서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 권성훈 교수팀이 서울대병원 박완범, 김인호 교수팀과 퀀타매트릭스와의 공동 연구를 통해 치사율이 40% 이상에 달하는 패혈증 환자의 생존율을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 길을 열었다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계적으로 가장 권위 있는 학술지인 Nature(IF = 50.5)에 7월 25일 게재됐다. Nature는 과학과 기술 전분야를 다루는 저널로, 본 연구의 게재는 패혈증과 항균제 내성이 인류에게 매우 심각한 사회적 문제임을 시사하며, 이번 연구가 이러한 문제에 대한 변혁적인 해결책을 제시했음을 의미한다. 또한 Nature는 이번 연구를 특별히 ‘Podcasts in 2024’로 선정하고, 권성훈 교수의 인터뷰를 ‘Nature Podcast’에 공개함으로써 연구의 중요성을 부각했다.

패혈증은 박테리아나 곰팡이 같은 병원균이 혈액 내에서 증식해 전신에 걸쳐 과도한 염증 반응을 동반하는 질환으로, 급격한 장기손상을 일으켜 환자를 수일 내 죽음에 이르게 한다. 30일 내 치사율이 30% 이상으로 심장마비, 심근경색보다 2배 이상 높으며, 최적 항균제를 빠르게 처방해야 치사율을 낮출 수 있다.

하지만 현재 환자에게 효과적인 항균제를 찾아내는 ‘항균제 감수성 검사’ 결과를 얻기까지는 기술적으로 2~3일 이상의 오랜 시간이 필요하다. 이에 병원에서는 불가피하게 광범위한 병원균을 죽일 수 있는 강력한 광범위 항균제를 사용해 경험적으로 환자들을 치료할 수밖에 없는데, 현재 광범위 항균제에 대한 내성율은 30%에 육박하고, 매년 내성균의 출현으로 점점 높아지고 있다. 만약 환자가 감염된 병원균이 해당 항균제에 내성이 있을 경우 환자의 예후는 급격히 나빠져 사망에 이를 수 있다.

나아가 검사의 지연으로 인한 항균제의 오남용은 항균제에 내성을 가진 ‘슈퍼박테리아’가 빠르게 발달하는데 직접적으로 기인하고 있다. 이처럼 항균제 내성 비율이 점차 증가함에 따라 현재의 경험적 치료 또한 점점 어려워지고 있으며, 이러한 악순환으로 인해 세계보건기구(WHO)는 2050년에는 전 세계에서 연간 1000만 명이 슈퍼박테리아에 의한 감염으로 사망할 것으로 전망하고 있다.

현재 패혈증 환자를 최적으로 치료하려면 세 가지의 독립적인 검사가 필요하다. 세 가지 검사는 균의 감염 여부를 확인하기 위한 ‘혈액 배양’, 감염된 병원균의 종을 식별하기 위한 ‘병원균 동정 검사’, 최적 항균제를 찾아내기 위한 ‘항균제 감수성 검사’로 이뤄져 있으며, 모든 검사의 결과를 종합해야 비로소 최적의 항균제 처방이 가능하다. 이중 항균제 감수성 검사 자체의 소요 시간을 단축한 기술들은 일부 개발되고 있지만, 전체 과정 중 가장 오랜 시간을 차지하는 혈액 배양은 전 세계적으로 단축에 성공한 사례가 없다.

서울대학교 권성훈 교수팀이 이번 연구를 통해 개발한 초고속 항균제 감수성 검사(ultra-Rapid Antimicrobial Susceptibility Testing, uRAST)는 세계 최초로 기술적 난제였던 혈액 배양을 생략하고, ‘하루 이내’에 최적 항균제 처방에 필요한 모든 검사를 완료할 수 있는 통합 기술이다. uRAST는 혈액 배양 생략을 위해 면역 단백질이 합성된 나노입자를 이용하는데, 이 합성 나노입자는 병원균에 특이적으로 결합하는 성질이 있어 환자의 혈액으로부터 순수한 병원균만을 분리해낼 수 있다. 여기에 연구팀은 병원균 동정 검사와 항균제 감수성 검사 또한 신속히 수행할 수 있는 신기술을 개발하고 통합함으로써 ‘초고속’ 검사 구현에 성공했다. 패혈증 감염 의심 환자 190명을 대상으로 한 임상시험에서 uRAST는 모든 검사를 13시간 이내에 완료해 기존 진단 장비 대비 40~60시간을 단축한 결과를 나타냈다. 또한 uRAST는 FDA 기준을 충족하는 높은 정확도로 기술의 완성도를 입증했다.

이번 연구의 또다른 의의는 패혈증 진단에 필요한 모든 검사를 통합함으로써 전자동화가 가능한 기술을 구현한 것에 있다. 세 가지 검사가 개별적으로 이뤄지던 기존의 방법은 배양 단계부터 복잡하고 많은 수작업이 필요하다. 문제는 대부분의 병원은 현실적으로 매일 24시간 인력이 투입되는 이른바 ‘24/7’ 운영이 어렵기 때문에 이런 검사 방법은 각 과정 사이마다 지연 시간이 크게 발생한다는 점이다. 예를 들어 병원 운영 시간 이후에 혈액 배양이 완료되면 병원균 동정이나 항균제 감수성 검사들은 다음 날 아침이 돼서야 재개될 수 있다. 이러한 검사의 지연은 수많은 패혈증 환자들의 골든 타임을 놓치게 한다. 본 연구는 패혈증진단에 필요한 모든 검사를 전자동화해 진정한 24/7 운영을 가능케 할 수 있는 혁신기술을 실제 환자들의 케이스로 증명했다는데 큰 의미가 있다.

관련해 Nature Podcast에서 권성훈 교수는 “학생들이 임상 시험을 위해 병원 실험실에 밤낮으로 방문했는데, 문이 닫혀 있어 실험을 못하고 돌아온 적이 종종 있었다. 이때 학생들이 두 눈으로 직접 불이 꺼진 실험실을 보니 ‘정말 이 시간에도 환자들이 위급해질 수 있겠다’는 사실이 체감됐다고 한다. 이를 계기로 6년이라는 기간 동안 연구의 끈을 놓지 않고 달려올 수 있었다”는 일화를 전했다.

논문의 공동 제1저자인 김태현 박사와 강준원, 장해욱 연구원은 “임상 연구 도중 돌아가시는 분이 생길 때마다 이 연구의 중요성과 책임감을 느꼈다. ‘최적 항균제의 진단이 보다 빠르게 이뤄졌더라면 그분들이 잘 회복되실 수 있지 않았을까’하는 마음으로 연구를 수행했다”며 “하루 빨리 이 검사 기술이 병원에 적용돼 패혈증으로 고통받는 환자들에게 도움이 됐으면 좋겠다”고 소감을 밝혔다.

본 연구 성과는 공대, 의대 간의 융합 연구가 있었기에 가능했다. 권성훈 교수팀은 실제 환자들에게 공학 기술 적용을 위해 의료진이 필요로 하는 기술들을 탐구하며, 끊임없이 중개의학 연구에 도전하고 있다. 패혈증 진단에 대한 연구 역시 과거에 한 연구원이 의사들을 대상으로 한 인터뷰를 통해 시작됐는데, 현재에 이르러서는 한 전문의가 이 기술의 발전 과정에 감명을 받아 권성훈 교수 연구실에 입학해 공학 기술 연구에 힘쓰고 있다.

논문의 공동 교신 저자인 권성훈 교수와 박완범 교수는 “의료계의 발전을 위해서는 대학과 병원의 긴밀한 협력이 매우 중요하다. uRAST 기술 또한 관련 연구를 10년 넘게 함께 진행하면서 얻어낸 수확이며, 연구 단계를 넘어 실제 병원에 적용될 수 있도록 계속해서 중개의학 연구에 정진할 것”이라고 포부를 밝혔다.

해당 연구에 참여한 서울대학교 권성훈 교수팀의 김태현 박사(공동 1저자, 현재 Caltech Research Scientist)와 강준원, 장해욱 연구원(공동 1저자, 현재 서울대학교 석박사통합과정)은 6년에 걸쳐 본 연구를 수행했으며, 서울대병원, 퀀타매트릭스 연구팀과 함께 상용화를 위한 추가 기술들을 개발하고 있다.

출처 : 서울대학교 공과대학