[BRIC] 정밀의학 분야에서 활용되는 오믹스 연구의 최신 분석 기술 및 적용사례

정밀의학 분야에서 활용되는 오믹스 연구의 최신 분석 기술 및 적용사례

1. 정밀의학과 오믹스 분석

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1.1. 정밀의학이란?

• 정밀의학(Precision medicine): 환자 개인의 특성에 맞추어 치료책이나 솔루션을 제공해 줄 수 있는 의료개념
• 개인 맞춤형 치료의 토대
  • 2003년 게톰프로젝트 완성
  • 2015년 오바마 정부 범국가적인 정밀의료 이니셔티브(Precision Medicine Initiative, PMI) 공식 발표
• 정밀의료: 진단 및 치료 방법, 유전학, 개인화

1.2. 오믹스 분석 및 오믹스 분석의 종류

• 정밀의학 솔루션 위해 개인의 현재 상태를 얻고 정보를 확인하는 과정이 얼마나 정확한지 등 신뢰도 있는 결과 필요
• 오믹스(Omics): 검체의 분석을 대규모로 확인하고 연구하는 학문
  • 검체: 개인의 상태를 확인하기 위해 분류할 수 있는 혈액, 타액, 소변, 대변 등
  • 검체를 통해 유전체 정보, 전사체 정보, 단백체 정보, 미생물군 분석 등 진행
  • 멀티오믹스(Multi-Omics): 여러 가지의 분석을 함께 해석하는 경우
• 오믹스 분석
  • 유전체(Genomics): 유전자 정보의 총칭
  • 전사체(Transcriptomics): 전사산물 정보의 총칭
  • 단백체(Proteomics): 단백질 정보의 총칭
  • 대사체(Metabolomics): 대사물 정보의 총칭

1.2.1. 유전체 분석

• DNA 분석
  • Sanger
    • 1970년대 생어 염기서열 분석(Sanger Sequencing) 기술의 개발
    • DNA 중합효소를 이용해 염기서열을 읽는 방식
    • 높은 정확도, 느린 분석 속도, 높은 비용
  • PCR
    • 중합효소 연쇄 반응(PCR) 기술 개발
    • DNA 증폭과 분석이 보다 용이
    • 법의학, 감염병 진단, 유전병 연구 등에 사용, 건강검진 등에서도 현재 가장 많이 활용
  • NGS
    • 차세대 염기서열 분석(NGS) 기술 개발
    • 생어 시퀀싱의 한계 극복, 한 번에 수억 개의 DNA 조각을 병렬로 분석 가능 -> 대량의 유전체 데이터를 빠르고 저렴하게 처리
    • 전장유전체 분석(Whole Genome Sequencing, WGS), 전장 엑솜 분석(Whole Exome Sequencing, WES), RNA 시퀀싱 등 다양한 응용 분야에서 사용
      • 전장유전체 분석(WGS)
        • 개별 생명체의 전체 유전체 서열을 해독하는 기술
        • 개별 유전자 정보에 대한 유의미한 변화가 있을 때 확인이 가능한 희귀 질환의 연구에 많이 활용
        • 종양 유전체 분석 등에 활용
      • 전장 엑솜 분석(WES)
        • 단백질을 코딩하는 유전자 영역(엑손)만을 분석하는 기법
        • 비용 대비 효율성이 높아 현재도 임상 연구에 가장 많이 사용되는 분석법 중 하나
      • 타깃시퀀싱(Targeted sequencing)
        • 특정 유전자 영역만을 선택적으로 분석하는 기법
        • 암 치료 표적 유전자 검사 등에 주로 활용
  • 3세대 시퀀싱(Third-Generation Sequencing, TGS)
    • PacBio사의 Single Molecule Real-Time(SMRT)
      • Long-read(10~100kb+) 시퀀싱 활용하여 기존 유전체 Reference에 의존하지 않는 신규 변이 및 SNP의 차이들을 찾아냄 (Short-read(50~300bp) 시퀀싱은 Genome reference에 매칭하는 염기서열 분석)
    • Oxford Nanopore사의 Nanopore sequencing
      • 실시간 분석 가능, 휴대용 장비에서 사용 가능

1.2.2. 전사체 분석

• DNA 분석은 기본적인 정보를, RNA 분석은 가변적인 상황 속 한 시점을 드러내는 기능
• RNA 분석은 특정 조직이나 세포에서 어떤 유전자들이 활성화되는지를 분석하는 데 유용
• 초기 RNA 분석
  • Northern Blot: RNA를 검출하고 분석하는 분자생물학 기법. 특정 mRNA의 존재 유무와 발현량 확인.
  • RNA를 cDNA로 만드는 역전사를 발견한 후 RT-PCR 방식과 같은 기법을 보편적으로 활용
  • PCR은 마커의 개수에 한계가 있기에 더 다양한 RNA를 확인하기 위한 마이크로어레이(Microarray) 등의 기술 발전
• 단일세포 전사체 분석(Single cell RNA sequencing)
  • 조직의 특성을 하나의 세포단위로 RNA 전사체를 확인
  • 환자의 면역 상태 등을 세포단위로 대략 샘플 당 20,000개 내외의 세포를 세밀한 단위로 분석 가능
  • 약물 개발의 종류에 따라 환자의 면역 자체로 암을 치료한 면역항암제 발전, 이에 따라 환자에 맞는 약물의 반응성을 미리 예측할 수 있는 연구들이 단일세포 전사체 분석을 통해 활성화
• 시퀀싱 기반 공간전사체 분석 및 면역형광염색 기반 공간전사체 분석
  • 조직의 단면에서 단일세포 단위로 전사체를 볼 수 있는 방법들이 개발되며 발전
  • 단일세포 전사체 분석으로도 기존 Bulk RNA seq에 비해 굉장히 많고 정밀한 정보를 얻을 수 있었지만, 실제 세포 하나하나가 조직 내에서 어떤 위치에서 어떻게 작용하는지 보기는 어려웠음
  • 최근에는 Fresh한 Tisseue에서만 분석 할 수 있는 것이 아니라 장기 보존이 용이한 파라핀 블록(FFPE)에서도 민감도 높게 전사체 분석 가능. 추후 적응증(특정 약물이나 치료법을 사용하여 효과를 볼 수 있는 질병이나 증상)이 확대되고 연구 결과가 축적된다면, 한 번의 플랫폼 결과만으로도 맞춤형 치료책을 통해 효능을 극대화시킬 수 있을 것으로 기대

1.2.3. 단백체 분석

• 1990년대
  • 2차원 겔 전기영동 방식(2D-PAGE) 기술 보급으로 단백질 분리 가능
  • Western blot: 현재까지도 가장 간단한 단백질 확인 방법
  • MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight): 질량 분석
  • 효모 2-하이브리드(Yeast Two-Hybrid, Y2H) 시스템 개발로 단백질-단백질 상호작용 연구 가능
• 2000년대
  • Tandem Mass Spectrometry (MS/MS) 기술 발전: 정교한 단백질 동정 및 정량 분석
  • Electrospray Ionization Mass Spectrometry (ESI-MS): 단백질 혼합물의 분석 효율 증가
• (2003년: 인간유전체프로젝트(Human Genome Project))
• 2010년: 인간단백체프로젝트(Human Proteome Project) - 국제단백체기구(Human Proteome Organization, HUPO)
• 2010년대
  • MS/MS 기반 Sequential Window Acquisition of All Theoretical Mass Spectra (SWATH-MS): 재현성 향상
  • 해상도 질량 분석기(HR-MS)
  • 초고성능 액체 크로마토그래피(UHPLC) 기술: 단백질 분리 효율 증가
• 2020년대
  • AI 발전, AlphaFold: 단백질 간의 상호작용이나 구조 예측의 정확도를 높임, 시간 단축
  • 2022년 지구상의 거의 모든 생명체의 단백질로 추정되는 약 2억 개 이상의 단백질에 대한 구조 예측 데이터 공개 - DeepMind, 유럽생물정보학연구소(EMBL-EBI)
  • 치료제 개발 위한 단백질 구조 모델의 정확도를 높여 새로운 백신 등에 대한 항원 발굴 가능성 높임
  • AlphaFold를 활용, 말라리아 및 Wilson 병에 대한 단백질 구조 예측
• 소량의 검체에서 수천의 단백체를 볼 수 있는 기술
  • Olink사의 Proximity Extension Assay (PEA) 방식: 단백질을 매칭할 수 있는 구조와 NGS 방식 결합. ul 단위의 샘플에서 최대 3,000개 이상의 단백질 확인.
    • UK 바이오뱅크 파마 단백체 프로젝트(UKB-PPP): 13개 제약회사가 컨소시엄으로 참여해 5만 4,000명의 참가자로부터 혈장 샘플을 수집하여 2,941개의 단백질 분석
  • SomaLogic 사의 플랫폼의 압타머(Aptamer): 단백질의 구조가 다른 것을 응용하여 단백질과 특이적으로 결합하는 합성 단일가닥. 소량의 샘플에서 고감도로 최대 7,000개 이상의 단백질을 한 번에 분석
• 공각단백체 분석 기술 상용화
  • 현재 하나의 Section slide에서 볼 수 있는 단백체 수는 최대 100개 내외인 것이 한계, 개수 늘어날 것으로 전망
  • 항체-약물 접합체(Antibody-Drug Conjugagte)

1.2.3. 대사체 분석

• 대사체(Metabolome): 생명체 내에서 발생하는 모든 대사산물의 총체
• 대사체 분석(Metabolomics): 대사산물의 정량 및 정성 분석을 통해 생물학적 상태를 연구하는 분야
• 1990년대 핵자기공명 분광법(NMR, Nuclear Magnetic Resonance)
• 기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS): 대사산물 정량 분석 활용
• 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC-MS) 도입: 고분자 및 극성 대사산물 분석
• 다중 분석 플랫폼(Multi-platform Metabolomics): GC-MS, LC-MS, NMR을 통합적으로 활용
• 단일세포 단위 기술 발전, 단일세포 단위로 대사물질을 극미량으로 분석 가능
  • 마이크로플루이딕스(Microfluidics) 기반 기술로 세포를 단일로 분리, LC-MS, CE-MS 등의 질량 분석과 함께 결합해 줄기세포의 분화별 대사산물 생성 연구 및 암세포나 주변 면역세포에서 일어나는 대사 관련 연구에 활용

1.2.3. 멀티오믹스 분석

• DNA를 확인하는 Targeted Panel에 RNA를 같이 확인해야 하는 일부 암 존재
  • 유전자 융합(Fusion Genes)을 통해 확인해야 하는 폐암, 백혈병은 ALK, ROS1, NTRK 등의 DNA 서열과 RNA 데이터를 함께 분석해야지만 의미있는 결과 도출
  • Thermo Fisher 및 Foundation Medicine에서는 암 진단에서 DNA, RNA 마커를 동시에 확인

Method of the Years

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Method of the Year	Year
Spatial Proteomics	2024
Methods for Modeling Development	2023
Long Read Sequencing	2022
Protein structure prediction	2021
Spatially resolved transcriptomics	2020
Single-cell multimodal-omics	2019
Imaging in freely behaving animals	2018
Organoids	2017
Epitranscriptome analysis	2016
Cryo-EM	2015
Light-sheet fluorescence microscopy	2014
Single cell sequencing	2013
Targeted proteomics	2012
Genome engineering (TALEN)	2011
Optogenetics	2010
Induced pluripotency	2009
Super-resolution fluorescence microscopy	2008
Next-generation sequencing	2007