Rapid antibiotic susceptibility test system based on single cell analysis of bacteria

Abstract

항생제 감수성 검사는 현재 국내에서 한해 약 300만 건 이상이 처리되고 있으며 임상 검체에서 세균 동정이 이루어지는 경우 대부분 시행된다. 특히 패혈증을 비롯한 대부분의 감염 병증에서는 반드시 항생제 감수성 검사를 시행해서 치료 효과를 높이고 항생제 내성율의 증가를 예방할 수 있는 적절한 항균 요법을 유도할 수 있도록 해야 한다. 임상적으로 감염증이 의심되는 경우 임상 검체의 추출에서부터 항생제 감수성 검사의 결과가 나오기까지 최소 3~4일이 소요되므로 경험적 광범위 항균제 요법을 시행하고 있으나 이는 부적절한 항생제 사용으로 이어지고 결국 항생제 내성을 증가시키게 되므로 다제 내성균의 발생을 초래할 가능성이 높다. 그러므로 항생제 감수성 검사 결과를 보다 신속하게 얻는다면 경험적 항생제 처방의 횟수를 줄일 수 있어 항생제 내성을 줄이는 효과를 가져 올 수 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 신속한 항생제 감수성 검사를 수행할 수 있는 이미지 기반의 단일 세균 분석 기술을 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 기존의 항생제 감수성 검사 방법은 배양된 균을 흡광도를 이용하여 108/ml 개로 정량한 후에 다른 종류 및 농도의 항생제가 들어있는 각각의 웰에 접종함으로써 시작된다. 샘플이 접종된 웰 플레이트를 약 18시간 정도 배양한 후에 흡광도를 측정하게 되는데 균이 자라는 웰은 뿌옇게 변하게 되고 항생제에 의해 균이 자라지 않는 웰은 투명하기 때문에 이를 보고 감수성 결과를 판단한다. 실제 임상 검체를 처리하는 병원에서는 이러한 방법이 자동화된 장비를 사용하고 있으며 현재 가장 많이 쓰이고 있는 장비에서는 흡광도를 시간별로 측정하여 흡광도의 변화율을 계산하는 방법으로 항생제 감수성 검사 결과를 좀 더 빠르게 제시하고 있지만 10시간 이상이 소요되며 좀 더 신속한 결과가 요구되는 실정이다. 본 연구에서는 신속한 항생제 감수성 검사 시스템을 구현하였으며 이를 구현하기 위한 다음 기술들이 개발되었다. 미세 유체관의 좁은 영역을 통과하는 단일 세균에 의해 변하는 전기 저항을 이용하여 균을 계수함으로써 작은 농도의 균의 수도 정확히 측정할 수 있는 기술과 항생제에 대한 균의 반응을 관찰하기에 용이한 미세유체 기반의 바이오칩 개발 기술, 그리고 1um 정도의 크기의 세균을 정밀하게 측정 및 분석 할 수 있는 자동화된 광학 현미경 및 소프트웨어 개발 기술에 대해 소개한다. 또한 개발된 시스템을 이용하여 Clinical Laboratory Standard Institute에서 제시하는 표준 균주 및 항생제에 대한 검증을 하였고 실제 임상 검체로부터 항생제 감수성 검사를 실시하였으며 기존 방법 대비 50% 신속한 검사를 수행하였다. 본 연구를 통해 개발된 단일 세균 분석 기반의 신속한 항생제 감수성 검사 기술은 이미지 분석 방법을 통하여 항생제 감수성 검사를 신속하게 수행하였을 뿐 아니라 다양한 균의 성장을 세밀히 관찰 할 수 있었으며 균의 다양한 이질성에 대한 연구 가능성도 제시할 수 있었다. 또한 기술이 상용화 된다면 시급한 치료를 요하는 세균성 패혈증과 같은 감염증에 대해 기존 검사 시스템 보다 빠른 진단과 조기 대응이 가능하도록 할 수 있으며 현재 대한민국에 만연해 있는 항생제 남용으로 인한 다제 내성균의 확산도 방지할 수 있을 것으로 기대 된다.