KR101678959B1

KR101678959B1 - 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템

Info

Publication number: KR101678959B1
Application number: KR1020150174269A
Authority: KR
Inventors: 이승재; 이재원; 이동하; 왕선주
Original assignee: 왕선주
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-11-23

Abstract

태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템에 관한 것으로, 산모나 태아에게 해를 가하지 않고 산모의 혈액 시료를 이용하여 태아의 염색체 수 이상으로 인한 기형 여부를 조기에 진단하면서도, 태아의 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 혈액 시료를 시퀀싱 하기까지의 전처리 과정을 효율화하여 인력과 시간의 소모를 최소화할 수 있도록 한 것이다.
혈액 시료로부터 혈청을 분리하는 혈액 분리부와; 혈청을 제공받아 게놈 DNA를 추출하는 DNA 추출부와; 게놈 DNA를 제공받아 유전체 라이브러리를 구축하고 ISP(Ion Sphere Particle)를 생성하는 라이브러리 구축부와; 병렬 시퀀싱을 수행하여 다수의 폴리뉴클레오티드 단편들의 염기서열 정보를 수득하는 시퀀싱부와; 염기서열 정보에 따라 태아의 염색체 이수성을 기반으로 위험도를 판단하는 유전자 분석부를 포함하되, 운반부는, 수평이동 및 승강이 가능한 복수의 피펫 및 픽커를 구비하고, 상기 라이브러리 구축부에서 생성된 ISP를 상기 시퀀싱부에 운반하기 위하여 표면에 다수의 미세한 로딩 웰(loading well)이 형성된 기판을 갖는 운반 칩을 구비하되, 상기 운반 칩의 주입구는 상기 피펫으로부터 ISP를 받아들이기 용이하도록 상부로 갈수록 넓어지는 깔때기 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템{NON-INVASIVE PRENATAL TESTING(NIPT) SYSTEM FOR TESTING FETAL GENETIC ABNORMALITY}

본 발명은 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 진단시스템 및 진단방법에 관한 것으로, 특히 산모나 태아에게 해를 가하지 않고 산모의 혈액 시료를 이용하여 태아의 염색체 수 이상으로 인한 기형 여부를 조기에 진단하면서도, 태아 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 혈액 시료를 시퀀싱 하기까지의 전처리 과정을 효율화하여 인력과 시간의 소모를 최소화할 수 있도록 한 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템에 관한 것이다.

일반적으로 '산전 진단'이란 태아가 태어나기 전 태아의 질병 유무를 판단 및 진단하는 과정을 말한다.

최근의 한 국내 통계자료에 따르면, 선천성 기형아가 전체 신생아의 약 3%에 이르며, 선천성 기형아 중 약 20%는 염색체 이상에 의한 것으로 보고되었다. 특히 널리 알려져 있는 다운증후군에 해당하는 기형아는 선천성 기형아의 약 26%에 이른다. 이러한 기형아 출산율의 증가와 여러 산전 진단 장비들의 개발로 인하여 산전 진단에 대한 관심은 날로 증가하고 있다. 특히, 만 35세 이상의 고령의 임산부, 염색체 이상이 있는 아이의 분만 경력이 있는 임산부, 부모 중 한 명에게서 염색체의 구조적 이상이 있는 경우, 유전질환의 가족력이 있는 경우, 신경관결손의 위험이 있는 경우, 모체혈청 선별검사와 초음파검사에서 태아기형이 의심되는 경우 등에는 산전 진단을 받을 필요가 있다.

산전 진단 방법은 크게 침습적 진단 방법과 비침습적 진단 방법으로 나누어 볼 수 있다. 침습적 진단 방법의 예로는, 임신 10 ~ 12주 사이에 시행하는 융모막검사(chorionic villi sampling, CVS), 임신 15 ~ 20주 사이에 면역분석법을 이용하여 양수 내 AFP의 농도를 측정함으로써 태아의 염색체를 분석하는 양수천자(amniocentesis), 임신 18 ~ 20주 사이에 초음파 유도 하에 탯줄로부터 직접 태아 혈액을 추출하는 방법으로 시행하는 탯줄천자(cordocentesis) 방법 등이 있다. 그러나 위와 같은 침습적 진단 방법들은 검사 과정에서 태아에게 충격을 가하여 유산이나, 질병 또는 기형 등을 유발할 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 이러한 문제점들을 극복하기 위하여 비침습적 진단 방법들이 개발되고 있다. 예를 들어, 배아 착상 전 유전진단 방법은 체외수정에서 사용되는 분자유전학적 또는 세포유전학적 기술을 이용하여 자궁 내 착상 전 유전적 결함이 없는 배아를 선택하는 기술이다. 또한, 염색체 이수성(aneuploidy)을 신속히 진단하기 위한 QF-PCR (quantitative-fluorescent PCR) 형광 정량법은 염색체마다 특이적으로 존재하는 DNA의 짧은 염기서열 반복 표지자(short tandem repeats, STR)에 형광을 붙여 멀티플렉스(multiplex) PCR 법으로 증폭한 후 DNA 자동염기서열 분석기로 형광이 붙은 증폭된 DNA의 양을 측정하여 분석하는 신속 선별 검사방법이다. 또한, 복제수 변이(copy number change)를 찾아내기 위하여 유리 슬라이드 위에 맵핑한 DNA 서열(mapped DNA sequence)을 집적하여 검사하는 염색체 마이크로어레이 (chromosomal microarray, CMA) 방법 등이 알려져 있다.

한편, 시퀀싱 기술의 발달로 대규모의 유전체 정보를 해독하는 것이 가능해짐에 따라, 이러한 차세대 시퀀싱(Next-Generation Sequencing, NGS) 기술을 기반으로 한 유전체 분석 방법들이 산전 진단 영역에도 활용되고 있다. 특히, 모체의 혈액에는 태아의 유전체가 전체 유전체의 약 10% 수준으로 함유되어 있다는 사실이 알려져 있으며, 이를 이용하여 태아의 세포를 모체의 혈액에서 분리하여 그 염색체를 분석하려는 산전 진단 방법들이 알려져 있다. 이와 관련하여 대한민국특허출원 제2010-7003969호는 대규모 병렬 게놈 시퀀싱(massively parallel genomic sequencing)을 이용한 태아 염색체 이수성의 진단 방법에 관하여 개시하고 있다. 또한, 미국등록특허 제8195415호 역시 산모 혈액으로부터 수득한 DNA의 서열분석 결과를 각 염색체별로 특정 길이에 대해 맵핑(mapping)하여 정량분석하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 이처럼 시퀀싱 기술을 기반으로 하는 유전자 분석 방법들의 경우 산모나 태아에게 해를 가하지 않고 산모의 혈액 샘플을 이용하여 태아의 염색체 수 이상으로 인한 기형 여부를 조기에 진단할 수 있다는 장점이 있기는 하지만, 염기서열 정보에 따라 태아 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 임신한 여성에게 채취한 혈액 시료로부터 염기서열 정보를 수득하는 시퀀싱 작업에 이르는 전처리 과정에서 시료의 운반 및 각 작업에서의 정밀을 요하는 처리들로 인해 인력과 시간이 과도하게 소모되는 문제점이 있었다.

따라서 그동안의 문제점을 해소하고 태아의 유전학적 이상을 비침습적으로 진단하기 위한 효율화된 시스템의 개발이 절실한 상황이다.

한국공개특허공보 제2014-0108177호(2014.09.05)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 산모나 태아에게 해를 가하지 않고 산모의 혈액 시료를 이용하여 태아의 염색체 수 이상으로 인한 기형 여부를 조기에 진단할 수 있으면서도, 태아 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 혈액 시료를 시퀀싱 하기까지의 전처리 과정을 효율화하여 인력과 시간의 소모를 최소화할 수 있도록 한 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템은, 임신한 여성으로부터 채취된 혈액 시료로부터 혈청을 분리하는 혈액 분리부와; 상기 혈액 분리부에서 분리된 혈청을 제공받아 게놈 DNA를 추출하는 DNA 추출부와; 상기 DNA 추출부에서 추출된 게놈 DNA를 제공받아 유전체 라이브러리를 구축하고 ISP(Ion Sphere Particle)를 생성하는 라이브러리 구축부와; 상기 라이브러리 구축부에서 생성된 ISP를 제공받은 후 병렬 시퀀싱을 수행하여 다수의 폴리뉴클레오티드 단편들의 염기서열 정보를 수득하는 시퀀싱부와; 상기 시퀀싱부에서 수득한 염기서열 정보에 따라 태아의 염색체 이수성을 기반으로 위험도를 판단하는 유전자 분석부를 포함하되, 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부 간에 액상의 물질 및 고형의 물질을 운반하기 위한 운반부를 더 포함하며, 상기 운반부는, 수평이동 및 승강이 가능한 복수의 피펫 및 픽커를 구비하고, 상기 라이브러리 구축부에서 생성된 ISP를 상기 시퀀싱부에 운반하기 위하여 표면에 다수의 미세한 로딩 웰(loading well)이 형성된 기판을 갖는 운반 칩을 구비하되, 상기 운반 칩의 주입구는 상기 피펫으로부터 ISP를 받아들이기 용이하도록 상부로 갈수록 넓어지는 깔때기 형상으로 형성된 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 상기 주입구의 상부에는 상단 입구를 통해 주입된 ISP가 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 한 제1유출공을 갖는 상부 고임판과, 상기 상부 고임판의 하측으로 이격 설치되고 상기 제1유출공을 통해 유출된 ISP가 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 상기 제1유출공과 대각방향에 형성된 제2유출공을 갖는 하부 고임판이 더 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 운반부는, 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부에서 각각 생성된 혈청, 게놈 DNA, ISP를 담을 수 있는 튜브들 및 운반 칩이 대기상태로 위치하는 스테이션과, 상기 피펫과 픽커의 이동을 위하여 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부의 상측을 경유하도록 설치된 가이드레일과, 상기 가이드레일을 따라 이동하며 상기 피펫과 픽커가 수평이동 및 승강 가능하도록 설치된 이동체를 구비한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 스테이션은, 상기 튜브를 꽂을 수 있도록 다수의 꽂음공을 구비한 튜브 받침대와; ISP가 주입되는 동안 상기 운반 칩이 안착되어 있는 베이스와, 상기 베이스의 좌측단과 우측단에서 상기 운반 칩을 움직이지 않도록 지지하는 탄성소재의 측벽으로 이루어진 칩 받침대를 구비하며, 상기 칩 받침대의 베이스 좌측단과 우측단에는 상기 운반 칩의 전후방향 이탈을 방지하는 이탈방지턱이 형성되고, 상기 베이스의 전측단과 후측단의 중앙부에는 상기 운반 칩을 탈거하기 용이하도록 요입된 형태의 탈거홈이 더 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 이동체에는 대각방향으로 한 쌍의 카메라가 설치되어 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부에서 이루어지는 운반 및 작업 진행 상황들을 모니터링 할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 유전자 분석부는, (A) 상기 시퀀싱부에서 수득한 염기서열을 인간 표준 유전체(reference genome)와 리드 매핑(read mapping)하여 매핑되지 않는 리드를 제거하는 매핑 처리단계와; (B) 인간 표준 유전체의 각 염색체를 미리 설정된 구획의 크기와 구간으로 나누어 상기 매핑 처리단계에서 매핑된 리드를 기반으로 구간별 매핑된 시퀀스 리드의 수를 계산하는 시퀀스 리드 산출단계와; (C) 인간 표준 유전체의 각 구간별 GC 함량과 상기 시퀀스 리드 산출단계에서 계산된 시퀀스 리드 수의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 GC 함량에 의한 편향을 계산하여 GC 함량에 의한 편향을 보정하는 편향 보정단계와; (D) 상기 편향 보정단계에서 GC 함량에 의한 편향이 보정된 구획별 시퀀스 리드 수의 평균을 전체 상염색체 상의 비율로 전환하여 모든 정상 샘플 그룹과 비교하여 염색체 이수성(aneuploidy)을 판별하는 Z-score 산출단계와; (E) 상기 Z-score 산출단계에서 판별된 염색체 이수성을 기반으로 미리 설정되는 컷-오프(cut-off) 값을 이용하여 태아의 염색체 이상 위험도를 판정하는 위험도 판정단계;에 의하여 태아의 염색체 이상 위험도를 판정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 (A) 단계는, 시퀀스 퀄리티 점수 15 미만이거나, 리드 길이(Read length)가 15nt 미만 160nt 이상이거나, GC 함량이 31% 미만, 45%를 초과하는 리드는 신뢰성이 낮은 것으로 보고 잘라내어 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 (C) 단계는, 대규모 병렬 게놈시퀀싱 결과로 얻어진 염색체 각 구획별 시퀀스 리드의 수와 그 구획의 GC 함량과의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 GC 함량에 의한 편차 정도를 계산하고, 상기 계산된 GC 함량에 의한 편차 정도를 기반으로 역으로 편차를 제거하며, 상기 GC 함량에 의한 편차 정도는 수식

를 통해 계산되되, 상기 f(x)는 각 구획별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 f'(x)는 편차가 보정된 각 구획 별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 e(x)는 GC 함량이 39%를 기준으로 평행하게 만든 이상적인 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 나타내고, 상기 l(x)는 LOESS 회귀를 이용하여 f(x)로부터 얻은 해당 샘플의 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 나타낸 함수인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템은, 산모나 태아에게 해를 가하지 않고 산모의 혈액 시료를 이용하여 태아의 염색체 수 이상으로 인한 기형 여부를 조기에 진단하면서도, 태아 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 혈액 시료를 시퀀싱 하기까지의 전처리 과정을 효율화하여 인력과 시간의 소모를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 대규모 병렬형 서열분석에서 초래되는 GC 함량(DNA를 이루는 염기 중에서 구아닌(G)과 사이토신(C)의 함량)에 의한 편향을 바로잡을 수 있도록 하여 미세한 태아 유래 DNA의 염색체 별 양 차이를 보다 정확하게 판별할 수 있도록 함으로써, 진단 실험 과정에서 필연적으로 발생하는 오차를 최소화할 수 있어 보다 높은 염색체 이상 진단 민감도를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템의 전체 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 전처리 영역의 구성을 설명하기 위한 평면도
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부의 구성을 설명하기 위한 측면 참조도
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부의 구성을 설명하기 위한 저면 참조도
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 운반 칩의 사시도
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 운반 칩의 구성을 설명하기 위한 단면도
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 칩 받침대의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 튜브 받침대의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 태아의 염색체 이상 위험도를 판단하는 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 수행하는 매핑 처리단계를 설명하기 위한 일련의 참조도
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 수행하는 분석에서 유전체 중 GC 함량별 시퀀스 리드의 비율의 결과를 나타낸 그래프
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 수행하는 분석에서 GC 함량 편차 보정되기 전과 후의 GC 함량과 리드 개수의 관계를 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 수행하는 분석에서 정상태아를 가진 70명의 산모 혈청 DNA에서 얻어낸 각 염색체별 시퀀스 리드의 비율을 나타낸 그래프
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 수행하는 분석에서 70명의 정상태아를 가진 산모의 혈청 DNA에서 얻어낸 각 염색체별 비율의 CV(Coefficient of variance) 값을 염색체별로 나타낸 그래프

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템의 전체 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템은 운반부(110), 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150), 유전자 분석부(160)를 포함하여 이루어지며, 상기 운반부(110), 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150)는 산모의 혈액 시료로부터 염기서열 정보를 수득하기까지의 과정을 처리하는 전처리 영역에 속하고, 상기 유전자 분석부(160)는 수득한 염기서열 정보에 따라 태아의 염색체 이수성을 기반으로 위험도를 판단하는 후처리 영역에 속한다.

여기서, 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템은 태아의 염색체 이수성을 판단하는 본격적인 유전자 분석에 앞서 산모의 혈액 시료를 시퀀싱 하기까지의 전처리 영역의 과정을 효율화하여 인력과 시간의 소모를 최소화할 수 있도록 구성된다.

이를 위해 수작업을 최대한 배제하여 자동화가 가능하도록 한 독창적인 형태의 집기들을 개발하는 한편, 이들을 처리순서에 맞게 최대한 간결화한 작업동선 상에 배치하였다.

이하, 상기 각 구성요소들을 중심으로 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 전처리 영역의 구성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부의 구성을 설명하기 위한 측면 참조도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부의 구성을 설명하기 위한 저면 참조도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 운반 칩의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 운반 칩의 구성을 설명하기 위한 단면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 칩 받침대의 구성을 설명하기 위한 사시도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 운반부에 속한 튜브 받침대의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

도시된 바와 같이, 상기 운반부(110)는 간결한 작업동선을 따라 배치된 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150) 간에 산모의 혈액 시료로부터 발생하는 결과물인 액상의 물질 및 고형의 물질을 운반하는 역할을 한다.

이를 위해 상기 운반부(110)는, 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140)에서 각각 생성된 혈청, 게놈 DNA, ISP를 담을 수 있는 튜브(T)들 및 운반 칩(117)을 구비하고 이들이 대기상태로 위치하는 스테이션(111)을 구비한다. 또한, 상기 피펫(114)과 픽커(115)의 이동을 위하여 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150)의 상측을 경유하도록 설치된 가이드레일(112)과, 상기 가이드레일(112)을 따라 이동하며 상기 피펫(114)과 픽커(115)가 수평이동 및 승강 가능하도록 설치된 이동체(113)를 구비한다.

여기서 도 3과 도 4를 참조하면 상기 이동체(113)는 가이드레일(112)을 따라 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150)의 상측을 이동할 수 있도록 롤러(113d)에 의해 지지된다. 상기 이동체(113)의 하면에는 LM 가이드(113a)가 설치되어 있고, 피펫(114)이 설치된 제1승강체(113b)와 픽커(115)가 설치된 제2승강체(113c)가 LM 가이드(113a)를 따라 수평방향으로 이동할 수 있도록 구성된다. 또한 상기 제1승강체(113b) 및 제2승강체(113c)는 각각 안테나 형태로 접철되면서 신축되는 몸체로 이루어져 하단에 설치된 피펫(114)과 픽커(115)를 승강시킬 수 있다. 여기서 상기 피펫(114)은 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150) 간에 액상의 물질을 흡입하여 운반하기 위한 용도로 사용되고, 상기 픽커(115)는 액상의 물질이 담겨 있는 튜브(T)나 운반 칩(117) 그 외 고형의 물건 또는 물질을 붙잡는 방식으로 운반하기 위한 용도로 사용된다.

한편, 상기 운반부(110)에는 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140)에서 각각 생성된 혈청, 추출 DNA, ISP를 담을 수 있는 튜브(T)들 외에 도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼 상기 ISP를 안전하게 수용한 상태로 운반하기 위한 운반 칩(117)이 구비된다. 상기 운반 칩(117)은 케이싱(117a) 내부에 기판(117b)을 장착된 형태로 구비하는데 상기 기판(117b)의 상면에는 ISP를 균일하게 수용할 수 있는 다수의 미세 로딩 웰(loading well)이 형성되어 있다. 이로써 라이브러리 구축부(140)에서 생성된 ISP를 액체 상태로 균일하게 수용한 상태에서 상기 시퀀싱부(150)에 안전하게 운반하여 병렬 시퀀싱을 곧바로 수행할 수 있는 준비를 갖추도록 한다.

상기 운반 칩(117)의 구성에서 특히 주목할 수 있는 점은 상기 운반 칩(117)의 주입구(117c)가 피펫(114)의 끝단이 겨우 들어 갈만한 작은 구멍으로 형성된 것이 아니라 피펫(114)으로부터 ISP를 받아들이기 용이하도록 상부로 갈수록 넓어지는 깔때기 형상으로 형성되었다는 점이다. 이로써, 작업자가 수작업에 의해, 혹은 자동화된 이동체(113)에 의해 정밀하게 위치 보정을 하지 않아도 실패 없이 성공적으로 ISP를 주입할 수 있는 것이다. 더욱이 상기 운반 칩(117)의 주입구(117c) 상부에는 도 6에 도시된 것처럼 상단 입구(117c-2)를 통해 주입된 ISP가 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 한 제1유출공(117c-6)을 갖는 상부 고임판(117-5)과, 상기 상부 고임판(117-5)의 하측으로 이격 설치되고 상기 제1유출공(117c-6)을 통해 유출된 ISP가 역시 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 상기 제1유출공(117c-6)으로부터 대각방향에 형성된 제2유출공(117c-4)을 갖는 하부 고임판(117-3)이 더 형성된다. 이같은 상부 고임판(117-5)과 하부 고임판(117-3)을 구비한 구성에 의해 마치 작업자가 정밀한 수작업에 의해 서서히 점진적으로 ISP를 떨어뜨려 기판(117b)에 형성된 미세한 로딩 웰에 균일하게 주입하는 것과 같이 상기 이동체(113)의 피펫(114)으로부터 떨어지는 ISP가 유출구(117c-1)를 통해 한꺼번에 기판(117b)으로 유입되지 않고 상기 상부 고임판(117-5)과 하부 고임판(117-3)을 거치면서 감속된 상태에서 점진적으로 유입될 수 있도록 도와준다.

또한, 상기 스테이션(111)에는 상기 ISP가 주입되는 동안 상기 운반 칩(117)이 안착되어 있는 베이스(118a)와, 상기 베이스(118a)의 좌측단과 우측단에서 상기 운반 칩(117)을 움직이지 않도록 지지하는 탄성소재의 측벽(118b)으로 이루어진 칩 받침대(118)를 구비한다. 여기서 상기 칩 받침대(118)의 베이스(118a) 좌측단과 우측단에는 상기 운반 칩(117)의 전후방향 이탈을 방지하는 이탈방지턱(118c)이 형성되고, 상기 베이스(118a)의 전측단과 후측단의 중앙부에는 상기 운반 칩(117)을 탈거하기 용이하도록 요입된 형태의 탈거홈(118d)이 더 형성된다. 상기 탈거홈(118d)은 상기 이동체(113)에 설치된 픽커(115)가 안착된 상태에 있는 운반 칩(117)을 용이하게 붙잡을 수 있도록 해준다. 그리고 스테이션(111)에는 도 8에 도시된 것처럼 다수의 튜브(T)를 꽂을 수 있도록 몸체(1189a)에 다수의 꽂음공(119b)을 구비한 튜브 받침대(119)가 구비된다.

나아가 상기 운반부(110)의 이동체(113)에는 대각방향으로 한 쌍의 카메라(116a,116b)가 설치되어 상기 혈액 분리부(120), DNA 추출부(130), 라이브러리 구축부(140), 시퀀싱부(150)에서 이루어지는 운반 및 작업 진행 상황들을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 한다. 여기서 상기 카메라(116a,116b)가 이동체(113)에서 대각방향으로 하나씩 두 개를 한 쌍으로 설치되는 것이 가장 적은 개수로도 진행되고 있는 전체 상황을 모니터링하기에 바람직하다. 상기 카메라(116a,116b)를 통해 전달되는 영상을 통해 모니터링하기 위해서는 실제 작업이 이루어지는 공간과 별도의 공간을 관리실 혹은 상황실로 마련하여 디스플레이를 설치하고 모니터링을 담당하는 작업자가 상주하는 것이 바람직하다.

상기 혈액 분리부(120)는 임신한 여성으로부터 채취된 혈액 시료로부터 혈청을 분리한다. 이를 위해 원심분리기를 이용하여 혈액으로부터 혈청을 분리한다.

상기 DNA 추출부(130)는 상기 혈액 분리부(120)에서 분리된 혈청을 제공받아 게놈 DNA를 추출한다. 이를 위해 'QIAamp DNA Micro Kit'를 이용하여 상기 혈청에 존재하는 무세포 DNA를 추출할 수 있다. 상기 혈청 무세포 DNA는 매우 미량으로 혈청에 섞여 있는 소량의 산모 세포만으로도 민감도에 영향을 줄 수 있으므로 혈청에 있는 산모의 세포를 완전히 제거하는 것이 본 검사에서 중요하다.

상기 라이브러리 구축부(140)는 상기 DNA 추출부(130)에서 추출된 게놈 DNA를 제공받아 유전체 라이브러리를 구축하고 ISP(Ion Sphere Particle)를 생성한다. 이처럼 라이브러리 구축부(140)가 수행하는 과정은 End-repair 과정과 시퀀싱을 위한 Adaptor ligation 과정, 라이브러리 증폭과정으로 구성되어 있다. 제작된 라이브러리 단편의 길이와 농도를 이용하여 품질관리(QC) 기준을 통과한 샘플만으로 시퀀싱부(150)에서 대규모 병렬 게놈시퀀싱을 수행하도록 한다.

상기 시퀀싱부(150)는 상기 라이브러리 구축부(140)에서 생성된 ISP를 제공받은 후 병렬 시퀀싱을 수행하여 다수의 폴리뉴클레오티드 단편들의 염기서열 정보를 수득한다. 이때, 대규모 병렬 게놈시퀀싱에서 얻어진 DNA 리드(read)는 인간 표준 유전체에 맵핑되어 있으며, 라이브(Live) ISP의 수와 각 샘플당 맵핑된 시퀀스 리드의 수를 기준으로 품질관리를 한다.

상기 유전자 분석부(160)는 전술된 것처럼 후처리 영역에 속한 것으로 상기 시퀀싱부(150)에서 수득한 염기서열 정보에 따라 태아의 염색체 이수성을 기반으로 위험도를 판단한다. 아래에서는 상기 유전자 분석부(160)가 태아의 유전학적 이상으로 인한 기형 여부를 진단하는 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부가 태아의 염색체 이상 위험도를 판단하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 비침습적 진단시스템에서 유전자 분석부(160)가 태아의 염색체 이상 위험도를 판단하기 위해서는 매핑 처리단계(S10)와, 시퀀스 리드 산출단계(S20)와, 편향 보정단계(S30)와, Z-score 산출단계(S40)와, 위험도 판정단계(S50)를 순차적으로 거치게 된다.

상기 매핑 처리단계(S10)에서는 상기 시퀀싱부(150)에서 수득한 염기서열을 인간 표준 유전체(reference genome)와 리드 맵핑(read mapping)하여, 신뢰성이 낮은 리드를 제거하고 염색체 상의 한 부위에만 특이적으로 맵핑된 신뢰성이 높은 리드만을 검출한다. 이 단계는 인간 표준 유전체에 맵핑되어 있는 시퀀스 리드를 분석하여 신뢰성이 낮은 리드를 제거하고 신뢰성이 높은 리드만을 남기는 과정으로서, 대규모 병렬 게놈시퀀싱 과정에서 필연적으로 생기는 여러 가지 잡음(Noise) 정보들을 효과적으로 제거하여 최대한 많은 정보를 남기면서 진단과정에 악영향을 줄 수 있는 정보들을 제거하여 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.

일 실시예로서, 도 10에 도시된 것처럼 시퀀스 퀄리티 점수 15 미만인 것은 분석대상에서 제외하고 15 이상인 것만 선택하여 3'어댑터 트리밍을 실시한다. 또한, 도 11에 도시된 것처럼 리드 길이(Read length) 160nt 이상인 경우 퀄리티 점수가 일정치 않으므로 도 12에 도시된 것처럼 리드 길이가 15nt 이하이거나 160nt 이상인 경우 분석대상에서 제외한다. 그리고 도 13에 도시된 것처럼 일반 GC 함량이 31% 미만, 45%를 초과하는 리드는 신뢰성이 낮으므로 제거한다. 이를 통해 인간 표준 유전체의 염색체 상에 단 한 부분에만 특이적으로 맵핑되는 시퀀스 리드만을 남겨 신뢰도를 높일 수 있게 된다.

다음으로, 시퀀스 리드 산출단계(S20)에서는 인간 표준 유전체의 각 염색체를 300,000bp 크기로 10,000bp 씩 이동하며 구획을 나누고 각 구획에 맵핑된 시퀀스 리드의 개수를 계산한다. 이때, 설정한 구획의 크기와 구간은 GC 함량에 의한 시퀀스 리드수의 편향을 효과적으로 계산할 수 있으면서 적당한 시퀀스 리드의 수가 맵핑되는 최적의 구간 크기와 이동 길이를 경험적으로 산출한 구간으로 하나의 바람직한 실시예로서 이에 한정되지 않으며, 변경이 가능하다.

이어, 편향 보정단계(S30)에서는 인간 표준 유전체의 각 구간별 GC 함량과 상기 시퀀스 리드 산출단계(S20)에서 계산된 맵핑된 시퀀스 리드 수의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 GC 함량에 의한 편향을 계산하여 GC 함량에 의한 편향을 보정한다. 이 단계를 상세히 설명하면, 대규모 병렬 게놈시퀀싱을 이용한 염색체수 이상 진단과정에 가장 큰 영향을 주는 것은 대규모 병렬 게놈시퀀싱 과정에서 발생하는 GC 함량에 의한 시퀀스 리드의 편향이다(Benjamini, Y., & Speed, T. P. (2012). Summarizing and correcting the GC content bias in high-throughput sequencing. Nucleic Acids Research, 40(10)).

즉, 이러한 편향은 대규모 병렬 게놈시퀀싱 과정에 존재하는 PCR 증폭과정에서 발생하는 것으로 알려져 있으며, 유전체 중 GC 함량이 높은 부분이 시퀀싱이 잘되거나 반대로 GC 함량이 낮음 부분이 시퀀싱이 잘 되는 결과를 말한다.

도 14에서 도시된 기대값(Expected value)은 인간 유전체(hg19)를 200nt 길이로 100nt 차이를 두고 얻어 계산된 GC 함량별 비율이며, 샘플(Sample) A, B, C는 실제 대규모 병렬 게놈시퀀싱 결과로 얻어진 3명의 혈청 DNA의 결과이다. 이때, 샘플 A는 GC 함량이 35% 근처에서 가장 많은 시퀀스 리드가 얻어 졌으며, 샘플 B는 GC 함량이 50% 근처에서, 샘플 C는 GC 함량이 40% 근처에서 가장 많이 얻어 졌다.

이처럼, 이상적인 상황에서는 39% 부근에서 가장 많은 시퀀스 리드를 얻어야 하지만 GC 함량에 의한 편차에 의해 제각각 다른 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 편향의 방향은 일정하지 않으며 같은 검체를 같은 방법으로 반복적으로 시퀀싱 할 때도 각기 다른 결과를 보인다.

이러한 GC 함량에 의한 편향에 의해서 실제와는 다르게 염색체 이상의 결과가 검출 될 수 있는데, 예를 들어 특별히 GC 함량이 높은 부분이 시퀀싱이 잘 된 결과를 이용하여 진단을 하려고 한다면 GC 함량이 높은 염색체의 비율이 실제보다 더 높은 것으로 나타나게 될 것이다. 이는 실제와는 다른 관찰결과를 도출하게 되는 것이다. 그러므로 대규모 병렬 게놈시퀀싱을 이용하여 염색체 이수성을 진단하고자 할 때 이와 같은 GC 함량에 의한 편차를 강하게 억제하여야 한다.

본 발명의 실시예에서는 GC 함량 편차 보정 방법으로 도 15에 도시된 것과 같이, 대규모 병렬 게놈시퀀싱 결과로 얻어진 염색체 각 구획별 시퀀스 리드의 수와 그 구획의 GC 함량과의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 다음 수학식 1을 통해 계산하여 GC 함량에 의한 편차 정도를 계산한 뒤 이를 이용하여 역으로 편차를 제거하는 방식을 사용한다.

이때, 상기 f(x)는 각 구획별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 f'(x)는 편차가 보정된 각 구획 별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 e(x)는 GC 함량이 39%를 기준으로 평행하게 만든 이상적인 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 나타내고, 상기 l(x)는 LOESS 회귀를 이용하여 f(x)로부터 얻은 해당 샘플의 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 단순화한 함수를 나타낸다.

이와 같은 결과를 기반으로 각 샘플 당 GC 함량과 시퀀스 리드 수의 관계를 LOESS 회귀(regression)를 이용하여 계산하였고, 파란색 실선으로 표시된 휘어진 회귀 곡선을 바르게 펼치는 수학식 1에서 나타내고 있는 관계식을 이용하여 각 구획 별 시퀀스 리드 수의 편차를 GC 함량을 이용하여 보정할 수 있다.

즉, 도 15에서 도시하고 있는 것과 같이, GC 함량이 낮은 방향으로 편차가 발생한 샘플 A의 경우 GC 함량이 낮은 부분의 염색체 구획에 GC 함량이 높은 부분의 구획보다 많은 시퀀스 리드가 맵핑되었으며, 반대로 샘플 B는 GC 함량이 높은 부분에 더 많은 시퀀스 리드가 맵핑된다. 이는, GC 함량이 낮은 쪽이나 높은 쪽으로 쏠린 기존의 데이터를 39%를 기준으로 평평하게 보정해주어 GC 함량에 의한 리드 개수 편차를 최소한을 줄인다.

도 16은 정상태아를 가진 70명의 산모 혈청 DNA에서 얻어낸 각 염색체별 시퀀스 리드의 비율을 나타낸 그래프로서, 왼쪽은 GC 함량에 의한 편차를 보정하기 전의 자료로 계산하였으며, 오른쪽은 GC 함량에 의한 편차를 보정하여 계산하였다. 도 16에서 도시하고 있는 것과 같이, 70명의 샘플 별로 제각기 다른 양상을 보였던 염색체 1번부터 22번까지의 상염색체 비율 모두 일정하게 바뀌어 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이 GC 함량에 의한 편차를 보정하지 않으면 각 샘플당 염색체 별 비율이 다르게 보이게 되어 정확한 염색체 수 이상을 진단할 수 없지만 본 발명의 실시예에 포함된 편향 보정단계(S30)를 통한 GC 함량 보정 방법을 이용하면 도 17에 도시된 것과 같이 염색체 수 이상을 검출해 낼 수 있도록 정상 샘플의 범위가 좁게 형성되어 정상 샘플과 비정상 샘플과의 차이가 극대화 된다.

도 17은 70명의 정상태아를 가진 산모의 혈청 DNA에서 얻어낸 각 염색체별 비율의 CV(Coefficient of variance) 값을 염색체별로 나타낸 그래프로서, 파란색은 GC 함량에 의한 편차를 보정하기 전이며, 주황색은 본 발명에 포함된 GC 함량에 의한 편차 보정 알고리즘을 적용한 후의 값이다. 즉, 도 17에 도시된 것과 같이, GC 함량이 매우 높은 염색체 19와 염색체 22의 경우도 효과적으로 변이를 억제한 것을 볼 수 있으며, 주요 염색체수 이상 검사 대상인 염색체 21, 염색체 18, 염색체 13의 경우 1% 미만의 CV 값을 가지고 있다.

다음으로, Z-score 산출단계(S40)에서는 상기 GC 함량에 의한 편향이 보정된 구획별 시퀀스 리드 수의 평균을 전체 상염색체(염색체1 ~ 염색체22) 상의 비율로 전환하여 모든 정상 샘플 그룹과 비교하여 염색체 이수성(aneuploidy)을 판별한다.

상기 S40의 단계를 상세히 설명하면, 먼저 전체 70명의 정상태아를 가진 산모의 혈청 DNA에서 얻어낸 각 염색체 별 비율을 이용하여 다음 수학식 2를 통해 정상군의 Z-score를 계산한다.

그리고 정상군의 해당 염색체의 가장 높은 Z-score값을 정상군의 최대 Z-score값으로 설정하고, 염색체 이수성을 보이는 샘플들과 정상군과의 차이를 Z-score 값을 이용하여 나타내고 염색체 이수성을 보이는 샘플의 Z-score 값의 범위를 찾아낸다. 이때, 염색체 이수성을 보이는 샘플로서 염색체 21번이 바람직하지만 이에 한정되지 않으며, 염색체 18번, 13번도 이용될 수 있다.

이어 정상군의 최대 Z-score값과 염색체 이상 샘플들의 최저 Z-score값의 중간 값을 컷-오프(cut-off) 값으로 설정한다.

마지막으로 위험도 판정단계(S50)를 통해 상기 판별된 염색체 이수성을 기반으로 미리 설정되는 컷-오프(cut-off) 값을 이용하여 태아의 염색체 이상 위험도를 판정하게 된다. 즉, 실제 진단 대상의 Z-score값을 미리 설정되어 있는 컷-오프와의 차이를 이용하여 진단 대상의 Z-score값이 컷-오프보다 크면 염색체 이상 확률(위험도)이 있는 것으로 판단하고(S60), 진단 대상의 Z-score값이 컷-오프보다 작거나 같으면 염색체 이상 확률(위험도)이 없는 것으로 판단한다(S70).

이처럼, 진단 실험 과정에서 필연적으로 발생하는 오차를 최소화하여 보다 높은 염색체 이상 진단 민감도를 얻을 수 있어, 산모의 혈액을 이용하여 산전 진단을 함으로서 산모와 태아에게 위해를 가하지 않으면서도 안전하고 정확한 산전 검사를 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

110 : 운반부 111 : 스테이션
112 : 가이드레일 113 : 이동체
114 : 피펫 115 : 픽커
116a,116b : 카메라 117 : 운반칩
118 : 칩 받침대 119 : 튜브 받침대
120 : 혈액 분리부 130 : DNA 추출부
140 : 라이브러리 구축부 150 : 시퀀싱부
160 : 유전자 분석부 T : 튜브

Claims

태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템으로서,
임신한 여성으로부터 채취된 혈액 시료로부터 혈청을 분리하는 혈액 분리부와;
상기 혈액 분리부에서 분리된 혈청을 제공받아 게놈 DNA를 추출하는 DNA 추출부와;
상기 DNA 추출부에서 추출된 게놈 DNA를 제공받아 유전체 라이브러리를 구축하고 ISP(Ion Sphere Particle)를 생성하는 라이브러리 구축부와;
상기 라이브러리 구축부에서 생성된 ISP를 제공받은 후 병렬 시퀀싱을 수행하여 다수의 폴리뉴클레오티드 단편들의 염기서열 정보를 수득하는 시퀀싱부와;
상기 시퀀싱부에서 수득한 염기서열 정보에 따라 태아의 염색체 이수성을 기반으로 위험도를 판단하는 유전자 분석부를 포함하되,
상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부 간에 액상의 물질 및 고형의 물질을 운반하기 위한 운반부를 더 포함하며,
상기 운반부는, 수평이동 및 승강이 가능한 복수의 피펫 및 픽커를 구비하고, 상기 라이브러리 구축부에서 생성된 ISP를 상기 시퀀싱부에 운반하기 위하여 표면에 다수의 미세한 로딩 웰(loading well)이 형성된 기판을 갖는 운반 칩을 구비하되, 상기 운반 칩의 주입구는 상기 피펫으로부터 ISP를 받아들이기 용이하도록 상부로 갈수록 넓어지는 깔때기 형상으로 형성되며, 상기 주입구의 상부에는 상단 입구를 통해 주입된 ISP가 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 한 제1유출공을 갖는 상부 고임판과, 상기 상부 고임판의 하측으로 이격 설치되고 상기 제1유출공을 통해 유출된 ISP가 고여 있는 상태에서 점진적으로 낙하하도록 상기 제1유출공과 대각방향에 형성된 제2유출공을 갖는 하부 고임판이 더 형성된 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 운반부는, 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부에서 각각 생성된 혈청, 게놈 DNA, ISP를 담을 수 있는 튜브들 및 운반 칩이 대기상태로 위치하는 스테이션과, 상기 피펫과 픽커의 이동을 위하여 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부의 상측을 경유하도록 설치된 가이드레일과, 상기 가이드레일을 따라 이동하며 상기 피펫과 픽커가 수평이동 및 승강 가능하도록 설치된 이동체를 구비한 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
제3항에 있어서,
상기 스테이션은, 상기 튜브를 꽂을 수 있도록 다수의 꽂음공을 구비한 튜브 받침대와; ISP가 주입되는 동안 상기 운반 칩이 안착되어 있는 베이스와, 상기 베이스의 좌측단과 우측단에서 상기 운반 칩을 움직이지 않도록 지지하는 탄성소재의 측벽으로 이루어진 칩 받침대를 구비하며,
상기 칩 받침대의 베이스 좌측단과 우측단에는 상기 운반 칩의 전후방향 이탈을 방지하는 이탈방지턱이 형성되고, 상기 베이스의 전측단과 후측단의 중앙부에는 상기 운반 칩을 탈거하기 용이하도록 요입된 형태의 탈거홈이 더 형성된 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
제3항에 있어서,
상기 이동체에는 대각방향으로 한 쌍의 카메라가 설치되어 상기 혈액 분리부, DNA 추출부, 라이브러리 구축부, 시퀀싱부에서 이루어지는 운반 및 작업 진행 상황들을 모니터링 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전자 분석부는,
(A) 상기 시퀀싱부에서 수득한 염기서열을 인간 표준 유전체(reference genome)와 리드 매핑(read mapping)하여 매핑되지 않는 리드를 제거하는 매핑 처리단계와;
(B) 인간 표준 유전체의 각 염색체를 미리 설정된 구획의 크기와 구간으로 나누어 상기 매핑 처리단계에서 매핑된 리드를 기반으로 구간별 매핑된 시퀀스 리드의 수를 계산하는 시퀀스 리드 산출단계와;
(C) 인간 표준 유전체의 각 구간별 GC 함량과 상기 시퀀스 리드 산출단계에서 계산된 시퀀스 리드 수의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 GC 함량에 의한 편향을 계산하여 GC 함량에 의한 편향을 보정하는 편향 보정단계와;
(D) 상기 편향 보정단계에서 GC 함량에 의한 편향이 보정된 구획별 시퀀스 리드 수의 평균을 전체 상염색체 상의 비율로 전환하여 모든 정상 샘플 그룹과 비교하여 염색체 이수성(aneuploidy)을 판별하는 Z-score 산출단계와;
(E) 상기 Z-score 산출단계에서 판별된 염색체 이수성을 기반으로 미리 설정되는 컷-오프(cut-off) 값을 이용하여 태아의 염색체 이상 위험도를 판정하는 위험도 판정단계;에 의하여 태아의 염색체 이상 위험도를 판정하는 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
제6항에 있어서,
상기 (A) 단계는, 시퀀스 퀄리티 점수 15 미만이거나, 리드 길이(Read length)가 15nt 미만 160nt 이상이거나, GC 함량이 31% 미만, 45%를 초과하는 리드는 신뢰성이 낮은 것으로 보고 잘라내어 제거하는 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.
제6항에 있어서,
상기 (C) 단계는, 대규모 병렬 게놈시퀀싱 결과로 얻어진 염색체 각 구획별 시퀀스 리드의 수와 그 구획의 GC 함량과의 관계를 LOESS 회귀(regression) 방법을 통하여 GC 함량에 의한 편차 정도를 계산하고, 상기 계산된 GC 함량에 의한 편차 정도를 기반으로 역으로 편차를 제거하며,
상기 GC 함량에 의한 편차 정도는 수식
를 통해 계산되되, 상기 f(x)는 각 구획별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 f'(x)는 편차가 보정된 각 구획 별 시퀀스 리드의 수를 나타내고, 상기 e(x)는 GC 함량이 39%를 기준으로 평행하게 만든 이상적인 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 나타내고, 상기 l(x)는 LOESS 회귀를 이용하여 f(x)로부터 얻은 해당 샘플의 GC 함량과 시퀀스 리드 수와의 관계를 나타낸 함수인 것을 특징으로 하는 태아의 유전학적 이상을 진단하기 위한 비침습적 진단시스템.