초록 ▼

1. 서론

질량분석기(mass spectrometry, MS)는 샘플 내 기지 물질을 정량하고, 미지 물질을 정성하며, 분자의 구조와 화학적 특성을 규명하는 데 사용되는 강력한 분석 기기이며, 생명과학과 임상화학을 포함한 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 특히, 임상에서 MS는 질병 선별검사 및 진단, 약물치료 모니터링, 약물 독성 평가, 스테로이드호르몬 분석, 새로운 바이오마커 발굴과 임상 검증 및 병원성 미생물 동정 등의 분야에 사용되고 있으며, liquid chromatography(LC-MS), g

1. 서론

질량분석기(mass spectrometry, MS)는 샘플 내 기지 물질을 정량하고, 미지 물질을 정성하며, 분자의 구조와 화학적 특성을 규명하는 데 사용되는 강력한 분석 기기이며, 생명과학과 임상화학을 포함한 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 특히, 임상에서 MS는 질병 선별검사 및 진단, 약물치료 모니터링, 약물 독성 평가, 스테로이드호르몬 분석, 새로운 바이오마커 발굴과 임상 검증 및 병원성 미생물 동정 등의 분야에 사용되고 있으며, liquid chromatography(LC-MS), gas chromatography (GC-MS) 및 matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of-flight(MALDI-TOF MS) 등과 같은 민감도와 특이도가 높은 MS 타입들이 현대 임상 검사실에서 사용되고 있다. 특히, 이러한 MS 기술들은 기존의 면역검사의 단점을 대체 또는 보완하는 데도 적용되고 있다. 최근에는, 외과 수술실에서 3D 프린터로 인쇄된 일종의 probe를 MS에 연결시킨 시스템을 이용하여 암 조직을 수술로 제거하기 전에 암 조직과 정상 조직을 MS 스펙트럼상에서 정확하게 확인하여 암 조직만을 효과적으로 제거하는 새롭고 획기적인 기술까지 개발된 상태이다[1].

한편, 미국 질병통제 및 예방센터(CDC)에서는 MS 기반 검사법의 정확도, 정밀도 및 질병 진단율을 향상시키기 위한 방안으로 품질보증(quality assurance) 프로그램이나 표준화 인증(standardization certification) 프로그램을 전 세계 임상 검사실을 대상으로 운영하고 있으며, 미국 식품의약국(FDA)에서는 일정한 심사 절차를 통해 MS 기반 검사법을 체외진단(in vitro diagnostics, IVDs) 제품으로 승인해주고 있다. 또한, 현재 국내외적으로 임상에서 MS의 응용 분야가 점점 확대되고 있는 것과 관련하여, 미국 Clinical & Laboratory Standards Institute(CLSI)에서는 시료의 제조 과정부터 검사 결과 산출까지의 모든 과정에 대해 표준화된 가이드라인들을 제정하여 MS 사용자 간 또는 기관들 간의 MS 기반 검사법 및 검사 결과 차이를 최소화할 수 있게 이 가이드라인들을 따르도록 권장하고 있다.

이 보고서에서는 현재 MS를 이용한 임상 응용 분야들에 대해서 소개하고, MS 기반 검사법의 정확도 및 진단율 향상을 위해 개발된 품질보증 프로그램이나 표준화 프로그램에 대해서도 소개하며, 국내외 MS 기반 IVD 제품들에 대해서도 소개하고자 한다.



2. 본론

2.1. 현재까지 연도별로 이슈화된 MS의 임상 응용 사례

1980년대부터 현재까지 MS가 성공적으로 임상 응용된 사례로, 면역검사에서 양성을 보이는 오남용 약물(drugs of abuse) 검사의 확인, 유전성대사이상질환 선별검사(newborn screening test, NST)에 tandem MS(MS/MS)의 적용 및 GC-MS 사용으로 testosterone의 특이도 향상, 5가지 리소좀 축적 질환(lysosomal storage disorder, LSD) 선별검사에 electrospray ionization(ESI)-MS/MS 적용, MALDI-TOF MS 시스템에 의한 미생물 동정, 암 수술 동안 MS 분석을 통한 암 조직 판독 시스템인 iKnife 개발 그리고 가장 최근에 ESI-MS/MS법에 기반한 6가지 LSD 효소 활성 검사키트의 제품화가 대표적이라 할 수 있다(표 1).



표 1. 연도별 이슈화된 MS의 임상 응용.



연도
이슈


1988
면역검사에서 양성을 보이는 오남용 약물(drugs of abuse)의 확인


1991
유전성대사이상질환 선별검사에 tandem MS(MS/MS) 적용


1996
GC-MS 분석으로 testosterone의 특이도 향상


1997
임상 응용이 GC-MS에서 LC-MS/MS로 바뀌기 시작


2004
LSD 선별검사에 ESI-MS/MS 적용


2010
대사체학, 단백질체학 및 기타 오믹스학에 MS의 응용


2012
미생물 동정에 MALDI-TOF MS의 적용


2014
암 수술 동안 MS 분석을 통한 실시간 판독 시스템(iKnife) 등장


2018
6가지 LSD 관련 효소 활성 검사키트 제품화





2.2. MS 기반 IVDs 장치

FDA에서는 IVDs를 위험도에 기반하여 3가지 등급(Class I, II 및 III)으로 분류한다. Class I은 위험도가 가장 낮은 장치(예, 관리물질)가 해당되고, Class II는 어떤 질병을 진단하는 데 도움을 주거나 질병을 모니터링하는 중간 수준의 위험도를 갖는 장치가 해당되며, Class III는 암 같은 중증질환을 선별검사하는 위험도가 가장 높은 장치가 해당된다[2]. 분석 플랫폼으로서 MS 또는 high-performance liquid chromatography(HPLC)-MS를 사용하는 몇 가지 IVDs 타입이 FDA에 의해 허가되었는데, 대표적으로 2008년에 선천성 대사이상질환(inborn errors of metabolism)을 선별검사하는 HPLC-MS/MS 장치가 승인되었고, 2006년에는 면역억제제 tacrolimus의 치료 농도를 모니터링하는 HPLC-MS/MS 장치가 승인되었고, 2012년에는 인체 시료로부터 배양된 병원성 미생물을 동정하는 MALDI-TOF MS 장치가 허가되었으며, 2018년에는 유전성 희귀질환인 Fabry병을 포함한 6종의 LSD와 관련된 효소 활성을 선별검사하는 MS/MS 시스템이 IVD로 허가되었다. 이 밖에 FDA나 CE에 의해 허가된 MS 검사 방법에 기인한 IVDs가 표 2에 요약되어 있다[3].



표 2. MS 검사법에 기반한 대표적인 IVDs




제조사
질병 분야
MS 기술


Bruker Daltonics
미생물 검출
IVD bacterial test standard 및 IVD 진단장치로서 MALDI-TOF MS 시스템 개발



임상 미생물
IVD-CE MALDI Biotyper(Canada에서 Class I 의료장치로서 승인)


Waters
치료 약물 모니터링
MassTrak immunosupressants kit(EU와 스위스에서는 IVD용 CE 인증- tacrolimus와 everolimus 정량분석)


Biomerieux
미생물 검출
VITEK MS database(루틴 분석용으로 CE 인증)


PerkinElmer
선천성 대사이상 선별검사
Class II Device로 분류(NeoGram amino acids 및 acylcarnitines tandem MS kit - Model MS 8970)




NeoBase non-derivatized MS/MS kit



steroid 호르몬 프로파일링
유럽에서 모든 products가 CE 인증 IVDs(cortisol 포함한 10개 steroid 호르몬 검출 kit)



MSMS Vitamin D kit
CE 인증 IVDs MS/MS kit



리소좀 축적질환 선별검사
ESI-MS/MS법을 이용한 Fabry병 포함한 6가지 희귀질환에 대한 효소 활성 검사용 키트(NeoLSD™ MSMS kit)가 FDA로부터 IVD로 승인


Biocrates Life Sciences
Steroid 호르몬의 정량분석
SteroIDQ kit(MS/MS로 16개 스테로이드호르몬의 다중 CE 인증 IVD kit)









2.3. MS 기반 임상 응용 분야

2.3.1. 암 조직 검사

현재 임상 검사실에서 암 조직 검사에 사용하는 면역조직화학법 같은 기존 검사법들에 비해, 1997년에 개발된 MALDI-TOF-imaging MS(MALDI-IMS)법을 이용하게 되면 하나의 조직 단편만으로도 기존 조직병리검사법에 비해 더 빠른 시간 내에 암 진단이 가능하다. 특히 폐암 여부를 진단하기 위해 소량의 폐 조직 시료만을 확보해야 하는 경우에는, MALDI-IMS법이 기존의 면역조직화학법보다 더 효과적인 방법이 될 수 있으며, 검사실 조직병리전문의들에 의한 면역조직화학법 검사 결과의 진단적 판단 오류를 최소화시켜줄 수 있는 차세대 암 조직 진단법이 될 것이다. 최근에는 정상 조직과 암 조직이 혼재되어 있는 인체 조직에서 암 조직만을 선택적으로 검출할 수 있는 기술인 ‘MasSpec pen’이 개발되었는데, 이 획기적인 pen은 3D 프린팅 방식으로 인쇄되어 MS 시스템에 연결된 구조이며, 수술실에서 외과 전문의가 수술 전에 암 조직과 정상 조직의 경계를 대략 10초 이내에 명확하게 구분하여 외과의의 수술에 도움을 주는 첨단기술로 주목을 받고 있다[4]. 한편, rapid evaporative ionization MS(REIMS)는 전자 수술장치와 MS가 직접 조합된 시스템(intelligent knife, iKnife)으로 암 조직 검사 목적으로 개발되었는데, 전자 수술적 조직 절개로 만들어진 에어로졸 입자들이 MS에서 직접 분석되어 암 조직의 지질류 조성에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 구조이다. 결국, iKnife는 암 조직에 대한 외과적 절개 부위 결정을 포함하여 수술 과정에서 암 조직과 정상 조직을 판단하는 유용한 차세대 검사법이 될 것으로 예상된다[5].



2.3.2. 유전성대사질환

희귀질환 중에 하나인 유전성대사이상질환은, 1991년도에 처음으로 MS/MS 기반한 검사법이 개발되어 현재까지 전 세계적으로 신생아를 대상으로 실시하고 있는 중요한 생화학적 검사이다. 현재는 검사법이 도입된 초창기보다 검사 종목의 수가 확대되어서, 국내의 경우 페닐케톤뇨증, 갑상선기능저하증, 호모시스틴뇨증, 단풍단뇨증, 갈락토스혈증 및 선천성부신과형성증(6종 질환)에 대한 검사는 정부에서 무료로 검사비를 지원해주고 있으며, 나머지 49종 검사는 법정 비급여 검사로 피검사자가 일정 금액의 검사비를 부담하고 있다. 이 중에서, MS/MS로 검사가 진행되는 질환은 무료 검사 6종 질환 중에 페닐케톤뇨증, 호모시스틴뇨증 및 단풍단뇨증과, 16종 유기산대사이상질환, 13종 지방산대사이상질환 및 20종 아미노산대사이상질환이 해당된다. 현재 한국은 총 14개의 기관에서 유전성대사이상질환을 검사하고 있으며, (사)인구보건복지협회의 주관으로 모든 검사 기관을 대상으로 정기적인 정도관리 인증제를 실시하고 있는 상태이다.

한편, 다른 중요한 희귀질환인 LSD도 세포소기관인 리소좀에 있는 지질류와 탄수화물류의 분해를 담당하는 특정 효소의 결핍으로 인하여 발생하는 유전성질환인데, 2004년에 LSDs로서 가장 많이 알려진 Fabry병, Guacher병, Krabbe병, Niemann-Pick A/B병 및 Pompe병과 관련된 각각의 효소 활성도를 ESI-MS/MS 기반 검사법으로 동시에 측정할 수 있는 기술이 개발되었다. 하지만 이 방법은 기질 물질로 사용되는 화합물들의 과량으로 인해 검사 결과의 정확도가 낮아진다는 단점이 있었기 때문에, 2010년에 ultra-performance liquid chromatography(UPLC)-MS/MS법이 개발되었고 현재까지도 사용되고 있다. 최근에는 상기 5가지 질환 외에 MPS I병(뮤코다당증)을 포함한 총 6가지 LSDs에 대해 ESI-MS/MS법을 적용하여 효소 활성도를 동시에 측정할 수 있는 IVD 제품이 FDA 허가를 받아 상업화되었다(표 2).



2.3.3. 내분비질환

내분비질환의 진단에 MS 시스템이 적용되는 가장 중요한 이유는, 기존에 사용되고 있던 면역검사법이 특이도, 민감도, 재현성 및 반복성이 MS법에 비해 상대적으로 낮기 때문이다. 내분비질환 검사에 사용되는 플랫폼은 GC-MS 또는 LC-MS/MS인데, 최근에는 시료의 유도체화가 필요 없고 동시에 다중 표적 물질을 효과적으로 분석할 수 있는 후자 시스템으로 바뀌어가는 추세이다.

미국의 경우, 타액 시료 내 스테로이드호르몬(예, cortisol)을 LC-MS/MS로 측정하여 Cushing 증후군과 Addison병을 진단할 수 있는 하나의 바이오마커로 이용하고 있다. 국내의 경우는 아직까지 임상 연구 수준에서 타액 내 스테로이드호르몬 분석이 진행되고 있지만, 머지 않은 미래에 보험급여 검사 종목으로 선정되어 비침습적인 내분비질환 검사에 활용될 것으로 예상된다.

내분비질환을 진단하는 검사 항목 중에 대표적인 것이 vitamin D인데, vitamin D의 대사체중에 혈중 반감기가 가장 긴 25-hydroxyvitamin D2와 25-hydroxyvitamin D3가 내분비질환(뼈 대사, 칼슘 항상성, 암, 심혈관질환 등)의 바이오마커로 활용되고 있다[6]. 한편, 내분비질환에서 vitamin D의 중요성으로 인하여, 미국 질병통제 및 예방센터(CDC)에서는 vitamin D를 포함한 몇 가지 스테로이드호르몬의 정량 방법의 표준화를 위해 전 세계 임상검사실을 대상으로 Hormone Standardization Program을 운영하고 있다.



2.3.4. 임상 미생물 동정

MS 시스템이 임상에 적용되어 이룩한 가장 중요한 성과 중에 하나가, MALDI-TOF MS에 의한 임상 미생물 동정 기술의 개발이다(표 1 및 표 2). 미국 FDA에 의해 승인된 MALDI-TOF MS를 이용한 미생물 동정 기술은, 기존 배양을 통한 염색법들에 비해 검사에 소요되는 시간을 약 1.5일까지 단축시켰으며, 기존 방법들에 비해 검사에 소요되는 비용과 노동력을 50% 이상 절감시킨다. MALDI-TOF MS 기반한 임상 미생물 동정 시스템을 개발하여 FDA 허가를 얻은 대표적인 제조사로는 Bruker Daltonics Inc.와 Biomerieux Inc.가 있다.

한편, MS에 유전자 증폭장치가 결합된 polymerase chain reaction(PCR)-MS 시스템도 병원성 미생물 동정 분야에서 주목을 받고 있는데, 민감도가 높은 유전자 증폭 기능이 있는 PCR과 고분해능인 MS가 결합되어 병원성 미생물 동정을 목적으로 상용화된 MS 시스템 중에 하나이다[7]. 현재 상용화된 대표적인 장치들은 PCR-ESI-MS법을 이용한 병원성 미생물 동정 시스템인데, Abbott Ibis Biosciences Inc.가 상용화한 PLEX-ID System과 Agilent Technologies Inc.가 상용화한 MassTag PCR이 대표적이다.



2.3.5. 약물 오남용 검사

2009년 이전까지만 해도 약물 오남용 검사는 대부분 GC-MS를 사용하여 소변 내 오남용 약물을 찾아냈었는데, 2009년에 UPLC-MS/MS법이 개발되면서 GC-MS법에 비해 검출 민감도와 특이성이 향상되었고, 분석시간이 더 빨라졌으며, 소변 시료 내에 포함된 약물류를 비유도체화 방법으로 분석할 수 있게 되었다. 이후 2004년에 타액, 땀 및 모발에서 약물검사가 가능한 새로운 분석 규정을 미국 Substance Abuse & Mental Health Services Administration에서 제정함으로써, 기존의 소변 시료뿐만 아니라 침, 땀 및 모발에서도 검사가 가능해졌다. 최근에 소변, 혈액 또는 침 같은 시료에 비해 장기간 약물 모니터링이 가능하며, 약물 복용에 대한 시간대별 정보를 얻을 수 있는 LC-MS/MS 또는 GC-MS 기반 모발 시료 분석에 대한 관심이 모아지고 있다. 하지만 모발 시료 전처리 시간이 상대적으로 길며, 많은 양의 모발을 필요로 한다는 것이 단점으로 지적되어 왔다. 그런데 이런 단점들은 2017년에 MS imaging(MSI) 기법을 이용한 단일 모발 분석법이 개발되면서 전 세계 임상분석가들 사이에서 상당한 주목을 받고 있다.



2.4. MS 기반 질병 진단 플랫폼의 임상 적용에 필요한 가이드라인, 품질보증 및 표준화 프로그램

2.4.1. 표준화 가이드라인

미국 비영리기관인 Clinical & Laboratory Standards Institute(CLSI)에서는 질병 진단 또는 질병 선별검사에 MS 시스템을 사용하고자 하는 전 세계 임상검사실(연구자 포함)을 대상으로 시료 제조부터 데이터 분석까지 표준화된 가이드라인에 따라 검사를 진행하도록 권장하고 있다[8]. 현재, CLSI에서는 다음과 같은 MS 기반 검사의 표준화 가이드라인을 제정하여 배포하고 있다.



1) Newborn Screening by Tandem Mass Spectrometry (2nd Ed.)

2) Mass Spectrometry for Androgen and Estrogen Measurements in Serum (1st Ed.)

3) Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Methods (1st Ed.)

4) Mass Spectrometry in the Clinical Laboratory: General Principles and Guidance (1st Ed.)

5) Gas Chromatography/Mass Spectrometry Confirmation of Drugs (2nd Ed.)

6) Methods for the Identification of Cultured Microorganisms Using Matrix-Assisted Laser Desorption/ Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (1st Ed.)



2.4.2. 품질보증 및 표준화 프로그램

미국 CDC의 newborn screening & molecular biology 분과에서는 전 세계 병원을 포함한 임상검사실에서 수행되는 NST의 품질과 정확도를 향상시키고 유지시키기 위한 newborn screening quality assurance program(NSQAP)을 운영하고 있으며, 이 프로그램을 통해 교육, 컨설팅, 숙련도 테스트, 가이드라인 제정 및 정도관리 물질 배포 등을 진행하고 있다. 현재 국내 NST 검사기관들도 NSQAP에 매년 참여하여 각 기관의 NST 검사 방법에 대해 외부 품질보증 프로그램의 일환으로 정도관리를 수행하고 있다[9]. 또한 CDC의 Clinical Chemistry 분과에서는, Hormone & Vitamin D Standardization-Certification Program을 운영하고 있는데, 이 프로그램은 호르몬 과다 및 결핍과 관련된 다낭성난소증후군(polycystic ovary syndrome), 암 및 기타 질병의 진단을 향상시키기 위한 목적으로, MS 기반 분석법을 이용하여 스테로이드 호르몬 검사를 하는 전 세계 임상검사실을 대상으로 실시하고 있다. 특히, 이 프로그램은 testosterone, 25-hydroxyvitamin D 및 estradiol 같은 스테로이드 호르몬에 대해 특화되어 있다[10].



3. 결론

현재 임상에서 질병을 진단하거나 예측하는 데 MS가 중요한 역할을 하고 있으며, MS가 갖는 다양한 장점들로 인하여 여러 임상 분야에서 그 응용 분야가 점차 확대되고 있다. 전형적인 임상검사실에 있는 MS를 활용한 다양한 시료 분석뿐만 아니라, 현재 수술실에서 MS 시스템에 연결된 외과 전문의의 ‘knife’를 통해 암 조직과 정상 조직을 구분할 수 있는 획기적인 시스템들까지 개발된 상태이다. 하지만 앞서 소개했었던 MS 기반한 임상 응용 분야들 중에 FDA 같은 규제기관에 의해 허가되어 상용화된 MS 기반 IVDs나 검사법들은, 현재 임상검사실에서 사용하고 있는 다른 검사법 또는 IVDs 제품들에 비해서 상대적으로 적다고 볼 수 있다. 이런 점에서 MS 자체의 기기적 성능 향상, 임상으로의 접목, 국제적인 가이드라인에 부합하는 성능 평가 및 허가 기관의 기준에 부합하는 고부가가치 IVDs 제품화까지 지속적으로 연구개발이 진행되어야 할 것이다. 이를 위해서는 연구 단계부터 시장에서의 수요, 기술 개발의 난이도, 전문인력 확보, 허가 당국의 관심 분야 등 종합적인 준비 및 검토가 필요할 것이다.

현재 미국 CDC 같은 기관에서는, 임상적으로 사용하고자 하는 몇 가지 MS 기반 검사법들의 정도관리, 품질관리 및 표준화 프로그램들을 운영하고 있지만, 아직도 국내외 대부분 임상검사실에서는 MS 기반한 질병 진단 및 검사법을 검사실 자체적으로 개발한, 소위 ‘laboratory-developed test(LDT)’ 방법들을 여전히 사용하고 있는 상태이다. 따라서 검사실 간 검사 결과의 일치도 확보와 검사 결과의 신뢰도 향상을 위해 현재 운영 중인 프로그램에 적극적으로 참여하여 LDT 방법의 표준화를 진행해야 할 것이다.

한편, 현재까지 임상적으로 질병과 관련된 단백질이나 펩타이드를 측정할 수 있는 FDA에 의해 허가받은 LC-MS(또는 LC-MS/MS) 기반 IVDs 제품들이 없는 상태이다. MS가 아닌 다른 측정장치를 사용하여 인체 질병을 진단할 때 사용되는 바이오마커들의 대부분이 단백질 또는 펩타이드임을 고려하면 향후 단백질류를 측정할 수 있는 FDA 허가받은 MS 기반 IVDs 제품들의 연구개발이 절대적으로 필요하다고 볼 수 있다.

아울러 국내의 경우, 독자적인 MS에 기반한 FDA에 허가받은 임상 적용 제품들의 개발 실적이 전무한 상태이다. 임상에서의 MS 기반 시스템의 중요성을 고려한다면 정부 차원의 투자 확대 및 산？학？연 공동연구 활성화 및 전문가 네트워크 구축을 통한 선진국 시장으로의 조기 진입 전략을 수립하고 구체적으로 실행해야 할 시점으로 보인다.







References

1. Jannetto, P. J., & Fitzgerald, R. L. Effective Use of Mass Spectrometry in the Clinical Laboratory. Clin. Chem., 62(1), 92-98, 2016.

2. Lathrop J. T. et al., US Food and Drug Administration perspectives on clinical mass spectrometry. Clin. Chem., 62(1), 41-47, 2016.

3. Razvi, E. Evolution of the mass spectrometry marketplace: from research to clinic. GENReports: Market & Tech. Analysis, 2014.

4. Zhang J. et al., Nondestructive tissue analysis for ex vivo and in vivocancer diagnosis using a handheld mass spectrometry system. Sci. Transl. Med., 9(406), eaan3968. 2017.

5. Phelps D. L. et al., The surgical intelligent knife distinguishes normal, borderline and malignant gynaecological tissues using rapid evaporative ionisation mass spectrometry (REIMS). Br. J. Cancer, 118, 1349-1358, 2018.

6. Lee S. et al., A rapid and simple liquid-chromatography-tandem mass spectrometry method for measuring 25-hydroxyvitamin D2and 25-hydroxyvitamin D3 in human seru1m:comparisonwith two automated immunoassays. Ann.Clin. Lab. Sci. 46(6), 645-653, 2016.

7. Prasanna D. K. et al., Mass spectrometry in the clinical microbiology laboratory, Part I: PCR-MS. Clin.Microbiol. Newsletter, 34(17), 135-140, 2012.

8. [Clinical & Laboratory Standards Institute: CLSI Guidelines]. [https://clsi.org/]. [Viewed 2018-10-09].

9. [Newborn screening quality assurance program (NSQAP)]. [https://www.cdc.gov/labstandards/nsqap.html]. [Viewed 2018-10-09].

10. [Hormone and Vitamin D Standardization Programs]. [https://www.cdc.gov/labstandards/hs.html]. [Viewed 2018-10-09].