엑소좀과 라만신호, 인공지능 분석기술을 결합해 한 번의 혈액 검사만으로도 폐암, 췌장암, 유방암, 대장암, 위암, 간암을 비롯한 6종의 암을 동시에 조기진단할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술은 초기 기수 암의 존재를 확인할 뿐 아니라 암의 종류도 식별할 수 있다. 고려대학교 바이오의공학부 최연호 교수, 고려대학교 구로병원 심장혈관흉부외과 김현구 교수, 주식회사 엑소퍼트 공동연구팀의 성과다. 

사람들이 대화를 하거나, 다양한 형태의 메신저를 통해 서로의 의견 및 정보를 주고받는 것처럼, 세포들도 엑소좀이라는 입자를 이용해 서로의 정보를 주고 받고 영향을 끼친다. 이러한 엑소좀들은 세포의 종류 혹은 상태(정상 혹은 질병)에 따라서 다른 메시지를 포함하고 있으므로, 혈액으로부터 엑소좀을 분리한 후 메시지를 잘 읽어낸다면 원래의 세포 더 나아가 그 세포를 가지고 있는 사람이 특정 질병이 있는지 없는지를 비교적 쉽게 그리고 조기에 알아낼 수 있다.

암은 초기 단계에서 발견할 시 더 나은 치료 기회가 주어지고 생존률이 크게 향상될 수 있다. 하지만 암종별로 검사법이 서로 달라 검사 비용과 시간이 많이 소모되며, 특정 암종은 조기 발견이 어려운 경우가 많다.

이에 반해 액체생검(Liquid biopsy) 기술은 혈액과 같은 체액 속에 존재하는 종양세포가 분비하는 물질을 체외에서 검출하는 방법으로 혈액검사를 통해 암을 조기에 발견할 수 있어 암 치료·예방 전략에 있어 핵심적인 역할을 담당할 것으로 기대받고 있다.

 

연구팀이 주목한 것은 혈액 속 엑소좀이라는 물질로, 이는 몸속 종양세포의 분자정보를 간직한 상태로 혈액 속에 풍부하게 존재해 차세대 암 바이오마커로 각광받고 있다. 연구팀은 암종마다 별도의 방법으로 엑소좀을 검출할 필요 없이 종합적인 엑소좀의 패턴 변화를 나노기술과 인공지능 기술로 분석해 한번의 테스트만으로 6종 암에 대한 정보를 한번에 획득할 수 있는 기술을 개발했다.

 

연구팀은 혈액으로부터 엑소좀을 분리하고, 표면증강라만분광학 (Surface-enhanced Raman spectroscopy) 바이오센싱 기술을 통해 엑소좀의 분자구조 패턴을 대변할 수 있는 2만개 이상의 라만신호 데이터를 확보했다. 연구팀은 이 데이터를 기반으로 6종의 암을 동시에 식별할 수 있는 인공지능 알고리즘을 구현했다. 알고리즘 학습에 이용하지 않은 520명의 정상인 및 암환자의 엑소좀 정보를 분석했다. 

결과적으로 연구팀은 폐암, 췌장암, 유방암, 대장암, 위암, 간암에 대해서 97%의 정확도(ROC 커브의 AUC 기준)로 암의 존재를 감지할 수 있었고 90%의 민감도와 94%의 특이도를 달성했다. 이 기술은 암의 존재 뿐 아니라 평균 90% 이상의 정확도로 암종의 종류 (Tissue of origin)까지 식별해낼 수 있었다. 특히, II기 이하의 초기 기수에서도 88%의 암 진단 민감도를 나타냈으며 76%의 환자에서 암종 정보를 정확히 판별해내 암 조기진단을 위한 액체생검 기술로서의 가능성을 보였다.

 

최연호 교수는 “이번 연구를 통해 최근 암 진단 분야의 화두인 ‘다중암 조기발견 (MCED; multi-cancer early detection)’이 가능해질 수 있다”며 “아직 암이 발견되지 않은 초기 암 환자를 더 빨리 치료 단계로 유도해 사망률 뿐 아니라 암 관리 비용도 크게 낮출 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

김현구 교수는 “이 연구는 소량의 혈액에서 분리한 엑소좀 이라는 물질을 분석해 다양한 암종 및 초기 암을 높은 정확도로 진단할 수 있다"며 "고비용의 방사선 영상 진단 방법과 비교하여 환자의 의료비 부담을 낮출 수 있고, 초기 암 진단을 통한 최적의 치료로 환자의 예후에 긍정적인 영향을 줄 수 있을것으로 기대한다"고 밝혔다. 

연구팀은 이 기술에 대한 특허를 출원함과 함께 실제 진단검사 영역에서 기술을 빠르게 상용화할 수 있도록 본격적인 개발 및 인허가 절차에 착수하고 있다. 기술개발과 함께 상용화를 추진하고 있는 주식회사 엑소퍼트는 올해말 폐암 진단용 인공지능 소프트웨어에 대한 식약처 임상시험 진입을 목표로 하고 있다. 이번 다중암 동시조기진단에 대한 기술도 상용화하고자 노력하고 있다.

신현구 박사는 “암종마다 추가적인 검출이 필요하지 않기 때문에 더 많은 종류의 암으로 진단 표적을 확장할 수 있을 것”이라며 “이미 엑소좀 분리용 시약부터 라만신호 검출용 의료장비까지 핵심기술에 대한 의료기기 신고를 완료하였기 때문에 빠른 시일내로 실제 진단검사에 기여할 수 있도록 힘쓸 것”이라고 강조했다. 

이번 연구는 범부처전주기의료기기연구개발사업단과 서울산업진흥원의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과를 인정받아 세계적 권위의 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature communications)’에 이달 24일 게재됐다. 

 

국내 연구진이 상부 조기 위암 환자 복강경 시술 시, 근위부 위절제 후 이중통로문합술 시행이 위전절제술만큼 안전하고 예후가 좋다는 사실을 다기관 임상 연구를 통해 규명했다.

서울대병원과 분당서울대병원 등 국내 10개 기관 21명으로 구성된 KLASS-05 연구팀이 2016년부터 2018년까지 상부 조기위암 복강경 수술 환자 138명을 대상으로 근위부 위절제 후 이중통로문합술과 복강경 위전절제술의 예후를 분석한 결과다. 

해당 연구 논문에는 서울대병원 위장관외과 박도중 교수가 제1저자로, 분당서울대병원 위장관외과 김형호 교수가 책임저자로 참여했다.

위암이 상부에 발견됐을 때 아무리 조기 위암이라도 식도와 남은 위를 바로 이어주면 역류가 심해져 수술 후 삶의 질이 떨어지기 때문에 전절제를 많이 시행한다.

 

최근 근위부 위절제 후 이중통로문합술이 도입되면서 역류성 식도염 발생 수준이 위전절제술과 비슷한 수준으로 보고됐다. 또한 근위부 위절제술이 위전절제술에 비해 낮은 수술 후 합병증 발생률 등 이점이 보고됐으나, 현재까지 무작위 임상시험에서 그 우수성이 입증된 적이 없었다.

연구팀은 복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술(LPG-DTR, laparoscopic proximal gastrectomy with double tract reconstruction)과 복강경 위전절제술(LTG, laparoscopic total gastrectomy)의 치료 효과를 비교하는 것을 목표로, 위의 상부 3분의 1에 조기 위암이 있는 환자 138명을 ▲복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술군(68명) ▲복강경 위전절제술군(69명)으로 나눴다. 이어 수술 후 헤모글로빈 수치, 비타민B의 보충량, 역류성식도염 발생률, 생존율 등 임상 지표를 비교 분석했다.

 

그 결과, 1차 평가 지표인 수술 2년 후 헤모글로빈 수치 변화 수준은 복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술군과 복강경 위전절제술군을 비교했을 때 각각 –5.6%, -6.9%로 유의한 차이가 없었다. 하지만 평균 비타민B 보충량 수치는 각각 0.4mg, 2.5mg으로 복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술군에서 수술 후 예후가 더 좋은 것으로 나타났다.

2차 평가 지표인 후기 합병증 발생률은 각각 17.6%, 10.1%였으며, 이 중 역류성 식도염 발생률은 모두 2.9%로 두 그룹 간에 차이가 없었다.

 

특히 삶의 질 평가에서 복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술군은 복강경 위전절제술군에 비해 신체 기능 점수(85.2점 vs 79.9점)와 사회적 기능 점수(89.5점 vs 82.4점)가 더 높았다.

 

추가적으로 두 그룹의 전체 생존율과 무병 생존율에서도 유의미한 차이는 없었다. 수술 2년 후 전체 생존율은 LPG-DTR 그룹과 LTG 그룹에서 각각 98.5%, 100%였고, 2년 무병 생존율은 각각 98.5%, 97.1%로 나타났다.

박도중 교수는 “수술 후 합병증 발생률과 생존율 비교 결과, 두 그룹 간 큰 차이가 없다는 점에서 복강경 근위부 위절제 후 이중통로문합술이 복강경 위전절제술만큼 안전하다는 것을 시사한다”며 “이번 연구를 통해 복강경 근위부절제 후 이중통로문합술이 복강경 위전절제술 대신 상부 조기 위암 환자에게 시행할 수 있는 위 기능보존 수술로 인정받아 의미가 크다”고 말했다.

다기관(서울대병원·분당서울대병원·아주대병원·신촌세브란스병원·양산부산대병원·국립암센터·서울성모병원·서울아산병원·화순전남대병원·경상대병원)이 참여해 전향적으로 진행된 이번 연구 결과는 미국의학협회가 발행하는 국제 학술지 ‘JAMA Network Open’ 최근호에 게재됐다.

 

국내 연구진이 영유아 디지털 헬스케어 기업 ‘루먼랩’과 함께 아동의 주의력결핍 과잉행동장애와 수면장애를 웨어러블 디바이스를 통해 조기선별할 수 있는 인공지능 모델 가능성을 규명했다.

아동에서 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD : Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD)와 수면장애의 조기진단은 아동의 정신건강과 성장발달에 매우 중요하다. 그러나 일상생활에서 조기에 선별하기 힘들고, 기존 면담과 설문을 통한 진단방법은 한계점이 있기 때문에 보다 편리하고 객관적인 생활 속 조기선별기술의 필요성이 대두되고 있다.

고려대학교 안암병원 정신건강의학과 조철현 교수 연구팀은 미국에서 시행된 청소년 뇌인지발달(ABCD : Adolescent Brain Cognitive Development)연구를 통해 축적된 아동 웨어러블 데이터와 ADHD 및 수면장애 진단결과를 활용했다. 

심박수, 걸음수, 수면시간, 수면의 단계, 낮잠, 소비칼로리 등 5,725명의 아동들의 21일간의 웨어러블 데이터를 일주기리듬을 기준으로 분석해 ADHD 진단모델을 위해 1만 2348개의 데이터, 수면장애 진단모델을 위해 3만 9160개의 데이터를 활용했다.

연구 결과, ADHD에 대한 진단모델은 모델의 성능을 평가하는 AUC가 0.798, 민감도 0.756, 특이도 0.716로 나타났다. 수면장애에 대한 진단모델은 AUC 0.737, 민감도 0.743, 특이도 0.632로 나타났다. 

두가지 모델 모두 일상생활에서 디지털 표현형(digital phenotyping)을 활용한 조기선별이 가능한 수준의 성능을 보였으며, 이는 웨어러블 데이터를 통한 아동의 ADHD와 수면장애 조기발견 및 조기치료의 근거를 마련한 것이다.

조철현 교수는 “일상생활에서 얻게 되는 디지털 표현형을 활용한 기계학습 진단 모델이라는 점에서 손쉽고, 객관적이며, 조기에 선별과 개입이 가능할 것”이라며 “특히 아동들은 자신의 증상을 자각하기 힘들며 상대적으로 디지털 기기에 대한 친숙도와 활용도가 높아지고 있어 향후 개인맞춤 디지털치료 서비스와 연동 시 치료효과로 이어질 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 ‘Machine Learning–Based Prediction of Attention-Deficit/ Hyperactivity Disorder and Sleep Problems With Wearable Data in Children’라는 제목으로 미국의사협회 학술지 ‘JAMA Network Open’에 게재됐다.