기술&시장동향

전문가기고 [김광중] 차세대염기서열분석(NGS) 기술을 이용한 동반진단 개발 동향

2018-06-20272

차세대염기서열분석(NGS) 기술을 이용한 동반진단 개발 동향

( 김광중 – 연구소장, 엔젠바이오 기업부설연구소)

1. 차세대염기서열분석(NGS) 기술의 발전

2005년 차세대염기서열분석(next generation sequencing, 이하 NGS) 기술이 처음 소개된 이후 다양한 분석 원리를 기반으로 하는 NGS 장비가 개발되어 왔으며, 유전학을 비롯한 거의 모든 분자생물학 분야에서 활발히 사용되고 있다. 의학 분야도 예외는 아니어서 지난 10여년 동안 NGS 기술을 이용해 질병을 진단하고자 하는 노력이 끊임없이 진행되어 왔으며, 마침내 2013년 미국 FDA에서 일루미나사의 MiSeqDx를 최초의 의료용 NGS 장비로 승인함으로써 현재는 가장 혁신적인 유전자검사용 의료기술로 자리를 잡아가고 있다.

 NGS 기술은 기존의 유전자검사 기술과 달리 동시에 수백 개 이상의 유전자를 정확하게 검사할 수 있는 월등한 장점을 가지고 있다. 그대신 수많은 유전자 마커 각각의 검사결과에 대하여 유효성과 안정성을 입증하기 위한 시험기준 및 방법의 마련이 쉽지 않았다. 이를 위해 국내외 정부기관과 학계를 중심으로 NGS 검사를 위한 인증 및 지침을 마련하기 위한 노력이 진행되었으며, 지난해부터 NGS 검사와 관련된 여러 가지 가이드라인이 제정되어 발표되고 있다(그림1). NGS 기술을 기반으로 하는 유전자 검사용 의료기기는 크게 3가지 요소로 구성되어 있다. 첫번째는 화학적으로 염기서열의 해독이 진행되는 NGS 장비이다(그림2에서 6번). 두번째는 분석 대상 유전자만을 골라내어 NGS 장비에서 분석이 가능한 형태로 가공해주는 시약이다(그림2에서 1~5번). 마지막으로 NGS 장비로부터 생산된 디지털 데이터를 분석하여 유전변이를 찾아주는 알고리즘으로, 생물정보학 분석파이프라인(bioinformatics pipeline)으로도 불린다(그림2에서 7~11번).

국내에서도 2017년 초 보건복지부 고시를 통해 NGS를 이용한 유전자검사에 의료보험수가를 지급하기로 하였으며, 이후 지난 1년간 50여 개의 의료기관이 NGS 실시기관으로 등록하여 유전자검사를 수행 중이거나 준비 중으로, NGS를 이용한 유전자검사는 앞으로 지속적으로 증가할 것으로 예측된다.

2. 항암제 동반진단의 개발 동향

  미국 FDA의 홈페이지를 보면 현재의 체외동반진단 의료기기의 현황을 한눈에 볼 수 있다. 동반진단이란 표적치료제의 대상을 선별하기 위하여 필수적으로 사용되는 진단검사로서, 치료제와 진단법이 일대일 또는 일대다수로 연결되어 있다.
지금까지 총 40여개의 체외동반진단 의료기기가 등록되어 있으며, 대부분이 표적항암제를 처방하기 위한 목적으로 사용된다. 진단에 사용되는 기술을 중심으로 살펴보면 면역조직화학염색(immunohistochemistry, IHC) 기술이 11종, 형광동소보합법(fluorescence in situ hybridization, FISH) 9 종, 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR) 13 종이며, NGS 기반의 동반진단은 모두 4종이 등록되어 있다(표1). 이들 동반진단의 대상이 되는 세부 암 종은 13개이며, 25 종의 치료제에 대한 대상을 선별하는데 사용된다. 2016년 까지는 PCR, IHC 및 FISH 등의 방법을 이용한 동반진단 개발이 대부분을 차지했으나, 최근 2년간 4종의 NGS 기반 동반진단이 허가되면서 차츰 분자진단 기술의 중심이 NGS로 옮겨가고 있음을 알 수 있다.

3. NGS 기반 동반진단 기술 개발 사례

  미국에서는 오바마 정부에서 시작한 정밀의학(Precision Medicine Initiative) 정책의 일환으로 미국 국립암센터를 중심으로 NCI-MATCH 라는 국가적 차원의 대규모 다기관 임상연구 프로젝트를   진행해 왔다. 이는 암 환자의 맞춤치료를 위한 암종별 유전변이를 진단하고 이를 근거로 적절한 표적치료제를 선별하기 위한 전향적 임상연구이며, 동시에 NGS 기반의 암 유전체 분석을 위한 성능 검증 프로세스를 구축하는 목적도 있다. NCI-MATCH 프로젝트에 참여한 기관 중 ‘파운데이션메디슨(Foundation Medicine)’과 ‘메모리얼슬론케터링 암센터(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)’는 대규모 임상시험을 바탕으로 암 유전체분석을 위한 체외진단의료기기 실험실 인증을 미국 FDA로부터 2017년 말에 승인 받았다.
FDA로부터 허가 받은 NGS 기반 동반진단은 ‘single site assay’로 불리는 실험실 기반 분석서비스 형태와 ‘distributable kit’로 불리는 의료기기 제품 형태가 있다. 이 두가지 유형의 NGS 동반진단에 대하여 좀 더 살펴보기로 하자.

Single Site Assay
NGS 기반 동반진단 중에서, 파운데이션메디슨의 “FoundationFocus CDxBRCA”와 “FoundationOne CDx”는 파운데이션메디슨의 지정된 실험실에서의 검사를 동반진단으로 허가한 경우다. 물론  지정된 곳 이외에서의 검사결과는 동반진단으로 인정되지 않는다. 메모리얼슬론케터링 암센터의 “MSK-IMPACT” 검사는 동반진단은 아니지만 FDA로부터 암 유전자 검사를 위한 single site assay 형태의 IVD 허가를 받았다. NGS 기술이 아닌 동반진단 중에서는 미리어드제네틱스(Myriad Genetics)의 “BRACAalysis CDx”가 대표적인 single site assay 검사라고 할 수 있다.
가장 먼저 동반진단으로 허가 받은 NGS 검사는 파운데이션메디슨의FoundationFocus CDxBRCA로 난소암 환자에서 BRCA1/2 돌연변이를 검사하여 PARP inhibitor 계열 항암제인 Rubraca(rucaparib) 처방 대상을 선별하는데 사용된다. 가장 최근에 FDA로부터 허가 받은 FoundationOne CDx는 미국 연방정부 차원의 의료보험이(medicare coverage) 적용되는 최초의 광범위 동반진단으로, NGS 기술의 장점을 십분 살려서, 324개의 암 유전자를 동시에 검사하여 5개 암종에 대해 17종의 치료제를 동반진단으로 처방할 수 있다(표2).

 

NGS 기술은 동시에 수 많은 유전변이를 검사하기 때문에 하나의 제품 또는 검사에 대한 안전성과 유효성을 검증하는 것이 간단치가 않다. 일반적인 진단 제품에서는 검사하고자 하는 유전변이에 대한 양성 및 음성 검체를 수집하여 정확도를 측정하거나 표준검사법과의 진단일치도를 비교하는 방식으로 진행된다. 그러나 NGS 제품(또는 검사)에 이러한 방식을 도입하는 것은 수 많은 유전변이를 검증하기 위해 필요할 검체 수나 비용 등을 감안할 때 도저히 수행하기 어렵다. 이러한 고민에 대한 나름대로의 해결 방식을 제시한 것이 FoundationOne CDx의 안전성 및 유효성 검증과정이 되겠다. 이 과정에서는 동반진단 허가와 관련된 바이오마커(CDx biomarker)를 중심으로 분석적 성능의 검증과 임상시험을 진행하였다. 검증 대상 돌연변이를 선정할 때, 변이의 유형을 나누어 대표 변이를 선정하되 동반진단과 관련된 변이를 우선 선별하여 검증하는 방식이다. 여기서는 암 종별로 다른 동반진단 바이오마커에 대한 진단 성능을 검증할 때, 해당 암 종과 바이오마커로 이미 동반진단을 허가받은 제품과 성능을 비교하는 방식으로 임상시험을 설계하였다(표3).

Distributable Kit
일루미나(Illumina)에서 개발한 “Praxis Extended RAS panel”과 라이프테크놀로지(Life Technologies)에서 개발한 “Oncomine Dx Target Test”는 FDA로부터 제조와 유통이 가능한 체외진단용 의료기기(in vitro diagnostic device, IVDD) 형태로 허가 받은 경우이다. 이러한 형태의 동반진단 의료기기는 single site assay에 비하여 검사과정에서 개발자가 컨트롤 할 수 있는 부분이 적기 때문에 발생할 수 있는 위험요소를 미리 예측하여 준비해야 한다. 뿐만 아니라 의료기기의 제조, 유통 및 사용 후 품질관리를 위한 프로토콜이 마련되어야 한다.

4. 맺음말

 동반진단은 정밀의학의 실현에 있어서 매우 중요한 위치를 차지하고 있으며, 환자와 의료진은 물론 국가의 의료체계 향상에 기여한다. NGS 기반 유전자 검사는 치료제의 사용 대상자 선별이라는 동반진단의 목적 외에도, 신약 개발의 표적물질 탐색에 활용할 수 있어 차츰 제약사에서도 관심이 증가하고 있다.
미국 FDA에서는 치료제와 동반진단 기기(검사)의 공동개발을 제도적으로 지원하기 위한 가이드라인까지 내놓고 있다(“Principles for Codevelopment of an In Vitro Companion Diagnostic Device with a Therapeutic Product”)(그림3). 또한 환자의 생명을 심각히 위협하거나 돌이킬 수 없는 손상이 예상되는 경우에 신개발 의료기기에 의해 환자가 얻을 수 있는 이익을 우선 고려한 신속 인허가 프로그램을 운영하고 있다(“Breakthrough Devices Program”). FoundationOne CDx는 이 프로그램을 통해 허가된 대표적인 체외동반진단 검사이다.

국내의 여러 가지 환경을 고려할 때, 신약 개발 초기부터 종료 시까지 동반진단 기기 개발을 함께 진행하는 것은 매우 어렵다. NGS 기술을 기반으로 동반진단 기기(또는 검사)를 개발하는 데는 여러 가지 장점이 있지만, 국내 시장의 규모와 특히 개발비용 측면에서 한계가 있는 것도 사실이다. 따라서 국내 실정에 맞는 치료제와 동반진단 기기의 공동개발 전략 수립이 필요하다. 경우에 따라서는 이미 개발이 완료된 동반진단 기기에 대한 follow-on CDx 개발을 시도하는 것도 괜찮은 초기 전략일 수 있다. 개발 중인 치료제의 임상시험에서 대상자 선별을 위해 사용된 진단제품에 대하여 동등성을 검증하는 방식으로 새로 개발한 진단기기의 성능을 검증하는 방법도(IVD bridging studies) 하나의 대안이 될 수 있다.

5. 참고문헌

∙ Cottrel CE et al., Validation of a Next-Generation Sequencing Assay for Clinical Molecular Oncology. J Molecular Diagnosis 2014, 16:89-105.
∙ https://www.fda.gov/MedicalDevices/ProductsandMedicalProcedures/InVitroDiagnostics/ucm301431.htm
∙ In Vitro Companion Diagnostic Devices; Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff
∙ Principles for Codevelopment of an In Vitro Companion Diagnostic Device with a Therapeutic Product; Draft Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff
∙ Breakthrough Devices Program; Draft Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff
∙ PMA P170019: FDA Summary of Safety and Effectiveness Data (FoundationOne CDx)
∙ PMA P160045: FDA Summary of Safety and Effectiveness Data (Oncomine Dx Target Test)
∙ PMA P160038: FDA Summary of Safety and Effectiveness Data (Praxis Extended RAS Panel)
∙ PMA P160018: FDA Summary of Safety and Effectiveness Data (FoundationFocus CDx BRCA)
∙ DEN170058: EVALUATION OF AUTOMATIC CLASS III DESIGNATION FOR MSK-IMPACT (Integrated Mutation Profiling of Actionable Cancer Targets)

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