혈액 속 DNA 메틸화 분석해 다중 암 및 장기 손상 짚어내는 '메틸스캔' 개발
암을 이겨내는 가장 확실하고 강력한 무기는 단연 '조기 발견'이다. 아무리 독하고 무서운 암이라도 1기에 발견하면 생존율이 비약적으로 치솟지만, 주변 장기로 퍼져나간 4기에 발견하면 치료의 길이 험난해지기 때문이다. UCLA 헬스 존슨 종합 암센터의 재스민 저우(Jasmine Zhou) 교수는 "조기 발견은 선택이 아닌 필수이며, 일찍 찾아내기만 하면 환자의 운명은 극적으로 달라진다"고 거듭 강조한다.

하지만 현실에서 조기 검진의 문턱은 생각보다 높다. 금식을 하고 구역질을 참아내야 하는 내시경, 조영제를 맞으며 방사선에 노출되는 CT 촬영, 심지어 굵은 바늘로 생살을 찌르는 조직 검사까지. 암 검진은 환자들에게 두려움과 고통을 동반하는 숙제였다. 그런데 최근 미국 UCLA 연구진이 이 모든 고통스러운 과정을 획기적으로 줄여줄 아주 간단하고도 저렴한 혈액 검사법을 개발하여 전 세계 의학계의 이목을 집중시키고 있다. 피를 단 한 번 뽑는 것만으로 여러 종류의 암과 간 질환을 동시에 찾아내고, 심지어 그 병이 어느 장기에서 시작되었는지 '고향'까지 정확하게 짚어내는 마법 같은 기술이다. 국제 학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표된 이 혁신적인 '메틸스캔(MethylScan)' 기술의 원리와 미래를 심층적으로 들여다본다.

핏속을 떠도는 세포들의 유언장, '세포유리 DNA'
우리 몸에서는 매일 약 500억 개에서 700억 개에 달하는 늙고 병든 세포들이 수명을 다해 죽고, 그 자리를 새로운 세포가 채운다. 그렇다면 죽은 세포들은 흔적도 없이 사라지는 것일까? 그렇지 않다. 세포가 터져 죽을 때, 그 세포 안에 들어있던 유전 물질(DNA)의 아주 미세한 조각들이 마치 부서진 난파선의 파편처럼 핏속으로 흘러들어와 둥둥 떠다니게 된다. 과학자들은 이를 '세포유리 DNA(cfDNA)'라고 부른다.

이는 아주 엄청난 단서가 된다. 굳이 폐나 간, 위장을 직접 찔러 조직을 떼어내지 않아도, 혈액이라는 커다란 강물을 한 컵 떠서 그 안에 떠다니는 찌꺼기(DNA 파편)만 잘 뜰채로 건져내 분석하면 우리 몸속 장기들의 건강 상태를 훤히 꿰뚫어 볼 수 있기 때문이다. 최근 의학계에서 가장 각광받는 '액체 생검(Liquid Biopsy)' 기술이 바로 이 원리에서 출발한다.

돌연변이 대신 '메틸화' 바코드에 주목하다
물론 피를 뽑아 암을 찾는 시도가 이번이 처음은 아니다. 기존의 액체 생검 기술들은 주로 핏속에 떠다니는 DNA 중에서 암세포가 뿜어낸 기형적인 '돌연변이'를 찾는 데 집중했다. 하지만 핏속에서 암 돌연변이 조각을 찾는 것은 모래사장에서 바늘 찾기만큼이나 극도로 어렵고 엄청난 비용이 든다는 치명적인 단점이 있었다. UCLA 연구진은 여기서 발상을 완전히 뒤집었다. 찾기 힘든 돌연변이 대신, DNA에 찰딱 붙어있는 화학적 꼬리표인 'DNA 메틸화' 현상에 주목한 것이다.

우리 몸의 모든 세포는 똑같은 DNA를 가지고 있지만, 폐 세포는 폐 역할만 하고 간 세포는 간 역할만 하도록 유전자의 스위치를 끄고 켜는 조절 장치가 있다. 이것이 바로 메틸화 꼬리표다. 이 꼬리표는 마치 택배 상자에 붙은 '바코드'와 같아서, 이 DNA 조각이 어느 장기(폐, 간, 위 등)에서 배송되어 왔는지 그 출처를 정확히 알려준다. 더 놀라운 것은 건강한 세포가 암세포로 변질되면 이 바코드의 모양이 아주 지저분하고 엉뚱하게 변한다는 사실이다. 연구를 이끈 원위안 리(Wenyuan Li) 교수는 "DNA 메틸화는 해당 조직의 건강 상태를 보여주는 아주 풍부하고 결정적인 정보망"이라고 설명한다.

백색소음을 지우자, 암세포의 비명이 들렸다
메틸화 바코드라는 훌륭한 단서를 찾았지만, 연구팀 앞에는 거대한 장벽이 하나 가로막혀 있었다. 우리가 채혈한 혈액 속 세포유리 DNA의 80~90%는 암세포나 고장 난 장기에서 온 것이 아니라, 핏속을 원래 돌아다니던 지극히 정상적인 백혈구 등에서 떨어져 나온 쓰레기(배경 노이즈)라는 점이다.

수많은 정상 DNA의 함성 속에 묻혀버린 아주 미세한 암세포의 비명 소리를 잡아내기 위해, 기존 검사법들은 무식할 정도로 엄청난 양의 염기서열 분석 장비를 돌려야 했고 이는 수백만 원에 달하는 비싼 검사비로 이어졌다.
이 한계를 극복하기 위해 UCLA 연구팀은 아주 똑똑한 거름망 효소를 개발했다. 검사를 시작하기 전에 특정 효소를 집어넣어, 혈액 세포에서 유래한 쓸모없는 정상 DNA 조각들만 선택적으로 가위질해 모조리 싹둑싹둑 잘라내 버린 것이다. 시끄러운 백색소음을 걷어내자, 비로소 우리가 찾고자 하는 간, 폐, 난소 등 주요 장기에서 뿜어져 나온 의미 있는 메틸화 DNA 조각들만 선명하게 남게 되었다.

이 거름망 기술은 검사의 효율을 극적으로 끌어올렸다. 굳이 수많은 데이터를 뒤질 필요가 없어지면서 분석에 필요한 데이터양이 대폭 줄어들었고, 그 결과 검사의 핵심인 염기서열 분석 비용을 2만 원대(20달러 미만) 수준으로 기적처럼 낮추는 데 성공했다. 돈이 없어 암 검진을 미루던 사람들도 누구나 부담 없이 조기 검진을 받을 수 있는 '가성비 액체 생검'의 시대가 성큼 다가온 것이다.

1천 명의 피가 증명한 정확도, 암의 '발원지'까지 콕 집어내다
연구팀은 간암, 폐암, 난소암, 위암 환자는 물론 각종 간 질환자와 건강한 일반인 등 총 1,061명의 혈액 샘플을 모아 새로 개발한 '메틸스캔'을 테스트했다. 그리고 인공지능(기계 학습) 알고리즘을 동원해 복잡한 바코드 패턴을 샅샅이 해독했다.

결과는 대성공이었다. 메틸스캔 검사는 건강한 사람을 암 환자로 오진할 확률(위양성률)을 단 2%로 꽁꽁 묶은 매우 깐깐한 상태에서도, 전체 암 환자의 63%를 정확히 찾아냈다. 조기 암의 경우에도 절반이 넘는 55%를 족집게처럼 발견해 냈다. 특히 간경화나 B형 간염을 앓고 있는 고위험군 환자들의 혈액에서는 무려 80%의 간암을 정확히 잡아내는 기염을 토했다.

하지만, 이 검사의 진정한 가치는 단순히 "당신 몸 어딘가에 암이 있습니다"라고 알려주는 데서 끝나지 않는다는 점이다. 메틸화 바코드를 읽어냄으로써 "당신의 '오른쪽 폐'에서 암 신호가 오고 있습니다"라며 암의 정확한 진원지까지 추적해 냈다. 이는 의사들이 환자의 온몸을 헤집으며 불필요한 방사선 검사를 할 필요 없이, 신호가 가리키는 특정 장기만 신속하게 집중 검사할 수 있도록 돕는 훌륭한 건강 내비게이션 역할을 한다. 또한 B형 간염 바이러스로 인한 손상인지, 혹은 술이나 대사 증후군으로 인한 간 손상인지 그 질환의 종류까지 약 85%의 정확도로 구분해 냈다. 굵은 바늘로 간을 찌르는 무서운 간 조직 검사를 피 한 방울로 대체할 수 있는 길이 열린 것이다.

만능 혈액 검사가 이끄는 무병장수의 꿈
물론 메틸스캔이 당장 내일 동네 병원의 건강 검진 센터에 도입되려면, 더 많은 일반인 인구를 대상으로 한 대규모 임상시험이라는 마지막 관문을 넘어야 한다. 그러나 비싸고 고통스러운 검사에 의존해야 했던 과거를 뒤로하고, 채혈실에서 피 한 튜브를 뽑는 것만으로 내 몸속 장기들이 보내는 무언의 구조 신호를 빠르고 저렴하게 해독할 수 있게 되었다는 사실은 그 자체로 의학계의 거대한 혁명이다. 재스민 저우 교수의 말처럼, 모든 질병을 조기에 찾아내는 '단 하나의 보편적 검사(Universal disease detection)'라는 인류의 오랜 꿈이, 최첨단 유전자 분석 기술을 통해 우리 눈앞에 매우 희망적으로 다가오고 있다.

[편집실에서] 쏙쏙 이해되는 조기 진단 사전
액체 생검 (Liquid Biopsy): 메스나 굵은 바늘로 살을 뚫고 암 조직을 직접 떼어내는 끔찍한 조직 검사(생검) 대신, 환자의 피나 침, 소변 등 '액체'를 채취해 그 안에 숨어있는 암세포의 찌꺼기를 찾아내는 최첨단 진단 기술이다.
세포유리 DNA (cfDNA): 수명이 다해 파괴된 세포들이 혈액 속으로 흩뿌린 미세한 유전자(DNA) 파편들이다. 마치 강물에 떠다니는 쓰레기를 보고 상류에 어떤 공장이 있는지 유추하듯, 핏속 cfDNA를 분석하면 몸속 장기와 종양의 상태를 짐작할 수 있다.
DNA 메틸화 (DNA Methylation): 우리 몸의 DNA 가닥에 찰딱 붙어있는 작은 화학 물질 꼬리표다. 이 꼬리표가 어떻게 붙어있느냐에 따라 폐 세포가 되기도 하고 간 세포가 되기도 한다. 암세포가 생겨나면 이 꼬리표의 모양이 비정상적으로 엉망진창이 되기 때문에 아주 훌륭한 암 표지자가 된다.

[자료 참조] 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스캠퍼스(UCLA) / 미국국립과학원회보(PNAS)