시각화하는 POCT가 성공적으로 구현되기 위해서는 광학 이미징 플랫폼의 소형화뿐만 아니라, 컴퓨터 계산을 통한 이미징 기술, 광학 하드웨어의 간략화가 필요하며, 이용자들이 손쉽게 구사하고 휴대가 간편하며 가격 경쟁력이 있는 휴대 기기 센싱 플랫폼에 응용하는 기법의 개발이 요구된다. 특히, 시공간적 해상도가 낮을 경우, 기기의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이를 고려하여 기기의 능력치를 최대화함이 중요하다 [4].

 

2.2.2. 전기화학적 측정

 

전기화학적 측정 방법의 원리는 주어진 시스템에 전기적 자극을 가하였을 때, 주어진 자극에 대한 화학적 응답을 분석하는 것이다. 일반적으로 POCT에 응용되는 전기화학적 측정법은 전기적 자극에 대하여, 물질이 수반하는 전자의 이동에 의해 발생하는 산화-환원반응을 기반으로 하여 발생하는 신호를 관측함으로써 실행된다. 전기화학적 측정 방법은 민감도 및 선택도가 높아 혼탁액 상태의 시료를 대상으로 사용 가능하다는 특징이 있다. 

 

예를 들어, 혈액 내에 포함되어 있는 특정 분자의 농도를 측정하고자 할 때 전기화학적 측정법을 사용하면, 혈액 샘플을 원심분리를 통하여, 층 분리하는 과정을 생략하고, 혈액 자체를 측정에 사용할 수 있다. 전극계에서 발생하는 산화-환원 반응을 측정하는 방법이 주로 사용되는데, 기준전극과 검출 전극 간에 일정한 전압을 유지해 주어야 하며, 이는 보통 배터리를 사용하여 가능해진다.

 

전기화학적 측정 방법 중에서 바이오 분자를 센서에 사용하는 바이오센서 검량법은 일상생활에서의 혈당측정 등에 적용되어 실용적으로 사용되고 있다. 즉, 혈액 내 포도당은 직접적인 방법으로 검출되기는 어렵지만, 포도당을 산화시키는 효소에 의해 생성되는 과산화수소 또는 기질로 사용되는 산소의 농도를 백금전극을 이용하여, 측정하고 포도당 산화효소의 활성점에 있는 flavin adenine dinucleotide (FAD) 또는 포도당 산화효소의 작용과 연결된 전기적 매개체의 산화-환원 상태를 측정하여 전류를 검출하고, 이를 이용하여 포도당의 농도를 역산하여 산출할 수 있다 [5]. 또한 전류법을 이용하는 전기화학적 센서는 글루코스, 락테이트, 콜레스테롤과 같은 작은 분자량의 물질을 정량분석하는데 유용하게 사용되고 있다.

 

2.2.3. 면역학적 측정

 

면역학적 측정 방법은 항원에 특이적으로 결합하는 항체를 사용하는 분석법을 일컬으며, 항체의 특성에 따라 다양한 종류의 분석 장비를 사용할 수 있다. 항원과 항체의 결합을 응용하여 항원을 검출하는 면역측정법 중에서 일반적으로 널리 사용되는 방법인 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)는, 종래의 radioimmunoassay (RIA)와는 달리 방사성물질을 사용하지 않기 때문에 안전하며, 항원에 반응하는 1차 항체 그리고 그 1차 항체에 반응하는 2차 항체를 첨가한 후 최종적으로 효소 반응에 바탕을 두는 발색반응을 이용하여, 시그널을 얻기 때문에 감도 및 정량성이 좋은 점을 특징으로 들 수 있다. 

 

2차 항체에는 효소가 결합되어 광학적인 측정 또는 전기화학적인 측정이 가능한 효소 반응이 발생하는데, 이를 측정하는 시스템을 소형화하여 POCT에 응용하고 있다. 면역학적 측정의 항원으로 사용되는 물질은 마약류나 특정 약물과 같은 저분자 물질에서 질환관련 바이오마커 및 감염성 질환에서 발견되는 미생물이나 바이러스 유래의 특정 단백질에 이르기까지 매우 다양하다.

 

하지만, ELISA로 대표되는 종래의 면역측정법은 항체 및 항원을 플레이트에 고정하는 과정, 플레이트 상의 비특이적 반응을 억제하기 위한 블로킹 과정, 1차 및 2차 항체 반응 후의 비특이적인 흡착을 제거하기 위한 수차례의 세척 과정이 필요하고, 전체적으로 수 시간의 소요되며 복잡한 과정을 요구하기 때문에 측정 결과의 불균일성을 초래하는 원인이 된다. 또한, 1차 항체 및 2차 항체의 ‘적절한’ pair 선별이 요구되기 때문에 시행착오를 거쳐 최적의 항체 pair를 실험적으로 찾아내야 하며, 그 조건에 따라 항원-항체 결합력의 결과값이 좌우된다는 단점이 있어, 이를 개선할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.