조직 형광을 이용한, 당화 최종산물 또는 질병 상태 측정의판정방법 document_id A220623052104

본 발명은 일반적으로 조직 형광(tissue fluorescence)으로부터 조직 상태를 판정하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 조직 형광과 조직 상태를 연관시키는 모델을 결정하고, 조직의 형광 특성을 판정하며, 형광 특성 및 적합한 모델로부터 조직 상태를 판정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 동시 계속 출원에 대한 상호 참조 본 출원은 2002년 4월 4일에 출원된 '개체의 당뇨를 검출하는 조직(tissue)의 분광학적 분석을 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 특허 출원 제 10/116,272호를 35 U.S.C 120조에 따라 우선권을 주장하고 참고로 본 명세서에 포함하며, 2003년 10월 28일에 출원된 '조직 형광을 이용한, 당화 최종산물 또는 질병 상태 측정의 판정방법'이라는 제목의 미국 예비 출원 제 60/515,343호의 이익을 주장하고, 참고로 본 명세서에 포함한다. 당뇨(Diabetes mellitus)는 미국 및 전세계의 선진국 및 개발 도상국들 전체에서 중요한 건강문제이다. 2002년, 미국 당뇨 연합회(ADA)는 1,820만의 미국인-적어도 일반 시민의 6.4%-이 당뇨의 어떤 형태로 고통을 받고 있다고 추정하였다. 이들 중, 90 내지 95%가 제 2형 당뇨 환자이었으며, 35%, 즉 약 600만의 환자들은 진단받지 않은 환자들이었다(참조: ADA 보고서, 당뇨 관리, 2003). 세계보건기구(WHO)는 전 세계적으로 1억7천5백만의 사람들이 당뇨로 고생하며; 또한, 제 2형 당뇨는 전체 모든 진단 중 90%라고 추정한다. 불행히도, 추세는 앞으로 20년간 이러한 무서운 상황이 더 악화될 것이라고 예견한다. 세계보건기구는 전체 당뇨 환자의 수가 2025년 전에 두 배가 될 것으로 예측한다. 이와 비슷하게, 미국 당뇨 연합회는 2020년까지 미국 인구의 8.0%, 약 2,500만 인구가 이러한 질병에 직면하게 될 것이라고 추정한다. 검출율이 변화하지 않는다고 가정하면, 이러한 추세는 20년 내에 미국인 100명 중에 3명은 진단이 확인되지 않은(silent) 당뇨 환자가 될 것임을 예고한다. 다수의 사람들이 당뇨의 세계적 증가를 전염병처럼 규정하는 것은 놀랄 일이 아니다. 당뇨는 개체의 건강 및 국가의 경제에 중대한 영향을 끼친다. 당뇨와 관련된 미국의 보건 치료 비용은 2002년에 1,320억 달러를 넘어섰다. 만성 과혈당에 기인하는 수많은 합병증으로 인하여 상기 비용들은 폭넓은 건강 서비스 분야에 사용되었다. 예를 들어, 심혈관 질환, 신장 질환, 내분비 및 대사 합병증 및 안질환의 분야에서 발생한 미국 총 지출의 5 내지 10%가 당뇨에 기인한 것이었다(참조: ADA 보고서, 당뇨 관리, 2003). 이들 경제적 및 건강적 부담은 대부분의 당뇨관련 합병증이 예방 가능하다는 사실과 상반된다. 저명한 당뇨 조절 및 합병증 연구(DCCT)는 글루코스 체크, 운동, 적절한 식이요법 및 인슐린 치료의 엄격한 관리가 당뇨 합병증의 진행 및 발병 위험을 획기적으로 감소시켰음을 증명하였다(참조: DCCT 리서치 그룹, N. Eng. J. Med., 1993). 또한, 진행중인 당뇨 예방 프로그램(DPP)은 이미 당뇨의 위험에 놓인 개체들이 체중 감량 및 육체활동 증가와 같은 생활 습관을 변화시켜 상기 질환에 걸릴 가능성을 현저히 줄일 수 있다는 것도 증명하였다(참조: DPP 리서치 그룹, N. Eng. J. Med., 2002). ADA는 "만약 DPP가 하나 이상의 [시험된] 중재로 제 2형 당뇨 발생의 감소를 증명한다면, 보다 폭넓은 선별법이 ~ 합리화될 수 있음"에 주목하여, 건강 관리 제공자들로 하여금 하나 이상의 질환 위험인자를 가진 개체의 선별(screening)을 시작할 것을 추천하였다(참조: ADA 입장 진술, 당뇨 관리, 2003). 공복 혈장 글루코스(FPG) 검사는 당뇨 진단 또는 선별을 위한 2가지 허용된 임상적 기준 중 하나이다(참조: ADA 위원회 보고서, 당뇨 관리, 2003). 상기 FPG 검사는 12 내지 14시간 공복 후에 혈장 글루코스 수준을 측정하는 탄수화물 대사 검사이다. 공복은 글루카곤 호르몬의 방출을 자극하여, 혈장 글루코스 수준을 증가시킨다. 당뇨가 없는 사람에게는, 신체는 인슐린을 분비하고 처리하여 글루코스 수준의 증가에 대응한다. 당뇨가 있는 사람에게는, 혈장 글루코스 수준이 높은 상태로 머물러 있다. 상기 ADA는, FPG 검사는 오후에 검사하게 되면 더 낮은 수치를 나타내는 경향이 있기 때문에 아침에 실시할 것을 권장한다. 대부분의 건강한 사람에 있어서, FPG 수준은 70 내지 100mg/dL이다. 약물 투약, 운동 및 최근의 질병은 상기 검사의 결과에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 검사 수행 전에 적절한 병력이 조사되어야 한다. 126mg/dL 이상의 FPG 수준은 그 직후 다시 검사를 할 필요가 있음을 말해준다. 만약 재검사 동안에도 동일한 수준의 혈당치에 도달된다면 당뇨 진단이 일반적으로 내려진다. 정상 범위보다 단지 약간 높은 수치의 결과를 보인다면, 당뇨라는 진단을 확증하기 위하여 경구 글루코스 내성 검사(OGTT) 또는 식후 혈장 글루코스 검사를 포함하는 추가의 검사를 받아볼 필요가 있다. 상승된 혈당치를 야기할 수 있는 다른 조건들로는 췌장염, 쿠싱 증후군(Cushing's syndrome), 간 또는 신장 질환, 자간(子癎), 및 패혈증 또는 심근경색과 같은 다른 급성 질환을 포함한다. 실행이 보다 용이하고, 환자들에게 보다 편리하기 때문에 상기 FPG 검사는 ADA에 의해 강력히 추천되고 있으며, 다른 허용된 진단 기준인 OGTT 보다 더 널리 사용된다. 상기 OGTT는 다수의 결점에도 불구하고 당뇨 진단을 위하여 임상적으로 신뢰할 만한 진단법이다. 공복 상태로 검사에 임한 후, 환자는 글루코스 용액(포도당 75 내지 100g)의 경구 투여량을 복용하는데, 상기 글루코스 용액은 통상적으로 혈당 수준을 처음 1시간 동안 올린 후, 신체가 글루코스 수준을 정상화하기 위하여 인슐린을 분비하기 때문에 3시간 내에 기준선으로 복귀한다. 혈당 수준은 OGTT 복용 3시간 동안 4 내지 5회 측정될 수 있다. 평균적으로, 혈당 수준은 경구 글루코스 양을 복용한 후 30분 내지 1시간 동안 통상 160 내지 180mg/dL의 범위로 최고 상승한 후, 2 내지 3시간 내에 140mg/dL 이하의 공복 수준으로 돌아온다. 최근의 질병 및 약물 복용이 결과에 영향을 미칠 수 있듯이, 나이, 체중 및 인종과 같은 변수들이 결과에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 노년층은 50세 이후 매년 마다 글루코스 내성에서 상한값이 1mg/dL 증가하게 된다. 현재의 ADA 가이드라인은 서로 다른 날에 복용한 2개 각각의 OGTT 상에서 2시간 후 혈당치가 200mg/dL 보다 크면 당뇨 진단을 내린다. 상기 진단 기준에 덧붙여, ADA는 또한 비정상이기는 하지만 당뇨 진단을 내리기에는 불충분하다고 간주되는, 정상 혈당 상태로부터 편차를 반영하는 2개의 '당뇨 전조'(pre-diabetic) 조건들을 인식한다. 단일 FPG 검사가 100 내지 126mg/dL 사이의 값을 보이는 경우, 개체는 '손상된 공복 글루코스'(IFG)를 가진다고 말한다. 이와 비슷하게, OGTT가 2시간 후 글루코스 수치가 140 내지 200mg/dL이 되는 경우, '손상된 글루코스 내성'(IGT)의 진단이 통상 내려진다. 이들 모든 조건들은 당뇨에 대한 위험 인자로 간주되며, IFG/IGT가 당뇨 예방 프로그램의 개시 조건으로 사용되었다. 또한, IFG/IGT는 심혈관 질환의 증가된 위험과도 연관된다. 검사를 위한 공복, 침습성의 혈액 채취 및 수일에 걸친 반복 검사들의 필요성은 OGTT 및 FPG 검사가 환자들에게 불편하도록 만들며, 비용도 고가이다. 게다가, 이들 검사의 진단 정확성은 중대한 개선의 여지를 남긴다(참조: M.P. Stern et al., Ann Intern Med, 2002 and J.S. Yudkin et al., BMJ, 1990). 과거에 다양한 시도들이 당뇨 선별의 FPG 및 OGTT의 단점들을 극복하고자 이루어졌다. 예를 들어, 환자 병력에 기초한 위험 평가 및 지필 검사가 이루어졌는데, 이러한 방법들은 통상적으로 진단 정확성이 떨어졌다. 또한, 당화혈색소(HbA1c)의 사용이 당뇨 선별을 위해 제안되었다. 그러나, HbA1c는 수 주에 걸친 주기 동안의 평균적인 혈당의 지표이기 때문에 그 내재적인 가변성은 더 열악한 당뇨의 지표가 되게 하며 이는 현재 이용되는 HbA1c 분석과 관련된 실험적인 불확실성의 원인이 된다(참조: ADA 위원회 보고서, 당뇨 관리, 2003). 당뇨자의 HbA1c 수준은 비당뇨자의 수준과 겹칠 수 있어서 HbA1c를 선별 검사로 하기에는 문제가 있다. 신뢰성 있고 편리하며 비용이 저렴한 당뇨 선별 수단이 요구된다. 또한, 신뢰성 있고 편리하며 비용이 저렴한 당뇨 효과를 측정하는 수단 역시 상기 질병을 다루고, 상기 질병의 합병증을 피하는 데 도움을 준다. 미국 특허 제 5,582,168호(Samuels)는 생물학적 조직 및 유사 물질의 특성을 측정하는 장치 및 방법을 개시한다. 이들 장치 및 방법은 인간의 눈의 측정에 관하여 기술된다. 또한, 이들 발명자들에 의해 기술된 보정 방법론은 탄성 산란 여기광의 측정만을 포함한다. Samuels은 단순한 선형 보정 방법을 개시한다. Samuels은 조직 질병 상태가 비침습성(noninvasive) 측정을 통하여 식별되는 알고리즘이나 방법을 개시하지 않는다. 미국 특허 제 6,505,059호(Kollias)는 비침습성 조직 글루코스 수준 감시를 위한 장치 및 방법을 개시한다. Kollias는 측정된 형광이 조직 흡수 및 산란의 효과에 대하여 보정될 수 있는 어떠한 방법도 개시하지 않는다. Kollias는 조직 반사율 측정이 조직 산란을 직접 측정하도록 만들어질 수 있다는 것을 지적하지만, 어떻게 이러한 정보를 사용하여 조직 형광 스펙트럼에 관한 정보를 수득하는 지에 대해서는 암시하지 않는다. 또한, Kollias는 조직 질병 상태가 비침습성 측정으로부터 판정될 수 있는 알고리즘이나 방법을 개시하지 않는다. 미국 특허 제 6,571,118호(Utzinger)는 샘플에 형광 및 공간 분해 반사율 분광(spatially resolved reflectance spectroscopy)을 수행하는 방법 및 장치를 개시한다. Utzinger는 형광 및 반사율 측정의 조합이 생물학적 조직의 특성을 밝히는 데 사용되는 방법을 개시하고 있지만, 상기 출원은 피부의 분광과 관련이 없다. 또한, Utzinger에 개시된 상기 반사율 측정은 본질적으로 공간 분해식이며, 다시 말해 상기 반사율 분광은 하나 이상의 특정 광원-수용기 분리에서 수행되어야 한다. 결국, 검사 대상 조직의 자체 형광 스펙트럼을 수득하거나 근사하기 위하여 조직 반사율 측정을 사용한, 측정된 형광이 보정될 수 있는 알고리즘이나 과정에 대한 어떠한 개시도 없다. 미국 특허 출원 제 20030013973호(Georgakoudi)는 조직 특성을 측정하기 위한 형광, 반사율 및 산란광 분광의 시스템 및 방법을 개시한다. Georgakoudi는 식도암 및 바렛 식도(Barrett's esophagus)의 검출에 적용되는 반사율 특성을 사용한 자체 형광의 측정을 논의한다. Georgakoudi는 이러한 측정에 관한 어떠한 특정 방법도 개시하지 않는다. 미국 특허 제 6,088,606호(Ignotz)는 의학 상태의 지속을 판정하는 시스템 및 방법을 개시한다. Ignotz는 형광을 언급하지만 자체 형광 스펙트럼을 수득하거나 측정하기 위하여 반사율 스펙트럼을 사용하지 않는다. 게다가, Ignotz는 질병의 존재를 진단하거나 선별 또는 특정 화합물의 농도를 정량화하기 위함이 아니라 질병의 지속을 판정하는데 관련된 방법을 기술하였다. 또한, Ignotz는 유용한 측정 부위로써 피부를 언급하지 않았다. 미국 특허 제 5,601,079호(Wong)는 자극된 형광에 의한 글루코스 상태, 노화 및 최종 메일라드(Maillard) 생성물의 비침습성 정량화를 위한 장치를 개시한다. Wong은 피부 및/또는 그의 구조 단백질에서가 아닌 특히 혈액 내에서의 진행된 당화 최종 생성물을 정량화한다. 게다가, 형광 보정 방법론은 탄성 산란 여기광의 측정만을 포함한다. Wong은 단지 단순한 선형 보정 방법을 기술한다. 결국, Wong은 비침습성 측정을 통한 조직 질환 상태가 식별될 수 있는 알고리즘 또는 방법을 개시하지 않는다. 국제 특허 공보 WO 01/22869(Smits)는 피부 자동형광(autofluorescence)의 비침습성 판정을 위한 장치를 개시한다. 상기 장치는 피부를 상호교환가능한 광학적 대역 여파기(optical bandpass filter)를 통하여 조사(照射)하는 광대역 UV 광원(흑색 광)로 구성된다. 수득된 피부 형광은 소형 분광기에 광섬유적으로 연결된다. 상기 출원은 피부의 AGE 농도가 피부 자동형광의 정성 분석으로부터 유추될 수 있음을 제공하는데, 장치 및 측정방법을 이용하여 AGE 농도를 정량화할 수 있는 수단은 제공하지 못하고 있다. 상기 장치는 건강한 개체의 피부 형광을 분석하려는 의도이며, 질병 판정을 위한 도구로의 유용성은 검토하지 않는다. 상기 출원은 개체의 피부색 및 하부구조는 간섭 측정될 수 있음에 주의하나 이들 변수 특성을 보상하려는 기술이나 방법은 제시하지 못하고 있다.