산전 진찰은 대체로 기쁜 자리이지만, 모든 임신에는 염색체 이상 위험이 따르기 때문에 많은 여성들이 여전히 불안을 느끼기도 한다. 다행히 비-침습적 산전 검사(NIPT) 기술이 발전하면서 검사 과정은 그 어느 때보다 더 편리하고 신뢰할 수 있게 되었다.
NIPT를 위한 cfDNA 분석의 부상
1990년대에 도입된 이후, 1차 기형아 검사(FTS)는 산전 검사에서 널리 사용되는 방법이었다. 이 방법은 임신 11 주에서 13 주 사이에 시행되는 혈청 생화학 검사와 태아 목덜미 투명대 측정치를 함께 활용한다. 이를 통해 [1] 다운증후군(21 삼염색체증)과 에드워드증후군(18 삼염색체증)과 같은 흔한 염색체 이상을 신뢰도 있게 선별할 수 있다. 태국 시리랏 병원 산부인과의 Dr Tachjaree Panchalee는 2018년 NIPT Forum Asia에서, FTS가 유용한 도구이긴 하지만 위양성률이 높고 양성예측도가 낮다는 한계를 갖고 있다고 설명했다. FTS는 84–90%의 검출률과 5%의 위양성률을 보이는 것으로 확인되었으며[2], 이는 대비가 전혀 없는 것보다는 낫지만 최적이라 보기는 어렵다. 그러나 2011년부터 FTS에 도전하는 새로운 방식들이 등장하기 시작했다. 이러한 방법들은 세포유리 DNA(cfDNA) 분석을 기반으로 태아의 염색체 이상을 비침습적으로 선별한다. “[FTS]는 세포유리 DNA 검사로 대체되었다”라고 중국 홍콩중문대학교 산부인과의 Professor Liona Poon은 같은 행사에서 말했다. 태반 DNA 조각은 산모 혈액 내 총 cfDNA의 평균 약 13%[3]를 차지한다. 150~200 염기쌍 길이의 태아 DNA 조각은 [4] 임신 32일 무렵부터 산모 혈액에서 발견될 수 있으며, 시간이 지날수록 그 양이 증가한다[5]. 이러한 조각은 분만 후 약 2시간 정도 지나면 산모 혈액에서 사라진다 [3]. 산모와 태아의 cfDNA를 분석하면, 검사 전문의가 태아의 염색체 이상을 비침습적으로 정확하게 평가할 수 있다. cfDNA 분석에 능숙한 검사실은 새로운 적용 분야의 최전선에 설 수 있으며, 산부인과 파트너들에게 더욱 선제적으로 가치를 제공할 수 있다. 검증된 참조 라이브러리가 확대됨에 따라, cfDNA 검사의 적용 범위는 앞으로 다른 염색체 이상으로도 확장될 수 있다. “모든 여성은 스스로 선택할 권리가 있으므로, 제공 가능한 선별 도구에 대해 최신 정보를 유지하는 것은 의료인의 책임이다”라고 Dr Panchalee는 덧붙였다.
cfDNA 접근법
새로운 발견이 늘 그렇듯, NIPT를 위한 다양한 방법들이 표준 지위를 두고 경쟁하고 있다. 이는 전장 및 특정 염색체 시퀀싱부터 마이크로어레이 기반 플랫폼까지 다양하다. 가장 초기부터 사용된 기술 중 하나는 대량 병렬(“shotgun”) 시퀀싱이다. 이 방법은 특정 표적 구역을 대상으로 하지 않으며, 산모 혈장에 존재하는 모든 cfDNA 조각의 전유전체를 평가한다. 전장유전체시퀀싱에서는[6] 수천만 개의 시퀀싱 리드가 인간 참조 라이브러리에 정렬·매핑되어, 획득된 데이터가 어떤 염색체에서 유래했는지 확인된다. 이후 매핑된 데이터를 집계하여 태아가 염색체 이상을 가지고 있는지 여부를 판단한다.
“대량 병렬 시퀀싱의 경우, 관심 영역을 정확히 분석하기 위해 충분한 데이터를 생성하려면 샘플당 약 2,500만 개의 원시 시퀀싱 목록[7]이 필요하다”고 Dr. Panchalee는 설명했. “이 접근법은 임상적으로 의미 있는 염색체가 전체 유전체의 14%에 불과하다는 점을 고려하면, 엄청난 중복성을 나타낸다[7].” 새로운 기술들이 등장하고 있으며, 여기에는 ion torrent 플랫폼과 같은 반도체 시퀀싱 기술도 포함된다. 여러 플랫폼이 존재하지만, 두 기술을 비교한 연구에서는 [8] 시퀀싱 양과 일반적이며 견고한 통계 분석 적용이 특정 시퀀싱 화학이나 플랫폼보다 정확한 결과를 보장하는 데 더 중요하다는 사실이 밝혀졌다. 최근에는 microarray 분석이 cfDNA 검사에 적용되기 시작했다. 이를 통해 선택된 영역을 디지털 방식으로 분석하여 21, 18, 13 삼염색체증 및 성염색체 이상을 포함한 특정 염색체 이상을 확인할 수 있다.
NGS와 직접 비교한 분석에서, microarray 분석은 NGS보다 [9] cfDNA 분석이 더 빠르고 정확한 것으로 나타났다. 각 시료는 각 sub-array에서 단일플렉스로 분석되어, 시료 분석 과정을 단순하고 비용 효율적으로 만든다. 이 방법은 다양한 산과 인구 집단을 대상으로 한 전향적 임상 시험에서 광범위하게 검증되었다. “시스템의 내부 검증 결과, 높은 정확도와 특이도를 보여주었으며, 위양성이나 위음성은 없었다”고 Dr Panchalee가 확인했다. 최근 등장한 최신 기술은 단일 DNA 분자를 이미징하는 6단계 과정으로[10], cfDNA 검사 복잡성을 줄여준다. 이 기술은 표적 염색체를 표지하기 위한 새로운 분자 프로브 기술과 나노필터를 이용한 새로운 판독 방식을 결합한다. 이를 통해 DNA 증폭, microarray 또는 시퀀싱 없이도 단일 분자를 이미징하고 계수할 수 있도록 농축할 수 있다. 현재까지 이 기술은 NGS나 microarray와 달리 전향적 임상 연구에서 널리 검증되지 않았다.
cfDNA가 가져올 잠재적 영향은 무엇인가?
고위험 또는 중간위험 임신에서만 제공되는 선별검사로서, cfDNA 검사는 이미 여성들의 선택에 변화를 일으키고, 유산 위험과 관련된 절차 및 불안을 줄이고 있다. 홍콩에서 임신부를 대상으로 한 연구[11]에서는 cfDNA 검사가 도입된 이후 침습적 검사의 비율이 크게 감소한 것으로 나타났다. 산부인과 의사에게 또 다른 비침습적 검사 방법을 제공할 수 있는 연구실은, 임신부가 보다 명확하게 정보를 기반으로 결정을 내릴 수 있도록 돕고 궁극적으로 불필요한 침습적 절차를 피할 수 있게 한다.
References:
[1] Malone, D.F., et al., (2005). First-Trimester or Second-Trimester Screening, or Both, for Down’s Syndrome. The New England Journal of Medicine. 353(19), pp.2001-2011.
[2] Li, S.W., et al., (2015). The assessment of combined first trimester screening in women of advanced maternal age in an Asian cohort. Singapore medical journal, 56(1), pp.47–52.
[3] Kotsopoulou, I., et al., (2015). Non-invasive prenatal testing (NIPT): limitations on the way to become diagnosis, Diagnosis, 2(3), pp.141-158.
[4] Taglauer, E.S., et al., (2014). Review: cell-free fetal DNA in the maternal circulation as an indication of placental health and disease. Placenta, 35 Suppl(Suppl), S64–S68.
[5] Wataganara, T., et al., (2004). Cell-free fetal DNA levels in maternal plasma after elective first-trimester termination of pregnancy. Fertility and Sterility, 81(3), pp.638-644.
[6] Swanson, A., et al., (2013). Non-invasive Prenatal Testing: Technologies, Clinical Assays and Implementation Strategies for Women’s Healthcare Practitioners. Current genetic medicine reports, 1(2), pp.113–121.
[7] Norwitz, E.R., & Levy, B.(2013). Noninvasive prenatal testing: the future is now. Reviews in obstetrics & gynecology, 6(2), pp.48–62.
[8] Kim, S., et L., (2016). Comparison of two high-throughput semiconductor chip sequencing platforms in noninvasive prenatal testing for Down syndrome in early pregnancy. BMC medical genomics, 9(1), pp.22.
[9] Juneau, K., et al., (2014). Microarray-Based Cell-Free DNA Analysis Improved Noninvasive Prenatal Testing. Fetal Diagnosis and Therapy, 36, pp.282-286.
[10] Dahl, F., et al., (2018). Imaging single DNA molecules for high precision NIPT. Scientific Reports, 8, 4549.
[11] Cheng YKY., eet al., (2018). Women’s preference for non-invasive prenatal DNA testing versus chromosomal microarray after screening for Down syndrome: a prospective study. BJOG, 125, pp.451–459.
이 글은 2018년 태국 방콕 NIPT Forum Asia에서 발표된 “Evolution of clinically relevant NIPT technology”와 “Updated evidence and implementation models of cfDNA testing”를 기반으로 작성되었다.
