▲ 분석화학(Analytical Chemistry) 최신호 표지를 장식한 조윤경 그룹리더 연구진의 연구결과

암의 전이는 혈액을 타고 도는 혈액순환 종양세포(Circulating Tumor Cell, 이하 CTC)로 인해 발생한다. 처음 암이 발생한 곳에서 떨어져 나와 혈관 내로 침입한 CTC는 혈류와 순환하다 다른 조직에 침투해 암을 전이시킨다. 이런 CTC는 암 진단의 대표적인 마커로 최근 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

CTC를 검출하는 검사법은 액상 조직검사(Liquid biopsy)에 해당한다. 액상 조직검사는 기존 암 진단에 쓰는 조직검사(tissue biopsy)와는 다르게 혈액, 소변, 침 등의 생체 유체를 활용한다. 조직검사는 자주 시행할 수 없으며 환자에게 부담이 되는 단점이 있었다. 액상 조직검사는 비교적 간단한 방법으로 암을 조기에 진단할 수 있어 새로운 대안으로 주목받고 있다.

첨단연성물질 연구단 조윤경 그룹리더 연구팀은 혈액 내 극미량으로 존재하는 CTC를 세계 최고 수준으로 분리할 수 있는 기술을 개발했다. CTC를 미리 찾아내면 전이암을 조기에 발견할 수 있다. 하지만 같은 양의 혈액 속에 수십억 개의 적혈구, 수백만 개의 백혈구와 대조적으로 CTC는 수십 개 미만으로 존재해 검출이 매우 어려웠다.

연구진은 세포의 크기 차이를 이용해 CTC를 고효율로 분리할 수 있는 원심력 기반의 '미세유체 제어기술(Fluid assisted separation technology, FAST)'을 개발했다. 연구팀은 이 FAST 기술을 랩온어디스크(Lab-on-a-disc)에 적용해 수 ml 혈액에서 1분 내 CTC를 95% 이상의 효율로 포획하는 데 성공했다. 랩온더디스크는 바이오칩의 한 종류로 디스크 모양 칩에 미세구조들이 장착되어 있어 각종 생화학 반응을 자동으로 수행한다.

FAST 랩온더디스크 위쪽으로 혈액을 넣은 뒤, 구동장치에 넣고 회전시키면 크기가 작은 혈구세포가 필터 아래쪽으로 빠져 나가고 CTC만 남는 원리다. 필터는 랩온어디스크 가운데 들어가는데 혈액이 걸러지는 아래쪽에는 항상 물이 채워진다. 채워진 물이 '마중물' 역할을 해, 혈액이 필터 전면에 고르게 걸러져 CTC 손상을 막는 장점도 있다.

기존 CTC 검출은 혈액에 복잡한 전처리 과정을 해야 하고, 비싼 시료도 필요했다. CTC 표면에 있는 특정 단백질을 이용하는 방식은 정확도에 한계가 있었다. 필터로 CTC를 걸러내는 기술의 경우에는 필터가 자주 막혀 분리 효율이 떨어진다는 문제가 있었다. FAST 랩온어디스크는 원심력 기반의 유체제어 기술을 활용해 세포들을 부드럽고 효율적으로 분리할 수 있을 뿐만 아니라 필터 전체를 효율적으로 쓸 수 있다.

▲ FAST 랩온어디스크에 3ml 전혈을 8 마이크로 미터 지름의 구멍을 갖는 필터에 넣으면 CTC가 분리된다. 위의 사진은 CTC 분리 전 과정은 디스크 안에서 이뤄진다.

▲ 조윤경 그룹리더는 "FAST 랩온더디스크 기술은 혈구세포와 CTC를 분리하는 시간이나 효율 등 성능 은 세계 최고 수준"이라고 강조했다.

연구진은 이 기술을 이용해 142명의 다양한 암환자와 50명의 정상인의 혈액 검사를 진행해 CTC 검출 성능을 검증했다. 유방암, 폐암, 소화기 암 등 실제 암환자로부터 CTC를 검출할 수 있다는 사실을 확인했다. 특히, 폐암 환자에서 분리된 CTC는 조직검사에서 검출한 것과 일치하는 돌연변이 유전자 정보를 확인할 수 있었다. 향후 분자 수준에서의 진단이나 맞춤형 암 치료에 FAST 랩온어디스크 기술이 유용할 것이라는 가능성을 보여준 것이다.

이번 연구를 이끈 조윤경 그룹리더는 "소형 장비를 활용하고 사용법이 매우 간단한 FAST 랩온어디스크는 병원에서 직접 사용할 수 있는 편리한 기술이다"며 "조직검사가 아닌 채혈만으로 암세포를 검출할 수 있어 향후 전이암의 조기 진단이나 항암 치료 효과의 모니터링 등 암의 진단과 치료에 유용할 것"이라고 전망했다.

본 연구는 미국화학회에서 발행하는 분석 분야 세계적 학술지 '분석화학(Analytical Chemistry, IF 5.886)' 최신호 표지를 장식했으며, 해당 기술은 국내 벤처 기업 ㈜클리노믹스에 기술이전돼 사업화되었다.

대외협력실 고은경