결핵은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis complex)에 의한 만성 감염병으로 주로 폐에 감염을 일으키고 활동성 폐결핵환자의 비말을 통해 사람에서 사람으로 전파됩니다. 신속한 진단과 적절한 치료의 시작은 결핵환자의 치료 예후를 높이고 추가감염의 예방에 가장 필수적인 요소이나 의료시스템과 결핵의 진단 역량이 열악한 개발도상국에서는 활동성 결핵환자의 30-40%가 진단을 받지 못하거나 치료를 시작하지 못하는 상황에 놓여있습니다. 2010년 세계보건기구는1882년 로버트 코흐(Robert Koch)가 결핵균을 발견한 이래로 처음으로 100여 년 동안 결핵진단의 핵심이었던 객담도말검사를 대체할 수 있는 신속분자진단법인 미국 Cepheid 사의GeneXpert 기술과 Xpert MTB/RIF 검사(이하 Xpert)의 사용을 전세계적으로 공식허용 하였으며 많은 결핵 고위험 국가에서 이 기술을 도입하여 활용하기 시작하였습니다.

하지만 대부분의 경우 Xpert의 높은 비용부담(객담도말검사 대비 약 5-6배의 단가)으로 인해 검사실의 배치를 hub-and-spokes 모델(환자 검체를 중앙 실험실로 운반하여 검사)을 활용한 중앙실험실 중심 운영체제로 현장에 적용하여 Xpert 검사법의 가장 혁신적인 부분인 환자 가까이서(point of care, POC) 진단하는 전략은 실제로 활용되지 못하고 있는 현실이었습니다. 따라서 결핵환자들이 주로 방문하는 1차 의료 기관에서는 Xpert 검사에 대한 가이드라인 미준수, 진단과 치료 시작의 delay와 pre-treatment loss to follow-up 등 결핵관리에서의 고질적인 문제들을 해결해 주지 못하였으며 이를 개선하기 위해 Xpert 검사를 1차 의료기관에 배치하고 운영하는 decentralization 전략에 대한 효과와 경제성을 따져볼 필요가 있었습니다.

이를 위해 본 연구의 parent study인 XPEL trial에서는 단순히 GeneXpert 기기를 1차 의료기관에 배치를 하는 것이 아니라 그 기관의 결핵환자 및 의심환자 진료체계를 개선하고 Xpert testing 국가 지침을 잘 따를 수 있도록 교육훈련을 주기적으로 제공 및 모니터링 하는 multi-component 전략을 도입했었습니다. 본 연구는 Xpel trial을 기획하는 시초부터 경제성 평가 연구를 위한 계획을 세웠고 decentralize 하는 모든 과정(도입부터 운영까지)의 현장 비용을 추계할 수 있는 자료를 확보하여 decentralize 전략의 증분비용을 실증자료로 추계하였습니다. 또한 Xpel trial 연구의 cluster randomized design을 활용하여 비용과 효과성을 동등한 방법으로 분석할 수 있는 기준을 마련하여 기존 경제성 평가 연구에서 결정모델링 방법으로 수행했던 방법을 pragmatic/clinical trial에서의 실증 비용과 효과성 자료도 평가할 수 있는 방법을 제시하였습니다. 특히 결핵환자 발견사업의 경제성을 평가하는 주요 지표인 (incremental) cost per case detected를 활용하여 여러 결핵환자 발견사업 (TB Active Case Finding, TB-ACF) 과Xpel trial의 경제성을 비교하였습니다.

Parent study를 통해서 decentralized site에서 결핵환자의 센터 방문 후 14일 이내의 진단과 치료시작률이 centralized site보다 높았다는 점이 확인되었으며 본 연구에서 수행한 경제성 평가 연구에서는 decentralized Xpert testing을 통해서 결핵환자 1명을 추가 발견하고 치료를 연계하는데 평균 $687 (95% Uncertainty Range $501-1207)가 소요되는 것으로 추정하였습니다. 이는 남아프리카 4개국의 선례연구 (Xpert POC 검사 vs. smear microscopy 검사 전략을 비교한 RCT 연구)에서 산출된 결핵환자 1인 추가발견 및 치료연계 비용인 $1,464 (range $984-2,699) 보다 낮았으며 TB-ACF 사업들의 결핵환자 1인 발견 평균 비용과 비슷한 수준인 것으로 확인된 점은 결핵 분자진단법의decentralization 결핵 고위험 국가에서 매우 경제성이 있는 사업임을 증명하였습니다. 또한 실증자료를 활용한 비용분석을 통해 decentralied testing의 비용이 centralized testing 대비 증분비용의 정도가 낮은 수준(약 10% 더 높음)임을 증명함으로서 결핵 고위험 국가에서도 신속분자진단법의 활용확대를 위해 decentralization 전략을 적극적으로 활용할 수 있게 되는 계기를 마련하였습니다.

본 연구의 양적연구 결과 이외에도 Xpel trial의 참여 경험은 결핵 분야뿐만 아니라 국제보건 분야에서implementation science(실현 연구)가 근거-중심적 의학 및 제도 결정을 위한 매우 중요한 역할을 한다는 것을 일깨워 주었습니다. 본 연구의 방법론과 시도를 통해 새로운 제도나 intervention의 도입 전에는 pragmatic trial을 시행하고 이 연구 내 경제성 평가를 수평적으로 수행할 수 있는 좋은 예시를 제공할 수 있게 되었다고 판단됩니다.

마지막으로 이 연구는 저 혼자서 한 연구가 아닌 여러 기관의 연구자들의 노력으로 함께 이루어 낸 성과입니다. 제가 서울의대에 오기 전 근무했던 존스 홉킨스의 팀원들, 특히 제가 포닥 때부터 지도했던 학생들 (Austin Tucker, Olivia Ferguson) 홉킨스 교수시절 분석을 함께 진행해 준 Ryan Thomson, 그리고 이 연구의 축이 되어 주신 David Dowdy 교수님과 Adithya Cattamachi 교수님께 이 자리를 빌어 감사의 말씀 올립니다. 그리고 무엇보다도 현장에서 이 연구를 수행할 수 있게 해 주신 UTIRC (https://www.u-tirc.org/) 팀원들에게 가장 큰 공을 돌립니다.

파킨슨병은 뇌흑질의 도파민계 신경이 사멸함으로써 운동 장애가 나타나는 질환을 말한다. 파킨슨병은 루이소체(Lewy bodies), 루이신경돌기(Lewy neurite) 라는 비정상적 단백질 응집체의 축적과 신경 염증 반응이라는 병리적 특징을 보인다. 루이소체와 루이신경돌기의 주 구성 단백질인 alpha-synucelein (알파-시뉴클린) 응집체의 세포 간 전이는 파킨슨병의 발병 및 진행과 밀접한 연관성이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 알파-시뉴클린 응집체의 전이 조절 기전을 밝히는 것은 파킨슨병의 치료법 및 진단법 개발에 필수적이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 야생형의 알파-시뉴클린과 seeding activity가 억제된 알파-시뉴클린 돌연변이의 응집체를 각각 쥐의 선조체에 주입한 후, 파킨슨병과 관련한 병리현상의 진행과 유전자 발현 변화를 분석하였다. 본 연구진은 야생형의 알파-시뉴클린 응집체를 주입한 쥐에 비해, Seeding activity가 억제된 돌연변이 알파-시뉴클린 응집체를 주입한 쥐에서 병리 현상 및 운동 장애가 악화된 것을 확인하였다. 이는 현재까지 알파-시뉴클린 응집체 전이의 주된 요인으로 알려졌던 seeding activity가 아닌 다른 조절인자가 알파-시뉴클린의 전이 및 시뉴클린 병증의 전개에 필수적임을 시사한다. 본 연구진은 유전자 발현 분석을 통해 seeding activity가 억제된 알파-시뉴클린 돌연변이를 주입한 쥐에서 미세아교세포의 활성화 및 염증성 사이토카인의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 이 같은 신경 염증 반응의 활성화는 알파-시뉴클린 응집체의 축적보다 선행되었으며, 신경 염증 반응과 알파-시뉴클린 응집체의 축적 정도는 양의 상관 관계를 보였다. 항염증제인 아스피린의 투약은 알파-시뉴클린 응집체의 주입으로 인한 신경 염증 반응을 포함한 병리 현상과 운동 장애를 개선하였다. 이러한 발견은 신경 염증 반응이 파킨슨병을 포함한 시뉴클린 병증 전개의 주된 조절 인자임을 제안할 뿐 아니라 다양한 시뉴클린 병증의 치료 타겟이 될 수 있다는 가능성을 제시하였다.

피부암 등 다양한 신체조직에 대한 형광염색에 대해 여러 시도들이 이루어지고 있으나, 시간이 오래 걸리고, 조작이 복잡한 단점들이 있다. 본 연구진은 서울대 화학과 이연 교수 연구팀과 함께 citrate-base fluorophores를 이용하여 세포나 조직의 N-terminal cysteine or serine을 가진 peptide나 protein에 결합시키고 amide coupling reagent와 microwave irradiation으로 thiazolopyridone- or oxazolopyridone-based fluorophores를 de novo formation하여 방출시키도록 하였다. 이를 바탕으로 실제 환자에서 채취한 피부, 지방조직, 피부암, 혈관, 내부 장기 등의 병리조직을 상기 방법으로 염색하고 3D reconstruction 및 volumetric analysis를 통해 세포 또는 조직의 3D 구조를 시각적으로 관찰하는데 성공하였다. 이러한 자연 발색단을 이용한 신속하고 간편한 3D 형광염색방법은 병변의 진단, 병기판정, 예후 예측 등을 위한 세포 이미징이나 조직진단 등의 새로운 tool로 발전할 수 있을 것이다.

최근의 질환유전학 발전에도 불구하고 현재까지 대부분의 연구는 백인 위주였으며, 이는 유전체 연구에서 필수적인 요소 중 하나인 대조군 데이터베이스도 마찬가지였다. 현재 최대 규모의 대조군 데이터베이스인 gnomAD의 전체 14만여명의 참여자 중 동아시아인은 만 명이 되지 않으며 그 중 한국인은 2천 명을 넘지 않고 있다. 양질의 대규모 대조군 데이터베이스는 질환유전학 연구에 중요한 인프라의 역할을 하기에 본 연구에서는 국내 주요 유전체 연구자들의 도움을 받아 1,896명의 전장유전체 데이터와 3,409명의 전장엑솜유전체 데이터를 통합 처리, 분석하여 Korean Variant Archive 2 (KOVA2)를 구축할 수 있었다. 데이터는 타 대조군 데이터베이스와 비슷하게 암 환자의 정상 유전체(40.2%), 건강자원자(31.4%), 희귀질환 환자의 건강한 부모 유전체(28.4%) 등에서 유래하였다. 또한 본 연구에서 도출된 약 4천만 개 정도의 변이들을 취합하여 여러 가지 유전체적 분석을 수행하였고 한국인 특이적 유전체적 특징을 발견할 수 있었다. 그 예시로, “Asian flush”라고도 부르는 알코올 불내증을 결정하는 변이 중 하나인 ADH1B 상의 변이가 동아시아에서도 가장 높으며, 이 변이가 진화적으로 선택되었다는 현상을 발견하기도 하였다. 본 연구에서 도출된 한국인 유래 변이의 목록과 여러 분석 결과는 코빅에서 KOVA데이터베이스로 공개하여 바로 다운로드 혹은 검색이 가능하다(https://www.kobic.re.kr/kova/).

본 연구는 귀중한 유전체 데이터를 공유해 주신 국내 연구자들의 참여가 필수적이었다. 서울대학교 의과대학에서도 채종희, 윤성수, 고영일, 장인진 교수님께서 소중한 데이터를 공유해 주시고 연구에 참여해 주셨기에 깊은 감사의 말씀을 드린다.