Establishment of evaluation guidelines for nano-based diagnostic devices

Abstract

DNA 마이크로어레이, 단백질 마이크로어레이 및 나노바이오센서는 나노기술(NT), 생명공학기술(BT) 및 정보기술(IT)이 융합된 최첨단 신기술 진단기기이다. 이러한 나노기술 진단기기 분야는 인간게놈 프로젝트 연구결과가 공식적으로 발표되어 포스트게놈시대가 열리면서 유전체학 연구과 단백질체학 연구의 발달과 함께 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 짧은 시간에 여러 가지 진단을 동시에 다량으로 할 수 있는 점, 진단기기 크기의 소형화, 극히 미량의 샘플로 진단할 수 있는 점, 특이도, 정확도 등 성능이 전통적인 진단기기보다 월등할 수 있는 장점 등으로 사람의 질병 진단에 획기적으로 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 그러나 임상적 진단에 사용하기 위해서는 나노 진단기기의 성능과 유효성이 입증되어야 하고, 제품의 품질관리 기준이 확립되어야 하며, 의료용 제품으로서 정부의 허가를 받아야만 한다. 나노진단기기의 효율적인 허가와 상용화를 위해서는 제품 개발자는 개발초기부터 평가자료를 준비하고, 허가를 담당하는 정부부처는 표준화되고 국제적으로도 인정될 수 있는 평가항목과 그 기준을 선정하는 것이 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 연구의 목적은 나노 진단기기의 성능 및 유효성 평가에 적용할 수 있는 평가항목과 기준을 개발하여 법적 허가에 필요한 평가가이드라인을 개발하는 것이며, 이를 위하여 이미 상품화되어 있거나 개발중인 나노 진단기기를 평가하였고, 평가와 관련한 문헌을 조사분석 하였으며, 외국의 허가를 위한 제품평가 현황을 조사하여 DNA 마이크로어레이, 단백질 마이크로어레이 및 나노바이오센서 각각의 평가에 필요한 요구사항과 평가항목을 개발하였다. 연구는 크게 DNA 마이크로어레이, 단백질 마이크로어레이 및 나노바이오센서 평가 가이드라인 개발 세 부분으로 구성되어 있다. 1) DNA 마이크로어레이는 나노 진단기기로서 가장 많은 연구가 이루어져 상품화된 제품도 있으나, 제품의 시험결과 재현성 등에 관한 신뢰성 문제가 여전히 논란이 되고 있어, DNA 마이크로어레이 시험결과의 신뢰성을 입증한 문헌 등을 분석하여 향후 DNA 마이크로어레이의 진단적 사용에 대한 가치를 재검증하였으며, 상품화된 genotyping DNA 마이크로어레이와 유전자 발현 측정을 위한 DNA 마이크로어레이를 평가하여 각 평가과정에서 고려되어야 할 요소들을 도출하였다. 이 평가결과와 함께 미국 FDA가 허가한 두 종류 제품의 평가자료를 분석하여 DNA 마이크로어레이 평가에 일반적으로 적용될 수 있는 평가가이드라인을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 평가가이드라인을 이후에 미국 FDA에서 발표된 관련 가이드라인과 비교분석하여 이 연구에서 개발된 가이드라인을 검증하였으며 향후 발전되어야 하는 가이드라인의 방향을 제시하였다. 2) 앞에서 개발된 DNA 마이크로어레이 평가가이드라인을 이용하여 개발중인 단백질 마이크로어레이를 평가하고, 이와 관련된 문헌을 조사분석하였으며, 미국 FDA가 허가한 단백질 마이크로어레이의 평가자료를 분석하여 단백질 마이크로어레이에 일반적으로 적용될 수 있는 평가가이드라인을 개발하였다. 단백질 마이크로어레이 평가가이드라인은 DNA 마이크로어레이 평가가이드라인과 비교하였을 때, 기본적인 차이는 단백질과 DNA의 물리화학적 특성 차이에서 비롯되며, 단백질 프로브를 고체기판에 고정하는 화학기전과 고정화된 단백질 프로브의 활성이 유지되는 안정성 평가와 이에 따른 성능과 품질관리 시스템 평가요소가 주요한 특징으로 제시되었다. 3) 나노바이오센서의 평가는 앞에서 개발한 DNA 마이크로어레이와 단백질 마이크로어레이 평가가이드라인을 기본으로 하여 나노포러스 기술을 이용한 혈당센서와 나노 탄소튜브를 이용한 전극센서를 평가하였으며, 나노기술의 다양성을 고려하여 기본적으로 적용될 수 있는 평가가이드라인을 개발하였다. 나노바이오센서 평가가이드라인은 DNA 마이크로어레이와 단백질 마이크로어레이 평가가이드라인의 내용을 포함하며 기타 다른 나노기술을 이용한 진단기기의 평가가 가능하도록 개발되었다. 특히 인체 내에 이식이 가능하도록 개발이 될 수 있는 점과 새로운 나노수준 물질의 안전성 문제가 확보되지 않은 점을 고려하여 나노물질의 물리화학적 특성과 생물학적 안전성 및 이와 관련된 성능과 품질관리 평가요소가 주요한 항목으로 제시되었다. 본 연구에서 개발된 평가가이드라인의 기본요소는 의료기기 평가에 요구되는 기본 요건에 근거하여 개발되었으며, 크게 진단기기에 대한 기술적 정보로 제공되어야 하는 항목을 결정하였고, 진단적 성능과 임상적 성능으로 평가되어야 하는 항목과 평가자료의 종류를 도출하였으며, 각 평가 항목에서 필수적으로 고려되어야 하는 사항을 제시하였다. 그리고 진단기기로서 품질 관리 시스템에서 관리되어야 하는 요소를 원자재, 제조공정, 완제품 수준에서 각각 정하여 품질관리기준을 설정하였다. 또한 진단용 마이크로어레이 제품의 경우 마이크로어레이칩, 분석장치 및 분석소프트웨어가 하나의 시스템으로 사용되므로 전체 시스템을 하나의 의료기기로서 평가하는 것이 적절할 것으로 판단되며, 향후 다양한 마이크어레이 제품들이 출시됨에 따라 제품의 구체적 사용목적과 진단원리별 특징을 고려한 구체적인 시험방법과 기준이 포함된 각각의 평가가이드라인이 향후 발전될 모델임을 제시하였다. 궁극적인 바이오 마이크로어레이는 시료의 분리, 정제, 혼합, 표지, 분석, 세척 등이 모두 하나의 칩 안에서 이루어지는 칩 위의 실험실 (Lab-on-a-chip) 형태가 될 것이며, 이를 고려한 시스템적 평가요소가 포함된 평가 가이드라인이 향후 개발되어야 할 것이다. 더욱이 기존의 생물 및 생명공학 기술이 고가의 대규모 장비들을 요구하는 기술이었다면 Bio-MEMS (Micro Electro-Mechanical System)기술을 이용한 바이오 마이크로어레이는 미세규모의 진단기기라고 할 수 있다. 이와 관련하여 현재 개발 또는 상품화가 진행중인 Bio-MEMS 연구분야로는 미세 유체소자 개발분야 (Microfluidic Devices), 미세 바이오센서 개발분야 (Bioelectronics & Biosensors), 신경 연결소자 개발분야 (Neural Interface Devices), 미세 분석시스템 개발분야 (Micro Biochip), 조직공학 분야 (Tissue Engineering Devices), 세포 조작시스템 개발분야 (Cell Handling system), 의료용 인체삽입형 미세기구 개발분야 (Microsurgical Tools, Implantable Micro-devices), 약물운반시스템 (Drug Delivery System), 생체 침해를 최소화한 수술 (Minimally Invasive Surgery) 분야 등이 있다. 바이오 마이크로어레이 등 나노기술산업은 막대한 시장 잠재력을 보유한 미래주도형 기술집약적 고부가가치 산업으로서 성능 및 안전성 확보와 산업지원이 동시에 요구되므로 나노기술 의료기기에 대한 안전성 및 유효성 평가기술 수준을 제고하여 소비자의 신뢰를 높이고 나노기술산업의 육성과 발전을 도모할 수 있는 안전관리 체계를 구축해 나가야 한다. 특히, 나노입자의 새로운 물질특성 발현으로 인한 환경, 독성 및 건강과 관련된 문제들은 반드시 선결되어야 할 과제임에 틀림없다. 본 연구는 나노기술(NT), 생명공학기술(BT), 정보기술(IT)이 융합된 DNA 마이크로어레이, 단백질 마이크로어레이 및 나노바이오센서를 의료기기로서 평가한 점과 의료기기로서 허가하는 관점에서 요구되는 평가가이드라인을 조기에 개발한 점에서 의의가 있다. 또한 본 연구의 결과는 향후 나노진단기기의 국내개발 활성화와 상품화에 효율적으로 활용될 수 있을 것이며 나노진단기기에 관한 국제규격 제정에 기초자료로 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.;DNA microarrays, protein microarrays and nanobiosensors are the most representative products of diagnostic devices using the fusion technology of nanotechnology (NT), biotechnology (BT) and information technology (IT). The development and research on these nano-based diagnostic devices have been radically increased owing to the excellent characteristics of high performance, high-throughput screening, multiplexed diagnosis, extremely small size and so on. Especially, the beginning of the era of post-genome and proteomics is also an attributor of bringing about many studies on nano-based diagnostic devices. However, nano-based devices must be safe and effective, and furthermore they must be approved as medical products by regulatory authorities to be applied in clinical settings. For being approved and commercialized, nano-based diagnostic devices are required to be evaluated by the developers for preparation of validation data of their performance and effectiveness from the beginning of design and development. Also, the evaluation must be performed by standardized evaluation requirements and methods. Therefore, determining and establishing the types of evaluation data, standards, and requirements for the approval is necessary for commercialization of nano-based diagnostic devices. Thus, this study is aiming at establishing evaluation guidelines for nano-based diagnostic devices about the types of evaluation data, standards, and requirements for regulatory approval. In order to develop the guidelines, documents and papers about evaluation, standardization, and quality control of nano-based diagnostic devices were analysed, and DNA microarrays, protein microarrays and nanobiosensors were evaluated. With theses analyses and evaluation studies, evaluation data of leading countries were also studied. This study was performed in three parts: development of evaluation guidelines for DNA microarrays as diagnostic devices, development of evaluation guidelines for protein microarrays as diagnostic devices, and development of evaluation guidelines for nano-biosensors as diagnostic devices. First, DNA microarrays are the most developed nano-based diagnostics, but the issue of reliability of data quality is concurrently addressed by many scientists. To reassess the reliability of DNA microarray data, study results on reproducibility of data were researched, and then two kinds of DNA microarrays, a genotyping microarray and a gene expression microarray, were evaluated. From these evaluation processes, the consideration points and requirements for DNA microarray evaluation were derived. Also, the evaluation results were validated by analysing the evaluation data of the US FDA cleared DNA microarrays. From the results, requirements and standards for DNA microarray evaluation were developed. The developed DNA microarray evaluation guidelines were validated by comparing to the US FDA guidance documents that were proposed after the guidelines were developed in this study. From this comparison analysis, the best direction for making further evaluation progress of DNA microarray guidelines for regulatory approval was suggested. Second, a protein microarray was evaluated according to the previously developed DNA microarray evaluation guidelines, and evaluation data of a protein microarray cleared by the US FDA were analysed. The differences between DNA microarray evaluation guidelines and protein microarray evaluation guidelines were due to the physicochemical characteristics of protein. The factors for physicochemical characteristics of protein were reflected in protein microarray evaluation guidelines. The evaluation factors for protein probe immobilization chemistry, stability of protein agents, and cross reactivity characteristics were the significant considerations compared to evaluation guidelines for DNA microarrays. Third, in order to study about nanobiosensor evaluation, an enzymeless glucose sensor with nanoporous platinum electrode was evaluated in performance and stability by comparing it to a commercial enzyme-based glucose sensor. In addition, a nanoprobe using carbon nanotubes was evaluated to provide the methods of quality control. Based on the evaluation results and the evaluation guidelines for DNA and protein microarrays, nanobiosensor evaluation guidelines were developed. The evaluation factors for stability and biological safety of nano-structured material characteristics were the significant considerations compared to evaluation guidelines for DNA and protein microarrays regarding nanobiosensors can be developed as implantable devices. The guidelines were established in the basic regulatory structure of Korea Food and Drug Administration's medical device evaluation regulations, and the necessary technical information that should be provided by the manufacturers was determined. Then, requirements and types of evaluation data for analytical and clinical performance characteristics were decided. Finally, the elements that should be controlled in quality systems were established. In the case of diagnostic microarray products, they are composed of microarray chip, analysis instrumentation, and related software, and they are used as a total system. Thus, it would be appropriate that they are evaluated as total systems of medical devices. As various diagnostic microarray products are being developed, the developed guidelines in this study should be more optimized by making them detailed according to specific intended uses and diagnostic principles. The final product of biomicroarrays would be a lap-on-a-chip with the all processes of sample separation, purification, mixing, probing, analysing, and washing on one chip, and the guidelines including systemic evaluation factors are required. Moreover, biomicroarray using Bio-MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology is a micro diagnostic device compared that current biotechnological devices are high cost and large scale devices. Current Bio-MEMS research areas which are developed or commercialized are as followings; microfluidic devices, bioelectronics and biosensors, neural interface devices, tissue engineering devices, cell handling system, microsurgical tools, implantable micro-devices, drug delivery system, and so on. Nanotechnology industry is a high technology integrated, future leading, and higher value-added business with a lot of marketing opportunities. Thus, the safety management system of nanotechnological products should be established considering intensive fostering of the industries as well as safety and performance of the devices. Especially, possible environmental, toxicological, and health related problems due to the expression of new material characteristics of nano particles should be settled first. This study results are very significant in regard of that diagnostic DNA microarrays, protein microarrays, and nanobiosensors were evaluated as medical devices and the evaluation guidelines were developed for regulatory managements. The guidelines provide how to evaluate performance and effectiveness and how to manage quality control systems of the devices. These developed guidelines also suggest information and criteria on preparing and reviewing technical documents for nano-based diagnostic devices, and thus the guidelines will be useful for facilitating the commercialization of safe, effective, and novel nano-based diagnostic devices. Finally, the developed guidelines can be a primary data for further development of advanced evaluation guidelines and establishing international standards for evaluation of diagnostic DNA microarray performance.