사람면역결핍바이러스 감염 및 후천면역결핍증후군의 진단검사
Diagnostic tests of HIV infection and AIDS
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Trans Abstract
Background
Human immunodeficiency virus (HIV) infection presents a major global health challenge. According to the World Health Organization, approximately 39.0 million people have HIV, as of 2022, with 1.3 million new infections annually. In Korea, the first HIV cases were reported in 1985, and the number of cases has increased continuously since 1988. In 2022, 1,066 cases were newly diagnosed, increasing the total number of cases to approximately 15,880.
Current Concepts
Diagnostics play a crucial role in the management of HIV, for early diagnosis and initiation of antiretroviral therapy. Approval of the first HIV antibody test in 1985 by the US Food and Drug Administration marked a notable advance in the ability to diagnose HIV infection. The screening test for HIV infection typically consists of a two-step approach, in which a fourth-generation combination HIV-1/2 immunoassay is followed by a confirmatory Western blot. Despite its high accuracy for chronic infections, the window period and the early-stage of HIV infections are problematic, and populations with low HIV prevalence show a low positive predictive value. A false positive result can occur from blood transfusions, vaccinations, and autoantibodies. Novel diagnostic tools, such as nucleic acid testing for viral RNA/DNA and antigen testing for p24 antigen have reduced the window period, allowing for earlier detection and differentiation between HIV-1 and HIV-2. Pointof-care tests are beneficial in resource-limited settings although their lower sensitivity and specificity require additional confirmatory follow-up testing.
Discussion and Conclusion
In this review, we provide a historical perspective on the evolution of HIV diagnostics (serological and molecular) and describe the roles of conventional and point-of-care testing within the laboratory diagnostic network.
서론
사람면역결핍바이러스(human immunodeficiency virus, HIV)는 의료 분야에서 매우 중요한 세계적 보건 문제로 지속적으로 존재하고 있다. 세계보건기구에 따르면 HIV는 전 세계적으로 매우 중대한 우려 사안으로 보고되고 있다[1]. 2022년의 보고에 따르면 전세계적으로 HIV에 감염된 인구는 약 3천9백만 명 정도로 추산되며 해당 연도에는 약 130만 명의 신규 감염이 보고되었다. HIV의 감염률은 2010년의 자료에 따르면 210만 명으로부터 약 38%의 감소가 있었으며, 후천면역결핍증후군(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS) 관련 증상으로 사망한 경우가 63만 건 보고되었다[2].
국내 첫 HIV 감염 사례는 1985년에 보고되었으며[3], 1988년 이후로 보고된 감염의 수는 꾸준하게 증가하였다. 2013년 이후로는 국내 연간 보고되는 감염자 수가 1,000건을 매년 넘기고 있는 실정이다[4]. 2022년의 경우에는 전년도에 비해 감염 보고 건수가 9.3% 증가하여 1,066건의 신규 확진 건이 발생하여 한국 내 HIV 감염자 수가 총 15,880명으로 증가하였다[5]. 총 건수는 증가하고 있지만 전체 인구 기준 유병률은 대체적으로 낮은 편인 0.03%이며, 상대적으로 낮은 유병률을 갖는 국가로 분류되고 있다[5].
HIV의 관리에 있어서 진단의 역할은 매우 중요하다. 적절한 검사를 통해 초기 감염을 진단하는 것은 빠른 항레트로바이러스 치료(antiretroviral therapy)를 통해 감염자 개인의 치료 향상 측면과 집단 내 HIV 전파를 막을 수 있다는 점에서 강조되어야 한다[6]. 미국 식품의약국에서 1985년 첫 HIV 항체검사를 승인함에 따라 진단 분야에 큰 발전이 시작되었다[7]. 치료약제의 발전으로 인한 기대 수명과 삶의 질 향상은 명확하지만 이를 가능하게 할 수 있는 조기진단과 그 정확도 향상의 중요성은 지나치게 강조해도 부족하다[8,9]. 조기 검출과 진단의 중요성을 보여주듯 미국 질병예방특별위원회(United States Preventive Services Taskforce)의 2013년 권고사항에 따르면 15세에서 65세 사이의 인구와 임산부 모두에게 HIV의 선별검사를 시행할 것을 권장하고 있다[10]. HIV 진단검사는 시간이 지남에 따라 다양해져 왔으며, 각각의 방법은 고유한 이점과 한계를 가지고 있다.
현재 선별검사와 확인검사를 통해 HIV 감염의 진단이 이루어지는데, 효소 면역검사를 이용한 선별검사 양성인 경우에는 확인검사로 웨스턴블롯(western blot) 검사를 시행한 후 보고하고 있다. HIV 감염의 급성기는 대개 2-4주 기간에 걸쳐 바이러스가 급격히 증식하는 기간을 일컫는데 해당 기간에는 매우 높은 감염력을 나타내는 특징이 있다. 그럼에도 해당 시기의 진단에 있어 가장 어려운 점은 혈청 전환이 아직 이루어지지 않아 항체의 검출이 어렵다는 것이다.
핵산증폭검사(nucleic acid amplification testing, NAT)를 통해 바이러스의 리보핵산(ribonucleic acid, RNA) 또는 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA)을 검출하거나 HIV의 p24 항원과 같은 항원을 검출하는 검사법은 효과적으로 혈청 전환 잠복기를 감소시켜 보다 빠른 감염의 진단을 가능하게 하였다. 이와 더불어 현장검사(point-of-care)의 활용은 의료자원이 제한된 환경에서 빠른 결과와 치료 시작을 위해 필수적인 검사로 자리잡았다. 분자진단기법의 활용을 통해 진단민감도와 진단특이도가 크게 상승하여 진단적 정확성을 확보할 수 있었으며, HIV-1과 HIV-2의 구별을 통해 개별화된 치료적 접근이 가능케 되었다[11]. 이 논문에서는 선별검사와 확진 검사를 포함한 국내 HIV 감염 진단 방법에 대해 고찰하고자 한다.
HIV 검사에서 HIV-1 감염 표지자의 검출 시기
HIV-1 감염에 대한 검사 대상 표지자들은 혈액 내에서 순차적으로 검출된다: 먼저 HIV-1 RNA가 검출되며, 이후 순서대로 p24 항원, HIV-1 immunoglobulin M (IgM) 항체 그리고 HIV-1 immunoglobulin G (IgG) 항체가 출현한다[12]. HIV 감염의 임상경과를 살펴보면 검사실에서 HIV RNA를 확인할 수 있는 시기는 감염 이후 약 10-11일 정도 이후이다. 예측 모델 연구에 따르면 감염과 HIV RNA 첫 검출 사이의 기간은 11.5일의 중앙값(median)을 나타냈으며, 99분위(percentile)에서 최대 33일까지로 예상되었다[13].
감염 이후 p24 항원의 검출은 HIV RNA가 검출된 이후 5-7일부터 가능하다. 이에 따른 효소면역법으로 검출되는 IgM 항체의 검사 결과가 이로부터 3-5일 이후 양성으로 관찰된다. 이 기간 중에 IgG 항체가 출현하는 데 RNA의 첫 검출 이후 약 2-6주 사이의 기간에 해당한다[14]. 일반적으로 HIV 항체의 검출은 감염 이후 약 2주에서 8주 사이에 검출되기 시작하며(평균적으로 22일 정도), 감염 이후 3개월이 경과한 시점에서 감염된 거의 모든 사람에게서 검출 가능하다(Figure 1).
Time course of human immunodeficiency virus (HIV) infection and test positivity. HIV ribonucleic acid (RNA) is usually first detected in a laboratory setting approximately 10 to 11 days after infection, with an estimated median eclipse period of 11.5 days. The p24 antigen typically becomes detectable around 5 to 7 days after HIV RNA detection (around 17 days). Generally, HIV antibodies become detectable between 2 to 8 weeks post-infection, averaging approximately 22 days, and by three months post-infection, they will be detectable in almost all infected individuals. Created with BioRender.com. PCR, polymerase chain reaction; IgM, immunoglobulin M.
혈청 전환 잠복기는 초기 HIV 감염 시점과 감염의 징후가 관찰되는 시점 사이의 시간 간격으로 정의된다. 이 시기의 예방의학적인 중요성은 해당 시기 동안 진단이 되기 어려움으로 인해 전파의 위험성이 증가하기 때문이다. 혈청 전환 잠복기의 기간은 사용하는 진단검사 방법에 따라 다르게 나타날 수 있는데, 진단 기술의 발전에 의해 유의하게 감소하였다. 제3세대 항체검사의 도입은 이 기간을 약 22일 정도로 단축시킨 바 있다. p24 항원검사의 도입은 이를 약 16일 정도로 단축시켰으며, 핵산검사 방법의 활용은 약 10-14일 정도까지 감소시켰다.
혈청학적 검사
1. 항체 또는 항원-항체 복합 선별검사
HIV의 혈청학적 진단을 위한 검사는 기반하는 검사 원리에 따라서 세대별로 나누어 구분되곤 한다. 가장 처음 사용된 1세대 검사는 IgG 항체를 검출하기 위해 HIV-1 용해물(lysate)을 사용하였다[15]. 이로부터 발전된 2세대 검사는 합성 펩티드를 활용해 용해물을 대신해 재조합 바이러스 단백질을 사용한다는 특징을 가지고 있다[16]. 용해물 내에 존재하는 오염 세포 물질을 제거하는 것은 교차반응을 일으키는 세포 단백질들을 회피할 수 있게 됨에 따라 검출 특이도를 향상시키는 데 기여하였다.
3세대 검사는 샌드위치 형식의 검사법과 항원결정부위(epitope)의 개발로 검출 민감도를 향상시켰을 뿐 아니라 HIV-1 M군과 O군 및 HIV-2 IgG 항체에 더하여 HIV-1의 IgM 항체를 검출할 수 있게 되었다[17]. 검사법의 발달에도 불구하고 혈청 전환 잠복기가 존재하기 때문에 항체만을 단독으로 검사하는 방법은 한계가 있다. 체내 면역체계가 감염 후 약 22일 동안 검출 가능한 항체를 생성하지 못할 경우, 정확한 확진이 어렵기 때문이다. 이러한 제한점을 극복하고자 p24 항원검사를 시행하는 것이 도입되었고, 이를 항체검사와 함께 병행 시행함으로써 혈청 전환에 따른 잠재기를 약 6일 정도 감소시키는 효과를 가져왔다.
4세대 검사는 기존 IgG, IgM 항체와 더불어 HIV-1 p24 항원도 검출할 수 있는 것이 특징이며, 항원-항체 동시 검사라고 한다. 이 4세대 항원-항체 동시 검사는 HIV-1 감염 이후 혈청 전환이 이루어진 다음에 빠르게 양성 결과를 나타낸다[18]. 4세대 검사는 합성 펩타이드 또는 재조합 바이러스 단백질을 사용하며, 단클론성 항 p24항체를 포함하고 있다[12]. 항원-항체 동시 검사를 사용하는 경우 p24항원은 혈장에 HIV RNA가 검출된 후 약 5일 후부터 검출 가능해진다. 따라서 4세대 검사는 3세대 검사와 비교할 때 혈청 전환기의 잠재기간을 약 3일 정도 단축하는 효과를 갖고 있다. 대부분의 진단검사의학과에서는 2014년 이후 4세대 검사를 기반으로 한 항원-항체 동시 검사를 선별검사로 시행하고 있다.
검사 결과를 통해 p24 항원과 HIV-1/2 항체의 검출을 각각 구분할 수 없다는 점은 제한점이라 할 수 있는데, BioRad BioPlex 2200 HIV 항원/항체 검사와 같은 5세대 검사는 각각의 p24 항원과 항체의 항원결합부위에 특이적으로 반응하는 여러 종류의 자성 비드(magnetic bead)를 사용하기 때문에 반응성을 구분할 수 있어 감염의 경과 및 상태를 구분할 수 있다는 데 차별점을 갖는다[19,20].
세대에 따른 발전을 거듭함에 따라 실제 감염이 발생한 시점과 검출이 가능해지는 시점의 기간 차이인 혈청 전환 잠복기에 발생하는 위음성의 유의한 감소가 있었다. 효소면역법 이후의 검사법의 발전에는 신속검사 또는 현장검사 등이 포함되면서 세대간 구분이 모호해지게 되었다. 검사법의 발전에 따라 다른 구분법의 필요성이 대두되었다[21].
HIV의 선별검사는 4세대 항원-항체 동시 검사를 검사로 먼저 시행한 뒤 웨스턴블롯을 확진 검사로 시행하는 2단계 접근법을 사용하고 있다. 먼저 시행되는 항원-항체 동시 검사 결과가 음성이고, 검사 대상이 HIV 감염이 의심되지 않는다면 추가적인 검사는 불필요한 것으로 간주된다. 이러한 검사 절차는 만성감염 환자를 검출하는 데 있어 99% 이상의 민감도와 특이도를 나타내었으나 제한점이 존재한다. 감염 초기의 진단을 놓칠 수 있다는 가능성이 존재하며 특히 항체가 완전히 생성되지 않은 시기에 적용 시 문제점이 관찰된다.
현재 활용되는 HIV 검사의 성능을 살펴볼 때 진단적 민감도는 100%에 이르며, 진단적 특이도는 99.8% 또는 그 이상으로 나타난다. 이러한 높은 성능에도 불구하고 해당 인구집단의 유병률이 낮을 경우 양성예측률이 유의하게 낮게 관찰된다. 한국의 경우 HIV의 유병률을 0.01%라고 가정할 때 진단적 민감도 100%와 진단적 특이도 99.5%의 성능을 갖는 진단검사를 선별검사로 사용 시 양성예측률이 약 2%로 예상된다. 이러한 상황에서는 항체선별검사 결과가 양성일 경우 재검을 시행하는 것이 필수적이다. 재검 결과가 양성인 경우 확진은 웨스턴블롯을 통해 이뤄져야 하며 확진을 위해 시행된 웨스턴블롯의 결과가 미결정(indeterminate) 또는 음성인 경우 급성기 감염의 가능성을 판단하기 위해 혈장 검체를 사용한 HIV RNA 검사가 추천된다.
선별검사에서 위양성을 일으킬 수 있는 요소는 여러 가지가 있다. 이러한 요인에는 자가면역질환, HIV가 아닌 최근 바이러스 감염[15], 임신[22], 투석[23] 그리고 B형 간염[24]과 인플루엔자[25] 예방접종 등이 포함된다. 이러한 요인들은 검사 결과를 해석하는 데 있어 유병률이 낮은 경우 특히 고려되어야 한다.
HIV는 주로 두 가지 균주(strain)로 구분된다. HIV-1은 전 세계적으로 우세한 균주이며, HIV-2는 주로 서아프리카 지역을 중심으로 발견된다. HIV-1은 여러가지 그룹으로 구분되며 M, N, O 및 P군으로 나뉜다. 초창기에 개발된 진단검사 시약들은 HIV-2와 O군을 구분하는 데 문제가 있었다. 하지만 최근 기술의 발전으로 모든 진단검사 시약은 HIV-2 항원과 O군을 포함하도록 향상되었으며, 위음성의 가능성을 유의하게 감소시켰다[26].
2. p24 항원검사
감염 초기 항체가 검출되기 이전에는 p24 항원검사를 활용하는 것이 유용하다. 다만 이러한 시기에 p24 항원은 항-p24 항체와 복합체를 형성하여 혈액 내에서 순환하면서 검출율에 영향을 받게 된다. 감염 초기에 p24 항원검사의 진단적 성능을 살펴보면 진단민감도는 약 80%, 진단특이도는 거의 100% 정도이다[27]. 이러한 낮은 진단민감도로 인해 p24 항원검사의 역할은 HIV RNA 핵산증폭검사에 의해 대체된 편이며 현재는 단독검사로 활용되기 보다 4세대 항원-항체 동시 검사와 함께 활용되는 경우가 대부분이다.
HIV 현장검사
기존에는 신속검사라고 불렸지만, 현재 병원 진단검사의학과 진단기기의 검사 시간이 45분 이내로 크게 단축됨에 따라 현장검사라는 명칭이 보다 적합할 수 있다. 진단검사의학과에서 사용되는 항원-항체 동시 검사와 비교하면 다소 낮은 진단민감도를 나타내지만 검체 전처리가 필요하지 않고, 고가의 복잡한 진단기기를 갖추지 않아도 되며 직관적인 검사 절차를 갖는다는 것이 현장검사의 특징이다[28].
HIV 진단을 위한 현장검사의 필요성은 다음 특정한 상황에서 대두된다. (1) 아프리카와 같은 HIV의 유병률이 높음에도 불구하고 의료시설에 대한 접근성이 매우 낮은 지역인 경우; (2) 의료환경에서 감염 환자에 대한 노출로 인한 의료 인력의 감염을 예방하기 위한 선별검사로서 활용; 그리고 (3) 의료기관에 방문할 수 없는 상황에서 개인의 감염상태를 보다 빠르게 확인하기 위한 용도 등이다.
현장검사는 주로 면역크로마토그래피(immunochromatography) 원리의 측면유동검사(lateral flow assay) 또는 면역농축(immunoconcentration) 원리의 유동-막(flow-through membrane) 검사가 사용된다[12]. 이러한 현장검사는 신속하고 즉각적인 결과를 제공함으로써, 검사 결과가 긴급하면서도 의료자원 접근이 제한적인 상황에서 유용하다.
현장검사는 전혈, 혈장, 혈청, 손가락 끝 채취 혈액 또는 구강액 등 다양한 검체를 사용할 수 있다. 현장검사의 성능은 진단민감도는 99.71% (95% 신뢰구간, 99.45-99.97%), 진단특이도는 99.27% (95% 신뢰구간, 98.83-99.70%)로 보고되었다[29]. 현장검사는 육안 판독에 의존하여 결과가 결정되므로 검사자간 차이, 사무적 오류 등의 위험이 있다. 또한, 현장검사의 주요 단점 중 하나는 장기적인 품질 관리 데이터 부재로 인해 정도관리가 어렵다는 점이다.
종합적으로 살펴보면 현장검사는 병원 진단검사의학과에서 사용되는 항원-항체 동시 검사에 비해 상대적으로 진단 민감도와 진단특이도가 낮아 지속적인 개선이 필요하다[6]. 예를 들어 높은 유병률을 갖는 인구집단에서 급성 HIV 감염 진단을 현장검사 단독으로 시행한다면 약 12% 정도를 놓치는 것으로 밝혀졌다[30]. 특히, 손가락 끝 채취 혈액을 사용해 채취한 혈액으로 항원 또는 항체 검사를 시행할 경우 지연된 혈청 전환 잠복기를 고려해야 하며, 이는 HIV 노출 이후 18일로부터 90일까지 다소 넓은 기간을 포함한다[31]. 따라서 현장검사는 응급 의료행위 및 수술 전 의료진의 보호 및 예방을 위해 빠른 결과 확인이 필요한 경우 등의 제한적인 상황에서만 사용이 권고된다. 모든 현장검사 양성 결과는 확정적인 것이 아니며, 추가적인 확진 검사가 반드시 필요하다.
혈청학적 확진검사: HIV-1 웨스턴블롯
HIV-1 웨스턴블롯은 전체 바이러스 용해물을 항원물질로 사용하며 이에 반응하는 항-IgG 효소결합을 활용해 HIV 단백에 특이적으로 결합하도록 하는 원리이다[12]. HIV-1 웨스턴블롯은 HIV-1 유전체 부위 가운데 gag (p15, p17, p24 및 p55) 부위, pol (p31, p51 및 p66) 부위, 그리고 env (gp41과 gp120/160) 부위에서 발현되는 항원을 각각의 분자량에 기반하여 분리해 내는 것이 필요하다. 각 항원은 니트로셀룰로스 멤브레인(nitrocellulose membrane)으로 블롯팅되며, 환자의 혈장 검체 내에 각 항원에 특이적으로 결합하는 항체가 존재하는지 여부를 관찰하게 된다[32]. 양성 밴드(band) 관찰을 통해 항체의 특이성을 규명할 수 있으며 항체반응의 진위 여부를 판단할 수 있게 된다. 1989년 미국 공공보건국(Public Health Service)에서 HIV-1 웨스턴블롯 결과 해석에 필요한 최소한의 기준을 정립하였다. 이 기준에 따르면 HIV-1 웨스턴블롯 결과를 양성으로 판단하려면 p24, gp41 및 gp120/gp160 가운데 최소 두 개 항원에 대한 반응 밴드가 관찰되어야 한다. 검사법의 개선을 위해 INNO-LIA HIV 1/2 score line immunoassay (Innogenetics, Ghent, Belgium)와 같이 정제된 HIV-1/2 재조합 단백질과 펩티드를 사용하는 새로운 라인 블롯 검사가 개발되었다[20,33].
또 다른 권고사항으로는 HIV-1 웨스턴블롯 양성 결과가 확인되기 전까지는 효소면역법으로 재검하였더라도 양성 결과를 보고하지 않도록 하는 것이다[12]. 국내에서 효소면역법 또는 화학발광면역검사(chemiluminescent immunoassay)를 통해 반복 양성 결과를 보이는 검체는 17개의 보건환경연구원에서 추가 확진검사를 진행한 후 최종 결과를 보고하고 있다. 국내에서 HIV-1 웨스턴블롯 양성 결과를 보고하는 기준은 동시에 HIV env (gp160, gp120 및 gp41)에서 두 개의 밴드가 나타나면서 p24 또는 p31 밴드가 둘 중 한 개 또는 동시에 보이거나, 그 이상의 밴드를 보일 때를 양성으로 판정하고 있다. 양성 및 음성 기준에 부합하지 않는 경우 미결정으로 판정한다.
HIV-1 웨스턴블롯을 확진검사법으로서 4세대 항원-항체 동시 검사와 함께 사용하는 경우 급성 감염기와 혈청 전환이 완전히 이루어지지 않은 시점에서는 위음성 또는 미결정 결과를 보일 수 있다[34]. 감염의 초기 단계에서는 항체가 충분하게 생성되지 않았을 때, 항원-항체 동시 검사인 선별 검사 결과는 양성을 나타내지만 HIV-1 웨스턴블롯 결과는 음성이거나 미결정 결과를 보일 수 있는 것이다. HIV-1 웨스턴블롯 양성 결과는 혈청 전환이 되었다는 의미이며, HIV 감염 후 HIV-1 웨스턴블롯 결과가 양성으로 나타나기까지 약 2개월이 소요될 수도 있으므로, 미결정 결과의 경우에는 감염의 초기일 가능성을 고려하여 2주에서 1개월 이후 경과된 다음 다시 검사하는 것이 권장된다. 이후에도 미결정 결과가 지속된다면 2-5개월 이후 재검하는 것이 바람직하다[31]. 재검사 과정이 HIV 감염의 조기진단을 지연시켜 경과에 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 재검의 과정 가운데 별도의 HIV RNA 핵산증폭검사를 시행하는 것이 도움이 된다.
HIV-1 웨스턴블롯의 단점으로 미결정 결과의 다소 높은 비율[35], 낮은 민감도, 오랜 검사시간[36], 그리고 교차반응으로 인한 HIV-2로 잘못 분류되는 경우[37] 등이 보고된 바 있다. HIV-1 웨스턴블롯의 한계를 극복하기 위해, 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)는 2018년에 HIV 검사 지침을 개정하였다. 개정된 지침은 조기 감염의 진단을 향상시키고 미결정 결과를 줄이며, HIV-2 감염을 정확하게 진단하는 것을 목표로 하였다[11]. 이 방법은 먼저 항원-항체 동시 검사를 시행한 후, 양성 반응을 보인 검체에 대해 HIV-1/HIV-2 항체 구분 검사를 시행하는 것을 특징으로 한다[31].
한국은 유병률이 낮은 국가이므로 선별검사의 결과가 반복 양성으로 확인되는 경우, 전국 17개 보건환경연구원에서 시행하는 확진 검사를 시행하게 된다. 보건환경연구원에서 시행한 확진 검사 결과가 미결정인 경우, 해당 검체를 질병관리청으로 보내 최종 판정을 받도록 하였다[38]. HIV 감염의 진료지침에 따르면, 2022년부터 확진 검사는 HIV-1 웨스턴블롯뿐만 아니라 p24 항원 중화검사 및 분자진단 검사 결과도 활용될 수 있도록 확진 방법을 확장하였다[38]. 이에 따라 HIV 감염의 진단이 향상되었으며, 특히 초기 단계의 감염 진단이 개선되었다.
미결정 검사 결과가 두 번의 재검사 이후에도 지속되면, 초기 선별검사의 양성 결과가 위양성일 가능성이 높다고 볼 수 있다. HIV-1 웨스턴블롯의 미결정 결과를 초래할 수 있는 요인으로는, 감염 초기 항체 역가가 낮은 경우, AIDS 말기 단계, HIV-1 N, O, P군 또는 HIV-2 감염, 그리고 드물게 다른 레트로바이러스 감염으로 인해 HIV 항원과 교차반응을 일으키는 항체가 생성된 경우 등이 있다. 자가면역 질환과 인플루엔자 예방접종 이후에도 이러한 현상이 나타날 수 있음이 보고되었다[39]. 특히 HIV-1 웨스턴블롯 검사는 HIV-1 O군을 검출하는 데 있어 신뢰도가 낮다는 것이 확인되었다[40]. 이러한 제한점은 HIV-1 O군 유병률이 높은 지역에서의 사용이나, 해당 군에 의한 감염이 의심될 때 문제가 될 수 있다. 또한, HIV-2 감염이 의심되는 경우에는 HIV-2 웨스턴블롯 검사가 필요하다.
현재 4세대 항원-항체 동시 검사를 사용함에 따라 선별검사 양성 결과가 p24 항원 단독으로 나타나는 경우가 일부 존재한다. 따라서 이에 대한 확진 검사는 웨스턴블롯 검사에만 의존할 수 없으며 양성 결과를 확진하기 위해 p24 항원 단독 검사나 HIV RNA 핵산증폭검사를 시행해야 한다[21].
분자진단검사(Molecular Tests)
바이러스 정량검사는 HIV-1 핵산증폭검사의 한 형태로 항레트로바이러스 치료를 받는 환자의 치료 효과를 추적관찰하고, 치료실패 여부를 확인하기 위해 권장되는 검사이다[41]. 미국 CDC는 HIV 감염 진단에 대한 지침을 개발해왔으며[42], 2014년에 개정된 지침에는 단계별 접근법을 제시하였다. 첫 단계로 4세대 항원-항체 동시 검사를 시행한 뒤 HIV-1/HIV-2 항체 구분검사를 시행하고(2단계), 핵산증폭검사를 시행할 수 있도록 포함하였다[38]. 진단 지침에 핵산증폭검사가 포함된 2014년의 개정은 HIV-1 감염의 급성기 진단과 관련하여 의미가 있다. 국내의 경우 HIV-2에 의한 감염이 매우 드물기 때문에 HIV-1/HIV-2 항체 구분 검사는 표준 진단검사 지침에 포함되지 않고 있다[38]. 국내 HIV 감염의 진단은 여전히 HIV-1의 검출에 중점을 두고 있다. HIV-1 핵산증폭검사는 HIV-2 감염 진단을 할 수 없으므로 이를 위해서는 별도의 검사가 필요함을 염두에 두어야 한다. 추가적으로 특정한 소수의 HIV 감염자 가운데 바이러스 복제를 제어할 수 있는 항체를 생성하며, 항체 양성인 결과를 나타내지만 바이러스 수치는 매우 낮게 유지되어 HIV-1 핵산 증폭검사로 검출되지 않는 환자군을 ‘엘리트 콘트롤러’라고 한다.
1. HIV RNA 정성검사
진단적 목적으로 미국 식품의약국 승인을 획득한 핵산 증폭검사는 APTIMA HIV-1 RNA 정성검사 키트(Hologic, Marlborough, MA, USA)이며, 전사-기반 증폭(transcription-mediated amplification) 원리이다. 해당 검사는 30 copies/mL의 HIV-1 RNA 검체에서는 98.5% 이상의 검출 정확도를, 100 copies/mL에서는 100%의 정확도를 보였다[11]. 임상적으로 HIV RNA에 대한 정성검사를 시행해야 하는 경우는 다음과 같다. (1) 감염될 가능성이 있는 상황에 노출된 경우; (2) 아직 항체가 형성되지 않은 초기 감염 의심 상황인 경우; (3) 기저 질환 또는 면역체계의 저하로 인해 항체 검사를 통해서 감염 상태를 진단할 수 없는 경우; 그리고 (4) HIV에 감염된 산모로부터 출생한 신생아에서 항체검사 결과가 양성으로 나타나는 경우 등이다.
HIV의 유전체 부위에 따라서 변이 발생 빈도는 다르게 나타나는데, env 유전자의 변이 빈도가 가장 높게 관찰되며, gag와 pol 유전자 부위는 상대적으로 낮은 빈도를 나타낸다. 따라서 분자진단 검사는 주로 후자의 부위를 대상으로 개발되어 있다. 서로 다른 HIV-1 유전자를 대상으로 하는 이중 대상(dual-target) 접근법이 사용되어 위음성 결과가 나타나지 않도록 고안되어 있다. 중합효소사슬반응(polymerase chain reaction, PCR)을 이용한 다른 검사들과 마찬가지로, HIV RNA 정성검사에는 제한점이 존재한다. PCR 저해물질이 검체 안에 존재할 경우, 증폭 결과가 나타나지 않을 수 있다는 것이다. 핵산증폭검사에서 위양성이 발생하는 경우는 드물지만 가능성을 염두에 두어야 한다. 최근 정량검사의 검출한계가 매우 낮아져 더욱 민감해졌기 때문에 정성검사보다 정량검사를 HIV 감염 진단에 더 선호하는 추세로 바뀌고 있다.
2. HIV RNA 정량검사(혈중 바이러스 농도 검사)
HIV RNA 정량검사는 HIV 감염의 관리에 있어 중심적인 역할을 한다. 해당 검사는 감염을 진단하거나, 감염 이후 자연 경과를 관찰하거나 치료 효과를 평가하기 위해 사용된다. HIV 감염의 관리에서 치료 시작 전에 HIV RNA 정량검사를 시행하고, 이후 치료 시작한 후 2-4주 이내에 치료에 대한 초기반응을 평가하기 위해 추적검사를 시행한다. 처음 2년 동안은 매 3-4개월마다 시행하며, 이는 치료의 지속적인 효과가 있음을 확인하고 추가적인 조치가 필요한지 여부를 확인하기 위해 매우 중요하다. 바이러스 증식이 지속적으로 억제되고 있음이 확인된 후에는 HIV RNA 정량검사 주기를 매 6개월마다 시행하는 것으로 변경할 수 있다[20].
치료 진행 중 바이러스의 수치가 검출한계 아래로 감소하여 검출이 되지 않는 경우라도, 치료의 효과를 지속적으로 확인하기 위해 3-4개월마다 검사를 시행하는 것이 바람직하다. 치료 시행 후 바이러스 농도가 매우 낮은 수준(20-200 copies/mL)으로 일시적으로 증가하는 현상을 블립(blip)이라고 한다. 이는 성공적으로 치료되는 환자에서도 발생할 수 있으며, 반드시 치료실패를 의미하지는 않는다. 치료가 지속되면서 바이러스 농도가 200 copies/mL 이상으로 지속적으로 검출되는 경우 이를 치료실패로 판단한다. 치료 실패의 주요 원인은 약제 내성과 약 복용을 제대로 하지 않는 경우, 즉, 순응도가 낮거나 약물 부작용으로 인해 치료약제의 지속적인 투여가 어려운 경우도 포함된다.
HIV RNA의 정량검사에서 가장 널리 사용되는 방법은 실시간 PCR (real-time PCR)로, 기존의 방법들에 비해 측정의 범위가 매우 넓은 20-107 copies/mL의 범위를 제공한다. 또한 오염 가능성이 낮고, 정도관리 대조물질의 사용 그리고 자동화 측면에서 개선되었다. 이러한 특성들은 고려하면 치료 효과의 추적관찰에 매우 적합하다. 현재 국내에서 가장 많이 사용되는 두 가지 검사 시약은 Abbott Real-Time HIV-1 검사 시약과 Roche Cobas TaqMan HIV 검사 시약이며(Table 1), 다량의 검체를 처리할 수 있으며, 검사에 소요되는 시간은 6-8시간 정도이다.
Comparison of HIV-1 real-time PCR assay systems
HIV의 RNA 증폭과정에서 발생하는 작은 변동 폭에 대한 잘못된 해석을 방지하기 위해 log 단위 사용이 권장된다. 바이러스 수치가 세 배 이상, 또는 0.5 log 이상 증가하는 경우를 임상적으로 의미 있는 것으로 판단한다[43]. HIV RNA 정량검사의 결과가 부정확한 경우가 발생할 수 있는데, 부적합한 검체 채취(예, 잘못된 항응고제 튜브의 사용), 검체 처리과정의 부적합(예, 부적절한 시간과 온도 관리), 부적절한 검체 보관 조건, 검출에 영향을 줄 수 있는 물질의 존재 또는 시발체(primer) 결합 부위의 변이 등에 의해 발생한다[44]. 이러한 요소들은 검사의 결과 정확성에 영향을 미칠 수 있음을 염두에 두어야 한다.
핵산증폭검사의 진단특이도는 97.6-100% 정도이며, 위양성 결과는 매우 드물게 발생하는데, 교차오염, 부적절한 대조물질의 사용, 그리고 부정확한 기준 값(cut-off)의 결정 등 여러 요인으로 인해 발생할 수 있다[43]. 최근 HIV 감염과 무관한 양성 결과가 나타나는 사례가 보고되었는데, 키메라 항원 수용체(chimeric antigen receptor, CAR) T 세포 치료를 받은 환자에서 발견되었다[45]. 해당 사례는 벡터(vector)로 사용된 렌티바이러스(lentivirus)로 인해 발생한 것으로 벡터에 HIV gag 서열의 일부 또는 전부가 담겨 있는 플라스미드(plasmid)가 포함되어 있기 때문이다.
수혈을 통한 HIV 전파는 지역에 따라 차이를 보이며, 미국에서는 약 160만-230만 단위의 혈액 중 약 한 건의 빈도로 발생하는 것으로 추정되고 있다[46]. 캐나다의 경우, 위험도가 상대적으로 낮아, 780만-1천만 단위의 혈액 중 약 한 건으로 나타난다[47].
국내에서는 수혈로 인한 HIV의 전파를 막기 위해 2005년 이후 모든 헌혈 혈액에 대해서 핵산증폭검사를 시행하고 있다. 초기에는 소규모 풀 핵산증폭검사(mini pool NAT)를 시행하였으나, 현재는 헌혈자 혈액 단위별 개별 핵산증폭검사(individual donation NAT)를 시행하고 있다[48]. 개별 검체 검사로의 전환으로 헌혈 혈액에 대한 선별검사 과정이 개선되었으며, 현재 수혈로 인해 HIV가 전파될 잔존 위험도(residual risk)는 수혈 혈액 단위 1백만건 당 0.30으로 산출된 바 있다[49].
HIV-1 약제 내성 검사
약제 내성 검사는 표현형 검사와 유전형 검사로 나눌 수 있다. 표현형 검사는 세포배양을 통해 HIV가 치료약제에 대한 감수성을 측정하는 실험적 방식으로 시행된다. HIV-1의 증식을 50% 억제하는 치료약제의 농도(50% inhibitory concentration, IC50)를 결정할 수 있다. 표현형 검사는 직접적인 내성의 지표를 제공할 수 있지만 검사의 과정이 복잡하고 비용이 많이 든다[50].
유전형 검사는 단백분해효소(protease), 역전사 효소(reverse transcriptase), 인테그라제(integrase) 부위와 같은 HIV 유전체의 핵심 부위에 대한 염기서열 분석을 통해, 약제 내성과 관련된 염기서열의 변이가 있는지 확인한다. 유전형 검사는 치료제를 사용하였지만 치료 효과가 충분하지 않은 경우에 특히 권장된다. 유전형검사는 표현형 검사에 비해 수행하기가 쉽고, 빠른 결과 확인이 가능하며, 비용이 비교적 적게 들기 때문에 더 많이 사용되고 있다[20,51].
HIV 분자진단 검사의 질(quality) 관리는 매우 중요하다. 지속적인 질 관리 및 향상을 위해 내부정도관리와 외부정도 관리 활동이 포함되며 제공되는 검사 결과의 정확도와 신뢰도를 유지하는 데 중요하다[52,53]. 품질 관리 활동은 적절한 검사 절차의 진행, 결과의 일관성 및 신뢰성 확보에 기여하며, 이는 HIV 감염의 효과적인 관리와 약제 내성 변이의 예방에 중요한 역할을 한다.
18개월 미만의 소아에서 HIV 감염 진단
성인을 대상으로 한 HIV 감염의 진단은 일차적으로 바이러스에 대한 항체를 검출하는 방법으로 이루어진다. 하지만 이러한 접근은 신생아인 경우에는 적용하기 어려운데, 이는 모체의 HIV 항체가 태아에게 전달되어 수 개월 동안(최대 12-18개월까지) 양성 결과를 보이기 때문이다. 따라서 신생아를 대상으로는 HIV RNA 검사 또는 프로바이러스 DNA 검사를 시행하는 것이 필요하다[11]. 만약 예방적 조치를 통해 치료를 받은 신생아인 경우, 실제로 감염이 되었더라도 HIV RNA가 검출되지 않을 수 있으므로, 출생 당시의 신생아 혈액으로는 핵산 검사를 시행하지 않는다. 18개월 미만의 저위험군 소아에서는 생후 2-3주, 1-2개월, 4-6개월 사이에 핵산증폭검사를 실시하여 어느 시기에든 양성 결과를 나타내면 즉시 확인을 위한 재검을 시행하고, 양성 결과가 반복해서 확인되면 HIV 감염을 진단할 수 있다. 고위험군에 속하는 소아는 출생 직후, 2-3주, 1-2개월, 예방적 치료가 끝난 뒤 2-6주, 4-6개월 뒤에 핵산증폭검사를 시행한다[43].
HIV 감염이 아님을 추정할 수 있는 상황은 다음과 같다. (1) 생후 2주 및 1개월 째에 시행한 핵산증폭검사 결과가 모두 음성인 경우, (2) 생후 8주 이후에 시행한 한 번의 핵산증폭검사 결과가 음성이거나, (3) 생후 6개월 이후 시행한 한 번의 항체검사에서 음성결과를 보일 때이다.
감염이 아니라고 확정적으로 판단할 수 있는 상황은 다음과 같다. (1) 1개월 및 4개월에 시행한 두 번의 핵산증폭검사 결과가 음성이거나, (2) 6개월 이후 두 번의 항체 검사 결과가 음성인 경우이다. 하지만 전문가의 권고사항에 따르면 핵산증폭검사 결과가 음성이라고 해도 18-24개월에 항체 검사를 시행하여 음성 여부를 재확인하는 것이 추천된다.
결론
HIV 감염을 진단하기 위해 현재 사용되는 검사는 항체검사(HIV-1/2 항원-항체 동시 검사, HIV-1/HIV-2 구분 검사, 웨스턴블롯), p24 항원 단독검사, 그리고 HIV RNA 핵산중폭검사(정성과 정량 검사)로 구분할 수 있다[11]. 이런 검사들은 널리 사용되며, 각각의 적응증에 대해 명확히 확립되어 있다. 이 검사들은 다음과 같은 용도로 사용된다. (1) 항체 검출을 통한 혈청학적 상태 확인, (2) p24 항원과 바이러스 농도 검사를 통한 최근 감염과 만성 감염을 구분, (3) 핵산증폭검사로 초기 신생아 감염 진단, (4) 바이러스 농도 추적모니터링을 통한 치료 효과 및 실패 여부 확인, 그리고 (5) 특정 항레트로바이러스 치료 실패 시 약제 내성 변이 확인이다[20].
첫 번째로 시행해야 하는 선별검사는 HIV-1/2 항원-항체 동시 검사이다. 모든 HIV 검사에는 위양성 가능성이 있으므로, 임상의는 양성으로 나온 모든 검사 결과에 대해 재검사 및 적절한 확진 검사를 고려해야 한다[11]. 선별검사 결과가 양성일 경우, 환자에게 이를 보고할 수 있는 시점은 웨스턴블롯을 이용한 확진 검사 결과가 확인된 후에만 가능하다. 핵산증폭검사와 p24 항원검사를 통해 HIV를 보다 신속하게 검출할 수 있게 되었다. 현장검사 역시 빠른 결과를 제공하는 데 중요한 역할을 한다. 분자진단 방법의 사용으로 진단 정확도가 향상되었으며, 진단민감도와 진단특이도 모두 증가하였다.
HIV 진단검사는 개인의 진단 및 치료뿐만 아니라 역학조사와 헌혈자 혈액 선별검사에도 중요한 역할을 한다. HIV 감염의 진단검사에 대한 포괄적인 이해와 활용은 HIV 및 AIDS 분야에서 환자의 예후와 공중보건의 향상을 위한 중요하다.
Notes
Conflict of Interest
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
References
Peer Reviewers’ Commentary
이 논문은 국내에서 감염 건수가 계속 증가하고 있는 HIV 감염과 AIDS를 진단하기 위해 사용되는 검사법에 대해서 최신 문헌을 정리하여 설명하고 있다. 최근 HIV 감염 질환의 현황과 이에 대한 대처방안으로, 보다 정확한 진단법에 대한 여러 가지 노력을 담고 있다. 이 논문에서는 HIV-1 검사들의 검출 시기, 항원 또는 항체 검사(항체 또는 항원-항체 복합 선별검사, p24 항원 검사, HIV 현장검사, HIV-1 웨스턴블롯 검사), 분자진단검사(HIV RNA 정성 검사, HIV RNA 정량검사, HIV 약제내성검사)를 각각 소단락으로 나누어 기술하였고, 소아에서의 HIV 진단법에 대해서도 기술하고 있다. 이 논문은 HIV 감염인과 AIDS 환자를 진료하는 임상 현장에서 실제로 사용되는 다양한 검사법에 대한 종합적인 정보를 제공하고 있어, HIV 감염에 대한 효과적인 대응을 하는 데 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
[정리: 편집위원회]