기사입력시간 18.02.12 06:21최종 업데이트 18.03.25 22:58

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의사들을 위한 알기 쉬운 유전체의학 지상 특강⑧

[칼럼] 김경철 가정의학과 전문의

산부인과 영역에서의 정밀의학 적용

출처: 게티이미지뱅크
 
메디게이트뉴스에서는 유전체 의학을 이해하기 쉽도록, 가정의학과 전문의이자 유전학 박사인 테라젠이텍스 바이오연구소 김경철 본부장의 칼럼을 연재합니다.

<1편>  미래의학이 다가오고 있다 
<2편>  유전체 의학의 기초, 변이(variants)가 무엇인가?
<3편>  유전체 분석 방법, 플랫폼의 소개
<4편>  임상에 적용하기 (1) 질병예측(Prediction): 유전자를 통한 질병 예측은 근거가 있는가?
<5편>  임상에 적용하기 (2) 맞춤치료(Personalized)
<6편>  임상에 적용하기 (3) 정밀의료(Precision)
<7편>  암과 정밀의학 동반진단에서 액체생검까지
<8편>  산부인과 영역에서의 정밀의학
<9편>  장내미생물이 인간을 지배한다, 마이크로바이옴
<10편> 환경이 DNA를 바꾼다, 후성유전학
<11편> 약물 유전학과 영양 유전학의 발전
<12편> 게놈산업의 발전과 규제 그리고 윤리적 이슈
 (부록) 더 깊은 공부를 위한 게놈 사이트 및 해외 학회 소개

[메디게이트뉴스 김경철 칼럼니스트] 정밀의학의 발전은 주로 종양학 부분에서 가장 앞서서 연구하고 임상에 적용하고 있지만, 산부인과 영역에서도 유전체 기반의 정밀의학이 나날이 발전하고 있다. 그 중 대표적인 것이 산모의 혈액을 통해 태아에서 유래된 DNA를 검출해 태아의 염색체 상태를 진단하는 비침습적 산전기형아검사(Non-Invasive Prenatal Test, NIPT)이다. 이번 편에서는 NIPT외에도 IVF 시술 시 배아 상태에서 유전자 스크린을 하는 PGS(Preimplantation Genome Screen) 등을 소개하고자 한다.


비침습적 산전기형아검사 NIPT(Non-Invasive Prenatal Test)란?

산모의 피 한방울로 태아의 상태를 알 수 있을까? 지금까지는 태아에게 비정상적인 상황(종양, 사산 등)이 발생하면 beta-HCG 등의 호르몬이 증가하는 정도로만 태아 상태를 알 수 있었다. 태반의 탯줄을 통해 태아의 혈액과 산모의 혈액이 연결되어 있는데, 최근에는 혈액 내 떠다니는 극소량의 태아 DNA를 증폭하고 분석하는 방법이 발전하면서 산모의 혈액으로 태아의 유전적 질병 상태를 확인할 수 있게 됐다. 이것을 비침습적 산전기형아검사(Non-Invasive Prenatal Test, 이하 NIPT)라 부른다.
 
[그림 1] NIPT의 이해 (출처: Sonic Genetics 웹사이트)
 
기존의 기형아 검사는 혈액 내에서 beta-HCG가 정상보다 높으면 태아의 염색체 이상을 의심해 15~18주에 양수천자(amniocentesis)를 시행한다. 그러나 이는 산모의 복부를 바늘로 관통하는 침습적 방법으로 위험이 따른다. 실제 이 과정에서 유산을 포함한 산모와 태아의 합병증이 1~2% 발생한다. 이 때문에 산모의 혈액을 통해 보다 안전하게 태아의 염색체 이상을 진단하기 위한 비침습적인 검사법이 연구돼 왔다. <그림 2>에서 보는 것과 같이 이미 1998년에 산모의 혈장에서 태아의 DNA를 검출하기 시작했다. 그로부터 10년이 지난 2008년에는 태아의 DNA를 NGS로 시퀀싱하는 분석법이 소개되기 시작했고, 2011년에는 태아의 DNA에서 다운증후군을 진단하기에 이르렀다.
 
[그림 2] NIPT의 발전사 (출처: 대한산부인과학회 2015)

최근 NIPT 방법의 발달로 임신 9~10주부터 혈액을 통한 태아의 기형아 검사가 가능하다. 즉 NIPT는 산모의 혈액 내 태아의 DNA가 4% 정도 이상이 되는 임신초기부터 가능한 검사이다. 실제 임신 10~20주 사이 산모의 혈액 내 태아 DNA 농도는 평균적으로 10~15% 정도이므로 이 시기에 산전기형검사는 충분히 가능하다. <그림 3>처럼 기존의 혈액검사 방법인 트리플 혹은 쿼드 방식보다 더 빨리 진단 가능하며 더 정확하다. 다만 융모막 검사, 양수 검사 같은 침습적 검사에서 확인 가능한 약 16~23%의 염색체이상은 NIPT로 구분하기 어렵다. 따라서 초음파로 심장 기형 등의 이상을 발견한 경우라면 침습적 검사를 받는 것이 좋다.

미 산부인과 학회(ACOG)의 NIPT 검사 가이드라인은 35세 이상 산모, 초음파 검사를 통해 이수성(aneuploidy) 위험 증가요인이 발견된 경우, 이전 임신에서 다운증후군 등 3염색체(trisomy)가 있었던 경우, 트리플 혹은 쿼드 스크린 검사에서 양성이 나온 경우 등이다.
 
[그림 3] 태아 DNA 검출 시기 (출처: Royal society of chemistry, 2014)

 
NIPT 분석 방법의 종류

분석방법에 따라 크게 분류하면 카운팅 방법(counting method)과 단일염기다형성(SNP) 지노타이핑으로 분류할 수 있다. 카운팅 방법은 산모 혈액에 존재하는 모든 DNA 조각을 증폭해 시퀀싱한 후 그 DNA가 몇 번 염색체에서 유리됐는지를 분류하고, 염색체별로 DNA 조각을 카운팅하는 방법이다. 예를 들면 다운 증후군은 21번 염색체 질환이므로, 21번 염색체에 속한 DNA 조각의 카운팅이 많아지면 다운 증후군을 진단하는 식이다. 카운팅 방법은 다시 산모 혈장의 모든 유리 DNA를 시퀀싱하는 샷건 방식의 초대용량 분석법(shotgun massively parallel sequencing)과 선별 대상이 되는 염색체 13, 18, 21, 성염색체에서 유래 된 cfDNA만을 시퀀싱하는 타겟 방식의 초대용량 분석법(targeted massively parallel sequencing)으로 분류할 수 있다. 이 샷건 카운팅법은 비용이 저렴해 시쿼놈(MaterniT21), 베리나타(Verifi), 중국의 BGI(NIFTY)를 비롯해 국내 대부분의 회사들이 사용하는 방법이다. 타겟 카운팅법은 아리오사(Harmony) 회사 정도에서 사용하고 있다.
 
[그림 4] 카운팅 방법의 원리 (출처: 대한의사협회지 2015)

반면, 단일염기다형성(SNP) 방식은 산모의 혈액에 존재하는 DNA를 약 2만 개의 SNP 마커에 대해 PCR로 증폭한 후 지노타이핑 해 태아의 유전형을 추적하는 방식이다. 염색체 이상 외에 태아 DNA의 염기 변이나 결손 등을 볼 수 있다는 장점이 있다. 나테라(Panorama) 회사에서 사용하는 방식이다.
 
[그림 5] 회사별 NIPT 분석 방법의 차이 (출처: International Journal of Women’s Health 2013)

비침습적 산전기형아검사 'NIPT'(Non-Invasive Prenatal Test)는 얼마나 정확한가?

NIPT는 태아의 DNA뿐 아니라 산모의 DNA가 섞인 검체를 분석 하다보니, 실제로는 태아에 문제가 없는데 검사 결과에는 문제가 있는 것으로 나오는 위양성(false positive)이 있을 수 있다. 여기에 해당하는 대표적인 것이 태반의 모자이시즘(mosaicism)이다. 이것은 태아의 염색체는 정상이지만 태반에서 비정상 핵형을 가진 세포가 있는 경우에 해당한다. 1염색체성(Monosomy) X에 대한 검사에서 모체의 X 염색체 소실에 따른 위양성이 있을 수 있다. 즉 여성은 나이가 들면서 X 염색체가 소실되기 때문에 고령의 산모에서 특히 위양성이 있을 수 있다. 또 임신 초기에 쌍태 임신이었는데 한 명의 태아만 생존하는 경우(vanishing twin)일 때도 NIPT에서 위양성이 나올 수 있다. 이 외에도 숨겨진 모성의 암이 있는 경우에도 위양성이 나올 수 있다.

반면 태아의 염색체 이상이 있는데도 없다고 말하는 위음성(false negative)의 빈도는 낮은 편이다. 태반에서 유래된 cfDNA 양이 너무 적은 임신 초기에는 위음성이 있을 수 있다. 현재 기술로는 임신 10주에서 NIPT를 하는 경우 99%의 정확도를 가지는 것으로 알려져 있다.

2016년 영국의학저널(BMJ)에 NIPT의 정확도를 분석한 기존의 30개 연구의 시스템을 리뷰하고 메타 분석한 결과가 실렸다. 그 분석 결과에 따르면, 다운증후군은 99.3%, 에드워드 증후군 97.4%, 파타우 증후군 97.4%의 민감도(sensitivity)를 보였다. 특이도(sensitivity)는 이 세 질병 모두에서 99.7%에 달했다.

최근 국내에서는 지놈케어가 국내 산부인과 병원들과 함께 진행한 연구 중 대표적인 임상연구 결과가 SCI 저널에 실렸다. 그 연구는 임신 11~13주에 해당하는 101명의 한국인 임신부를 대상으로 한 임상시험이다. 반도체칩 서열 플랫폼(ion semiconductor chip sequencing platform) 기반의 PGM과 양성자(Proton) 시스템을 이용해 5명의 다운증후군을 100% 탐지해냈다(BMC Medical Genomics 2016). 이 논문은 두 분석시스템 모두 임신부의 혈액으로 태아의 염색체 이상에 대한 기형 유무를 탐지하는 데 적합하다는 것을 보여 줬다.
 

국내외 NIPT 회사들의 경쟁

전 세계에서 NIPT를 가장 먼저 상용화한 회사는 중국의 베이징 게놈연구소(BGI)로서 2014년 '니프티'(NIFTY)라는 이름의 상품을 출시했다. 니프티 검사는 염색체 질환 중 가장 흔한 다운증후군, 에드워드증후군, 파타우증후군을 중심으로 서비스를 진행하고 있다. 2014년 이후부터 2017년까지 약 80만 명을 대상으로 서비스를 제공했다.  그 외 미국의 회사인 시쿼놈(Sequenom)의 마터니티21((MaterniT21), 베리나타(Verinata, 후에 일루미나에서 인수)의 베리파이(Verifi), 아리오사(Ariosa, 후에 로슈에서 인수)의 하모니(Harmony), 나테라(Natera)의 파노라마(Panorama) 등이 있다. 글로벌 시장에서 NIPT의 시장 가치는 2012년 2억 2000만 달러에서 2019년에는 36억 2000만 달러까지 확대될 것이라는 예측이 있다.
 
[그림 6] 회사별 NIPT 분석 서비스의 특징 (출처: 대한산부인과학회 2015)
 
국내에는 테라젠이텍스의 자회사인 지놈케어의 제노맘, 녹십자지놈의 G-NIPT, 랩지노믹스의 맘가드, 엠지메드의 더맘 스캐닝 등의 상품이 출시돼 있다. 이 중 지놈케어의 제노맘은 써모피셔의 NGS 플랫폼을 사용하고, 나머지 회사는 일루미나의 NGS 플랫폼을 사용하고 있다. 초기에 100만원을 넘던 NIPT의 소비자 가격은 이제 양수천자 검사 수준인 50만원~70만원대로 낮아졌다. 2017년에는 NIPT가 약 4500억원 정도의 시장을 형성한 것으로 업계는 파악하고 있다. 제노맘이 SCI 저널 네 군데에 임상 결과 논문을 싣고 아랍에미레이트(UAE) 등에 기술 수출을  했다. 녹십자 지놈의 G-NIPT도 국내에서 빠르게 확산되고 있다.
 

착상전 유전스크린(Preimplantation genetic Screen, PGS)

일반적인 시험관아기 시술(IVF-ET)은 정자와 난자가 만나서 생긴 수정란을 약 3일간 체외에서 배양한 다음, 특별한 이상이 없이 잘 분화·발달할 것으로 판단하는 최상의 수정란을 선별해 자궁에 착상하는 방식이다. 하지만 수정란의 외관 만으로는 건강한 '우량 수정란'을 선별하기 어렵기 때문에 임신성공률이 낮고, 다운증후군과 같은 선천적 기형이나 유전적 질병을 갖고 태어날 확률도 높다는 문제가 있다. 염색체가 불완전한 배아는 시험관 시술 시 착상에 실패하거나 습관적인 유산을 일으킬 수 있다. 착상전 유전스크린(Preimplantation genetic Screen, PGS)은 체외수정 후 3일째 배아 또는 5일째 배아에서 세포 일부를 채취해 염색체 이상을 확인한다. 유전적으로 정상인 배아를 선택해 이식함으로써 시험관 아기 임신 성공률을 높일 수 있는 방법이다. 일부 불임센터에서 시행하고 있는 PGS의 주된 적응증은 반복적인 착상 실패, 산모의 나이가 많은 고위험군, 원인을 알 수 없는 습관적인 유산을 경험한 산모, 특정 염색체 돌연변이가 있는 가족 등이다. 국외 다수의 논문과 해외 유명 IVF센터의 임상 연구 결과에 근거하면, 환자의 나이가 많을수록 정상 배아의 비율은 낮아진다. 35세~40세 연령대에서 정상 배아 검출률은 할구세포(Blastomere, 3일째 배아) 단계에서 20%~30%, 배반포(Blastocyst, 5일째 배아) 단계에서 40%~50% 수준이 국제적으로 통용되는 수치이다. 단, 환자의 개인특성, 배아의 상태와 단계에 따라 정상 배아 비율에 차이가 있을 수 있다. 국내에서는 지놈케어의 제노브로, 엠지메드의 P-스캐닝 등이 있다.
 
[그림 7] 착상전 유전스크린의 원리 (출처: 엠지메드 웹사이트)

착상전 유전진단(Preimplantation genetic diagnosis, PGD)

가족 가운데 유전성 질환이 있거나 이미 유전성 희귀질환 자녀를 출산한 경우가 있는 가족들은 다음 자녀 역시 같은 유전적 질환이 있을 것을 염려해 임신 단계부터 태아의 유전적 상태를 알고 싶어한다.

착상전 유전진단(Preimplantation genetic diagnosis, PGD)이란 착상 전 배아 단계에서 유전 질환을 진단해 정상적인 배아만 선택적으로 자궁 내 이식하는 방법이다. 임신 전에 진단이 가능하므로 유전 질환에 걸린 태아의 임신 중절을 미리 예방할 수 있다. 또한 이 방법을 통해 임신 성공률을 높이기도 한다. 진단 과정은 체외수정 시술(in vitro fertilization and embryo transfer, IVF-ET) 시행 후 수정란을 배양하고 6세포기~10세포기에 1개~2개의 할구세포(blastomere)를 떼어내, 단일 세포 수준에서 다중합효소연쇄반응(PCR)이나 형광제자리 부합법(FISH)으로 유전진단을 한다. 진단 결과에서 유전병이 없거나 정상적인 염색체를 갖는 배아만을 선별해 자궁 내에 이식한다. 착상전 유전진단(PGD)은 충분한 유전 상담 후에 시행해야 한다. 단일 세포 진단으로 인한 검사의 오진 가능성이 있기 때문에 임신 후 반드시 양수천자나 융모막 융모생검과 같은 침습적 산전진단으로 다시 확인해야 한다. 다만 아직 법으로 명확히 허용 혹은 규제 여부가 결정되지 않았고, 맞춤아기(Designed baby)라는 윤리적 논쟁이 있어 아직은 제한적으로 시행하고 있다. 국내에서 착상전 유전진단을 허용하는 유전질환은 근이영양증과 그 외 대통령령이 정하는 152개의 단일 유전질환(생명윤리 및 안전에 관한 법률 25조 2항)과 염색체 구조, 염색체 수의 이상 등이다.
 
[그림 8] 착상전 유전진단의 과정 (출처: 차병원 여성의학연구소)

산후 신생아 유전자 검사(New born Screen)

산후 유전자 검사는 신생아의 제대혈이나 발뒤꿈치의 혈액을 통해 얻은 DNA에서 정신지체나 발달장애 등의 증상이 나타나기 전에 유전체 분석을 함으로써 조기치료를 돕도록 허용하는 유전자 검사를 말한다. 국내에는 엠지메드의 '지스캐닝' 랩지노믹스의 '앙팡가드', 녹십자지놈의 '아이스크린', 이원다이애그노믹스의 '베베진' 등이 있다. 이 중 지스캐닝과 베베진은 마이크로어레이 방식이며 앙팡가드와 아이스크린은 NGS 방식으로 검사한다. 모든 회사에서 확진은 형광제자리 부합법(FISH)을 통해 무료로 시행해준다. 국내 신생아 유전자 검사의 월평균 처방 건수는 약 4천 건 정도로 파악하며, 점점 고령 출산 산모가 많아지면서 시장이 확대되고 있다. 가격은 25만원 정도이다. 이 중 지스캐닝은 대표 연구논문인 '신생아 2만 126명의 염색체 결함을 검출하기 위한 어레이CGH의 임상 적용'(Molecular cytogenetics 2013) 등 11편의 임상 논문을 실은 바 있다. 아이스크린 역시 출시는 늦었지만 고해상도 NGS 기법을 활용해 400kb 수준에서 200개 남짓의 염색체이상을 검출하며 오류 가능성을 낮춰 시장에서 성장 속도를 내고 있다
 
이처럼 산부인과 영역에서의 정밀의학은 착상 전 단계, 임신 초기 그리고 출산 후 신생아를 통해 기형, 염색체 이상, 유전적 희귀 질환을 조기에 스크린하고 진단해 정상 신생아 출산률을 높이거나 임신 성공률을 높이는 방식으로 진화하고 있다. 이는 생명을 인위적으로 조작하고 선택해 맞춤아기를 만들어서 우성사회(dominant society)를 만들어 갈 우려가 있다는 종교적·윤리적인 논쟁을 불러 올 수 있다. 그러나 과학적 진보가 예견된 기형아 출산을 피할 방법을 제공하고 착상 단계에서 선택해 불필요한 낙태를 피할 수 있다는 새로운 윤리 기준을 제시하기도 한다. 점점 고령 산모가 늘고 불임 시술이 확대되는 사회 현상을 비춰볼 때 더 많은 수요가 일어날 것은 틀림없다. 나아가 유전적 결함을 발견하는 데서 끝나는 것이 아니라 유전자가위 기술로 유전자 치료까지 하는 시대가 멀지 않았다. 정밀의학은 앞으로도 산부인과 전 영역(불임, 산전, 산후, 부인과 종양 등)에서 눈부시게 발전할 전망이다.

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메디게이트뉴스 (news@medigatenews.com)
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