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국립중앙인체자원은행 현황
  • 작성일2012-05-18
  • 최종수정일2012-08-24
  • 담당부서감염병감시과
  • 연락처043-719-7173

국립중앙인체자원은행 현황
Introduction of National Biobank of Korea

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 생물자원은행과             
홍은정             

  


Ⅰ. 들어가는 말
  국립중앙인체자원은행(National Biobank of Korea; NBK)의 비전은“국민의 건강한 삶, 생명과학기반을 구축하는 세계일류 바이오뱅크 실현”이다. 고품질의 인체자원을 연구자에게 제공함으로써 질병에 영향을 주는 생활습관 및 환경과 유전인자의 관련성 규명에 기여하며, 나아가 국민의 건강증진이라는 국가적 비전에 공헌하는 것을 목표로 하고 있다. 이 일환으로, 한국인 유전체 역학사업과 국가 조사 사업 등을 통해 자원을 수집하고 있다.
  2007년 질병관리본부 내 보건의료생물자원관리 TF 구성을 시작으로 인체자원의 체계적인 수집 보관 분양을 위하여 한국인체자원은행사업(Korea Biobank Project; KBP)을 추진하였으며, KBP 사업의   성공적인 추진을 위하여 2008년에는 인체자원중앙은행(National Biobank of Korea) 을 발족하여, 일반인 인체자원의 종합관리와 인체자원단위은행 운영지원 업무를 수행였다. 2012년 현재, 17개소의 인체자원단위은행이 지방 대학병원과 수도권 유전자은행 중심으로 지정되어 운영되고 있다(Figure 1). 인체자원 중앙은행과 단위은행 간의 원활한 자원정보 교류를 위하여 한국인체자원네트워크(Korea Biobank Network; KBN)를 구축함으로써 양질의 인체자원과 자원정보를 확보하고 관리하는데 기여하고 있다. 특히 2012년 4월 신축 개관한 국립중앙인체자원은행(구 인체자원중앙은행)은 한국인 유전체역학사업을 통해 수집되는 일반인 인체자원 30만명분과 인체자원단위은행을 통해 질환군 별 인체자원 20만명을 2012년까지 모으는 것으로 수집 목표를 세웠으나 당초 목표한 것보다 1년 이상을 앞당겨 4년 만에 50만명분의 수집을 완료하였다. 영국은 국가적 차원에서 50만명분을 수집하는데 5년(2006-2010)이 소요되었고, 일본은 8년 동안 30만명분을 수집한 것을 감안할 때 단기간 내 자원을 효과적으로 확보한 것으로 평가 되고 있다. 국립중앙인체자원은행에서 수집한 일반인을 대상으로 한 자원은 만성질환 연구 및   환자-대조군 연구의 대조군으로, 단위은행에서 수집한 질환자를 대상으로 한 자원은 특정질환 연구로 활용하고 있다. 국립중앙인체자원은행은 고품질의 자원 수집을 위하여 표준 프로토콜(Standard Operating Procedure; SOP)에 따르는 엄격한 정도관리와 지속적인 검체 연구(Biospecimen Science)를 수행하며 자원의 품질을 제고하고 자원 활용의 증대를 위해 힘쓰고 있다.


Ⅱ. 몸 말
  1. 인체자원 수집 현황
  한국인 유전체역학조사사업등의 국가 주도의 코호트사업과 단위은행으로부터 수집되는 전혈, 혈청,  혈장, 뇨, 림프구, 세포 등의 다양한 종류의 인체자원을 수집 관리하고 있다. 이에 따라 현재까지 대규모 인구집단을 기반으로 2002년부터 시작된 한국인 유전체역학조사사업과 국민건강영양조사사업 등의   국가 조사연구사업을 통해 325,952명분의 일반인 인체자원과 각 단위은행으로부터 199,464명의 질환군 자원이 수집되어 전체 인구의 약 1% 해당하는 50만명분의 인체 자원 수집을 완료하였다(Figure 2).
                      
  국립중앙인체자원은행은 혈청 2,078,544, 혈장 1,953,270, DNA 801,309, 기타자원(뇨, LCL 세포 주, 림프구) 435,593 바이알(vials)로 총 5,268,716바이알을 보유하고 있으며, 인체자원 단위은행은 혈장 1,274,313, 혈청 568,041, 조직 222,872, 연막 143,667, 기타자원(DNA, 뇨, LCL) 318,559 바이알로 총 2,572,452의 바이알을 보유하고 있다(Figure 3).
                           
이렇게 수집된 인체자원은 자원관리의 정확성과 효율성을 증진하기 위해서 자원관리시스템 BIMS Biobank Information Management System)를 통해 관리되고 있다.

  2. 인체자원 분양 및 성과물 현황
  2003년부터 인체자원 분양을 시작한 이래, 질병관리본부 내·외부로 일반인 인체자원은 총 117개의 연구과제에 자원을 분양하였으며, 질환군 인체자원은 337개의 연구과제에 자원을 분양하였다(Figure 4).
분양 시료별로는 DNA가 163,939건(87%) 혈청 14,971건(8%) 혈장 6,512건(3%) 세포를 포함한 기타 시료가 2,958건(2%)이 분양 되었다(Figure 5).
                           
                            

  2003년부터 인체자원 분양을 시작한 이래 해마다 분양 요구가 증가함에 따라 자원분양의 신속성과 정확한 관리를 위하여 전자동 자원관리 플랫폼을 도입하여, 보존자원의 질적 향상, 정확한 시료현황   파악, 분양 처리과정의 오류 최소화, 작업의 자동화 구현 및 효율적인 저장 공간의 이용이 가능하게 됨으로써 분양의 효율성을 향상시켰다. 또한, 2010년 6월 가동 이후, 전자동 자원관리 플랫폼을 이용하여 33,331건의 시료를 분양하였다. 그리고 내·외부 분양된 자원의 논문 활용성과는 내부 연구 11편, 외부 연구 18편, 공동 연구 60편으로 총 89편이었다. 그 중 SCI/SCIE급 논문이 76편이었다. 이외에도 15편의 학회 발표와 38편의 결과보고서를 작성하였다(Figure 6).

  3. 인체자원의 정도관리 현황
  인체자원 관리 업무의 표준화와 메뉴얼, 각 분양별 관리규정, 자원별 기탁지침 및 실무지침을 문서화 하고 정리하여 “바이오자원(DNA, 세포, 조직, 혈청 자원 등의 품질 향상을 위해, 자원관리 업무 부분의 전반에 걸친 과정을 문서화 및 절차화 하였다)의 수집·보존·분양에 관련된 업무”에 대해 한국 표준협회로부터 2005년 11월에 ISO 9001품질 경영시스템을 획득하고, 현재까지 정기적인 사후심사를 통해 ISO 9001품질 경영시스템 인증을 지속적으로 유지하고 있다.
  인체자원에 대한 정도관리는 DNA 시료의 경우 전기 영동법에 의한 DNA 안전성검사, 분광측정법에 의한 DNA 순도 검사, PCR 방법에 의한 미생물 오염검사 및 동질성 분석에 의한 시료 교차 오염검사를 수행하고 있다. 유전체역학코호트사업에 의해 수집되는 인체자원은 DNA 분해검사와 순도검사를 전수 시행하여 정도관리 데이터가 시료와 함께 입고되고 있다. 이들 입고된 DNA 시료 중 10%를 무작위   추출하여 정도관리 검사를 다시 수행함으로써 양질의 DNA 시료를 확보하고 있다. 불멸화세포주(Lymphoblastoid cell line; LCL)의 정도관리는 입고 시료 중 10%를 무작위 추출하여 생존율 조사와 미생물 및 교차오염 여부 검사를 수행하고 있다 2001년부터 현재까지의 DNA 정도관리 누적건수는 총 116,073건이며, LCL의 누적건수는 현재까지 1,927 바이알을 수행하여 정도관리 전체 총 누적건수는 118,000건이다.


  4. 인체자원을 활용한 연구개발
  1) 인체자원 정도관리 기법 연구
  국립중앙인체자원은행 고품질의 인체자원을 확보하기 위한 노력으로 정도관리 기법 연구 및 자원의 특성을 규명하기 위한 다양한 연구를 지속적으로 진행하고 있다. DNA 정량기법의 표준화를 위해서   국립중앙인체자원은행, 단위은행, 유전체 연구 실험기관 및 시료제작기관을 포함하여, 총 11개 기관의 16명 연구자가 참여하여, DNA의 정량방법에 따른 DNA 농도 및 순도 측정의 변이에 대한 연구를 진행하였다. 이 연구의 목적은 개인 및 기관별 DNA양과 질의 편차를 조사하고, DNA 정량법의 개선방안 및 표준화된 방법을 제시하기 위함이었다. DNA 순도기준이 되는 A260/230 ratio 측정은 정량방법 및   기술에 따라 측정변이가 크며, 100 ng/ul 이하 농도의 DNA 양적인 변이가 증가됨을 보고하였다(Shim et al.)(Figure 7). 이를 통해 개인 및 그룹별로 DNA 정량 값에 대한 차이를 줄이기 위해서 실험자의 교육 등을 통해 숙련도를 향상시키는 것이 필요하며, 정확도가 높은 측정기기를 사용하는 것도 중요할 것으로 판단되었다.

  혈액 DNA의 박테리아 오염의 원인과 후속 연구결과에 미치는 영향에 대한 조사를 수행하였다. 박테리아에 의해 오염된 DNA는 후속으로 진행되는 단일염기다형성(Single nucleotide polymorphism; SNP) 칩 실험 연구결과에 영향을 미치지 않으며 이러한 오염의 발생은 체지방율, 허리 엉덩이 둘레비, 식후 혈당수준과 같은 공여자의 건강상태와 연관이 있다는 결과를 얻었다(Lee et al.)(Figure 8).

  LCL, 혈청, 혈장을 보관하고 있는 액체질소 냉동고 안의 액체질소에 대한 미생물오염 검사를 실시하여 저장시설에 대한 미생물 오염정도 조사 및 오염 종 동정을 실시하였다.
  총 37대의 액체 질소 냉동고 내의 액체질소의 미생물 오염을 조사(2001-2009년)한 결과, 12대(32%)에서 미생물 오염을 확인하였다. 오염정도는 1.1 CFU/ml로 상당히 낮은 것으로 나타났으며, 바실러스 속이 8대의 액체질소 냉동고에서 발견되었다. 액체질소냉동고가 증기보관 형태(vapor type)이므로,   시료에 대한 교차오염의 위험은 극히 적을 것으로 사료되지만 시료의 보다 안전한 보관을 위하여 저장공간 내 환경적 오염원의 최소화와 주기적인 액체질소냉동고 오염조사를 진행하는 것 또한 필요하다는 결론을 얻었다. 혈청과 혈장의 정도관리 기법 연구의 일환으로 혈장 및 혈청을 이용한 임상적 분석 전 보관 및 처리상태에 따른 asparate aminotransferase(AST) 1), 총 콜레스테롤(TC) gamma-glutamytransferase(g-GT) 2)등과 같은 대표적인 임상 바이오 마커들의 안전성을 조사한 결과, blood urea nitrogen(BUN) 3), AST는 반복적인 냉 해동에 민감하며, g-GT, lactate dehydrogenase(LDH) 4)는 반복적인 동결-해동은 물론, 혈액의 분획과정 및 동결하기까지의 지연 시간에 따라 측정값의 변이를 확인하였다. 반면에, C-reactive protein(CRP) 5), TC는 혈청 및 혈장의 전처리 및 보관상태에 비교적 안정적임을 확인하였다.
 
  2) 한국인 불멸화 세포주(Lymphoblastoid cell line; LCL)의 유전체학적 특성연구
  국립중앙인체자원은행에서 보유하고 있는 한국인 LCL 자원의 활용성 극대화를 위하여, LCL에 대한 생물학적 특성 및 배양횟수에 따른 유전체적 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.
EBV에 의해 primary B세포로부터 LCL로 전환되는 과정에서 발생하는 유전체적, 유전자발현의 표현형적 및 단백체적인 변화에 대해 조사하였다. 초기 배양단계 LCL은 primary B 세포와 비교하여 1p36.33와 미토콘드리아 DNA 상에서의 copy number variation 6)을 제외하고는 다른 염색체 상에서는 변화가 관찰되지 않음을 확인하였다(Jeon et, al.). 세포 성장, 세포주기, 면역 반응과 관련된 유전자들을 포함한 총 344개의 유전자들의 발현이 LCL에서 증가 혹은 감소되었으며, 이들 유전자 중에 stathmin 1과 같은 종양 유전자가 B 세포에서 세포주기나 성장조절에 중요한 역할을 할 것이라는 결과 또한 얻었다(Baik et al.). 2-DE방법을 이용한 단백체 연구결과에서는 B세포와 비교하여, LCL은 종양괴사인자의 신호  전달과 연관된 단백질들의 발현 변화를 유도하는 것으로 보고하였다. 본격적인 LCL 활용화 연구 수행에 대비하여 한국인 HapMap LCL시료 중에서 일부 무작위로 LCL(n=20)을 선별하여 약 2년 반에 걸쳐 장기 연속 계대배양(Passage 160)을 수행하였다. 그 결과 17개의 LCL은 160번 이상의 계대배양이 성공하여 불멸화 세포로 제작되었고, 나머지 3개의 LCL는 40번 정도 계대배양을 했을 때 성장을 멈췄다. 이들 20개 LCL의 생물학적 특성을 규명한 결과, 불멸화되지 않은 3개의 LCL은 불멸화된 17개의 LCL과  비교하여 텔로머라아제 활성과 EBV유전자들의 발현이 감소하고, EBV 게놈의 copy number variation이 적은 것을 확인하였다. 이를 통해 텔로머라아제 활성 뿐 만 아니라, EBV 바이러스 활성도 LCL 불멸화에 중요한 역할을 하는 것을 밝혔다(Jeon et, al.). 장기 연속 배양에 따른 유전체적 특성을 알아보기 위해 불멸화된 17개 LCL의 초기 passage와 후기 passage 사이에서 차별적으로 발현하는 유전자 및 microRNA를 조사하였다. 이들 간에서 PTPN13, HERC5을 포함한 NF-B pathway와 XAF1, TCL1A, PTPN13,CD38과 같은 암화와 관련된 유전자의 변화를 확인하였고(Lee et, al., Cell Proliferarion, 2010,43:378-384) mir-20b*, mir-28-5p, miR-28-5p, miR-99a를 포함한 9개의 microRNA의 발현의 증가 혹은 감소하는 것을 알 수 있었다(Lee et al. 2011)(Figure 9).
                        
  이러한 연구결과들은 LCL의 장기 배양과정에서 변화되는 유전체 및 유전자 발현의 특성 규명과 동시에 완전한 불멸화에 기여하는 잠재적인 마커(marker)들을 제시할 수 있을 것으로 사료된다. 이외에도 장기 연속 배양된 LCL의 외부자극(약물, 유해화학물질 등)에 대한 passage별 LCL의 세포 증식능력, 세포사멸 활성 등을 조사하고, mRNA, miRNA 및 DNA methylation 등과 같은 유전체화적 반응 양상에   연구를 진행 중에 있다. 따라서 이러한 연구를 통해 LCL 세포 주 특성을 기반으로 한 공여자의 질병위험도 예측 모델을 제시함은 물론 LCL의 새로운 활용분야를 개척하고 잠재적인 자원 활용성을 극대화 할 수 있을 것이라 판단된다.

Ⅲ. 맺는 말


  바이오뱅크는 포스트 게놈시대의 필수 불가결한 연구 인프라로써 점점 더 정교하게 진화하고 있다. 특히 맞춤의학의 구현을 위한 차세대 유전체 연구 및 바이오 마커 개발을 위해서 선진화된 바이오 뱅크의 뒷받침이 필요하다. 그로인해, 유전체 분석적 변수들에 대한 중요성을 인식하게 되었으며 이러한 변수들이 검체의 품질 및 분석 이후의 연구데이터에 미치는 영향에 대해 체계적으로 접근하여 연구하기 시작하였다. 또한 바이오뱅크들은 본래의 특성상 다양성과 이질성이 존재한다. 검체의 품질향상과 자원 활용성을  높이기 위해서 바이오뱅크 네트워크 체계가 운영되고 있으며, 네트워킹이 더욱 더 강화될 것으로 보인다. 향후에는 이들 네트워크에서 제안하는 표준 운영지침이나 가이드라인들에 의해 개별적인 바이오 뱅크 운영이나 바이오뱅크 검체의 활용화연구등을 주도하게 될 것으로 전망된다. 이러한 추세에 발맞추어  국립중앙인체자원은행은 품질경영시스템 인증확보와 인체자원관리 표준프로토콜 정립을 통하여 자원의 안전성과 품질을 향상시키고 있음은 물론 17개의 단위은행과 함께 KBN을 구축하여 양질의 인체자원과 자원정보를 확보하고 관리하는데 기여하고 있다. 또한 국내 최초로 전자동 자원관리 플랫폼을 도입함으로써 자원분양의 정확성 및 신속성을 향상 시키고 있으며, 정도관리기법의 연구개발과 자원 활용의   극대화를 위한 연구개발에도 지속적으로 힘쓰고 있다. 향후 국립중앙인체자원은행은 국내·외 바이오뱅크 네트워크에 적극적으로 참여할 뿐 만 아니라 교류와 협력을 통해서 검체의 품질 표준화 및 바이오뱅크 간의 조화를 모색함으로써 바이오뱅크의 궁극적인 목표인 질병의 치료 및 예방 그리고 신약개발 등을 위한 유전체 단백체학 등의 보건의료연구를 촉진하고 나아가 맞춤의학을 구현하는데 선도적 역할을   수행할 것이다.

                                                                                                                                                                                          

1) asparate aminotransferase(AST): 아미노산과 α-keto acid 사이의 아미노기 전이를 촉매하는 효소
2) gamma-glutamytransferase(g-GT): 글루타민산을 다른 아미노산이나 펩타이드로 전이를 촉매하는 효소
3) blood urea nitrogen(BUN): 체내 단백질 대사의 최종대사산물
4) lactate dehydrogenase(LDH): 젖산 탈수소 효소
5) C-reactive protein(CRP): 체내에 급성인 염증이나 조직의 손상이 있을 때 혈청에 증가하는 일종의 단백질
6) copy number variation: 유전자 복제 수 변이


Ⅳ. 참고문헌

1. 2010 한국인 질환 유전자 발굴 연구에 관한 보고서
2. 2009 한국인 질환 유전자 발굴연구에 관한 보고서
3. 2010 인체자원 연감
3. Canadian Tumor Repository Network. Biopreservation and BioBanking 8(4), 2010
4. Sanghai Biobank Network (SBN) Biopreservation and BioBanking. 9(2), 2011
5. Chien-TeFam, Jui-ChaLin & Chung-His Lee. Taiwan Biobank: a project aiming to aid Taiwan’s Transition into a biomedical islands. Pharmacogenomics 2008; 9(2): 235-246
6. Shim et al., Biopreservation and Biobanking, 2010; 8(3): 127-131
7. Lee et.al., Biopreservation and Biobanking. 2010; 8(3); 127-131
8. Jeon et, al., Cancer GenetCytogenet, 2007; 173(2): 130
9. Baik et, al., Acta Virological, 2008; 52: 151-159
10. Jeon et, al., Mol Cells, 2007; 27: 143-148
11. Lee et, al., Cell Proliferarion. 2010; 43: 378-384
12. Lee et, al., Cell Proliferarion, 2011; 44: 59-66

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