마리화나 흡연 여부, 언제 어디서든 손쉽게 검사한다
미국, 유럽 등을 중심으로 마리화나 합법화 흐름이 커지고 있다. 따라서 그 오남용을 막는 일도 중요해졌다. 예컨대 마리화나 복용 후 3~4시간 내 운전하면 음주운전과 흡사한 상황이 벌어질 수 있다. 따라서 마리화나의 흡연의 경우, 기존의 병원진단보다는 현장에서의 즉각적인 검측 및 대응을 통해 사고의 위험을 최소화할 수 있다.
기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 이학호 연구위원(하버드 의과대학 교수)과 천진우 단장(연세대 교수) 연구팀은 광주과학기술원 김민곤 교수 연구팀과 공동으로 마리화나 복용 여부를 5분 내 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다. 방사형 멤브레인과 광학장비를 이용해 기존보다 민감도를 높이고 소요시간은 크게 단축했다.
마리화나 검사에는 주로‘측방 유동 분석법(LFA)’ 또는 ‘기체 색층-질량 분광법(GC-MS)’이 쓰인다. LFA는 간편하고 빠르지만 정확도가 매우 떨어진다는 단점이 있다. 반면 GC-MS는 정확도는 높지만 검출에 수일이 걸리고 가격도 비싸다는 문제점이 있었다.
연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 방사형 유동 분석법과 투과형 광학센서 디자인을 결합한 ‘마리화나 흡연 현장 진단 기술(express probe for on-site cannabis inhalation, 이하 EPOCH)’을 개발했다. EPOCH은 방사형 유동(流動)을 이용해 3분 만에 타액에 포함된 소분자(small molecule)를 검출한다. 여기에 기존 반사광 분석의 한계를 넘어서는 투과광 검측 알고리즘도 개발, 분석물의 초고감도 검출이 가능하도록 하였다. 또한 스마트폰을 이용한 소형 측정 기기에 일련의 기술들을 집약하여 언제 어디서든 편리하게 사용할 수 있게 했다.
EPOCH은 마리화나 유효 물질 (Tetrahydrocannabinol; 이하 THC)을 5분 이내에(시료 채취부터 결과 도출까지) 검출할 수 있다. 검출 한계는 0.17 ng/ml로 마리화나 흡연 여부 확인을 위한 국제 규정(1ng/ml 미만)에 부합한다. 유동 분석법과 투과광 검측 모델을 종합함으로써 신속성과 정확성의 두 마리 토끼를 잡은 셈이다.
실제 마리화나 흡연 여부를 확인하는 임상 시험 결과도 EPOCH의 우수성을 입증했다. 총 86명의 실험 참가자 중 43명은 마리화나 복용 실험군(3명은 씹는 형태, 40명은 흡연 형태)으로, 나머지 43명은 마리화나 미복용 대조군(13명의 일반 담배 이용자 포함)으로 분류하였다. 실험 결과는 100%의 정확도를 보였다. 43명의 복용 방식, 복용량, 타액 채취 시점(10분 이내)이 모두 달랐음에도, 복용 여부를 오차 없이 정확히 판정하였다. 마리화나 미복용 대조군은 전원 음성이었다.
연구를 이끈 이학호 연구위원은 “기존 마리화나 검출 방법들(LFA or GC-MS)의 한계를 극복하여 초고감도의 신속 검출을 가능케 한 성과”라며 “마리화나뿐만 아니라 코로나19와 같은 전염병이나 암 진단 분야에서도 매우 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다.”고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지‘사이언스 트랜스레이셔널 메디슨 (Science Translational Medicine, IF 17.96)’에 10월 20일 22시(한국시간) 게재됐다.
연 구 추 가 설 명
논문/저널/저자
A rapid assay provides on-site quantification of tetrahydrocannabinol in oral fluid(https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abe2352) / Science Translational Medicine (2021) / Hojeong Yu, Hoyeon Lee, Jiyong Cheong, Sang Won Woo, Juhyun Oh, Hyun-Kyung Oh, Jae-Hyun Lee, Hui Zheng, Cesar M. Castro, Yeong-Eun Yoo, Min-Gon Kim, Jinwoo Cheon, Ralph Weissleder, Hakho Lee
연구내용 보충설명
생물학적 샘플에서 마리화나의 향정신성 성분인 테트라하이드로칸나비놀(THC)을 검출하기 위한 여러 테스트가 개발되어왔다. 그러나 현재의 방법은 감도가 낮고 일반적으로 비교적 오랜 시간이 소요된다. 본 연구에서는 구강액에서 몇 분 만에 높은 감도로 THC를 검출할 수 있는 신속한 분석을 개발했다. 현장 대마초 흡입 익스프레스 프로브 또는 EPOCH라고 하는 이 방법은 마리화나 사용자와 대조군에서 성능을 검증하였다. EPOCH는 높은 감도로 THC를 검출할 수 있었고 5분 이내에 결과를 제공했다. 구강액에서 THC의 반감기는 1.4시간인 것으로 보고되어있다. 따라서 본 연구는 EPOCH를 사용하여 구강액에서 현장의 THC를 모니터링하는 효율성과 편익이 높다는 것을 보여주었다.
연구 이야기
[연구 과정]
연구 과정에서 혼자서는 할 수 없는 다양한 분석과 실험이 필요했다. 각 분야의 전문적인 연구를 해온 GIST의 이호연, IBS의 정지용 학생 연구원의 실질적인 도움이 없었다면 본 연구를 완성시키지 못했을 것이다. 또한 GIST와 IBS의 교수님들께서 많은 노력을 해주셨기에 논문을 출판할 수 있었다.
[어려웠던 점]
동일한 민감도를 가지면서 검출 속도를 줄이기 위해 새로운 개념의 검출모듈을 구성하고 이를 실제화 하는 과정이 매우 어려웠다.
[성과 차별점]
기존의 검사방법과 유사한 민감도를 가지면서 동시에 빠르게 검출이 가능하다.
[향후 연구계획]
향후 본 플랫폼을 더욱 구체화 하여 실제 일상에 적용될 수 있도록 개발할 계획이다.
[그림1] EPOCH 기술을 이용한 마리화나 검출 과정
마리화나 흡연 후 타액에서 마리화나 유효 물질 (THC)을 검출하는 과정. 시료 처리 장치로 유입된 타액은, 그 내부의 미세 유체 공학적 설계를 통해 일정량의 타액만 분리되는 한편 THC 항체가 결합되어 있는 골드나노입자와 반응하게 된다. 이 분석 혼합액이 멤브레인 센서 위에 주입되면, 타액내 THC 의 농도에 따른 경쟁 면역 분석 방식을 통해 나노입자가 멤브레인 센서 위에 원형의 형태로 잡히게 된다. 이 반응이 끝나면 센서내 나노입자의 결합 정도가 스마트폰 기반의 투과형 광학센서 소프트웨어를 통해 정량 분석되고 이를 통해 타액내의 정확한 THC 농도를 알 수 있다.
[그림2] EPOCH 타액 전처리 키트의 내부 모식도
전처리키트는 타액 채취솜으로부터 약 20 uL 의 타액을 계량 분리한 후, 이를 키트 안에 미리 준비되어 있던 금나노입자 (THC 항체와 기결합) 와 섞어주는 역할을 한다. 키트를 이용한 전처리의 전 과정은 그 상단 2개의 펌프 (P1, P2)를 순차적으로 돌려 행하게 된다. 계량 저수조 위에 설치되어 있는 필터는 타액 속에 포함되어 있는 불순물들을 거르는 역할을 한다.
[그림3] EPOCH 카트리지의 내부 모식도.
카트리지 안에는 THC 정량 분석(테스트 채널)과 실험 유효성 확인(컨트롤 채널)을 위한 2개의 센서가 준비되어 있다. 각 센서는 1장의 방사형 다공성 막과 2장의 필름으로 구성되어 있다. 센서의 중심부에는 목표로 하는 소분자를 잡아 결합하기 위해 IgG 혼합물(IgGAb-BSAAb-THCBSA; 테스트 스팟)과 IgG 항체(IgGAb; 컨트롤 스팟)이 고정되어 있다.
[그림4] EPOCH 분석법의 민감도 특성
(a) 인산염완충식염수 (PBS) 와 실제 타액을 사용한 THC 스파이킹 테스트 결과로 검출 한계는 각 0.12 (PBS), 0.17 (타액) ng/ml 이었다. (b) 기존에 THC 검측에서 가장 많이 사용되던 GC-MS 와 비교했을 때, EPOCH 분석법은 매우 높은 결정 계수 (두 데이터 사이의 유사성)를 보였다 (R2 = 0.987).
의학약학 기초과학연구원 (2021-11-02)