울산의대 서울아산병원 융합의학과 김준기 교수팀이 방광암 동물모델의 소변에 표면증강 라만분광(이하 SERS)이라는 바이오마커 검출법과 인공지능 통계처리 기술을 적용해 방광암의 중증도를 진단하고 분류하는 데 성공했다고 밝혔다.

방광암 진단은 주로 소변 세포 검사, 종양 표지자에 대한 소변 검사, 경요도 방광경 검사, 생검, 배설요로 조영술, 복부 초음파 및 컴퓨터 단층촬영(CT)을 통해 이뤄진다.

하지만 명확한 증상이 나타났을 때나 침습적 방법을 통해서는 방광암의 70%만 조기에 진단되고 있다.

액체 생검을 통한 소변 대사산물 진단은 핵 기질 단백질 22(NPM22), 섬유소 분해 산물, 텔로머라제, 헤모글로빈에 대한 스크리닝으로 이뤄지는데, 이 역시 종양이 상당히 진행된 이후에야 신뢰할 수 있다는 한계가 있었다.

이에 소변을 통해 비칩습적이면서 저비용으로 방광암을 정확히 진단한다면, 치료의 질과 반응 시간을 향상시킬 뿐 아니라 침습성 증가에 따른 방광암 전이도 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 액체 생검을 할 때 단백질, 싸이토카인, 엑소좀 등 나노미터 단위의 바이오마커를 표적으로 삼으면 한 방울 정도의 적은 샘플에서도 타겟하는 바이오마커가 존재할 확률이 매우 높다는 점에 착안해 나노미터 마커를 필터링하면서 나노 바이오마커의 라만신호만 선택적으로 증강시키는 센싱칩을 활용했다.

나노 구조체 제작 기술을 이용해 나노 바이오마커를 가둘 수 있는 나노다공성 구조를 제작한 다음, 금속 재질의 표면처리를 통해 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 유도했다.

그 결과 LSPR을 통한 라만신호 증강이 이뤄져 고민감도의 SERS 신호를 획득해 조기진단이 가능했다.

연구팀은 랫트(실험용 쥐)가 마시는 물에 발암물질 ‘BBN(N-butyl-N-4-hydroxybutyl nitrosamine)’을 공급하여 랫트 방광에 종양 발생을 유도했다. 이후 직경 1mm의 굴곡형 미세 내시경을 이용해 랫트 방광 내부의 종양 발생을 상처 없이 최소 침습적으로 추적관찰했다.

이 미세 내시경은 연구팀이 자체 제작한 것으로 명(明) 시야와 형광 이미징이 가능할 뿐만 아니라, 형광 조영제 ‘5-아미노레불린산(5-ALA)’을 통해 종양 초기 단계의 소변도 확보가 가능하다.

연구팀은 미세 내시경을 이용해 동일 동물모델과 대조군의 종양 초기 및 중증 단계의 소변을 확보한 후, 이를 나노 바이오마커 검출용 SERS 칩 위에 올려 라만신호를 획득했다. 획득된 라만신호의 진단 성능은 판별분석(DA)을 통해 확인했다.

판별분석은 주성분 분석(PCA)의 통계 분석 및 기계학습 알고리즘 중 하나인 부분최소제곱(PLS) 메커니즘이 접목됐다.

판별 분석 결과, 라만 스펙트럼의 데이터 분포가 △암이 없는 군 △초기 암 △폴립 형태의 암군으로 잘 분리된 점이 확인했다. PCA-PLS-DA의 기계 학습 조합은 초기 및 폴립 단계 방광 종양 진단에서 99.6% 이상의 정확도를 보였다.

이는 라만 스펙트럼의 피크 값이 타겟 물질의 화학적 정보를 제공해주고 있으며, 이러한 피크들을 변수로 PCA 및 DA로 차원 축소하여 진단된 결과였다.

한편 라만 스펙트럼 피크 중에 암 또는 방광암 샘플에서 발견되었던 상피세포접착분자(EpCAM), 지질(Lipids) 및 아마이드III(AmideIII) 관련 스펙트럼 영역만을 활용해 판별 진단을 수행했을 때, 정확성이 85%로 나타나 해당 물질이 방광암 진단에 기여도가 큰 사실도 확인됐다.

결과적으로 방광암 진단에 대한 근거가 확보되었음을 물론 고민감도를 위해 확장된 바이오마커를 진단의 기준으로 활용되어야 할 필요성이 입증됐다.

김준기 교수는 “이번 연구에서는 미세 내시경을 이용한 비침습적인 영상화로 추적관찰된 마우스 샘플이 진단 연구에 활용되었기 때문에, 방광암 진단에 있어서 SERS 활용의 유효성이 유의미하게 잘 검증됐다”며 “소변 한 방울의 SERS로 매우 적은 볼륨의 방광암도 진단할 수 있게 된 결과는 참으로 고무적인 결과”라고 밝혔다.

보건복지부 보건의료기술 연구개발사업 및 과학기술정보통신부 지원사업으로 진행한 이번 연구결과는 화학·생명의학 분야 국제학술지 ‘Biosensors & Bioelectronics,(IF:12.6)’에 게재됐다.