벽·오지 감염병 진단 위한 無전원 수동진단기구 나왔다

IBS, 1시간 내 세균 감염 확인 가능한 '진단용 스피너' 개발


[아이뉴스24 최상국 기자] 의료 인프라가 부족한 오지에서도 누구나 사용할 수 있는 간편한 방법으로 신속정확하게 세균 감염을 진단할 수 있는 수동식 진단 기구가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 연구진이 개발한 이 발명품은 소량의 소변을 장난감처럼 생긴 도구에 담아 손으로 돌리면 한 시간 안에 세균 검출은 물론 항생제 내성까지 확인할 수 있게 만든 진단기구다. 수동식이라 기기를 구동할 전력도, 고가의 의료장비도 필요없다.

시료를 채취해 연구소에 보내고 결과가 나오기를 며칠씩 기다리지 않아도 한 두 시간 안에 세균 감염을 정확하게 진단할 수 있어 항생제 남용으로 인한 부작용도 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

19일 IBS 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 조윤경 그룹리더(UNIST 생명과학부 교수) 연구진은 장난감 ‘피젯 스피너’를 닮은 수동 진단 기구를 개발하고 이를 국제 학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링'에 발표했다.(논문명 : A fidget spinner for the point-of-care diagnosis of urinary-tract infection)

일반 피젯 스피너 장난감(좌)과 진단용 스피너(우). 한손으로 중앙부위를 잡고 다른 손으로 스피너의 날개를 회전시켜 작동한다. [IBS]

요로감염과 같은 감염성 질환 진단은 보통 하루 이상 걸리는 배양검사가 표준 방법이다. 배양은 실험실에서만 이루어질 수 있기 때문에 개발도상국에서는 큰 병원에서만 가능하다. 샘플을 보내는 데 시간이 걸리므로 보통 배양 검사는 하루에서 일주일 가량 걸린다. 배양검사 결과를 기다리고 항생제 처방을 하면 너무 늦기 때문에, 작은 의원에서는 병원균을 검사하지 않고 증상만으로 항생제 처방을 하게 되며 이는 항생제 오남용의 원인이 된다.

세균 검사시간을 단축하기 위해서는 원심력을 이용한 미세유체칩(microfluidic chip) 연구가 활발하다. ‘칩 위의 실험실(lab on a chip)’이라 불리는 미세유체칩은 지름이 마이크로미터 수준인 미세관에 시료를 흘려 여러 실험을 한 번에 처리하는 도구다. 다만 미세유체칩을 구동하려면 복잡한 펌프나 원심력을 얻기 위한 회전장치 등 제어장비가 필요하다.

IBS 연구진은 세균성 질환이 많이 발생하는 개발도상국이나 오지에서도 사용할 수 있도록 전기가 필요없는 수동식 미세유체칩을 개발했다. 적은 힘으로도 빠르게 오랫동안 회전하는 ‘피젯 스피너' 장난감에 착안해, 손으로 돌리는 '진단용 스피너'를 구상하고, 작은 압력으로도 병원균을 농축할 수 있는 특수한 구조를 설계했다.

여기에는 조윤경 교수가 2014년 개발한 ‘FAST(fluid-assisted separation technology)’ 기술이 적용됐다. 일반 미세유체칩은 시료를 거르는 필터 아래쪽에 공기가 있어 시료를 통과시키는 데 높은 압력이 필요한 반면, FAST기술은 필터 아래쪽에 마중물을 채워 작은 힘으로도 막힘 현상 없이 빠르게 입자를 분리할 수 있는 기술이다.

IBS 첨단연성물질연구단 조윤경 그룹리더(교신저자)와 아이작 마이클 연수학생(공동 제1저자) [IBS]

연구진은 더 나아가 진단용 스피너의 색상 변화로 세균의 유무를 확인하는 것은 물론 유전자 및 단백질 검사를 통한 세균의 종류 확인과 항생제 내성 검사도 진단용 스피너에서 함께 수행할 수 있도록 만들었다. 회전으로 병원균을 농축한 다음, 세균 분석과 항생제 내성 테스트를 순차적으로 수행하도록 기구를 설계했다.

진단용 스피너에 소변 1밀리리터를 넣고 1~2회 돌리면 필터 위에 병원균이 100 배 이상 농축된다. 이 필터 위에 시약을 넣고 기다리면 살아있는 세균의 농도를 색깔에 따라 육안으로도 판별할 수 있고, 추가로 세균의 종류도 알아낼 수 있다. 항생제 내성은 같은 진단용 스피너에 항생제와 섞은 소변을 넣고 농축시킨 뒤, 세균이 살아있는지 여부를 시약 반응으로 확인한다. 이 과정은 농축에 5분, 반응에 각각 45분이 걸린다. 감염 진단부터 항생제 내성 여부 확인까지 모두 2시간 내에 이루어진다.

진단용 스피너 작동 방법. 정 가운데 원이 회전축이다. 회전축 양 옆으로 2개의 샘플을 실험할 수 있다. 먼저 소변샘플을 넣고 스피너를 회전시키면 필터(양 옆 작은 원)에 박테리아가 걸러진다. 이후 세균 검출 시약을 주입해 반응시켜 눈으로 살아있는 세균의 양을 확인할 수 있다. 세균 검출 뒤에 항생제를 섞은 소변으로 같은 과정을 반복해 항생제 내성검사를 진행한다. [IBS]

연구진은 인도 티루치라팔리 시립 병원에서 자원자 39명을 대상으로 병원의 배양 검사와 진단 스피너 검사를 각각 진행해 세균성 질환을 진단한 결과 1시간 이내에 검사결과를 확인했을 뿐만 아니라, 병원에서 배양에 실패한 경우까지 정확히 진단해 냈다고 밝혔다. 현지의 일반적인 처방으로는 59%에 달했을 항생제 오남용 비율을 0%로 줄일 수 있는 결과라는 게 연구진의 설명이다.

연구진은 또한 진단용 스피너의 개당 재료비가 600원에 불과해 매우 저렴하며 비전문가도 사용할 수 있다고 덧붙였다.

조윤경 교수는 "항생제 내성검사는 고난도인데다 현대적인 실험실에서만 가능했는데, 이번 연구로 빠르고 정확한 세균 검출이 가능해져 오지에서 의료 수준을 증진시킬 수 있을 것”으로 기대하고 "향후 진단용 스피너를 활용해 세균 뿐만 아니라 암을 포함한 다양한 질병을 분석하고, 임상에 사용할 수 있도록 후속연구를 추진할 계획"이라고 밝혔다.

최상국기자 skchoi@inews24.com

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