Jack Andraka
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잭 안드라카와 췌장암 (Pancreatic cancer) 진단 키트
잭 안드라카 #
잭 안드라카 (Jack Andraka). 아마 이 이름을 처음 들어보는 분들이 많을 것이다. 올해 17살로 현재 미국고등학생인 이 사람은 놀랍게도 2012년에 췌장암 진단 키트를 개발하여 전 세계적인 유명인사가 되었으며 2012 Gordon E. Moore Award와 Intel International Science and Engineering Fair의 그랑프리상을 수상, 상금 7만5천불의 주인공이 되었다. 얼마 전 열렸던 서울디지털포럼에 연사로 초청되기도 하였다.
그림1. 잭 안드라카 (이미지 출처: http://www.zmescience.com/medicine/jack-andraka-15-year-old-invention-423423/#!6G1tU)
그가 개발한 췌장암 진단키트는 새롭고 (new), 빠르며(rapid), 값싼 (inexpensive method) 진단 방법으로 주목받았다.
배경 #
미국 메릴랜드주 크라운스빌의 평범한 고등학생이던 그가 췌장암 진단 키트를 개발하기로 결심을 하게 된 계기는 그가 평소에 가깝게 지내며 가족처럼 따르던 이웃집 아저씨가 췌장암으로 세상을 떠나면서부터다. 갑작스런 소식에 충격을 받은 잭은 췌장암에 대한 공부에 돌입한다.
췌장암은 암중에서도 심각한 종류로 초기에 발견되지 않으면 5년 생존 가능성 (5-year survival rate)이 5.5%에 미치지 않을 정도로 예후가 좋지 않다. 스티브 잡스도 이 질병의 희생자 중 한 명이다. 췌장암이 악명높은 이유는 초기 발견이 매우 어렵다는 점이다. 추기에는 뚜렷한 증상이 없으며 뭔가 몸에 문제가 있음을 느끼고 병원에 갔을때는 이미 후기로 전이된 상태라는 것이다. 그 당시 이용가능하던 초기 췌장암 진단 키트는 비싸고 정확도도 그리 높지 않았다. 초기에 정확히 진단만 될 수 있다면 5년 생존율을 50%까지 높일 수 있는 것으로 알려져 있다.
10대의 낙천주의자인 그는 무모하게도 간편하고 (simple), 빠르며 (rapid), 값싸고 (cheap), 정확하며 (sensitive), 비파괴적인 (non-invasive) 진단 키트를 개발하기로 결심한다. 그리고 요즘 10대들의 가장 친한 두 친구의 도움을 받는데 바로 '구글'과 '위키피디아'이다.
췌장암 진단 키트 #
초기 췌장암 진단 키트를 개발하기 위해 잭은 먼저 타겟 단백질 선정 작업을 수행한다. 구글 검색을 통해 4000여개 이상의 단백질 목록을 얻고 그 각각에 대한 논문 검색을 하였다고 한다. 구글 스칼라 (Google scholar)의 논문 검색을 통해 필요한 거의 대부분의 정보를 무료로 얻을 수 있었으며 대단하게도 그 모든 작업을 혼자의 힘으로 해내었다고 한다.
힘들고 지난한 자료 검토끝에 그는 하나의 타겟 단백질을 선택하게 되는데 그것이 바로 mesothelin이다. Mesothelin은 중피 (mesothelium)에서 발견되는 단백질로 cell adhesion과 관련된 기능을 가지고 있을 것으로 생각되나 정확한 기능은 밝혀져 있지 않다. 악성중피종 (mesothelioma), 자궁암 (ovarian cancer), 췌장암 (pancreatic cancer) 등에서 과별현 된다는 연구 결과도 있다 1. Scholler et al.은 mesothelin을 soluble cancer biomarker로 이용한 strip test 방법을 1999년 PNAS지에 게제한 바 있다 2. 잭의 주장에 따르면 이 방법을 잘만 이용한다면 90% 이상의 정확도로 초기 췌장암 환자의 진단이 가능하다고 한다.
문제는 어떻게 이 단백질의 농도를 빠르고 편하며 정확하게 검사해 내느냐 하는 것이다.
잭은 그 단서를 엉뚱하게도 고등학교 생물학 실험에서 얻게 된다. 바로 탄소 나노튜브와 항체를 이용하는 것이다.
그림2. 탄소나노튜브 (이미지 출처: http://ts-1.eee.hku.hk/ccst9015sp13/p29/the-new-method-cancer-test-strip/)
탄소 나노튜브는 다방면에 유용하게 이용되는 material science계의 영웅(hero)으로 묘사되기도 하는데 잭은 이 물질의 전도성에 주목하였다. 탄소나노튜브에 mesothelin에 대한 항체를 붙여서 mesothelin의 농도를 검사하는 것이다. Mesothelin의 농도가 높아 더 많은 mesothelin 단백질이 탄소나노튜브 표면에 붙게 되면 탄소나노튜브의 전도성이 변하게 된다.
그림3. 잭이 개발한 탄소나노튜브 췌장암 진단 키트 (이미지 출처: http://www.voanews.com/content/teenager-prize-cancer-test-jack-andraka/1603357.html)
이러한 아이디어를 바탕으로 잭은 실제 췌장암 진단 키트 개발과 실험을 위해 NIH와 존스홉킨스 대학의 교수들 200명에게 도와달라는 이메일을 발송한다. 그 후 한 달 동안 잭은 199통의 거절 메일을 받았다. 하지만 다행히도 존스홉킨스 의과대학의 병리과 교수 Anirban Maitra가 관심 있으니 와보라는 긍정적인 답변을 보내오는데 후에 마이트라 교수는 잭 안드라카를 '우리 시대의 에디슨' 이라 평하게 된다.
여러 번의 실험을 통해 잭은 드디어 진단 키트 제작에 성공하는데 잭이 개발한 진단 키트는 놀랍도록 간단하게 만들어 낼 수 있다. 물이 담긴 용기에 탄소나노튜브와 mesothelin의 항체를 넣고 휘휘 저은 다음 얇게 자른 거름종이를 넣었다 빼서 잘 말리면 된다.
그림 4. 탄소나노튜브 키트 제작 방법 (이미지 출저: http://www.uk-finishing.org.uk/N-COAT70/sol_gel.htm)
이렇게 손쉽게 제작된 키트에 환자 혈액을 뭍히고 간단한 전기전도성만 측정하면 검사가 완료된다.
이 키트의 mesothelin 측정 한계는 0.156 ng/mL로 매우 낮은 농도까지 측정가능하며, 더 중요한 dose responsive curve의 상관계수는 0.9992나 되는 것으로 보고되었다. 잭은 몇몇 정상인과 췌장암 환자들 샘플을 이용한 pilot 테스트를 통해 혈액 내 mesothelin의 농도 10ng/mL을 정상인과 췌장암 환자를 가르는 기준으로 정하였다.
잭은 자신의 방법이 기존의 진단키트에 비해 168배 빠르며, 2만6000배 싸고, 400배나 민감하다고 주장한다. 그리고 진단에 걸리는 시간은 5분밖에 걸리지 않는다!!
잭은 자신의 췌장암 진단 방법에 대해 특허를 취득하였고 의사처방 없이 판매될 수 있는 진단키트 (Over-the-counter test) 제작을 위해 관련 회사들과 접촉하고 있다고 한다.
반론 #
잭의 연구는 아직까지 peer-reviewed journal에 보고된 바가 없다. 즉 과학계의 검증을 거치지 못했다는 것이다.
2011년에 보고된 Sharon et al.[3] 논문에 따르면 정상인의 mesothelin 농도는 0.58 (0.15 – 0.72) nmol/l로 췌장암 환자의 mesothelin 농도 0.66 (0.52 – 0.94) nmol/L와 유의미한 차이를 보이지 않았다고 한다. 또한 유전학계의 거장 하버드대 George Church교수는 이 방법의 비용, 민감도, 속도 등에 대해 반론을 제기한 바 있다 [4].
참고문헌 #
- Hassan R, Remaley AT, Sampson ML, Zhang J, Cox DD, Pingpank J, Alexander R, Willingham M, Pastan I, Onda M (January 2006). "Detection and quantitation of serum mesothelin, a tumor marker for patients with mesothelioma and ovarian cancer". Clin. Cancer Res. 12 (2): 447–53. doi:10.1158/1078-0432.CCR-05-1477. PMID 16428485.
- Scholler, N; Fu, N; Yang, Y; Ye, Z; Goodman, G. E.; Hellström, K. E.; Hellström, I (1999). "Soluble member(s) of the mesothelin/megakaryocyte potentiating factor family are detectable in sera from patients with ovarian carcinoma". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96 (20): 11531–6. PMC 18068. PMID 10500211.
- Sharon E1, Zhang J, Hollevoet K, Steinberg SM, Pastan I, Onda M, Gaedcke J, Ghadimi BM, Ried T, Hassan R. Serum mesothelin and megakaryocyte potentiating factor in pancreatic and biliary cancers. Clin Chem Lab Med. 2012 Apr;50(4):721-5. doi: 10.1515/CCLM.2011.816. 1, PMID: 22149739
- Herper, Matthew (January 8, 2014). "Why Biotech Whiz Kid Jack Andraka Is Not On The Forbes 30 Under 30 List". Forbes.
