PHWR 질병관리청 공식학술지
주간 건강과 질병(Public Health Weekly Report)

필로바이러스(Filovirus)의 Filo (thread like)는 바이러스의 형태가 실과 같다는 라틴어인 filum에서 유래된 말로, 여섯 종류의 바이러스 속이 포함된 패밀리(필로비리데과, Filoviridae)의 음성단일가닥(negative-strand) RNA 바이러스이다. 최초 1976년 콩고민주공화국(DR콩고) 에볼라강에서 발생하여 최근 중앙아프리카에서 발생한 사례까지 여러 차례 유행되어 많은 사람을 감염시킨 에볼라바이러스(Ebolavirus)와 마버그바이러스(Marburgvirus)가 가장 대표적이라고 할 수 있다[1]. 그 외에도 필로바이러스에는 사람에서는 감염이 보고되어 있지 않으나 박쥐에서 확인된 쿠에바바이러스(Cuevavirus), 디안로바이러스(Dianlovirus)와 어류에서 확인된 스트리아바이러스(Striavirus), 탐노바이러스(Thamnovirus)가 있다[2]. 필로바이러스는 인간을 비롯하여 여러 동물에서 고열을 동반하는 심각한 출혈을 일으킬 수 있고 전염성이 매우 강한 위험한 병원체이다. 주요 발생 지역으로는 사하라 사막 이남으로 아프리카의 풍토병으로 자리잡을 만큼 지난 수십 년 동안 이 지역에서 지속적으로 발생하였으며(그림 1), 대부분이 에볼라와 마버그바이러스에 속하는 종들이었다. 특히 에볼라바이러스의 경우에는 2014년부터 2016년까지 서아프리카에서 28,000건 발병하여 11,000여 명이 사망하였고 2018년부터 2020년에는 DR콩고에서 2,200여 명이 사망한 것으로 보고되었으며, 최근 2021년부터 현재까지 216건이 발생하여 8명이 사망한 것으로 보고되었다[1,3].

Figure 1. 에볼라 및 마버그바이러스 대유행 또는 발생 지역
EBOV=Ebolavirus; TAFV=Tai forest ebolavirus; MARV=Marburgvirus; SUDV= Sudan ebolavirus; BDBV=Bundibugyo ebolavirus. Reused from 미국 질병통제예방센터 (https://www.cdc.gov/vhf/ebola/history/chronology.html) [1].

필로바이러스 감염을 의심할 수 있는 열, 두통, 근육통 및 쇠약 등은 다른 감염병에서도 나타나는 일반적인 임상 증상으로 해당 질병을 특정할 수가 없다. 특히 다른 출혈열 바이러스 또는 말라리아의 초기 증상이 비슷하여 구분이 어렵기 때문에 정확한 진단이 어렵다. 따라서 정확하고 신속한 진단 검사법을 사용하는 것이 효과적인 환자 관리와 방역활동 및 확산 방지에 중요한 요소이지만, 아프리카 사막이나 밀림과 같은 낙후된 지역에서는 실험 장비와 실험실 시설이 부족하여 정확한 진단이 어려운 것이 현실이다. 그러나 아프리카 지역은 필로바이러스 환자가 발생하는 지역이므로 정확한 진단이 매우 중요하다[3].

필로바이러스 감염에 대한 정확하고 신뢰할 수 있는 확인검사의 개발은 지속적인 과제이다. 의사 환자의 검체에서 RNA를 검출하는 real-time reverse transcription PCR (real-time RT-PCR)과 같은 유전자 검출검사 방식은 특이도와 민감도가 높으나 전문적인 시설과 장비 및 훈련받은 인력이 필요하여 진입장벽이 높아 loop-mediated isothermal amplification (LAMP)이 현장확인검사법(point-of-case test)으로 개발이 되었으나, 프라이머 디자인과 실험 최적화가 어렵다는 단점이 있다[4]. 또한 항원 검출 분석 및 항체 기반 확인검사법은 낮은 민감도와 특이도, 다른 병원체와의 교차 반응성 등의 한계가 있다[5].

최근 몇 년 동안 새로운 현장확인검사법의 개발을 포함하여 필로바이러스에 대한 진단검사 기술이 크게 발전했으나, 진단 검사법의 선택은 인구의 특성 및 생물안전 시설의 등급 또는 방역 인프라와 의료 환경, 지역 실험실의 규모 등을 포함하여 종합적으로 판단하였을 때 해당 지역의 실정에 적합하고 효과적으로 사용할 수 있는 확인검사법을 선택하여야 한다. 이에 다양한 확인검사법의 장점과 한계점을 모두 이해하는 것이 중요하다[6]. 이 글에서는 필로바이러스의 특성 및 확인검사법을 소개하고 각각의 장점 및 한계점에 대해 기술하였다.

1. 개요

필로바이러스는 그 이름처럼 긴 필라멘트형태가 일반적이며, U자형, 6자형 또는 원형으로도 존재하며, 바이러스의 길이는 대략 860–1,200 nm이다. 필로바이러스에 속하는 바이러스들의 유전자염기서열에 따른 근연관계 계통도를 살펴봤을 때 속(genus) 간의 차이는 55–58%로, 속 내의 종 간의 차이는 23–36% 정도로 나타난다(그림 2) [3].

Figure 2. 필로바이러스의 계통학적 근연관계
필로바이러스에 속하는 바이러스들의 전장유전자염기서열을 이용하여 계통분석한 결과로, 염기서열은 Clustal-Omega 1.2.1. 버전을 이용하여 정렬하였으며, phylogenetic tree는 fast tree 2.1에서 생성되었다. Reused from 국제 바이러스 분류 위원회(https://ictv.global/report/chapter/filoviridae/filoviridae) [2].

에볼라바이러스의 유전자의 길이는 약 19 kb이고 핵단백질(NP), 당단백질(GP), 중합효소(L), 매트릭스단백질 암호화(VP24), 복제-전사 단백질(VP30), 중합효소보조인자(VP35), 매트릭스 단백질(VP40) 총 7가지 단백질을 암호화하는 단일가닥 RNA를 포함하며, 3'-NP-VP35-VP40-GP-VP30-VP24-L-5'순서로 이루어져 있고, 마버그바이러스도 에볼라바이러스의 유전자의 유사한 구조적 특성을 가지고 있다(그림 3) [7].

Figure 3. 필로바이러스의 구조 및 유전자 구성
GP=glycoprotein; L=large protein; NP=nucleoprotein; VP24=minor matrix protein; VP30=replication-transcription protein; VP35=polymerase cofactor; VP40=matrix protein. Reused from 국제 바이러스 분류 위원회(https://ictv.global/report/chapter/filoviridae/filoviridae) [2].

일반적인 실험실 환경에서 사용할 수 있는 바이러스 감염 또는 질병을 탐지하는 여러 가지 방법이 개발되었다[8]. 개발된 방법은 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있는데, ① RNA의 특정 서열을 증폭하여 검출하는 유전자검출검사, ② 바이러스를 직접 배양하여 확인하거나, 특정 바이러스 항원을 확인하도록 개발된 항원검사, ③ 바이러스의 감염에 의한 면역반응으로 숙주에서 바이러스에 대한 항체의 생성을 검출하는 혈청학적 검사로 나뉜다.

특정 항바이러스 항체는 감염 회복 후에도 몇 년 동안 지속될 수 있으나, 항체 형성 시기는 병원체에 감염되고 증상이 나타난 이후에도 일정 기간이 지나야 하므로 감염 후 초기 혹은 급성기에는 진단검사법으로 적합하지 않을 수 있다. 반면, 필로바이러스의 감염에 있어 항원 검출 및 유전자증폭검출검사는 감염의 증상이 있는 경우 혈액 중에 바이러스 수치가 일정 수준이상 존재하기 때문에 이 시기의 진단에 매우 효과적일 수 있다[9].

2. 필로바이러스 확인검사법의 종류

필로바이러스 확인검사법에는 바이러스 유전자검출, 바이러스 분리배양을 포함한 항원 검출 분석 및 혈청학적 분석이 있다(표 1).

표 1필로바이러스 확인검사법의 장단점

검사법	장점	단점
유전자증폭검출검사
Conventional RT-PCR	• 높은 민감도 및 특이도	• 프로세스가 복잡하며, 전문인력 및 고가의 시설과 장비 필요
Real-time RT-PCR	• 높은 민감도 및 특이도	• 프로세스가 복잡하며, 전문인력 및 고가의 시설과 장비 필요
	• Conventional RT-PCR에 비교하여 빠른 검사시간
LAMP PCR	• 제한된 환경에서 간편하고 신속한 검사가 가능함	• 복잡한 프라이머 설계 및 최적화 실험조건 확립 필요
		• 발색으로 양성 확인하는 경우 진단의 객관성이 떨어질 수 있음
바이러스 분리(세포배양)	• 가장 정확한 방법	• 세포에 따라 민감도가 낮을 수 있음
		• 높은 생물안전 등급 요구
항원검출검사
LFIs	• 제한된 환경에서 간편하고 신속한 검사가 가능함	• 낮은 민감도 및 특이도
ELISA	• 많은 양의 검체 동시처리 가능	• 높은 생물안전 등급 요구
		• 낮은 민감도 및 특이도
혈청학적검사
IFAT	-	• 높은 생물안전 등급 요구
		• 낮은 민감도 및 특이도
ELISA	• 많은 양의 검체 동시처리 가능	• 감염 초기 환자에게 적합하지 않음
	• 불활화 항원 및 재조합 항원 이용 시 BL2에서 실험 가능함

RT-PCR=reverse transcription PCR; LAMP=loop-mediated isothermal amplification; LFIs=lateral flow immunoassays; ELISA=enzyme-linked immunosorbent assay; IFAT=indirect fluorescent antibody detection test; -=not available..

유전자검출검사 방법은 Conventional RT-PCR, Real-time RT-PCR, LAMP 방법이 있다. Conventional RT-PCR은 L, GP, NP 등의 유전자를 증폭한 후 전기영동을 통하여 유전자증폭산물(amplicon)을 검출함으로써 진단하는 방법으로 항원 및 항체 검출보다 민감도가 높은 것으로 알려져 있다[10]. 이러한 검사법은 검체를 간단한 화학물질을 이용해 불활성화하며 불활성화 이후 단계는 생물안전 2등급 실험실에서 RNA 추출을 수행하고 이후 확인검사가 가능하다. 또한 혈액이나 혈청 이외에 타액 및 정액과 같은 체액에서의 바이러스 검출에서도 우수한 성능을 보였다. 채액 검사는 질병의 진단과 예후를 결정하는 데 필수적이며[11], 실제로 감염 이후 몇 주가 지난 회복기 환자의 여러 가지 체액에서 에볼라바이러스의 NP유전자 RNA가 지속적으로 검출되었다[12].

Real-time RT-PCR은 필로바이러스의 검출을 위해 설계된 프라이머와 형광 프로브를 사용하여 실시간으로 유전자증폭산물의 형광을 측정하여 진단하는 방법이다. 에볼라바이러스의 real-time PCR은 2000년대 초반에 개발되었고[12], 기존에 사용하던 conventional RT-PCR과 비교하여 보면 real-time RT-PCR의 유전자증폭산물 검출은 더 높은 민감도와 특이도를 제공하였고, 일반적으로 바이러스 불활화에서 RNA 추출, 검사 결과까지 2–3시간 정도 소요되는 더 빠른 진단시간을 제공하였다. Real-time RT-PCR은 이러한 장점이 있는 반면에 전문적인 인력 및 고가의 장비가 필요하다는 단점이 있고, 집단 발병이 이루어지고 있는 아프리카 등 낙후된 지역에서는 실험실 환경이 열악하여 필로바이러스 발생 현장에서는 이용하기 어렵다는 단점이 존재한다[6].

LAMP는 일정한 온도에서 유전자를 증폭하는 기술로써, 간단한 장비 및 시약을 이용하여 형광 및 발색을 함으로써 바이러스 유전자의 존재를 확인하는 확인검사법이다. 이러한 검사법은 제한된 환경조건을 가진 현장 진단에 유리할 수 있는 반면에, LAMP PCR을 위한 프라이머 설계는 RNA 주형(template)의 여러 영역을 대상으로 해야하며, 특이성과 효율성을 보장하기 위해 많은 최적화 실험이 필요하기 때문에 real-time RT-PCR을 위한 프라이머의 설계보다 어렵다. 또 진단 결과를 형광 및 발색으로 판단하기 때문에 객관적인 판단이 어렵다는 단점이 있다[13].

에볼라바이러스의 존재를 확인하는 가장 전통적인 방법으로 Vero E6 세포에 바이러스를 감염시켜 바이러스를 분리하는 것이다. 분리된 바이러스는 전자현미경으로 직접 관찰하거나 면역형광염색법으로 간접관찰이 가능하다. 이러한 방법은 바이러스의 세포병변효과(cytopathic effect)로 바이러스의 존재를 확실하게 확인할 수 있지만 세포에 따른 민감도가 낮아 바이러스 분리가 어려울 수 있고, 고위험병원체로써 이 방법을 사용하기 위해서는 생물안전 4등급 시설이 필요하다[14].

항원검사법은 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), lateral flow immunoassays (LFIs) 두 가지 방법이 있다. 혈액 안에 존재하는 바이러스 항원의 검출법은 일반적으로 발병 수일 이내에 검출 가능한 수준으로 항원이 많아지기 때문에 증상이 있는 환자의 진단에 적합하다.

ELISA 방식은 plate에서 항원을 직접 검출하는 방법으로 일부 국가에서 사용하였으나[13], 현재 real-time RT-PCR 기술이 항원 검출 ELISA를 대체하였기 때문에 임상에서 거의 사용되지 않는다. 최근에는 필로바이러스의 진단을 위한 LFIs가 개발되었고, 현장에서 사용할 수 있는 신속항원검출방법으로써 주로 활용되고 있다. 이는 자원과 시설이 부족한 현장에서 전기 공급이 필요 없고, 사용 방법이 간편하며, 신속하게 검사가 가능하여 빠른 진단을 위한 도구로 사용하기 적합하다[6]. 자원이 부족한 환경에서 HIV 또는 말라리아와 같이 다른 전염병을 진단하는데 성공적으로 사용이 되었으며, 현재 3종류의 에볼라바이러스 신속항원검출검사 키트(rapid diagnostic test kit)가 World Health Organization 및 Food and Drug Administration의 긴급승인을 받았다.

혈청학적 검사는 indirect fluorescent antibody detection test (IFAT), ELISA가 있으나, 에볼라바이러스의 감염에 의한 면역글로불린(immunoglobulin, Ig) M 생성은 환자에 있어 증상 시작 후 2일에서 11일 사이에 나타나며, IgG는 감염 환자가 생존 시 감염 2주 후부터 나타난다고 보고되어 있다. 이에 항체 검사법은 확인검사에 사용되기 보다는 후향적 평가 및 면역도 조사 등의 연구에 사용하는 것이 적합한 것으로 알려져 있다[6].

IFAT는 환자 혈청에서 바이러스에 대한 특이 항체를 검출하는 방법으로 사용되었다[15]. 이전에는 출혈열 바이러스에 대한 임상 진단을 하는데 중요한 역할을 하는 검사법이었지만, 민감도 및 특이도가 낮고 바이러스를 사용해야 하기 때문에 생물안전 4등급에서 이루어져야 하며, 대규모 진단에 적합하지 않아 최근에는 확인검사법으로 사용하고 있지 않다[16]. 이에 ELISA의 개발이 이루어졌으며, 이는 IFAT보다 더 빠르며 더 많은 양의 검체를 동시에 검사할 수 있다. 또한 ELISA 항체 검출용 항원으로 사용되는 바이러스에 감마선 조사를 포함한 불활화를 하거나, 대표적인 항원을 재조합하여 사용하게 되면 생물안전 2등급 실험실에서의 확인검사가 가능하다.

필로바이러스 확인검사는 상황과 여건에 따라 적절하게 선택하여 검사를 진행할 수 있다. 필로바이러스의 실험실 확인검사는 핵산 검출분석 중 특히 유전자증폭검출검사의 하나인 real-time RT-PCR이 높은 민감도와 특이도 때문에 gold-standard 검사법으로 사용되고 있다. 그러나 해당 검사법은 고가의 시설과 장비, 훈련된 전문인력 등 자원과 환경에 있어 최근 재유행이 이루어지는 서아프리카지역과 같이 실험실 확보가 안된 지역의 경우 사용하는 것이 어려울 수 있다. 한편 LFIs 및 LAMP와 같은 현장확인검사법은 간단하여 시설과 자원이 제한된 환경에서 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 현장확인검사법은 민감도와 특이도가 낮아 이를 개선할 필요가 있으며, 현장 등 다양한 환경에서 사용할 수 있는 정확도가 높은 신규 확인검사법을 개발하기 위한 지속적인 연구가 필요하다. 특히 필로바이러스의 발생을 신속하고 정확하게 감지하고 제어하기 위해 시설과 인력 및 자원이 제한된 지역에서도 적용이 가능한 진단도구 및 검사시설에 대한 연구개발이 필요하다.

Acknowledgments: None.

Ethics Statement: Not applicable.

Funding Source: None.

Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.

Author Contributions: Conceptulization: HS. Data curation: HS, MMC, HY. Formal analysis: HS. Resources: MMC, HY. Writing – original draft: HS. Writing – review & editing: HY, YSC.