단백질 바이오마커의 유용성과 프로테오믹스 기술의 발전 및 시장 성장 전망과 분석 기술의 고도화 doc_id PCY_201504220915095011_13

오믹스 기반 바이오마커는 질병의 조기진단, 예후, 약물치료에 대한 반응, 신약 후보물질에 대한 평가 등에 유용한데, 현재 미국 FDA에 의해 허가된 MammaPrint, AlloMap 등 다중마커 분자진단제의 대부분은 유전체 기반의 제품이다. 단백질 바이오마커는 Phenotype 바이오마커로서 생리상태를 직접 반영하며, 병원에서 쉽게 분석할 수 있는 혈액이나 소변을 사용한다는 이점이 있다. 프로테오믹스 분석기술의 발달로 단백질 바이오마커 후보가 속속 도출되고 있으나, 실제 임상에서 유용성을 평가하는 부분이 시간이 걸리는 단계라 할 수 있다. 2008년 미국 FDA와 유럽 EMEA에서 C-Path의 PSTC(Predictive Safety Testing Consortium)에서 제안한 7개 단백질 패널을 신장 결함에 대한 독성 바이오마커로 인정한 이래로 다양한 단백질 바이오마커 후보군들이 도출되고 있으며, 미국 NCI의 EDRN(Early Detection Research Network)에서는 각종 암에 대한 수백 개의 단백질 바이오마커에 대해 지속적으로 평가를 하고 있다. 세계 단백질체학 시장은 2012년 약 42억불이고, 연평균 약 16.1%씩 성장하여 2017년 약 89억불로 예측된다. 질량분석 기반 프로테오믹스 시장은 2012년 약 34억불로 가장 큰 비중을 차지하는 기술 플랫폼으로 연평균 12.6%씩 성장하여 2017년 약 62억불의 시장을 형성할 것으로 보인다. 단백질체학 시장은 최종 소비자에 따라 연구, 신약개발, 진단, 응용 분야로 분류될 수 있는데, 2012년 전체 시장의 43%를 차지하고 있는 연구 분야 시장 규모는 18억불이고 년 평균 약 9.7%씩 성장하여 2017년 약 29억불로 전체시장의 32.5%를 차지할 것으로 예상된다. 전통적으로 연구 분야 시장이 단백질체학의 주요 초점으로 크게 성장해 왔는데, 최근에는 점차적으로 신약개발, 진단 등의 응용 시장으로 변화하고 있다. 특히 진단 프로테오믹스 시장은 가장 크게 성장하고 있어서, 2012년 불과 2.46억불에서 연평균 약 43.5%씩 성장하여 2017년에는 15억불에 이를 것으로 예측된다. 이러한 진단 프로테오믹스 시장의 가파른 성장은 프로테오믹스 기반 다중 진단 시험의 증가, 단백질 바이오마커의 높은 발굴율, 자동화된 신속하고 저렴한 시험에 대한 필요성에 기인한 것으로 해석될 수 있다. 미래 도전분야는 인간 질병 문제를 해결할 수 있는 주요 수단으로 인간 프로테옴의 이해와 생명시스템에서의 유효적절할 assay 개발이다. 그 방법으로 MRM 방법이 제안되어 그 장점이 검증되었으나, 민감도 개선을 위한 대안으로 immuno-MRM의 개발, 정착 및 생물학이나 임상에서의 응용이 시급하여 국제적인 공동 노력이 제안되어 왔다. Immuno-MRM에 필요한 리소스 (펩티드나 항체와 같은 reusable reagents) 마련에 엄청난 비용이 들고 표준방법을 확립하는 과정이 매우 더디고 단조롭기 때문에 기초연구나 중개연구에 접목시킬 수 있는 동력은 국제 네트워크 기반으로 확보되어야 할 필요가 있다. 단백질체학 산업은 지극히 다양하고 다른 시장 분야와의 경쟁관계에 있으나, 프로테오믹스 기술은 생명과학 산업에서 없어서는 안 될 기반 기술임이 증명되고 있다. 특히 유전체와 단백질체 콘텐츠를 포함하는 프로테오지노믹스 기반의 유전자 및 단백질 바이오마커군 발굴 분야가 점점 활성화되고 있으며 신약개발과 진단 분야에의 응용성이 매우 큰 유망한 분야이다. 폭넓은 프로테옴 분석범위를 확보하기 위해 프로테옴 분리분획 기술이 필요함에 따라 단백질과 펩티드 수준에서 다양한 크로마토그래피적 분획법이 개발되어 사용되고 있다. 이 분획법들은 역상크로마토그래피와 결합된 다차원 분리기술로 적용되어 검출의 다이내믹레인지를 크게 증가시키고 있다. 단백질 분획법으로는 일반적인 gel 기반의 기술, PF2D automated chromotofocusing, Reversed-phase liquid chromatography(RPLC) 등의 LC 기반의 기술, FFE나 IEF, 특히 Off-gel electrophoresis나 Rotofor 등의 액체상 IEF 기술들이 사용되고 있다. 펩티드 수준에서의 분획법으로는 역시 Off-gel electrophoresis, SCX나 basic pH RP의 LC 기술 등 액체상 분리 기술이 다양한 형태로 사용되고 있다. FT-ICR은 높은 감도(100 amole ~ 150 zmole), 높은 질량분해능, 1 ppm 이하의 높은 질량측정정확도 등으로 단백질 혼합물의 확인 및 펩티드 sequencing 정보의 향상을 가능하게 한다. 또한 ECD, ETD 등 다양한 펩티드/단백질 분해 기술 개발로 프로테옴 시료에 대한 더 정확한 화학적 정보를 얻고 있다. 펩티드 수준의 Bottom-up 분석의 한계를 극복하기 위해 보다 큰 펩티드 및 단백질 그대로의 질량을 분석하는 Middle-down 혹은 Top-down 방식이 지속적으로 시도되고 있다. 이러한 분석에 필수적인 고분해능/고정확성 FT 질량분석계의 보유와 활용은 여전히 몇몇의 선두 그룹에 제한적이나, 관련 질량분석계 및 이에 적합한 Gel-eluted liquid rraction entrapment electrophoresis(GELFrEE)와 같은 단백질 분리 기술 등이 계속 개발되고 있으며, 추후 동종 단백질의 다양한 Post-translational modification(PTM) 분석에 대한 정보를 제공할 것으로 기대되고 있다. 질량분석에서 얻어진 방대한 데이터로부터 펩티드의 서열정보를 정확히 해석하고, 생물학적 의미를 추출하는 informatics 기술은 Scripps, ISB, PNNL, MPI 등의 유수 연구기관에서 분석의 자동화와 생산된 질량스펙트럼의 해석을 위한 소프트웨어 환경을 구축하여 사용하고 있으며, 이를 공개하여 문제점 개선을 위해 노력하고 있다(DTAselect, MS-GF+, Andromeda, PeptideProphet/ ProteinProphet 등). 특히 펩티드 서열로부터 단백질을 동정하고, 정량적으로 해석하는 데 필요한 다양한 프로그램의 개발과 단백질의 PTM 분석을 위한 알고리즘(MODi, ascore, debunker 등)의 개발도 활발히 진행되고 있다. 최근에는 글로벌 프로테옴 프로파일링을 통해 얻어진 방대한 데이터를 Gene ontology 분석, Enriched functional-related gene group의 clusterization, pathway map 작성, network 분석 등을 통해 시스템 생물학적인 접근의 informatics 기술과 연계하는 연구가 진행되고 있다. 최근 단백질체 정량은 gel을 사용하지 않고 LC와 질량분석기로만 정량하는 추세이다. 정량 프로테오믹스에는 약간의 변형은 있으나, 일반적으로 두 가지 접근법이 있다. 안정 동위원소 치환 펩티드를 내부 표준물질로 사용하여 상대정량하거나 절대정량을 하는 접근법은 주로 무거운 동위원소 치환 펩티드가 동일한 이온화 효율을 갖는 가정 하에 실시된다. 상대정량기술에는 ICAT(isotope coded affinity tags), iTRAQTM(isobaric tags for relative and absolute quantitation, Applied Biosystems사), SILAC(stable isotope labeling with amino acids in cell culture), IDBESTTM(isotope-differentiated binidng energy shift tags, Target Discovery사), TMT(tandem mass tag, Thermo Scientific사) 등이 있다.