세포 기반 NIPT를 위한 모체혈액의 순수한 태아세포 분리
산전 의료 분야에서는 발달 중인 태아의 유전 질환 검사를 위해 태아의 DNA가 필요할 수 있습니다. 융모막융모생검(CVS)이나 양수천자와 같은 기존의 산전 진단법은 스트레스와 침습성으로 인한 자연발생적 유산의 위험이 있습니다. 하지만 임신 첫 3개월 동안에는 모체의 혈액순환계에서 태아의 세포가 발견됩니다. 모체의 혈액 샘플에서 이 태아세포를 분리하는 방법은 위험성이 낮은 비침습적 산전검사(NIPT)로 순수하고 온전한 태아의 유전체를 확보할 수 있다는 점에서 기존의 방법을 대체할 수 있는 매력적인 접근법입니다(그림 1).
그림 1. 기존의 산전 진단법 및 세포유리 NIPT(cfNIPT)와 세포기반 NIPT(cbNIPT)의 비교 도식(출처: Singh et al.) - 모체의 유전체에 오염되지 않은 순수한 태아세포를 바탕으로 한 cbNIPT는 CVS와 같은 침습적 절차와 비슷한 분석력을 제공합니다. 또한, 채혈 검사 방식이므로 산모가 부담하는 위험성과 스트레스는 cfNIPT 수준으로 낮습니다.
태아세포 기반 vs. 세포유리 DNA 검사
현재 많은 국가에서는 순환 cfNIPT 분석을 바탕으로 한 NIPT를 도입하고 있습니다. 그러나 이 방법에는 혈장에 다량의 모체 DNA와 DNA 조각이 포함되어 있어 태아 유전체의 순도가 낮다는 단점이 있습니다. 순도가 낮으면 태아 유전체의 비정상적 염색체 이상을 높은 신뢰도로 검출하기 어렵습니다. 모체 혈액에서 순수하고 온전한 태아세포를 분리하고, 유전체를 증폭시킨 태아 DNA 전체에 대해 유전자 분석을 수행하면 이 단점을 해결할 수 있습니다.
단일 태아세포 분리의 난관과 솔루션
모체 혈액을 따라 순환하는 태아세포는 매우 희귀합니다. 혈액 1mL에 존재하는 태아세포는 1~2개에 불과합니다. 따라서 모체의 혈액으로부터 충분한 수의 순수한 태아세포를 회수하여 다운스트림 유전자 분석에 활용하는 데에는 기술적인 어려움이 있습니다. 효율적인 업스트림 농축, 적절한 세포 유형별 표지자를 사용한 검출, 특이성과 정밀성이 매우 높은 정교한 단일 세포 분리 기술로 희귀한 세포의 손상과 손실을 최소화해야 합니다. CellCelector를 기반으로 하는 태아세포 분리 공정을 사용하면 높은 속도와 정밀성으로 농축한 혈액 샘플에서 희귀한 세포를 검출하고 단일 태아세포를 정교하게 회수할 수 있습니다.
그림 2. CellCelector 단일 세포 채취 장치를 사용한 일반적인 모체 혈액의 단일 태아세포 분리 및 유전자 분석 공정 - CFC: 순환 태아세포, CMA: 염색체 마이크로어레이 분석, NGS: 차세대 서열화
그림 3. 그림 2의 공정에 따라 CellCelector로 검출한 태아세포 예시 - 청색: DAPI, 녹색: 태아세포에 특이적인 항체 칵테일[이미지 출처: Arcedi Biotech]
그림 4. CellCelector 시스템에 의해 자동 저장된 채취 전후 이미지 예시 - 단일 세포 채취 효율: 100%[이미지 출처: Arcedi Biotech]
세포 기반 NIPT의 임상 도입
싸토리우스 고객 ARCEDI Biotech는 지난 2018년 5월, 덴마크 중앙윌란 지역의 산전 의료에 입증된 민감도와 정확도를 제공하는 CellCelector 플랫폼 기반의 새로운 cbNIPT 기법을 이용한 검사를 도입했습니다. 첫 3개월 검사를 바탕으로 ‘고위험군’으로 분류된 여성(>1:300)들은 세포 기반 비침습적 검사 및 세포유리 NIPT, 또는 기존의 침습적 검사 중 하나를 선택할 수 있게 되었습니다. 새로운 cbNIPT 방식은 ‘노콜’이 없습니다. 즉, 모든 경우에서 태아세포를 검출 및 분리할 수 있습니다(그림 5). 샘플당 식별 가능한 태아세포 수는 평균 12.8개입니다. 아래 그림은 일반적인 태아세포의 모습과 이 방법으로 검출된 염색체 이상 사례를 나타낸 것입니다. 현재 개발된 cbNIPT 기술을 사용하면 이수배수체, 미세중복, 구조 불균형 재배열 및 모자이크 현상 등 10Mb를 초과하는 아염색체 이상을 식별할 수 있습니다(그림 6). 최종적인 목표는 모든 임산부에게 선별검사를 제공하는 것입니다.
그림 5. 목투명대 증가를 나타낸 남아 태아의 모체 혈액을 농축하여 검출한 태아세포(출처: Vestergaard et al.) - 세포는 DAPI(청색) 및 태아세포에 특이적인 항체 칵테일(녹색)로 염색했습니다. 농축 후 CellCelector를 사용해 단일 태아세포를 검출 및 분리하고, WGA 및 aCGH 분석을 수행했습니다. 그 결과 그림 6과 같이 염색체 21번의 이수배수체가 확인되었습니다(사례 1).
그림 6. 세포유전적 이상 사례 5건에 대한 aCGH 분석 예시 - 1: 세염색체 21번, 2: 세염색체 13번(모자이크), 3: 세염색체 2번(모자이크), 4: 부분 세염색체 21번(12.4‐Mb 중복), 5: 염색체 4p의 31-Mb 결손과 염색체 8p의 30-Mb 중복을 포함한 불균형 전위(그림 출처: Vestergaard et al.). 모든 모체 혈액 샘플은 침습적 검사 이전에 cbNIPT용으로 채취했고 맹검법으로 분석했습니다.
관련 참고문헌
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Jeppesen L.D., et al. Cell-based non-invasive prenatal diagnosis in a pregnancy at risk of cystic fibrosis(낭성 섬유증 위험이 있는 임신 중 세포 기반 비침습적 산전 진단), Prenat Diagn. 2021 Jan;41(2):234-240
Hatt L, et al. Cell-based noninvasive prenatal testing (cbNIPT) detects pathogenic copy number variations(세포 기반 비침습적 산전 검사(cbNIPT)를 통한 병원성 복제수 변이 검출), Clin Case Rep. 2020
- Singh R. et. al. Laboratory challenges with cell-based NIPT(실험실 내 세포 기반 NIPT의 어려움). ISPD Global Updates, November 2018
Vestergaard E.M. et al. - On the road to replacing invasive testing with cell‐based NIPT: Five clinical cases with aneuploidies, microduplication, unbalanced structural rearrangement, or mosaicism(세포 기반 NIPT로 침습적 검사 대체하기: 이수배수체, 미세중복, 구조 불균형 재배열, 모자이크 현상이 관찰된 5개 임상 사례). Prenatal Diagnostics 37(11):1120-1124 (2017)
- Kølvraa, S. et al. Genome-wide copy number analysis on DNA from fetal cells isolated from the blood of pregnant women(임산부 혈액에서 분리한 태아세포의 DNA에 대한 유전체 전반의 복제수 분석), Prenatal Diagnostics 36: 1-8 (2016)