코로나19 진단 키트에 담겨진 기술

수도권에서 개편된 사회적 거리두기의 최고 단계인 4단계가 시행되었다. 그러나, 코로나 19 확진자는 줄지 않고 어느덧 1,600 명대에 접어들었다. 이제 비수도권에서도 확진자가 늘고 있어 비수도권에서도 저녁 6시 이후 모임 인원을 제한할 수 있다는 얘기가 흘러 나오고 있다.

일부 언론은 ‘코로나 19 자가 진단 키트’를 확진자 증가 원인 중 하나로 꼽고 있다. 코로나 19 확진 판정을 받은 환자들이 앞서 본인들이 자가 진단 키트로 검사했을 때는 ‘음성’임을 확인했다고 실토(?)하는 경우가 많다는 것이다. 얼마 전에는 한 연예인이 외출 전 자가 진단 키트로 검사하면서 ‘음성’을 확인한 사진을 SNS에 올려서 인증한 경우도 있었다. 그러나, 중앙방역대책본부는 실제로는 감염자인데 자가 진단 키트로는 음성으로 확인될 경우 일상생활을 통해서 주변에 조용한 전파를 일으킬 수 있음을 경고하고 있다. 자가 진단 키트의 결과만으로 너무 안심하지 말라는 취지이다.

그렇다고, 자가 진단 키트의 사용을 무조건 막을 수는 없다. 보건소를 통한 코로나 19 검사와 견주어 볼 때 자가 진단 키트가 갖는 신속성과 편의성을 무시할 수 없다. 오히려, 자가 진단 키트가 갖는 기술적 한계를 충분히 인식하고, 검사 결과를 올바르게 이해할 수 있으며, 일상 생활과 경제 활동에 있어서 합리적인 수준으로 참고하도록 하는 것이 필요하지 않을까? 물론, 자가 진단 키트의 검사 결과만으로 개인 방역을 완화하는 것은 옳지 않다. 제대로 알고 쓰자는 것이다.

코로나 19 진단 키트는 크게 항원 검사 방식, 항체 검사 방식, 유전자 검사 방식으로 나뉜다. 코로나 19 진단 키트는 체외 진단(In-vitro Diagnostics) 기기의 일종으로, 항원 검사 방식과 항체 검사 방식에는 면역 화학 진단(Immunochemistry) 기술이 사용되고, 유전자 검사 방식에는 분자 진단(Molecular Diagnostic) 기술이 사용된다.

항원 진단 키트

항원 검사 방식의 진단 키트로는 SD바이오센서의 ‘Standard Q COVID-19 Ag’ 제품과 ‘Standard Q COVID-19 Ag Home Test’ 제품을 들 수 있다. Home Test 제품은 자가 진단 키트로 약국이나 온라인 쇼핑몰을 통해서 비교적 쉽게 구입할 수 있다. SD바이오센서는 글로벌 제약 회사인 로슈에 코로나 19 진단 키트를 공급하며, 2020년 1조대의 매출을 기록하고, 지난 16일 (코스닥이 아닌) 코스피에 상장하였다.

전문가용인 ‘Standard Q COVID-19 Ag’는 면봉을 통해 환자의 비인두 도말에서 검체를 채취하는 반면, 자가 진단 키트인 ‘Standard Q COVID-19 Ag Home Test’는 면봉을 통해 환자의 비강 도말에서 검체를 채취한다.

Standard Q COVID-19 Ag(전문가용) 검체 채취 방법, 출처: SD바이오센서

Standard Q COVID-19 Ag Home Test(자가 검사용) 검체 채취 방법, 출처: SD바이오센서

항원 진단 키트는 면역크로마토그래피법을 이용한다. 면역크로마토그래피법은 면역 반응(항원-항체 반응) 원리와 크로마토그래피 원리를 결합한 것이다. 항원 진단 키트에 검체를 희석한 액체를 떨어뜨리면, 모세관 현상에 의해서 반대편으로 흘러가게 되는데, 검체에 존재하는 항원은 먼저 라벨(label)이 부착된 항체와 결합하게 된다. 라벨이 부착된 항원-항체 복합체가 계속 흘러가다 보면 테스트 라인에 고정된 항체와 다시 결합하게 되는데, 항원의 양쪽으로 항체가 결합되어 샌드위치 반응이라고 한다. 라벨이 부착된 항원-항체 복합체의 잔여분은 컨트롤 라인에 고정된 2차 항체와 결합하게 된다. 컨트롤 라인은 정상적인 테스트 판정을 위해서 사용된다. 테스트 라인과 컨트롤 라인에 고정된 항원-항체 복합체의 라벨에 의해서 나타나는 선을 눈으로 확인하여 진단한다. 테스트(T) 라인과 컨트롤(C) 라인에 모두 선이 나타나야 양성으로 진단한다.

항원 검사 방식의 컨셉, 출처: Creative-diagnostics

앞서 얘기한 것처럼 빠른 검사가 가능한 장점이 있지만, 정확도가 떨어진다는 지적이 끊이지 않고 있다.

진단 키트의 정확도는 민감도와 특이도라는 지표를 통해서 평가한다. 먼저, 양성과 음성에 대해서 알아야 한다. 양성(Positive)은 감염자로 진단하는 것을 의미하고, 음성(Negative)은 비감염자로 진단하는 것을 의미한다.

좀 더 복잡하게 나누면, 진양성(True Positive, TP)은 감염자를 올바르게 양성으로 진단하는 경우를 의미하고, 위음성(False Negative, FN)는 실제로는 감염자인데 음성으로 잘못 진단하는 경우를 의미하고, 위양성(False Positive, FP)은 실제로는 비감염자인데 양성으로 잘못 진단하는 경우를 의미하고, 진음성(True Negative, TN)은 비감염자를 올바르게 음성으로 진단하는 경우를 의미한다.

민감도(Sensitivity)는 감염자를 양성으로 정확하게 진단해내는 확률을 의미하고, 특이도(Specificity)는 비감염자를 음성으로 정확하게 진단해내는 확률을 의미한다. 민감도와 특이도는 비교적 쉽다. 양성 예측도(Positive Predictive Value, PPV)는 양성으로 진단받았을 때 실제 감염자일 확률을 의미하고, 음성 예측도(Negative Predictive Value, NPV)는 음성으로 진단받았을 때 실제 비감염자일 확률을 의미한다. 양성으로 진단받았으나 실제로는 비감염자이거나, 음성으로 진단받았으나 실제로는 감염자일 수도 있기 때문이다.

여기서 말하는 확률은 조건부 확률을 말한다. 고등학교때 배운 ‘P(A|B)’를 떠올려 보자. 확률은 늘 어렵다. 민감도, 특이도, 양성 예측도, 음성 예측도는 각각 다음과 같은 방식으로 계산한다.

여담이지만 이 같은 방식은 인공지능 학습모델의 성능을 평가하는데에도 동일하게 사용된다.

민감도가 낮으면 위음성이 나올 확률이 높아지고, 특이도가 낮으면 위양성이 나올 확률이 높아진다. 위음성으로 진단을 받은 사람은 감염자이기 때문에 다른 사람을 감염시켜 코로나 19를 전파시킬 수 있고, 위양성으로 진단을 받은 사람은 추가 전파 우려는 없으나 불필요한 시설의 폐쇄나 접촉자의 자가 격리 조치가 발생할 수 있다.

이와 관련하여, Standard Q COVID-19 Ag Home Test의 설명서는 인증된 RT-PCR 제품으로 양성이 확인된 검체 40개와 음성이 확인된 검체 105개로 수행한 임상 성능시험 결과를 제시하고 있다. 여기서 제시된 민감도와 특이도는 각각 82.5%와 100%이다.

Standard Q COVID-19 Ag Home Test의 임상적 민감도 및 특이도, 출처: SD바이오센서

그럼에도 불구하고, 기업이 제시한 임상 성능시험 결과와 실제 검증 결과의 차이(실제 민감도는 낮다는 주장), 바이러스가 미량일 경우 떨어지는 정확도, 비인두 검체에 비해 비강 검체의 바이러스 농도가 낮은 점 등의 문제는 여전히 제기되고 있다.

항체 진단 키트

SD바이오센서는 항체 검사 방식의 진단 키트도 공급하고 있다. ‘Standard Q COVID-19 IgM/IgG Plus’라는 제품이다. Ag와 마찬가지로 면역크로마토그래피법을 이용하는데, 환자의 혈액으로부터 면역글로불린(immunoglobulin) IgM, IgG 항체를 검출한다. 코로나 19에 감염되면 면역 반응으로 생기는 IgM, IgG 항체가 라벨이 부착된 항원과 결합하게끔 하는 방식이다. IgM(M) 라인, IgG(G) 라인, 컨트롤(C) 라인의 선을 비교하여 양성으로 진단한다.

IgM은 1차 면역 반응에서 만들어지는 최초의 항체로 보체를 활성화시키는 역할을 하고, IgG는 2차 면역 반응 동안 대량으로 생산되며, 대식세포와 중성구의 식균 작용을 돕는 것으로 알려져 있다. 항체 진단 키트의 검사 결과가 양성일 경우, 현재 코로나 19에 감염되어 있거나, 감염 이력이 있음을 의미한다.

항체 검사 방식의 진단 키트는 IgM, IgG 항체의 형성 시기를 고려해야 한다. 코로나 19의 감염 초기에는 아직 항체가 형성되지 않은 상태이므로 항체 검사 방식의 진단 키트로는 확인이 어렵다. IgM 항체의 경우 지속 기간이 비교적 짧고, IgG 항체의 경우에도 약 4개월 정도 지속된다는 연구 결과가 있다.

항체 진단 키트는 일반인을 대상으로는 판매되지 않고 있다.

코로나 19 감염 시기별 검사법, 출처: SD바이오센서

중화 항체 진단 키트

백신을 접종한 사람들은 백신으로 인한 면역 형성 효과를 측정하고 싶어할텐데, 이를 위해서는 중화 항체 검사가 필요하다.

코로나 19의 스파이크 단백질(Spike protein)은 인간의 세포 표면의 ACE2(Angiotensin-converting enzyme-2) 수용체에 부착하여 세포 속으로 침투한다. ACE2 수용체는 스파이크 단백질의 RBD(receptor binding domain)라는 특정 부위와 결합한다. 중화 항체(neutralizing antibodies)는 RBD와 결합하여, 스파이크 단백질과 ACE2 수용체 간의 결합을 방해함으로써, 바이러스의 침투를 차단하고 바이러스의 증식을 억제한다.

중화 항체, 출처: BioWorld

중화 항체 진단 키트는 중화 항체가 이 같이 스파이크 단백질의 RBD와 ACE2 수용체 간 결합을 방해하는 원리를 이용한다.

중화 항체 진단 키트는 ACE2 수용체 단백질을 플레이트에 고정해두고 재조합 RBD 단백질을 라벨링하거나, 재조합 RBD 단백질을 플레이트에 고정해두고 ACE2 수용체 단백질을 라벨링하는 2가지 방식이 가능하다.

검체(혈액) 내의 중화 항체가 ACE2 수용체 단백질과 경쟁적으로 재조합 RBD 단백질과 결합하게 되고, 이로 인해서 재조합 RBD 단백질과 ACE2 수용체 단백질 간 결합이 얼마나 억제되는지를 측정하게 된다. 재조합 RBD 단백질과 ACE2 수용체 단백질 간 결합의 감소를 통해서 중화 항체의 존재를 검출한다.

살아있는 바이러스를 사용하지 않고 재조합된 바이러스의 RBD만을 사용하기 때문에 높은 생물안전 등급이 필요하거나 위험하지 않다.

중화 항체는 백신 접종을 통해서 생성될 수 있는데, 백신을 접종한 사람에게서 중화 항체가 검출되지 않으면 면역 형성에 실패했다고 진단할 수 있다.

중화 항체 진단 키트의 원리, 출처: Creative Diagnostics

유전자 검사 방식

가장 강력하고 정확한 방식은 유전자 검사 방식이다. 코로나 19의 유전자가 체내에 존재하는지를 확인하는 방식이다. 보건소나 선별 검사소를 통해서 코로나 19 검사를 받게 되면 유전자 검사 방식을 사용한다. 유전자 검사 방식은 분자 진단 기술을 이용하며, 그 중에서도 실시간 역전사 중합효소 연쇄반응(Real-time Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, Real-time RT PCR) 기술이 사용된다.

PCR 검사의 경우 자가 진단 키트와 다르게 의료인이 환자의 비인두 도말에서 검체를 채취한다는 차이점이 있다. 바이러스가 미량일 경우에도 유전자 증폭 기술을 사용하기 때문에 문제되지 않는다.

먼저, 검체로부터 RNA를 추출한다. 단일 가닥(single strand) RNA는 불안정하고 증폭이 어렵기 때문에 역전사(Reverse Transcription) 과정을 통해서 추출한 RNA에 상보적인 cDNA(complementary DNA)를 합성한다. 역전사 효소, 프라이머, dNTP를 이용하여 RNA를 주형(template)으로 하는 단일 가닥 cDNA를 합성한다.

RT-PCR 과정 개요, 출처: ThermoFisher

그리고, 본격적인 PCR 과정으로 cDNA를 증폭시킨다. DNA 중합 효소, 프라이머, dNTP를 이용하여 cDNA를 주형으로 하는 이중 가닥 DNA를 합성하고, PCR 과정을 30~40회 반복하면서 DNA를 증폭시킨다. 이 같은 PCR 과정은 이중 가닥 DNA를 단일 가닥 DNA로 분리시키는 변성(Denaturation) 과정, 단일 가닥 DNA에 프라이머를 결합시키는 결합(Annealing) 과정, 단일 가닥 DNA에 상보적인 염기를 붙여 이중 가닥 DNA를 합성하면서 DNA를 복제하는 합성(Extension) 과정으로 구성된다. 각 과정마다 반응 온도와 시간이 조절되어야 한다.

DNA 증폭 과정 예시, 출처: ThermoFisher

진단을 위해서는 주형이 되는 DNA에 특이적으로 결합하는 형광 표지 프로브(probe)를 사용한다. 형광 표지 프로브는 특정 파장의 빛에 노출되었을 때 여기되어 형광을 방출한다. 검체에 코로나 19가 존재할 경우 코로나 19의 RNA로 합성된 DNA의 양이 증폭되면서 형광 신호의 강도가 증가한다. 형광 신호를 읽기 위해서 형광 광도계(Fluorometer)가 사용된다. PCR 장치는 실시간으로 강해지는 형광 신호를 읽어 양성 여부를 진단한다.

현재로서는 유전자 검사 방식만이 코로나 19 확진 검사로 인정되고 있다.

-원문 : 제대로 알고 쓰자. 코로나 19 진단 키트에 담겨진 기술
-저자소개 : 김성현 BLT 파트너 변리사는 NIPA, IITP, KISA, KOCCA, 창업진흥원, 서울산업진흥원에서 전문 위원으로 활동하고 있다. 인공지능, IoT, 클라우드 컴퓨팅, 차세대 보안, 블록체인, 스마트 디바이스 등의 디지털 기술을 주로 담당하고 있다.

글: 외부기고(contribution@platum.com)

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