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생물테러병원체 현장대응을 위한 신속항원 탐지키트의 개발 현황

◈본문

1. 생물테러의 특징

생물학적 무기를 이용하는 것은 비인도적 행위로 생물무기금지협약(Biological Weapons Convention) 및 화학무기금지협약(Chemical Weapons Convention) 등과 같은 국제협약에 따라 금지되어 있지만, 해당 무기의 제조 과정이 쉽고 생산 비용이 저렴하여 사용 및 확산 가능성이 높다고 판단되어 왔다. 이러한 생물학적 무기는 첫 번째, 화학무기에 비해 저렴한 생산 비용, 두 번째, 생물테러병원체의 대량 생산을 위한 장비 구입 용이, 세 번째, 운반이 용이한 특징 때문에 사전 규제와 방지가 어려우며, 사람에게 사용 시 감염된 사람을 통해 사람 간에 지속적인 전파가 가능하여 장기적 위험 요인으로 작용할 수 있다[1-3].

비교적 최근의 생물테러 사례로는 미국 2001년 9.11 테러 이후에 발생한 탄저균 테러 사건이다. 이 사건은 미국의 여러 언론사 사무실과 민주당 상원의원 사무실로 탄저균에 오염된 편지가 우편으로 발송되어, 22명의 탄저균 감염 사례를 유발했으며, 이로 인해 5명이 사망했다. 이후에도 2016년에는 케냐 이슬람국가 소속 의대생들의 탄저 테러 모의, 2018년과 2020년 미국 국방장관 및 대통령 앞으로 리신 우편물 배달 등 다양한 대중을 대상으로 한 생물테러가 지속적으로 증가하고 있으며, 생물테러는 아닌 것으로 확인되었지만 국내에서도 2023년 7월에 대만발 다량 국제우편물 신고가 급증하여 혼란을 일으켰던 사례가 있었다. 2001년 탄저 포자와 같은 백색테러 공격 이후 몇 년이 지난 지금에도 의심스러운 소포와 가루가 담긴 편지가 발송되는 사건이 다수 발생하였으며 이러한 사건들로 인해 생물학적 위협에 따른 신체적 및 심리적 타격뿐만 아니라, 정책, 보안 절차 및 생물테러 위협에 대한 국민들의 인식에도 영향을 미쳤다[4].

2. 생물테러병원체

생물테러에 사용되는 생물학적 무기로는 세균, 바이러스, 독소 등이 이용되고 있다[5]. 1990년대 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention)에서는 생물학적 위험요소를 지닌 병원체들을 관리하기 위해 3개의 그룹(Biotism Agents Category A, B, C)으로 분류하였다(표 1) [6,7]. Category A의 경우, 사람 간의 확산이 쉽게 이루어지거나 공중보건에 심각한 영향을 초래할 수 있으며 사회적으로 큰 혼란을 일으킬 수 있는 병원체로 분류되어 있어 즉각적인 대응 및 대비를 필요로 한다. Category B로 분류된 병원체는 상대적으로 쉽게 확산될 수 있으며, Category A에 분류된 병원체보다 치명적이지는 않지만 특별한 공중보건 대비를 필요로 한다. 마지막으로 Category C에 분류된 병원체는 일반적으로 알려진 병원체들이 있으며 상대적으로 쉽게 확산될 수 있고, 중간 정도의 발병률과 치명률을 가지고 있다. 이 병원체들은 Category A 및 B의 병원체에 비해 엄격한 대비가 필요하지는 않다. 이 병원체들은 대체로 관리가 가능하며, 대비 및 대응 계획은 보다 일반적인 공중보건 조치를 필요로 한다[6]. 우리나라에서도 생물테러의 목적으로 이용되거나 사고 등에 의하여 외부에 유출될 경우 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있는 감염병 병원체를 고위험병원체로 지정하여 관리하고 있다(표 2) [8].

표1. 미국 질병통제예방센터 생물테러 감염병 병원체 분류

표2. 국내 고위험병원체a) 및 생물테러병원체b) 종류

생물테러에 오용되는 병원체는 주로 Category A에 분류된 병원체이기 때문에 생물테러 의심 상황 발생 시 인명피해를 최소화하기 위해 병원체의 감염 여부를 빠르게 판단하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 현장에서 신속 탐지할 수 있는 기술의 개발 및 개선은 테러 상황 유무를 신속하게 판단하고 대응 정책 결정을 위해 매우 중요하다[3].

3. 생물테러 의심검체 탐지 방법

생물테러 발생 시 신속한 대응을 위해서는 초동조치팀이 현장에서 생물테러 의심검체를 신속‧정확하게 탐지할 수 있는 현장탐지검사 기술의 개발이 필수적이다.

현장탐지검사(point-of-care testing, POCT)란, 별도의 실험실에서 수행하지 않고 현장에서 바로 탐지를 수행하는 검사를 말한다. 기존 검사법과 달리 현장에서 수분 이내 검사가 가능하고, 검사 장소에 제약을 받지 않는 장점이 있으며 고가의 장비를 바탕으로 한 탐지 및 모니터링 방식의 한계를 개선한 신속하고 민감한 검사법으로 점차 그 응용 범위가 확장되고 있다.

생물테러 의심검체에서 원인병원체를 탐지하기 위한 기 보고된 다양한 기술들은 현장대응 인력 또는 비숙련자가 수행하기에는 어려운 조작법, 생물테러 의심검체 탐지에 많은 시간 소요, 검사결과 판독 시 위양성 문제 등의 단점이 있다[9]. 생물테러 의심검체를 탐지하는 데 사용되는 검사법은 대표적으로 배양검사, 실시간 중합효소 연쇄반응(real-time polymerase chain reaction, real-time PCR), 등온증폭 유전자검출(loop-mediated isothermal amplification), 신속측면유동검사(lateral flow rapid strip test) 등이 있으며 각각의 탐지법에 대해 간단하게 소개하고자 한다[5].

1) 미생물 배양검사

미생물 배양검사는 원인병원체를 탐지하기 위해 사용되는 표준 검사방법 중 하나이다. 그러나 배양 시 최종결과를 확인할 때까지 수일 내지 수 주일이 소요되고 전문지식, 병원체 특성에 따라 생물안전 3등급 시설이 필요하며, 이외에도 여러 가지 한계로 인해 생물테러 의심 상황 발생 시 현장탐지 및 검사법으로는 적합하지 않다. 때문에, 현장에서 스크리닝한 결과를 토대로 추가적인 정밀검사를 위한 실험실 검사법으로 수행하는 것이 적합하다[5].

2) 실시간 중합효소 연쇄반응 유전자증폭검출

Real-time PCR은 민감도와 특이도가 높아 가장 많이 사용되는 실험실 검사법으로 매우 정확한 결과를 보여주고 있으며, 여러 가지 병원체를 동시에 검사하는 다중(multipelx) 검사법이 가능하여 다양한 병원체를 한번에 검출할 수 있는 장점이 있지만, real-time PCR을 현장대응 탐지법으로 사용하기에 적합하지 않은 몇 가지 사항들이 있다. 첫 번째, 고가의 분석 장비가 필요하며, 이러한 장비는 현장에서의 이동성과 접근성이 제한적이고 두 번째는 샘플 전처리 과정이 필요하며 결과 판정에 전문지식이 요구되기 때문에 비전문가가 사용하기 어렵다. 또한 세 번째, 환경 변화에 민감하며 외부 요인에 의해 결과에 영향을 미칠 수 있다[10]. 위 문제점을 해결하기 위해 분자진단을 이용한 POCT 기술이 개발되었고 대표적으로는 미국 국방성에서도 지원한 장비인 GeneXpert (Cepheid)가 있다. 이 시스템은 샘플 처리와 real-time PCR을 통합하여 자동화 시스템을 구축한 것으로 병원체를 환자의 혈액에서 직접 검출하는 데 사용된다. 해당 병원체의 핵산을 감지하고 분석하여 100분 이내로 신속하고 높은 정확도로 병원체를 검출함으로써 생물테러 발생 시 신속한 진단과 치료가 가능하다. 하지만 real-time PCR과 마찬가지로 정확도를 유지하기 위해서는 정기적으로 보정이 필요하다. 또한 안정적인 전기 공급이 필요하기 때문에 이동이 자유롭지 못한 제한점이 있다[11]. 이러한 요인들로 인해 real-time PCR 검사법을 현장에서 초동 대응 용도로 사용하는 데 있어 어려움이 있다.

3) 등온증폭 유전자검출

등온증폭 유전자검출 분석법은 비교적 최근에 개발‧도입된 검사법으로, 실험 방법이 간단하여 조작하기 쉽고, 매우 정확하게 특정 DNA를 식별하여 높은 민감도를 보여준다[10,12]. 등온증폭 기법은 고가의 실험 장비가 필요 없으며, 일정 온도의 유지가 가능한 heating-block이나 수조만 있으면 실험이 가능하다[12]. 또한 PCR 또는 real-time PCR (1–3시간)에 비해 짧은 시간(30분–1시간 이내) 내에 실험 결과를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다[10]. 하지만 4–6개의 시발체(primer)를 이용하여 디자인하기 때문에 초기 개발에 있어 어려움이 존재한다. 또한 전처리 과정이 필요하고 별도의 장비가 요구된다는 점에서 현장에서 생물테러 의심검체를 즉시 탐지하기에는 아직까지 한계가 존재한다[13]. 때문에 현장탐지에 있어서 차세대 기술로 주목받고 있어 많은 개발이 이루어지고 있지만 실제 생물테러 의심 현장에서의 적용은 초기 단계에 있다.

4) 신속측면유동검사법

1980년대 후반에 도입된 면역크로마토그래피법(immunochromatographic tests)이라고도 불리는 측면유동검사는 다양한 병원체를 현장에서 신속하게 탐지하는 데 널리 사용되고 있는 현장탐지 기술이다[14]. 측면유동면역분석법(lateral flow immunoassay)은 전문지식이 없어도 쉽게 검사가 가능하며 의심검체의 전처리 과정 없이 빠르게 결과를 확인할 수 있는 장점이 있다. 하지만 첫 번째, 동일한 병원체(species)의 다른 균주(strain)와의 구별이 어렵고, 두 번째, 낮은 민감도를 보이며, 세 번째, 혈액 등 색깔이 있는 검체의 경우 결과에 영향을 줄 수 있는 점 등과 같은 한계점도 있다[14]. 이러한 단점에도 불구하고 초동 대응 요원이 현장에서 간편하게 사용할 수 있다는 점에서 현장에서 많이 사용되고 있는 탐지법이지만 그에 비해 관련 기술 개발이 최근에는 활발히 이루어지고 있지 않은 점이 지적되었다[5,14].

4. 국내 생물테러 감염병 병원체 및 독소 신속항원 탐지키트 개발

앞서 소개한 신속측면유동검사법을 제외한 대부분의 검사법들은 높은 민감도와 특이도를 보이고 있지만, 고가의 장비, 복잡한 시료 전처리 및 결과 해석의 전문성을 요하며, 결과를 얻는 데에 시간이 많이 소요되기 때문에 현장탐지검사법으로 사용하기에는 제한점이 있다[14]. 그에 반해 신속측면유동검사법은 간편하고 빠른 결과를 얻을 수 있으나 낮은 검출한계와 특이도를 보였다. 특히 환경검사를 위해 사용되는 신속면역크로마토그래피 기술 기반 신속측면유동검사는 낮은 민감도와 특이도를 나타내는 경우가 많으며, 개선된 측면유동검사법은 높은 특이도를 나타내지만 여전히 낮은 검출한계를 나타냈다[1].

이에 질병관리청에서는 국가 생물테러 대응 능력 강화에 기여하고자, 초기 스크리닝으로 적합성을 갖고 있는 신속측면유동검사법을 활용하여 환경 중 존재할 가능성이 있는 생물테러 가능 병원체 및 독소를 탐지하기 위한 ‘분말형태 환경검체 전용 신속항원 탐지키트’를 개발하였다. 현장에서 사용할 수 있는 환경검체 전용으로 개발되었기 때문에 검체 전처리 과정 없이 바로 현장에서 수거한 검체를 사용하여 검사가 가능하며, 10–20분 내에 검사 결과를 얻을 수 있어 생물테러 의심 상황에서 현장에서 빠른 조치를 할 수 있다. 신속항원 탐지키트는 다음과 같이 평가 실험을 진행하였다. 첫 번째, 분석적 민감도(검출한계), 두 번째, 교차반응 확인, 세 번째, 예상 저해물질에 대한 반응성 시험, 네 번째, 기존 검사시약과 비교 평가 시험, 다섯 번째, 가속 안정성 시험, 여섯 번째, 재현성 시험을 진행하여 환경검체의 병원체 탐지에 적합함을 확인하였다[3].

또한 실험실 검사 비숙련자들로 구성하여 키트 내 구성품과 사용설명서를 통해 제대로 실험할 수 있는지를 확인하기 위해 추가 실험을 진행하였다. 5명의 비숙련자에게 실험 진행을 요청하였으며 모두 사용설명서를 숙지하여 시험 및 결과판독을 무리 없이 진행하였다. 누구라도 쉽게 결과를 도출할 수 있다는 결과를 통해 비숙련자도 사용할 수 있는 용이성을 검증할 수 있었고[15,16], 이를 통해 초동조치팀(경찰 및 소방)이 현장에서 빠르게 병원체를 탐지하는 데 활용할 수 있다는 것을 보여주었다.

생물테러병원체 및 독소 다중키트는 2004년 질병관리본부(현 질병관리청)와 민간의 공동연구를 통해 주요 생물테러 대상 병원체 및 독소를 동시에 탐지하는 키트로 개발하였으며[3], 2015년에는 기존 제품에 적용된 원료항체보다 우수한 단클론 또는 다클론 항체를 개발하여 키트에 적용시킴으로써 106 CFU/ml에서 최대 104 CFU/ml까지 민감도를 향상시켰고, 특이도의 경우 병원체는 108 CFU/ml, 독소는 100 μg/ml의 고농도에서도 비특이 반응이 없음을 확인하여 보다 효과적으로 생물테러 가능 병원체의 탐지가 가능해졌다[15,16]. 또한 기존의 다중탐지키트는 탄저포자, 페스트균, 야토균, 두창바이러스, 보툴리눔 독소 A, 리신 독소, 황색포도알균장독소 B형(Staphylococcal enterotoxin B), 브루셀라균, 콜레라균의 9종을 탐지할 수 있게 구성되었으나 현재 사용하고 있는 다중탐지키트는 생물테러 가능 병원체인 탄저포자, 페스트균, 야토균, 유비저균, 두창바이러스, 보툴리눔 독소 A/B, 리신 독소, 황색포도알균장독소 B형, 브루셀라균으로 총 9개의 병원체 및 독소로 탐지 가능 병원체가 일부 변경되어, 전국 보건소 및 보건환경연구원 등에서 사용하고 있다. 인천공항 검역구역 등에서 생물테러 의심 신고 시 현장검사용으로 사용되고 있으며, 최근에 발생한 미상 우편물 대량 발송 사건에서도 사용된 바 있다. 생물테러 의심 상황 발생 시 현장신속검사뿐만 아니라 보다 정확한 병원체 확인을 위해 질병관리청, 권역질병대응센터, 보건환경연구원에서 실험실 검사(Real-time PCR, 배양검사 등)를 지체 없이 수행하여 결과를 확인할 수 있다. 이를 위해 매년 유관기관 담당자들에 대한 생물테러병원체 탐지 관련 교육 및 숙련도 평가를 실시하고 있다.

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