2018년에 '세계보건기구(WHO: World Health Organization)'는 '추후 세계 대유행을 일으킬 바이러스 8가지'를 발표하였으며, 8번째 바이러스를 '질병 X(Disease X)'라고 명명하였다. '에볼라 바이러스(Ebola Virus)', '말버그 바이러스(Marburg Virus)', '라싸열(Lassa Fever)', '지카 바이러스(Zika Virus)', '중증 급성 호흡기 증후군 코로나 바이러스(SARS Coronavirus)', '중동 호흡기 증후군 코로나 바이러스(MERS Coronavirus)' 등을 포함하고 있다. 'disease X'는 미지의 질환이라는 의미로 '세계보건기구(WHO)'에서 표기하기 시작하였으며, 이전까지 인류가 접하지 못한 신종 바이러스 전염병이 나타날 것으로 예측하고, 본래 존재하던 바이러스가 돌연변이를 일으켜 기존 백신이나 치료제에 효과가 없는 변종으로 진화하거나 '에이즈바이러스', '에볼라바이러스' 등과 같이 동물에게 있던 바이러스가 변이되어 인간에게 전파될 수 있음을 경고하였다.
2019년 12월, 중국에서 처음 발생한 신종 바이러스인 '코로나19 바이러스'는 최초의 'disease X'의 사례가 되었다. '코로나19'는 2021년 8월 말 기준, 전 세계적으로 2억 1600만 명이 넘는 확진자가 발생하였고, 450만 명이 사망하는 등 막대한 경제적·사회적 피해를 유발하여 신종 감염병 '팬데믹(Pandemic)'에 대한 우려가 현실화되었다.
0. 목차
- 효과적인 방역을 위하여
- '감염병 진단 기술'의 분류
- 병원체 자원의 확보·분석 기술
- 분자 진단 기술
- 면역 진단 기술
- 기타 진단 기술
- 진단 플랫폼 기술
- 진단 성능평가 기술
- '감염병 진단 기술' 정책 동향
1. 효과적인 방역을 위하여
감염병 재난에 효과적으로 대응하기 위해서는 예측과 진단, 치료제 및 백신에 관련된 모든 기술이 확보되어야 하지만, 효과적인 방역을 위한 첫 단계로 '신속하고 정확한 진단'이 전제되어야 한다.
전 세계적인 '코로나19' 팬데믹 상황에서 한국의 세계 최고 수준의 우수한 진단 검사 능력과 진단 검사 상황의 투명한 공개에 기반을 둔 '선제 검사와 격리', '확진자 추적' 등의 방식은 코로나19 대응의 우수 사례로 평가받고 있다. 2015년 '메르스(MERS: Middle East Respiratory Syndrom)' 사태 당시, '초기 대응 부재', '정보 미공개', '감염병 대응 체계의 혼선', '질병관리청의 정책결정권 미흡' 등으로 인한 방역 실패 경험이 코로나19 상황에서 '정부', '연구소와 대학', '병원과 기업' 등의 유기적인 연계가 이루어지는 밑걸음이 되었다. 2020년 3월, '로이터(REUTER)'에서는 '스페셜 리포트(Special Report)'를 통해 한국 정부가 1월 말 진단 기기 기업 대표들과의 긴급 회동을 통해 신속한 사용승인을 약속하여 제품 개발을 독려하였고, '드라이브-스루(Drive-Through)' 검사 등을 도입하여 매일 수천 명을 검사할 수 있는 시스템을 운영함으로써 세계적인 주목을 받았다고 발표하였다.
특히 코로나19 진단 부문에 있어서는 '학·연·산·관(학계-연구계-산업계-관계부처)'의 긴밀한 협력으로 감염병 확산에 대한 신속 대응 및 해외 진단 제품 수출 실적 등의 성과를 이루어냈으나 신종·병종 감염병 진단기술 경쟁력은 부족한 상황이다. 한국의 감염병 진단기술에 대한 연구개발 활동은 2010년 이후에 본격화되어 주요국 대비 등록 특허 점유율과 특허 영향지수가 낮고, 연구개발의 연속성과 체계성이 상대적으로 부족한 것으로 분석된다. 글로벌 기업이 '감염병 진단기술'과 '장비', '시약' 등의 전후방 산업 대부분을 선점하고 있는 상황이다.
2. '감염병 진단 기술'의 분류
'감염병 진단 기술'이란, 특정 '병원체(Pathogen, 감염병을 일으키는 기생생물)'의 유전자나 단백질, 감염된 사람 또는 동물의 체내 항체 생성 등을 검출하여 감염 여부를 확인하거나 감염된 병원체를 특정하기 위한 기술로 정의할 수 있다. '감염병 진단기술'은 '병원체 확보·분석 기술', '진단 고도화 기술', '진단 플랫폼 기술', '진단 성능 평가 기술' 등으로 구분한다.
- 병원체 자원 확보·분석 기술: 환자, 보균자, 감염 동물, 매개 동물, 병원체를 포함한 체액과 배설물 등에서 병원체 자원을 확보하는 기술
- 병원체 자원 분석 기술: 병원체를 분류하고 유전정보 등을 분석하기 위한 기술
- 진단 플랫폼 기술: 다양한 병원체와 면역 항체에 공통적으로 적용하여 진단의 활용 범위를 확대할 수 있는 기반 기술
- 진단 성능 평가 기술: 개발한 진단기술의 성능 분석, 유효성 평가, 임상시료를 이용한 검증 등을 포함하는 기술
| 분류 | 기술 | 예시 | |
| 병원체 자원 확보·분석 기술 | 병원체 자원 확보 기술 | '검체 채취(Sample Collection)' 기술 | |
| 병원체를 분리·배양하는 기술 | |||
| 병원체를 전처리하는 기술 | |||
| '항원(병원체, 단백질, 유전자 등)' 라이브러리를 구축하는 기술 | |||
| 병원체 자원 분석 기술 | 병원체 분류 및 동정 기술 | ||
| 병원체 염기서열 분석 기술(최초서열 및 변이 바이러스 시퀸싱 기술) | |||
| 진단 고도화 기술 | 분자 진단 기술 |
기존 PCR | 중합 효소 연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction) |
| RT-PCR(Reverse Transcriptase-PCR) | |||
| 실시간 PCR(Realtiem PCR) | |||
| 디지털 PCR(Digital-PCR) | |||
| 분자진단 카트리지(Molecular Diagnostic Cartridge) | |||
| 등온 증폭법 | 전사 매개 증폭(TMA: Transcription Mediated Amplification) | ||
| N핵산 서열 기반 증폭(NASBA: Nucleic Acid Sequence based Amplification | |||
| Signal Mediated Amplification of RNA Technology(SMART) | |||
| S추세 변위 증폭(SDA: Strand Displacement Amplification) | |||
| 롤링 서클 핵산 증폭(RCA: Rolling Circle Amplification) | |||
| 고리 매개 등온 증폭(LAMP: Loop-Mediated Isothermal Amplification) | |||
| Isothermal Multiple Displacement Amplification(IMDA) | |||
| Helicase Dependent Amplification(HDA) | |||
| Recombinase Polymerase Amplification(RPA) | |||
| Single Primer Isothermal Amplification(SPIA) | |||
| 표면 증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectrosopy) | |||
| CRISPR 기술을 이용한 진단 키트 | |||
| 분자진단에 활용되는 진단장비의 고도화 기술 | |||
| 면역 진단 기술 |
면역학적 검사 | 효소 결합 면역 흡착제 검사법(ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) | |
| 간접 형광 항체법(IFA: Indirect Fluorescent Assay) | |||
| 간이검사 키트(LFA: Lateral Flow Assay) | |||
| 웨스턴 블롯(Western Blot) | |||
| 기타 진단 기술 |
영상의학적 진단 | X선 촬영(X-ray) | |
| 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography) | |||
| 현미경적 진단 | 조직검사(Biopsy) | ||
| 세포검사(Cytoscopy) | |||
| 진단 플랫폼 기술 |
- |
나노 바이오센서(Nano Biosensor) | |
| '미세유체(Microfluidic)' 활용기술 | |||
| DNA 칩이나 단백질 칩 등을 통한 진단기기 고집적화 | |||
| AI 등을 활용한 분석 및 데이터 처리 기술 | |||
| 프로세스 자동화 기술 | |||
| 진단 성능평가 기술 | - | 분석적 성능평가(검출한계, 분석적 민감도, 특이도, 간섭, 재현성 등) | |
| 시제품 임상적 성능검증(임상적 민감도, 특이도 상관성 시험 등) | |||
| 표준항원 또는 감염체 표준물질에 대한 인식검사 | |||
| 진단 방법 표준화 및 메뉴얼 제작 | |||
| 진단·치료 기준 개발 | '항원(Antigen)' 조사 | ||
| '유병률(Prevalence Rate)' 조사 | |||
| '항체가(Antibody Titer)' 조사 | |||
3. 병원체 자원의 확보·분석 기술
3-1. 병원체 자원 확보 기술
'혈액(Blood)', '객담(기관지나 폐에서 유래되는 분비물)' 등 시료 내에는 다양한 물질들이 혼합되어 있어, 저농도 병원체 검출이 어렵다. 그래서 저해 인자 제거 등 '시료 전처리 과정'과, '병원체의 농축' 및 '핵산 정제' 효율성을 높이기 위한 자동화 시스템·기술들이 개발되고 있다. 특정 지역에 산발된 매개체를 채집하기 위해, 'IoT(Internet of Things)' 기반 '드론(Drone)' 및 '로봇(Robot)'을 활용하거나, '코로나19(COVID-19)'와 같은 고위험 환경에서 '검체(검사에 필요한 재료)'를 손상 없이 안전하게 채취하기 위한 비대면 원격 '검체 채취 로봇 시스템(Sample Collection Robot System)'이 개발되기도 하였다.
신종·변종 감염병 발생 시 원인 병원체 규명 연구가 신속하게 진행되어야 한다. 이를 위해 '세포 배양 기술을 이용한 바이러스 분리', '전자현미경을 활용한 형태학적 분류', '컨센서스 중합 효소 연쇄반응(Consensus PCR)', 'SISPA(Sequence-independent Single Primer Amplification)', '혈청학적 분석' 등이 사용되어 왔다. PCR 등 유전자 진단법은 진단 프라이머의 제작 시, 기존에 알려진 병원체의 염기서열을 활용해야 하므로, 미지의 병원체를 규명하는 데에는 한계가 있다.
'대용량 시퀀싱(HTS: Hith-Throughput Sequencing)' 기술을 통해 특이적인 표적을 정할 필요 없이 신속하게 대용량의 병원체 유전자 정보 분석이 가능해졌다. '차세대 염기서열 분석(NGS: Next Generation Sequencing)'은 방대한 양의 염기서열 정보를 신속하고 효과적으로 분석할 수 있다는 장점이 있으나, 알고리즘을 잘 구성하여 분석해야 한다는 단점이 있다. '차세대 염기서열 분석(NGS)'을 수행하여 획득한 방대한 양의 염기서열 정보들은 '맵핑(Mapping)' 또는 '드노보 어셈블리(de novo assembly)' 방식으로 400~500bp 이상의 염기서열 데이터를 형성하고, 미국 'NCBI(National Center for BIotechnology)'의 '유전자 은행(Gene Bank)' 데이터와 비교 분석하여 염기서열을 규명한다.
어떤 질환과 그것의 원인이 되는 미생물 간의 관계를 위한 4가지 기준으로 '코흐의 가설(Koch's postulate)'이 확립되어 있다.
- 미생물은 어떤 질환을 앓고 있는 모든 생물체에서 검출되어야 한다.
- 미생물은 어떤 질환을 앓고 있는 모든 생물체에서 순수 분리되어야 하며, 단독 배양이 가능해야 한다.
- 배양된 미생물은 건강하고 감염될 수 있는 생물체에 접종되었을 때 해당 질환을 일으켜야 한다.
- 배양된 미생물이 접종된 생물체로부터 다시 분리되어야 하며, 그 미생물은 처음 발견한 것과 동일함을 증명해야 한다.
3-2. 병원체 자원 분석 기술
유전자 분석을 통해 신종 병원체를 규명할 수는 있어도, 질병의 원인을 명확히 검증하고 분자 생물학적 연구와 '진단 기기(Diagnostic Device)', '치료제(Therapy)', '백신(Vaccine)'의 개발 및 효능을 검증하기 위해서는 '세포 배양(Cell Culture)'을 통한 병원체의 분리·배양이 요구된다. 병원체 배양 성공 후 원인 규명을 하던 순서와 달리, 최근에는 유전자 분석기술의 발달로 원인 병원체를 추정한 이후, 유전학적 재조합 기술을 이용한 배양 시스템을 구축하고, 감염 동물 모델을 개발하는 순서로 진행되기도 한다.
이 외에 'MALDI-TOF(Matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight)'는 검체 배양으로 발생하는 '균 집락(Fungal Colony)'을 이용해 단백질 분자의 '질량 측정', '패턴 분석'하는 방식으로 짧은 시간 내에 '세균 동정'이 가능하다. '세균 동정(Bacterial Identification)'은 세균을 식별하고 분류하는 과정을 가리키는 용어로, '세균이 어떤 종류인지', '어떤 특성을 가지고 있는지', '다른 세균 종과 어떻게 다른지'를 알아내기 위한 과학적인 절차를 포함한다.
'의심 환자 수', '검사 결과' 등 '기초적 임상 데이터'와 '바이러스 유전체 정보' 등의 공유/분석에 기반하여 코로나19 변이 바이러스의 추적이 가능하였고, 코로나19 대응 전략으로 '오픈 데이터(Open Data)' 정책의 실효성이 인정되었다. 2008년에 설립된 바이러스 유전체 정보 공유 사이트인 '국제 인플루엔자 정보 공유 기구(GISAID)'는 코로나19 변이 바이러스 출현에 대한 모니터링 역할을 하여, 글로벌 대응을 가능하게 했다는 평가를 받고 있다.
'국제 인플루엔자 정보 공유 기구(GISAID: Global Initiative for Sharing All Influenza Data)'는 독일 정부와 비영리단체인 'Friends of GISAID의 민관 파트너쉽으로 인플루엔자 바이러스의 염기서열 정보 및 관련 '의료 정보(Medical Information)', '역학정보' 등을 제공하고 있다. 140만 개 이상의 바이러스 유전체 정보를 보유하고 있고, 국제 게놈 연구 프로젝트인 Next Strain의 온라인 공개 프로그램을 통해 모든 바이러스의 가계도를 분석할 수 있다.
4. 분자 진단 기술
'분자 진단 기술'은 '병원체의 유전자(DNA, RNA)'를 분리하여 증폭하거나, 염기서열을 분석하여 병원체 감염 여부를 진단하는 방법이다. '분자 진단 기술'은 감염원을 직접 검출해낼 수 있기 때문에 '정확도', '민감도', '재현성'이 높은 진단법으로 평가받고 있다. '분자 진단(Molecular Diagnosis)'은 감염 초기에도 활용할 수 있다는 장점이 있으나, 값비싼 증폭 장비 등이 필요하므로 의료 인프라가 부족한 곳에서는 활용이 어렵다는 단점이 있다. PCR은 고온과 저온 사이의 온도 전환을 수십 초 내에 안정적으로 구현할 수 있는 '서모사이클러(Thermocycler)'가 필요하며, 정밀한 진단을 위해 개발된 '실시간 PCR(Realtiem PCR)', '디지털 PCR(Digital PCR)'은 경제적 부담이 크다.
4-1. 중합 효소 연쇄반응(PCR)
1985년 '중합 효소 연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)'의 개발로 DNA의 빠른 증폭이 가능해지면서, 유전자 분석에 획기적인 영향을 끼치게 되었다. 미국 생화학자 '캐리 멀리스(Kary Banks Mullis, 1944~2019)'는 '중합효소 연쇄반응(PCR)' 개발 공로를 인정받아 1993년 노벨화학상을 수상하였다.
- PCR: 유전물질을 조작하여 실험하는 거의 모든 과정에 사용하고 있는 검사법으로, 검출하고자 하는 특정 표적 유전물질 'DNA'를 증폭한다. RNA 형태로 유전자를 갖는 경우, 이를 검출하기 위해 'RT-PCR(Reverse Transcriptase-PCR)'이 개발되었으며, '역전사 효소(Reverse Trnscriptase)' 반응을 통해 RNA를 cDNA로 만들어, PCR과 같은 원리로 증폭한다. 기존의 PCR, RT-PCR은 유전자의 존재 유무만 확인 가능하다.
- 실시간 PCR(Realtiem PCR): 원 시료 내의 유전자의 상대적 양을 측정하기 위한 기술이다.
- 디지털 PCR(Digital PCR): 시료 내 유전자의 초기 양에 대한 절대적인 정량 측정이 가능한 기술이다. 표준물질과의 비교나 '교정(Calibration)'이 불필요하고, 복잡한 혼합물의 분석과 결과물의 정량 검출이 가능하다는 것이 핵심 장점이다. droplet 샘플량의 '분률(분자와 백분율)'을 측정하는 방식으로, '액체 생검(Liquid Biopsy)' 기반의 정밀진단에 활용 가능하며, Microfluidic, droplet, BEAMING DIGITAL PCR 등이 있다.
| PCR 기술 | 세대 | 특징 |
| PCR, RT-PCR | 1세대 | 유전자의 존재 유무만 확인 가능 |
| Realtime PCR | 2세대 | 유전자의 상대적 양을 측정 가능 |
| Digital PCR | 3세대 | 유전자의 절대적 양을 측정 가능 |
4-2. 등온 증폭법
'등온 증폭법(Isothermal Amplification)'은 오래전에 개발된 기술로, PCR에 비해 상업화가 활발하지 않지만, PCR의 단점의 대안으로 여러 접근이 이루어지고 있다.
'등온 증폭법(Isothermal Amplification)'에는 '전사 매개 증폭(TMA: Transcription Mediated Amplification)', 'N핵산 서열 기반 증폭(NASBA: Nucleic Acid Sequence based Amplification)', 'Signal Mediated Amplification of RNA Technology(SMART)', 'S추세 변위 증폭(SDA: Strand Displacement Amplification', '롤링 서클 핵산 증폭(RCA: Rolling Circle Amplification)', '고리 매개 등온 증폭(LAMP: Loop-Mediated Isothermal Amplification)', 'Isothermal Multiple Displacement Amplification(IMDA)', 'Helicase Dependent Amplification(HDA)', 'Recombinase Polymerase Amplification(RPA)', 'Single Primer Isothermal Amplification(SPIA)' 등이 있다.
4-3. 표면 증강 라만 분광법
'표면 증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectrosopy)'은 금속 표면이나 '실리카(SiO2)' 나노 튜브와 같은 미세 구조에 흡착된 분자의 '라만 산란 신호(Raman Scattering Signal)'가 강화되는 현상을 이용한 것으로, 미량의 시료로도 강한 신호를 얻을 수 있어 바이오 지표의 분석에 많이 활용한다.
4-4. CRISPR 기술을 이용한 진단 키트
2020년 미국에서는 3세대 유전자 가위인 '크리스퍼(CRISPR)' 기술을 이용한 신종 '코로나바이러스(Corona Virus)' 감염증 진단 키트가 상용화되었다. 특정한 유전자 배열을 골라내거나 작은 유전자 정보를 탐색할 수 있는 크리스퍼 유전자 가위의 능력을 활용하는 것이다. 유전자 가위가 바이러스를 식별할 경우, 이 유전자를 전달하면서 형광 분자 신호가 생성되어 해당 바이러스 유전자 존재 유무를 1시간 이내애 알 수 있게 된다.
5. 면역 진단 기술
'면역진단 기술'은 진단 기기에 항원을 부착한 뒤 검체를 반응시킴으로써 항체의 유무를 판단하는 방법으로, 역으로 진단 기기에 항체를 부착하여 생체 내 항원 검출도 가능하다. 면역진단 방식으로 개발된 진단 기기는 별도의 진단 장비가 필요하지 않고, 10~30분 이내에 진단이 가능하다는 장점이 있어 현장 활용에 용이하다.
5-1. 효소 결합 면역 흡착제 검사법(ELISA)
'효소 결합 면역 흡착제 검사법(ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay)'은 항체나 항원에 효소를 표지하고, 효소의 활성화 정도를 측정하여 항원-항체 반응의 강도를 정량적으로 측정하는 방법이다. '대용량(High Throughput)' 검사를 수행할 수 있으며, 샘플 내 항원 또는 항체의 농도를 측정할 수 있다. '혈청', '혈장', '세포나 조직 추출물', '소변', '침' 등 다양한 검체를 활용할 수 있다는 점이 장점이다. 하지만 효소와 기질의 반응에 기반하여 검출하기 때문에, 단시간 내에 검출해야 한다는 단점이 있다.
시료에서 검출하고자 하는 항체를 항원 또는 1차 항체에 부착하는 방식에 따라 'Direct ELISA, Indirect ELISA, Sandwich ELISA, Competitive ELISA 등이 있으며, 방법에 따라 민감도나 특이도를 높일 수 있다. Digital ELISA는 수십 마이크로 크기의 '웰 어레이(Well Array)'를 이용하여 형광물질이 나타나거나 나타나지 않는 마이크로 챔버의 개수를 측정하는 방식으로, 낮은 농도의 항원 농도를 측정할 수 있다.
형광표지 항체를 활용하는 '형광항체법(FA: Fluorescent Antibody Test)'나 '간접형광항체법(IFA: Indirect Fluorescent Antobody Test)'는 ELISA와 원리가 유사한데, 형광물질이 표지되는 위치를 검출함으로써 '병원체(항원)'가 존재하는 부위를 확인할 수 있다.
5-2. 압타머(Aptamer)
'화학 항체(Chemical Antibodies)'라고 불리는 '압타머(Aptamer)'를 활용해 병원체를 검출하기 위한 기술도 개발되고 있다. '압타머(Aptamer)'는 일반적인 '항체(Antibody)'에 비해 장기간 보존이 가능하고, 낮은 면역원성과 높은 안정성을 지닌다. 또한 화학적 합성을 통해 생산되므로, 동일한 품질로 저렴하게 생산 가능하다는 점 등의 장점이 있다.
발굴된 '압타머(Aptamer)'는 일반적인 항체보다 높은 결합력을 지녀 항체의 대체물질로 각광받고 있다. 원인 병원체에 특이적으로 결합하는 특성을 활용해 '감염졍 진단기술'에 활용되는 등 적용 범위가 넓어 '압타머' 발굴을 위한 연구도 추진되고 있다. 단일 가닥의 DNA/RNA 라이브러리를 선별하려는 표적분자와 결합시키고, 결합되지 않은 핵산 분자를 제거해 높은 친화력을 갖는 핵산 분자만을 선별한 뒤, 이를 PCR 등을 활용해 증폭하는 과정을 5~15번 반복한다. 이 과정을 통해 표적분자와 높은 결합력과 특이도를 나타내는 압타머를 발굴하게 된다. 표적에 결합된 압타머를 분리하여 PCR에 적용하거나, 미세유체 칩에 항체 대신 부착시켜 표적물질과의 결합 여부를 확인하는 등 적용 범위가 넓다.
6. 기타 진단 기술
'기타 진단 기술'은 '분자 진단(Molecular Diagnosis)'과 '면역 진단(Immunodiagnosis)' 이외의 진단 기술이다. '분자 진단 기술', '면역 진단 기술' 등의 접근성이나 환자 상태 및 검체 취급에 대한 오류 등 한계를 보완하기 위해, 특히 영상분석에 기반하는 진단 보조적 연구개발 분야가 주목받고 있다. 감염병 진단을 위한 '전자현미경적 분석법'을 개발하거나, 병원체의 지표 이미지를 데이터화하여 병원체 진단을 위한 형태학적 분류 체계를 수립하여 진단에 활용할 수 있다. 감염 초기 잠복상태나 검체 취급의 문제로 위음성 판정이 발생할 가능성 및 질환의 경과 등을 보완하기 위한 영상기술 등이 개발되고 있다.
6-1. 영상의학적 진단
- X-Ray 또는 CT: 코로나19 등 호흡기 바이러스 감염 시 'X선 촬영(X-Ray)' 또는 '컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography)' 등 흉부 영상을 통해 폐렴의 손상 범위나 심각도 등 특징적인 패턴을 분석함으로써 '분자 진단', '면역 진단'의 결과를 보완할 수 있다. 전 세계적으로 다양한 의료 인공지능 기업들에서는 코로나19로 인한 폐렴의 진단과 중증도 판단을 지원하기 위한 솔루션을 개발하고 있다. 한국에서는 '뷰노(Vuno)', '루닛(Lunit)' 등의 기업에서 흉부 X-ray 또는 CT 기반의 폐 질환 진단 및 정량화 관련 데이터·솔루션을 공개하였다.
6-2. 현미경적 진단
- 세포진 검사(Pap Smear Test): '인유두종 바이러스(HPV: Human Papillomavirus)' 감염과 밀접하게 관련된 '자궁경부암(Cevical Cancer)'의 경우, 현미경을 활용한 '세포진 검사(Pap Smear Test)'로 진단하는데, '딥러닝(Deep Learning)' 알고리즘 영상 판독 모델을 개발함으로써 선별검사에 활용하려는 시도가 이루어졌다.
7. 진단 플랫폼 기술
다양한 병원체나 면역 항체에 동시에 적용할 수 있는 '멀티플렉스형 진단'이나 '고감도 진단'을 위한 기술이 지속적으로 개발되고 있다.
- 멀티플렉스형 진단 기술: Realtime PCR을 통한 다중 분자 진단 기술로써 '프라이머(Primer)'를 고용량으로 담는 '마이크로 입자'를 이용해 각기 다른 프라이머를 한 번에 넣어 다양한 유전자를 증폭해 고효율로 증폭하는 기술이 개발되었다.
- 고감도 진단 기술: '효소 결합 면역 흡착제 검사법(ELISA)', '등온 증폭법(Isothermal Amplification)', '표면 증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectrosopy)' 등과 같이 오랜 기간 사용되어 온 기술의 경우에도 '신규 특이 반응성 형광' 또는 발색 기술' 등을 접목함으로써 다중의 고감도 검출이 가능해졌다.
'나노기술(Nanotechnology)'과의 융합을 통해 정밀도와 감도를 높이기 위한 센서 기술들이 개발되고 있으며, '위양성(음성을 양성으로 잘못 판정하는 오류)', '위음성(양성을 음성으로 잘못 판정하는 오류)' 검사율을 낮추고 신속한 진단으로 조기 격리 여부의 결정에 도움을 주고 있다. '검체(검사에 필요한 재료)'의 포집·농축·정제 등 '전처리 공정의 효율화'나 '고감도 센싱을 위한 플랫폼 기술'로 '3D 나노구조체'나 '금 나노 기판(Gold Nano-substrate)' 등이 개발되어 진단기술에 접목되고 있다. '나노 자성입자(Magnetite Nanoparticles)'의 물리적 특성을 이용해 임상 검체 내에서 다중 항원을 동시에 정밀하게 검출해 신속한 감별진단이 가능한 센서를 개발하거나 '나노입자(Nanoparticle)'의 합성·제어 기술 등 유관 기술들이 개발되었다.
'마이크로어레이(Microarray)' 칩과 '미세유체(Microfluidics)' 칩 등의 '바이오칩(Biochip)' 분야는 BT 기술과 IT 기술이 접목되어 가장 활발하게 연구되고 있는 분야 중 하나이다. 미세유체 기술의 발달로 '샘플의 전처리', '유전자 증폭·검출', 기능이 하나의 칩 안에 통합된 '마이크로 시스템(Micro System)'을 제작해 현장 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. '미세유체 시스템'은 소형화·집적화 된 분석 시스템으로, 분석 샘플과 시약 소모가 적고, 살아 있는 세포 및 생체 물질 등을 직접 활용한다. 때문에 생체반응에 보다 가까운 결과를 측정할 수 있으며, 크기가 작아 휴대성이 높다는 장점이 있다.
8. 진단 성능 평가 기술
시제품의 임상적 성능을 검증하거나, '표준 항원을 인한 인식률', '위양성·위음성 검사', '진단 방법의 표준화', '기기의 안정성 평가' 등이 진단 성능 평가의 범위에 포함된다.
개발된 진단 기기의 평가를 위해 '임상 분리 병원체' 및 '감염병 환자의 임상 검체' 등을 활용해, '분석적 성능 평가' 및 '임상적 성능 평가'를 수행한다. 이미 허가를 받은 제품과 '사용목적', '작용 원리' 또는 원재료 등이 동등하지 않은 경우, 새로운 체외 진단 의료기기로 간주하고 있으므로 이에 대한 임상적 성능 평가가 필요하다. '분석적 성능 평가'의 경우, 장기 보관이나 개봉 후 안정성을 포함해 평가함으로써, 실제 방역 현장 및 시중 유통에 대한 사용 기한 가이드라인을 확보해야 한다. 대한민국 식약처에서는 '체외 진단 의료기기 임상적 성능시험 가이드라인'을 통해 체외 진단 의료기기 허가·심사 시 요구되는 자료 제출의 대상 및 범위, 항목 및 결과 산출 방법 등을 안내하고 있다.
9. '감염병 진단 기술' 정책 동향
2014년 '세계 보건 기구(WHO: World Health Organization)'는 서아시아 지역의 '에볼라(Ebola)' 유행을 계기로 '긴급 사용 평가(WHO EUAL)'에 대한 평가 기준과 지침을 제공하였다. '긴급 사용승인 제도(EUA: Emergency Use Authorization)'는 감염병 등에 의해 국가위기 또는 잠재적 위기 발생 위험이 있으나, 규제 당국으로부터 정식 허가를 받은 제품이 없을 때, 긴급한 평가 또는 검토를 통해 허가받지 않은 제품을 사용하도록 허용하는 제도이다. '코로나19' 확산으로 WHO 및 주요국에서는 '긴급 사용승인 제도(EUA)'를 시행함으로써, 규제 당국의 정식 허가를 받지 않은 코로나19 진단 기기의 시장 진입을 한시적으로 허용하였다.
세계 각국은 '체외 진단 기기(IVD: In Vitro Diagnostic)' 산업을 체계적으로 발전시키기 위해, 규제를 완화하고 안전성 확보에 관한 정책을 수립·시행하고 있다.
9-3. 미국
미국의 체외 진단 기기는 '연방식품의약품법(Federal Food, Drug and Cosmetic Act)' 210(h)항에 정의된 의료기기로써, 용도에 따른 위험 등급 분류에 따른 '미국 식품의약국(FDA: Food and Drug Administration)' 규정이 적용되고, 시판 전 및 후 통제 대상이 된다. 미국은 제품 수명 전주기에 걸쳐 의료기기의 안전을 관리하도록 하고, 혁신 의료기기에 대한 허가 기간을 단축하도록 하고 있다.
'코로나19(COVID-19)' 대유행으로 '미국 식품의약국(FDA: Food and Drug Administration)'에서는 진단 기기 등 필수 의료기기를 신속하게 공급하기 위한 '긴급 사용승인 제도(EUA)'를 시행하였다. 미국 FDA의 EUA에 지정된 제품은 시장에 신속한 접근이 허용되지만, FDA가 부여하는 공중보건 비상사태의 기간만큼만 유효하므로, FDA에서 EUA의 유효일자를 결정하고 선언된 기간이 끝나면 개별 승인이 종료된다. 미국 FDA의 코로나19 긴급 사용승인 의료기기에는 '개인보호장비', '체외 진단 기기(진단키트)', '인공호흡기' 등 기타 장비가 포함되었다. 미국은 코로나19 공중보건 비상사태 선언 뒤, 2020년 2월 초 미국 FDA에서 진단 기기의 긴급 사용승인 절차를 협의하였고, 다양한 정책을 통해 진단기술의 고도화를 촉진하였다.
- 미국 식품의약국(FDA: Food and Drug Administration): 2020년 2월 초, 미국 FDA에서는 '미국 질병통제예방센터(CDC)'에서 개발한 진단 기기를 승인하였으나, 결함으로 불완전한 결과를 도출하였다. 2020년 2월 말 새로운 진단키트를 내보낼 때까지 CDC에서 개발한 진단 기기 외에는 승인되지 않았다. 진단키트가 충분치 않은 상황에서, 미국 CDC에서는 중국 또는 위험 지역을 최근에 방문했거나 감염자와 접촉한 사람만 검사를 받도록 권고하는 제한된 검사를 몇 주 간 고수함으로써, 코로나19의 확산을 억제할 기회를 놓쳤다는 평가를 받았다.
- 미국 생물의약품 첨단 연구개발국(BARDA: Biomedical Advanced Research and Development Authority): 미국 '생물의약품 첨단 연구개발국(BARDA)'에서는 민간과의 '파트너쉽(Partnership)'을 통해 코로나19 '백신', '치료제', '진단기술 개발', '상용화' 관련 연구 및 자금 지원을 추진하였다.
- 미국 질병통제예방센터(CDC: Centers for Disease Control and Prevention): 미국 CDC에서는 'COVID-19에 대한 글로벌 대응을 위한 CDC 전략 2020~2023'을 통해 진단 부문에서' 차세대 시퀀싱' 및 '첨단 분자 기술' 등을 활용한 병원체 식별 기술 개발 지원을 제시하였다. 'CDC' 내의 '인수 공통감염병 질병센터(NCEZID)'에서는 신종 감염병 및 인수 공통감염병 대응을 위한 '전략 계획 2018~2023'을 발표하였으며, 진단 부문에 있어 '메타게놈(Metagenome)', 'DNA 시퀀싱(DNA Sequencing)' 등 진단기술의 신속화·고도화 전략을 추진하였다.
- 미국 국립보건원(NIH: National Institutes of Health): '미국 국립보건원(NIH)'에서는 'RADxSM 이니셔티브'를 통해 4가지 RADx 프로그램 'RADx-Tech', 'RADx-UP', 'RADx-rad', 'RADx-ATP'에 15억 5000만 달러를 투입하였다.
- 미국 특허청(USPTO: United States Patent and Trademark Office): 미국 특허청에서는 2020년 5월 코로나19의 예방 및 치료에 대해 FDA 승인을 받아야 하는 소규모 기업의 발명을 대상으로, 한시적인 '우선심사 프로그램(Prioritized Examination Pilot Progrma)'을 무료로 지원하였다. 특허 출원만으로는 독점 배타적인 권리를 부여하지 않기 때문에 빠른 특허 등록이 될 수 있도록 우선심사제도를 운영하며, 해당 제도를 통해 약 12개월 이내에 미국에서 최종 심사 결정을 받을 수 있도록 하였다.
9-2. 유럽 연합(EU)
'유럽연합(EU)'은 2021년 5월 26일부터 기존의 '의료기기 지침(MDD: Medical Device Directive)'을 강화한 '의료기기법(MDR: Medical Device Regulation)'을 시행하였다. 또 2022년 5월 26일부터 '체외 진단 의료기기 지침(IVDD: In Vitro Diagnostic Devices Directive)'을 강화한 '체외 진단 의료기기법(IVDR: In Vitro Diagnostic Device Regulation)'을 시행하였다.
9-3. 영국
- Accelerated Access Pathway(AAP): 영국은 2018년 의료기기 제조업체에 대한 승인 기간 단축을 위해 'Accelerated Access Pathway(AAP)' 제도를 도입하였다. 또 2019년에는 '노딜 브렉시트(No Deal Brexit)' 상황에 대비하기 위해 의료기기 규제 관련 '가이던스(Guidance)'를 개선하였다.
- 국가 위험 등록부 2020(National Risk Register 2020): 영국은 '국가 위험 등록부 2020'을 통해 개인보호장비 착용 및 의료시설 확충 등 감염병 위협에 대응하기 위한 전략을 제시하였다.
- 공동 생물 보안 센터(JBC: Joint Biosecurity Centre): 2020년 감염병 현황 분석 및 평가를 위해 '데이터 사이언스(Data Science)', '공중 보건' 등의 내용이 결합된 '공동생물보안센터(JBC: Joint Biosecurity Centre)'를 설립하였다
9-4. 중국
2021년, 중국은 의료기기 혁신 체계를 격려하고, '심사 제도 개선', '등록인 제도 전면 보급', '임상시험 관리제도 개혁', '시판 후 감독 관리 요구 강화' 등의 내용을 포함하는 의료기기 감독 관리 조례를 개정하여 시행하였다.
9-5. 한국
9-5-1. 한국의 코로나 19 대응
질병관리청에서는 '세계보건기구(WHO: World Health Organization)'로부터 '코로나19 바이러스(COVID-19)' 병원체를 제공받은 뒤, 2020년 1월 말 민간 진단키트 기업을 긴급 소집하여 '시약 개발법'과 '긴급 사용 승인' 계획을 공개함으로써 민간의 진단 시약을 촉진하였다. 한국은 당시 4건의 감염 사례밖에 없었던 때이지만, 질병관리청에서 검사 방법에 대한 정보를 공개하고, 신속한 승인을 약속하며 제품개발을 독려하여 2020년 2월 4일에 최초의 진단 키트를 승인하였다. 정부는 진단 기기의 신뢰성을 확인하기 위한 교차 검증을 수행하며, 2020년 2월 12일에 두 번째 진단 키트를 승인하였다.
'서류 검토(식약처)', '임상 성능 평가(질병청)', '전문가 검토(진단검사의학회)', '승인 요청(질병청)', '승인(식약처)'의 4단계로 통상 1년 6개월이 소요되는 허가 기간을 2주 내로 축소하였다. '긴급 사용 승인 제도'는 '감염병 대유행'이나 '방사선 비상상황' 등에 적절히 대처하기 위하여 진단 시약 등 의료기기의 긴급한 사용이 필요하지만, 국내 허가 제품이 없거나 공급이 부족한 경우 제품 허가 단계를 면제해 한시적으로 제조·사용·판매할 수 있는 제도로, 한국은 '메르스(MERS: Middle East Respiratory Syndrom)'사태 발생으로 인해 2016년에 최초로 도입하였다.
- 복지부: 2020년 4월, 한국 기업들의 미국 진출 관심도 증대에 따라 복지부에서는 '코로나19 진단키트 생산기업을 위한 미국 FDA 긴급 사용승인 취득에 관한 설명회'를 통해 미국 진출 활성화를 도모하였다. 한국의 코로나19 진단키트 등 의료기기 생산기업을 대상으로 미국 FDA 긴급 사용승인 절차, 승인, 등록 과정 등에 대한 정보를 제공하였다. 그리고 관계 부처 합동으로 진단키트 수출 지원 방안을 수립함으로써 해외 진출 확대를 모색하였다. 코로나19 방역 대응 과정에서 한국의 진단기술 우수성과 수출 잠재력이 확인되어, 당시 전 세계 121개국에서 진단키트 지원을 요청하였다.
- 과기정통부: 과기정통부에서는 코로나19와 관련하여 '진단기술', '치료제', '백신' 개발 등의 R&D 지원정책, 방역 및 기업 지원 활동 등 다양한 사항들을 포함한 주요 정책들을 지속적으로 추진하였다. 또한 식약처에서는 체외 진단 의료기기의 임상적 성능시험 방법과 등급별 허가·인증·신고 절차를 상세히 안내함으로써 체외 진단 의료기기의 개발과 허가 및 인증이 원활하게 추진될 수 있도록 지원하였다.
- 특허청: '우선심사제도'는 일반적으로 심사청구 순위에 따라 행해지는 것이 원칙이지만, 일정한 요건을 만족하는 경우 다른 출원보다 먼저 심사할 수 있도록 하는 우선심사제도를 규정하고 있다. 미국, 유럽, 일본 등에서도 시행하고 있다. 대한민국 특허청에서는 우선심사제도를 활용하여 코로나19 진단기술 특허의 신속한 권리 획득을 지원하고, IP 담보 대출, 특허 공제 부금 납부 유예를 실시하는 등 특허 권리 확보 지원을 활성화하였다. 한국에서 코로나19 진단과 관련된 기술 중 가장 최초로 출원·등록된 기술은 2020년 2월에 출원되어 4월에 등록된 특허로, 통상 특허가 출원된 후 등록까지 1년 이상 소요되는 것을 고려할 때 매우 신속한 심사가 진행되었다. 2020년 4월부터 '코로나19 특허 정보 내비게이션'을 통해 진단, 치료, 방역 등의 특허기술 동향과 연구 데이터를 제공하고 있다.
- 질병관리청: 질병관리청에서는 국가 감염병 실험실 체계를 운영하면서 민간 의료기관에서 검사할 수 없는 감염병에 대한 진단 검사를 수행하였다. 아울러 법정 감염병 진단 검사에 대한 통합지침을 발간하여 검사 의뢰에 대한 가이드를 제공하였다. 검사 의뢰를 위한 통합 가이드에는 '감염병별 검사법', 검체의 '종류', '용기', '채취시기', '보관 온도' 등의 검체 채취 방법, '감염성 물질의 포장 방법', '시·도 보건환경연구원의 감염병별 담당 부서 정보' 등 상세한 내용이 제시되어 있다.
9-5-2. 한국이 제안한 감염병 진단기법이 국제표준으로 제정되었다.
2020년 12월 2일, 한국이 제안한 '코로나19 등 감염병 진단 기법'이 '국제표준화기구(ISO: International Organization for Standardization)'의 국제표준으로 제정되었다. 2009년 '신종플루', 2015년 '메르스(MERS)' 등 신종 감염병이 유행하며, 감염병 진단 검사 관련 절차와 방법에 대한 표준화 필요서이 제기되며 추진되었으며, 유전자 증폭 방식의 체외 진단 검사를 수행하는 검사실의 운영 절차와 방법을 정의하고 있다. 국제표준으로 제정된 '코로나19 등 감염병 진단 기법'의 '국제표준명'은 아래와 같다.
- 국문명: 체외 진단 시험 시스템 – 미생물 병원체의 검출 및 식별을 위한 핵산 증폭 기반 체외 진단 검사 절차 - 검사실 품질 적용 가이드(ISO 17822)
- 영문명: In vitro diagnostic test systems — Nucleic acid amplification-based examination procedures for detection and identification of microbial pathogens — Laboratory quality practice guide(ISO 17822)