[에세이] 바이러스 감염병 확진검사의 정확도 향상 방안

[일반생명과학 수행평가 - 논술]

2020.07.21

이 글은 필자가 2020년, 고등학교 2학년 때 작성한 글로, 글의 진행이 서툴 수 있습니다. 하지만 내용은 실제 경험과 참고 문헌을 바탕으로 하고 있으므로 신뢰하셔도 좋습니다.

 

<도입>

2019년 12월 중순 처음으로 중국 우한시에서 원인을 알 수 없는 폐렴을 가진 환자가 나타나고, 이 폐렴에 대한 병원체가 SARS(중증급성호흡기증후군) 바이러스와 매우 유사한 코로나바이러스 변종인 SARS-CoV-2라는 점이 알려진 이후로, 이 코로나바이러스에 의한 감염증인 COVID-19의 피해와 공포는 8개월 가까이가 지난 지금까지도 계속되고 있다.

이 바이러스, SARS-CoV-2는 SARS나 일반적인 감기의 병원체처럼 쉽게 비말을 통해 전파되어 호흡기로 감염되지만, 그 전파력, 세포와의 결합력과 세포 내에서의 번식 능력 또는 확산 속도 그 자체가 웬만한 바이러스보다 훨씬 뛰어나다. 게다가 무증상자 역시 바이러스를 전파할 수 있다는 의견이 지배적이다. 이러한 엄청난 전염성으로 미루어 볼 때, 백신 등을 이용하여 ‘면역 장벽’을 만드는 것을 제외하면, 바이러스의 전파를 근본적으로 막는 것은 어렵다고 볼 수 있다.

이 감염병은 기본적으로 폐렴과 기침, 고열을 포함한 다양한 증상을 일으키고, 치사율은 낮지만 대부분의 노약자들은 위험한데다, 건장한 성인에게도 큰 고통을 줄 수 있다. 앞에서 언급했다시피 바이러스의 전파를 근본적으로 해결할 수 없는 한, COVID-19 사태 해결을 위해서는 앞으로도 철저한 방역과 빠른 치료, 그리고 사회적 거리두기와 빠른 진단을 필요로 할 것이다.

또한, 바이러스에 의한 판데믹 사태는 COVID-19 이후 없으리라고 절대 장담할 수 없다. 이 사태의 연장선으로 변종이 나타나거나, 혹은 이후 다른 종류의 바이러스가 나타나서 지금과 비슷하거나 훨씬 심각한 사태를 일으킬 수 있다. 작은 예시로, 대기 중 감염이 가능한 바이러스에 의한 치사율이 높은 호흡기 전염병이 널리 퍼지게 될지 모른다.

모든 경우에 대해 전염병 사태 해결에 가장 빠른 방법은 백신을 개발하여 많은 사람들에게 면역을 부여하는 것이다. 이렇게 더 이상 감염자가 나타나지 않도록 하는 것이 중요하다. 하지만, 아직 인류의 기술로는, 백신의 개발에는 매우 긴 시간이 걸린다. 지금의 COVID-19와 같은, 전 세계의 모든 관심이 집중되고 있는 질병임에도 불구하고, 백신의 개발은 적어도 1년 정도의 시간이 걸린다고 한다. 이는 백신의 경우 안전성과 그 효과를 입증해야 하는데, 바로 사람을 대상으로 이러한 테스트를 모두 끝낼 수는 없기 때문에 당연하다. 실험실 환경에서 진행하기에는, 우리는 아직 인류의 림프절을 구현해내지 못한다. 그렇기 때문에, 다른 모든 방안들은 백신이 개발될 때까지 최대한 사회적 및 경제적, 그리고 인명 피해 등등을 최대한 줄이는 것이 중요하다.

이러한 피해를 줄이려면, 일단 기본적으로 우리는 전염병의 전염, 확산을 최대한 막아야 한다. 이를 줄이기 위해 중요한 것이 사회적 거리두기와 빠른 확진자 판정이다. 사회적 거리두기를 통해 바이러스 전염의 기회를 줄이고, 확진자 판정을 통해 최대한 빠르게 확진자를 격리하여 가능한 한 치료하는 것, 이 두 가지가 전염병의 확산을 막는 데 매우 중요하다. 사회적 거리두기는 지금과 같은 경우 마스크, 특히 대기중 감염이라면 미세먼지 마스크를 잘 이용하고, 손을 자주 씻고 지질막 바이러스는 손 소독을 자주 하는 것이 충분히 도움이 된다는 사실을 우리는 경험을 통해 알고 있다. 이 중, 이 글에서 다루고자 하는 내용은 바로 확진자 판정이다. 현재 활용되고 있는 확진 여부 검사 방법은 다음과 같다.

 

<개요>

qRT-PCR 기법과 장점, 단점

항원 검사법과 장점, 단점

항체 검사법과 장점, 단점

정확도를 높이기 위한 방안

 

<본문>

의미 있는 정확도를 가지는 것으로 알려진 바이러스 감염 검사법은 바로 qRT-PCR(quantitative Reverse Transcription - Polymerase Chain Reaction)이다. qRT-PCR 방법은 RNA 바이러스의 경우 이 RNA 염기서열을 역전사효소를 이용해 그대로 DNA 염기서열로 바꾸고(이를 ‘역전사’라고 한다), 찾고자 하는 염기서열에 상보적인 프라이머(DNA 조각)와 DNA 중합효소를 이용해 특정 DNA 염기서열만을 복제하고, 그 DNA 양을 형광을 이용하여 확인한 뒤, 복제를 반복하면서 매 순간 형광의 세기가 어떻게 증가하는지를 통해 그 RNA(를 포함하는 바이러스)의 양을 파악하는 방법이다.

이러한 방법은 (사이클을 약 50번 반복하기 때문에) 일반적으로 알려진 바로는 무려 약 6시간이 소요된다. 게다가, 이러한 바이러스 검사는 실험 장비가 존재하는 공간에서만 진행할 수 있고, 시료는 한 번에 그 장소로 운반되어야 한다. 결국 실제로 검사를 알게 될 때까지 보통 한나절 정도가 소요되는 것이다. 그래서 검사를 받은 사람은 시료를 채취한 뒤 자가격리를 지속해야 하지만, 이는 지켜지지 않을 수도 있다. 또한, 시설의 한계에 의해 하루에 확인할 수 있는 피검사자의 수도 제한될 수 있고(특히 일본의 경우 그랬다고 한다), 이러한 복합적인 원인에 의해 감염자의 빠른 격리가 어려워진다.

그럼에도 이러한 방법이 진행되고 있는 이유는 다른 어떠한 방법보다 신뢰도가 높다고 판단되기 때문이다. 일반적으로 정확도 역시 95%를 넘는다고 한다. 또한 아직 국내에서는 시설이 부족하여 감염자 확인이 어렵다거나 하는 급박한 상황은 일어나지 않았기 때문에 이러한 방법을 이용할 수 있었다. 하지만, 그렇지 못 한 지역이나 국가의 경우는 사정이 크게 다르다.

 

그 외의 확진 판정 방법으로는 크게 항체 검사와 항원 검사가 있다. 둘의 이름은 비슷하지만, 엄연히 다른 검사이다. 항체 검사는 혈액 속 ‘항체’의 존재성을 항원 조각으로 확인하고, 항원 검사는 시료 속 ‘항원’의 존재성을 항체로 확인한다.

특히 항원 검사의 경우, 일반적인 독감 검사와 같이 검사 키트만으로 바로 확인할 수 있으며, 시간 역시 약 15분 정도로 굉장히 빠르다. 방식 역시 항체를 이용하는 독감 검사와 완전히 동일한데, 시료를 포함한 액체가 흐를 때, 테스트기에 존재하던 항체가 항원에 달라붙고, 이것이 흘러가는 길의 부분에 걸리게 하여 항체의 색소를 통해 눈에 보이게 한다. 미국은 이미 Sofia (2) SARS Antigen FIA라는 항원 검사법을 시행하고 있다.

이 항원 검사법은 매우 빠른 반면, 대체적으로 신뢰도가 높지 않다. 특히 양성 판정에 대해서는 꽤 믿을 수 있으나, 실제로는 바이러스를 가지고 있음에도 음성 판정이 나오는 경우가 있다고 한다. 좋은 항체를 쓰면 이 점을 최대한 보완할 수 있겠지만, 이를 찾아 생산하는 것은 매우 어렵다. 그렇기 때문에 우리나라의 질병관리본부에서는 항원 검사법을 아직 승인하지 않았다.

그렇다면 미국이 사용하고 있는 항원 검사법은 어떨까? Quidel 사의 Sofia SARS Antigen FIA는 홈페이지 자료에 의하면, NPA(합의에 대한 음성 판정 정확도)가 무려 100%이고, PPA(합의에 대한 양성 판정 정확도) 역시 96.7%로 표기되어있을 정도로 상당히 높다(실제로는 87.5%라는 말도 있다... 이곳저곳의 말이 다르다). 미국은 이 키트의 사용을 빠르게 허가했다.

 

다른 하나의 검사법, 항체 검사법은 ‘혈액’을 채취하여 그 속의 항체를 찾는 방법이다. 이는 한 방울 정도의 혈액만으로 그 안에 있는 SARS-CoV-2를 대상으로 하는 항체를 검출하는 방식이며, 검사 역시 항원 검사법과 같은 단순한 키트로 진행되는데다, 소요 시간 역시 개발된 신속 키트들의 경우 최대 10분까지 줄일 수 있다. 키트에는 항원에 대한 항체가 아닌, SARS-CoV-2의 항원이 들어있어 피검사자의 혈액에 있는 항체와 결합하게 된다.

항체 검사법의 단점이라면, 그것은 바로 신뢰도가 꽤 낮다는 점이다. 일단 항체를 포함한 2차 면역의 경우 적어도 감염 후 일주일 정도는 지나야 의미 있는 반응을 보이며, 이에 의해 감염 초기의 경우는 틀린 음성 판정이 나기 쉽다. 그래서 항체 검사법은 일반적으로, 항체 양의 감소 정도를 통해 완치 판정을 내리는 경우, 혹은 그 자체로 SARS-CoV-2에 대한 면역을 가지고 있는지를 검사하는 경우 정도에만 사용된다.

그런데 미국에서는 이를 확진 검사에 사용하고 있다. 미국의 입장에 따르면, PCR 검사는 감염 일주일 이후 정도가 되면 신뢰도가 급감한다고 한다. 반면 PCR 검사와 항체 검사법을 병행하는 경우에는 검사 정확도가 95% 이상까지 올라갔다고 한다. 물론 이 점에 대해서는 아직 다양한 의견이 있는 것으로 보이지만, 그럼에도 미국은 이러한 정책을 실행했다.

 

지금과 같은 다음 바이러스 확산 사태에 대해, 빠르면서도 정확한 검사 방법을 가지는 것은 앞에서 말했다시피 매우 중요하다. 그렇다면 우리는 어떠한 방법을 써야 할까? 나는 이에 대한 답변으로 압타머(Aptamer)를 이용한 항원 검사가 가장 적절하다고 생각한다.

압타머는 항체는 아니지만, 그럼에도 항원과 같은 표적 분자에 잘 결합하는 단일가닥 핵산(혹은 단백질, 주로 핵산) 분자를 의미한다. 상식적으로 생각했을 때 정말 놀랍지만, 이러한 DNA와 같은 핵산 분자도 항체처럼 어느 분자에 특이적으로 결합할 수 있다는 점이 알려져 있다. 이러한 특징에 DNA라는 핵산의 특징을 함께 이용한다면, 우리는 엄청난 이점을 얻을 수 있다.

대상 분자에 대한 최적의 압타머를 찾아내는(발굴하는) 기본적인 방법은 SELEX이다. 이 방법은 기본적으로 다양한 DNA가 존재하는 DNA pool에서, 표적 분자에 잘 결합하는 압타머만을 남기고 증폭시키기를 반복하는 방법이며, 이 과정에서 돌연변이들도 생기기 때문에, 선택에 의해 결국에는 표적 분자에 정말 잘 달라붙는 압타머만이 남게 된다.

일단, DNA는 항체와 달리 쉽게 다양성을 줄 수 있고, 이를 성능이 좋은 것만 남도록 정제하는 것이 매우 간편하다. 생산을 위해 세포를 이용할 필요가 없는 만큼, 복제 및 생산 역시 매우 간편하고 쉽다. 또한, 변성도 잘 일어나지 않아 상온 보관에 멸균까지 가능하고, 면역거부반응 역시 일어나지 않는 것으로 알려져 있으며, 항체가 만들어지기 어려운 당단백질이나 단백질 복합체, 심지어는 독소까지도 그에 대한 압타머를 만들 수 있다고 한다.

이를 이용하면 항원 검사와 같은 방법을 이용하면서도, 더 빠른 개발과 생산, 보급이 용이할 것이다. 게다가 항체보다 훨씬 가변적이기 때문에 검사 키트의 정확성 역시 큰 폭으로 끌어올릴 수 있을 것이다.

더 나아가서, 스파이크 단백질에 대한 압타머의 경우 단백질에 붙어 세포의 수용체(SARS-CoV-2의 경우는 ACE2)에 결합하는 것을 막아 의미 있는 치료법이 될 수 있다. 이미 압타머를 치료약으로 이용한 사례 역시 존재하며, 이러한 방법을 통해 바이러스 전염병에 대한 해결 방안에서 압타머는 분명 앞으로 큰 역할을 할 수 있을 것이다.