선천성 대사이상은 전 세계적으로 신생아 10만 명당 40명에게 발생하는 유전 질환입니다. 단일 유전자의 결함으로 인해 중요한 효소가 제대로 작동하지 않으면서 생명 유지에 필수적인 대사 경로가 차단되는 질병입니다. 최근 LC-MS/MS 기술의 발전으로 진단 속도가 크게 개선되고 있지만, 많은 부모들은 여전히 이 질환의 유전 원인과 예방 가능성에 대해 궁금해합니다.
## 선천성 대사이상의 유전 원인과 발생 메커니즘
선천성 대사이상(Inborn errors of metabolism)은 congenital 또는 inherited metabolic diseases로도 불립니다. 이 질환의 근본 원인은 단일 유전자의 deletion 또는 mutation입니다. 중요한 효소를 암호화하는 유전자에 결함이 생기면 대사 경로의 중요한 단계가 차단되며, 이로 인해 두 가지 심각한 문제가 발생합니다. 첫째, 독성을 가진 중간 산물이 체내에 축적되거나 세포 기능을 방해하게 됩니다. 둘째, 생명 유지에 필수적인 화합물이 생성되지 못합니다.
많은 부모들이 궁금해하는 것은 이 유전이 부로부터인지 모로부터인지입니다. 사실 대부분의 선천성 대사이상은 상염색체 열성 유전을 따릅니다. 이는 부모 양쪽 모두로부터 결함 유전자를 물려받아야 질병이 발현된다는 의미입니다. 건강한 부모라도 보인자(carrier)일 수 있으며, 이 경우 자녀가 질환을 가질 확률은 25%입니다. 반대로 선천성 대사이상이 있는 부모에게서도 건강한 아이가 태어날 수 있습니다. 이는 유전자 조합의 확률에 따라 결정되기 때문입니다.
증상의 심각도는 효소 결핍의 정도와 영향을 받는 대사 경로에 따라 다릅니다. 일부 환자는 childhood 시기에 증상이 나타나지만, 효소 deletion의 심각도에 따라 성인기까지 진단 징후가 나타나지 않을 수도 있습니다. 주요 증상으로는 발육 부진(failure to thrive), 장기 부전(organ failure), 신경학적 결함(neurological defects), 암, 심지어 급사까지 다양합니다. 캐나다의 한 연구에 따르면 선천성 대사이상은 신생아 100,000명당 40명에게서 발견됩니다.
## 신생아 스크리닝
현재 임신 중에 선천성 대사이상을 완전히 예측하기는 어렵습니다. 그러나 출생 직후 간단한 발뒤꿈치 찌르기(heel prick)를 통해 blood spots를 채취하는 신생아 스크리닝이 전 세계적으로 시행되고 있습니다. 이 검사는 대사 경로 이상을 나타내는 amino acids와 acylcarnitines를 포함한 다양한 화합물을 분석합니다.
routine screening은 방대한 작업입니다. 다수의 샘플을 처리하고 다양한 analytes를 검사해야 하기 때문입니다. 전통적으로 항체 기반 immunoassay 방법이 사용되었으나, 최근에는 liquid chromatography–tandem mass spectrometry(LC-MS/MS)와 같은 더 빠르고 정확한 방법이 진단 실험실에서 기존 방법을 대체하고 있습니다. 하지만 다수의 샘플과 다양한 analytes를 처리하면서 데이터 처리(data processing)가 새로운 제한 요소가 되었습니다.
많은 부모들이 "미리 알아도 어찌할 방도는 없지만 적어도 마음가짐이라도 준비할 수 있지 않을까"라고 생각합니다. 이는 매우 현실적인 고민입니다. 실제로 조기 진단은 치료 시작 시점을 앞당길 수 있습니다. 일부 선천성 대사이상은 특수 식이요법이나 효소 대체 요법으로 관리가 가능하며, 조기 발견 시 심각한 합병증을 예방할 수 있습니다. 또한 부모가 자녀의 상태를 미리 알면 응급 상황에 대비하고, 전문적인 의료 지원을 준비하며, 심리적으로도 준비할 수 있는 시간을 갖게 됩니다.
## 데이터 처리 기술 혁신과 진단 효율성 향상
Thermo Fisher Scientific의 과학자들인 Claudio De Nardi와 Marta Kozak, 그리고 Medical University of Vienna의 David Kasper는 최근 선천성 대사이상 검사를 위한 분석 후 데이터 처리를 간소화하도록 설계된 베타 소프트웨어 패키지와 실험 워크플로우에 대한 분석을 발표했습니다. 이 방법은 여러 수동 데이터 수집 및 처리 단계를 제거하여 총 검사 시간을 단축시켰습니다.
과학자들은 확립된 LC-MS/MS 워크플로우를 사용하여 dried blood spot 샘플을 분석했습니다. 준비된 샘플을 selected reaction monitoring(SRM) 모드로 작동하는 triple quadrupole mass spectrometer에서 스캔하여 analytes인 amino acids와 acylcarnitines를 검출했습니다. De Nardi 등은 먼저 dried blood spots의 sample cards에서 단백질을 추출한 다음, LC-MS/MS를 통한 proteomic analysis를 위해 유도체화했습니다. Internal standards와 quality controls도 유사한 방식으로 처리되었습니다.
open-tube flow injection이라는 자동화된 프로세스를 사용하여 소화된 샘플을 liquid chromatography 시스템에 도입함으로써, 과학자들은 3분마다 하나씩 샘플을 처리할 수 있었습니다. SRM 모드에서 triple quadrupole mass spectrometer를 실행하면 처리해야 할 방대한 양의 스펙트럼 데이터가 생성됩니다. 팀이 사용한 실험 설정은 각 analytes, quality controls 및 standards에 대해 하나의 parent/fragment ion transition을 포착했습니다.
이전에는 과학자들이 MS chromatogram files에서 raw data를 추출하고 이를 Excel spreadsheets에 붙여넣어 최종 다단계 계산을 수행하는 방식으로 데이터 분석을 수동으로 수행했습니다. 새로운 소프트웨어를 사용하면 과학자들이 raw data를 직접 추출하여 전사 오류로 인한 잠재적 오류를 제거할 수 있습니다. 소프트웨어는 자동으로 peak area를 선택하고, analyte concentrations는 raw data files의 internal standards와 비교하여 도출됩니다. 사용자 정의 허용 범위와 함께 소프트웨어는 맞춤형 공식을 사용하여 결과를 계산하거나 의심스러운 샘플을 표시할 수 있습니다.
수동 데이터 처리와의 비교 결과, 새로운 소프트웨어 워크플로우에서 얻은 결과는 전통적으로 처리된 검사 결과와 잘 일치했습니다. 이는 5개의 다른 실험실에서 100개 이상의 analytes에 대해 확인되었으며, 두 처리 방법의 비교 결과는 ±10% bias 내에서 일치했습니다. 과학자들은 자동화된 offline data processing tool이 사용하기 쉽고 직관적인 워크플로우를 가지고 있다고 평가했습니다. 또한 수동 데이터 전송 단계의 제거로 처리 시간이 단축되고 오류 가능성이 감소했습니다.
[결론]
선천성 대사이상은 유전적 질환이지만, 건강한 부모에게서도 발생할 수 있고 반대의 경우도 가능합니다. 현재 임신 중 완벽한 예측은 어렵지만, 신생아 스크리닝을 통한 조기 진단으로 치료 시작 시점을 앞당기고 부모가 심리적으로 준비할 수 있는 기회를 제공합니다. LC-MS/MS 기술과 자동화된 데이터 처리의 발전은 진단의 정확성과 속도를 크게 향상시키고 있습니다.
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[출처]
영상 제목/채널명: Faster Data Processing for Screening Inborn Errors of Metabolism / Thermo Fisher Scientific Blog
https://www.thermofisher.com/blog/proteomics/faster-data-processing-for-screening-inborn-errors-of-metabolism/