서울대학교병원 의공학과 김영수 교수팀은 미국 프레드 허친슨 암 연구 센터(Fred Hutchinson Cancer Research Center)의 Amada Paoulovich 박사팀, 미국 브로드연구소(BROAD Institute of Harvard and MIT)의 Steven Carr 박사팀과 함께 다중반응검지법 (Multiple Reaction Monitoring, MRM)을 이용하여 단백질의 절대 정량(定量)을 분석하는 기술을 확립하고, 전 세계 연구자 및 의료진들이 간편하게 이용할 수 있도록 ‘인체단백질 분석포털’ (미국 National Cancer Institute, "CPTAC Assay Portal", http://assays.cancer.gov/)을 개설했다.

단백질은 우리 몸의 세포 형질을 결정하는 중요한 요소다. 이에 혈액 검사를 통해 혈중 단백질 농도를 분석함으로써 암, 간 기능, 고지혈증 등을 검사 하고 있다. 

현재 대부분의 질병 관련 인체단백질 검사는 단백질(항원)과 항체의 반응으로 농도를 측정한다. 각각의 인체단백질 마다 새로운 항체 분석법을 개발해야 하므로 시간과 비용이 많이 든다. 같은 검사를 해도 각각의 분석실험실마다 단백질 분석 편차가 있어서 전 세계적으로 표준화된 동일한 실험값을 얻기 어렵다.

이러한 고민에서 개발된 것이 질량분석기를 이용한 ‘다중반응검지법’이다. 이 검사법은 1 μg 시료의 극미량이라도 한 번의 검사만으로, 150개 이상 인체단백질을 정량할 수 있다. 따라서 건강 검진에서 한 번의 피 검사로 여러 수십 개의 인체단백질을 동시에 측정할 수 있다.

연구팀은 전 세계 연구자 및 의료진들이 이번 결과를 간편하게 공유하고 이용할 수 있도록, 표준화된 문서 형태로 발전시켰다.

즉, 각 분석 단계를 표준 문서화하여, 전 세계 어디서나 같은 방법으로 검사하면 동일한 분석 값이 가능하도록 표준작업지침서(SOP, Standard Operating Procedure) 및 데이터베이스를 구축하고, 쉽게 공유할 수 있도록 포털을 만들었다.

이는 언제 어디서든 동일한 질량분석기와 검사법을 따르면 동일한 인체단백질의 절대 정량 값을 얻을 수 있다는 뜻이다. 즉 국제적으로 대규모 단백질체의 절대 정량 분석 기술이 가능해져 대량 인체단백질 표지자의 분석 시대가 열린 것이다.

미국 NIH 산하의 국립암연구소 (National Cancer Institute, NCI) 의 지원을 받는 임상암단백체 분석 컨소시움(Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium, CPTAC)이 올해 7월에 이 포털을 개설했는데, 의공학교실 김영수 교수를 책임자로 서울대학교-KIST 연구팀이 주도적으로 참여했다.

인체단백질 분석포털은 다중반응검지법을 사용하여 질병 표지자를 발굴하는 과학자들에게 표준 분석법, 표준 시약, 검증된 데이터 공유 등을 통하여 최소한의 비용으로 표준화된 결과를 도출 할 수 있는 방안을 제시한다. 
 
김영수 교수는 “대규모 인체단백질이 전 세계적으로 동일한 기술로 정량이 가능해지면 웰니스 지표 진단, 건강 검진 검사, 질병 치료진단, 개인 맞춤의학 등의 보건의료 기술 발전에 획기적으로 기여 할 것이다.  질량분석기 기반의 초고속 다중 인간단백체 분석 기술을 이용한 혁신적인 의료기기가 개발되고 이를 이용한 관련 산업이 새롭게 발전할 것이다” 고 말했다.

(1) “인체단백질 분석 포털” (미국 National Cancer Institute, "CPTAC Assay Portal", http://assays.cancer.gov/) 의 소개 자료

(2) “인체단백질 분석 포털” (https://assays.cancer.gov/)에서 개별 단백질의 분석 자료에 대한 소개. 현재 456 개 에세이 분석 자료를 공지.

(3) 서울의대 의공학교실 김영수 교수팀 (이하 한국 서울대학교-KIST 연구팀, 책임자 김영수 교수) 가 구축한 97개 에세이 자료 소개 (https://assays.cancer.gov/CPTAC-17)

[설명그림 1] 질량분석기 다중반응검지법에 의한 인체단백질 분석

● 위의 그림은 본 기술이 개발한 대규모 단백질 정량 분석 기술이 개인 맞춤의학에 적용될 수 있는 미래의 적용 일례를 나타냄.

● 혈액 혹은 인체 체액 중의 100-300개 이상의 다중 단백질 표지자를 질량분석기 기반의 진단 기기에 의해서 정량 분석함.

● 피 한방울 혹은 인체 조직 시료  (~단백질 시료로 1 μg) 에서 100-300개 단백질 표지자를 정량하여 다변수 분석을 통한 예측 모델을 통하여 암 등의 질병을 예측함.

● 대규모 단백질 정량으로 1달에 한번 초고속 초저가의 분석을 통하여 얻어진 정보를 매달 비교 분석하여 건강 상태 및 질병의 획득 확률을 제시할 수 있음. 개인의 건강 자료를 매월-매년 차트화하여 보관하면 건강 이상에 대한 추적 감시가 가능할 것임.

● 현재, 대규모 단백질 표지자의 초저가 고효율 정량 분석 기술은 개발되었으나 질병 예측을 위해서 임상 적용 가능한 단백질 표지자의 충분한 개발이 필요함. 앞으로 해결할 과제는 충분한 질병 및 건강 표지자의 개발이 매우 요청됨.

[설명그림 2] 다중반응검지법 (Multiple Reaction Monitoring,MRM) 원리

● 질량분석기 중에서 Triple Quadrupole Mass Spectrometer를 Liquid Chromatography (LC) 에 연결하여 단백질을 정량하는 질량 분석 기법
● 인체 시료와 같은 액상 시료 I μg 이하 시료의 한번 주입으로 100-300개 이상 단백질 단편의 동시 절대 정량 분석이 가능
● 정량하려는 타겟 단백질을 tyrpsin 등으로 가수분해하여 만든 peptide 질량 (precursor ion m/z, 오른쪽 그림의 Q1에서 측정)를 MS1 스펙트럼으로 측정하고 그 peptide 를 분쇄하여 (Q2에서 분쇄) 만들어진 조각 질량 (product ion m/z, Q3에서 측정)을 MS2 스펙트럼으로 측정한다.
● MS1 의 precursor ion m/z 및 MS2 의 product ion m/z 을 Transition 이라 정의한다. 각 단백질 마다 지문 같은 고유한 Transition을 지정할 수 있다. 일례로, 가운데 그림의 “Transition = 400.24/205.21”은 Target Protein A를 지정하는 값이다.
● 100 개 단백질의 정량을 위해서는 100개 각각 단백질에 대한 Transition을 정하여 질량분석기에 입력하고 msec 단위로 100개를 연속적으로 스캔한 질량 강도를 측정하면 각각 해당하는 단백질 농도를 절대 정량 분석할 수 있다.
● 동위원소 치환된 peptide를 Internal Standard 로 시료에 첨가하면 절대 정량 분석이 가능하고 적절한 전처리 분획에 의해서 ng/ml 농도의 민감도의 분석이 가능하다.