액체생검에서 PCR은 무엇을 찾을까? cfDNA·ctDNA와 디지털 PCR의 역할

혈액에는 정상 세포뿐 아니라 종양에서 유래한 작은 DNA 조각도 존재할 수 있습니다. 액체생검은 이러한 분자 정보를 체액에서 찾아내는 검사 접근법입니다. 그중 PCR과 디지털 PCR이 어떤 역할을 담당하는지 살펴보겠습니다.

혈액 한 방울에도 DNA 조각이 존재한다

액체생검(Liquid Biopsy)은 혈액이나 소변 등 체액에 존재하는 암세포 또는 종양에서 유래한 DNA, RNA와 같은 분자를 분석하는 검사 접근법입니다.

조직을 직접 채취하는 tissue biopsy와 달리 혈액 등의 검체를 이용할 수 있다는 것이 큰 특징입니다.

미국 국립암연구소(NCI) 역시 liquid biopsy를 혈액, 소변 또는 다른 체액에서 암세포나 종양에서 방출된 DNA·RNA 등의 분자를 찾는 검사로 설명하고 있습니다.

액체생검이 관심을 받는 이유는 한 번의 검체 채취에 그치지 않고 필요에 따라 반복적으로 검체를 얻어 분자적 변화를 관찰할 가능성이 있기 때문입니다.

하지만 액체생검 = 혈액검사 하나로 암을 확진하는 기술이라고 이해해서는 안 됩니다.

검사 목적과 암 종류, 분석 대상, 사용 기술에 따라 활용 범위와 임상적 의미가 다릅니다.

cfDNA와 ctDNA는 같은 물질일까?

액체생검을 공부하면 가장 자주 등장하는 용어가 cfDNA와 ctDNA입니다.

cfDNA(cell-free DNA)​는 세포 안에 들어 있지 않고 혈장 등의 체액을 돌아다니는 DNA 조각을 의미합니다.

이러한 DNA가 모두 암세포에서 나온 것은 아닙니다.

정상적인 세포에서도 세포 사멸과 여러 생리적 과정을 거치면서 DNA 조각이 혈액으로 방출될 수 있습니다.

반면 ctDNA(circulating tumor DNA)​는 종양세포에서 유래하여 혈액 속으로 방출된 DNA 조각을 의미합니다.

따라서 관계를 간단히 표현하면 다음과 같습니다.

혈액 속 cfDNA
└ 정상 조직 등에서 유래한 cfDNA
└ 종양에서 유래한 ctDNA

즉, ctDNA는 넓은 의미의 cfDNA 집단 안에 포함되는 종양 유래 DNA라고 이해하면 쉽습니다.

NCI도 ctDNA를 종양세포에서 방출되어 혈액을 순환하는 작은 DNA 조각으로 설명하고 있으며, 특정 유전자 변이를 확인하거나 치료 선택 및 치료 반응 등을 평가하는 바이오마커로 활용될 수 있다고 안내합니다.

액체생검에서는 DNA의 양보다 ‘종양 DNA의 비율’이 어렵다

혈액에서 cfDNA를 추출했다고 해서 곧바로 원하는 암 관련 변이를 쉽게 찾을 수 있는 것은 아닙니다.

가장 큰 이유 중 하나는 ctDNA가 전체 cfDNA 가운데 매우 작은 비율로 존재할 수 있기 때문입니다.

예를 들어 혈액 속 DNA 대부분이 정상 세포에서 나온 cfDNA이고, 그중 극히 일부만 종양에서 유래했다고 생각해 볼 수 있습니다.

이 상태에서 특정 돌연변이를 찾는 일은 수많은 정상 DNA 가운데 드물게 존재하는 변이 서열을 구별하는 문제와 비슷합니다.

그래서 액체생검에서는 단순히 DNA가 있는지를 확인하는 것보다 다음과 같은 질문이 중요해집니다.

• 특정 돌연변이가 존재하는가?
• 정상 서열 사이에서 변이 서열은 얼마나 존재하는가?
• 치료 이후 특정 변이 신호가 어떻게 변화하는가?
• 검체에서 분석 가능한 핵산이 충분히 확보됐는가?

PCR 기반 기술이 액체생검 연구와 검사에 활용되는 이유도 이러한 낮은 농도의 표적 핵산을 선택적으로 분석할 수 있기 때문입니다.

일반 PCR보다 qPCR이 더 많은 정보를 주는 이유

전통적인 endpoint PCR에서는 특정 DNA 영역을 증폭한 뒤 최종적으로 생성된 산물을 확인합니다.

하지만 액체생검에서는 단순히 DNA가 증폭됐다는 정보보다 표적이 얼마나 존재하는지가 중요할 수 있습니다.

이때 활용할 수 있는 기술이 real-time PCR(qPCR)​입니다.

qPCR은 DNA 증폭 과정에서 형광신호를 지속적으로 측정합니다.

표적 특이적인 primer와 probe를 설계하면 특정 유전자 서열이나 변이를 선택적으로 분석하는 assay를 만들 수 있습니다.

다만 희귀 변이의 농도가 매우 낮아지면 일반적인 qPCR만으로 정상 서열과 소량의 변이 서열을 명확하게 구별하는 것이 어려워질 수 있습니다.

이 문제에서 특히 관심을 받아온 기술이 digital PCR입니다.

디지털 PCR은 왜 액체생검과 잘 맞을까?

Digital PCR(dPCR)의 핵심은 하나의 PCR 반응액을 그대로 측정하지 않는다는 것입니다.

시료를 수많은 작은 partition으로 나눈 뒤 각각에서 PCR을 수행합니다.

Droplet digital PCR(ddPCR)의 경우 시료를 많은 미세 액적으로 분리합니다.

반응이 끝난 뒤 각각의 partition을 확인하면 표적이 검출된 positive partition과 검출되지 않은 negative partition을 구별할 수 있습니다.

이러한 결과와 통계적 분석을 이용하여 표적 핵산의 농도를 추정합니다.

액체생검 관점에서 보면 중요한 장점이 하나 더 있습니다.

전체 cfDNA 중에서 특정 돌연변이를 가진 DNA가 매우 적더라도 많은 partition으로 나눠 분석하면 희귀한 mutant molecule을 정상 DNA와 물리적으로 분산시켜 검출할 가능성을 높일 수 있습니다.

정상 DNA와 돌연변이 DNA를 어떻게 구별할까?

Digital PCR을 이용한다고 해서 모든 암 관련 변이를 자동으로 찾는 것은 아닙니다.

먼저 어떤 변이를 찾을 것인지 알아야 합니다.

예를 들어 특정 유전자의 한 위치에서 정상형(wild type)과 돌연변이형(mutant)을 구분한다고 가정할 수 있습니다.

연구자는 각각을 구별할 수 있는 primer 또는 probe system을 설계합니다.

그 결과 partition을 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

Partition 결과	해석 예
신호 없음	표적 미검출
Wild-type 신호	정상형 DNA 검출
Mutant 신호	변이 DNA 검출
두 신호 모두	두 표적이 함께 존재할 가능성

이런 식으로 많은 partition의 신호를 분석하면 전체 표적 DNA 가운데 mutant allele이 차지하는 비율을 평가할 수 있습니다.

따라서 dPCR의 핵심은 단순한 DNA 증폭보다 희귀한 핵산 분자를 여러 작은 반응 공간에서 구별하여 세는 접근법에 있습니다.

dPCR이 모든 변이를 한 번에 찾아주는 기술은 아니다

Digital PCR의 장점을 보면 액체생검에서 가장 좋은 방법처럼 보일 수 있습니다.

하지만 명확한 한계도 있습니다.

dPCR은 일반적으로 이미 알고 있는 특정 표적이나 변이를 매우 정밀하게 추적하는 경우에 강점을 가질 수 있습니다.

반대로 어떤 유전자에 어떤 변이가 있는지 전혀 모르는 상태에서 수많은 유전자를 넓게 탐색하려면 다른 접근법이 필요합니다.

대표적인 것이 NGS(Next-Generation Sequencing)입니다.

두 기술은 경쟁 관계라기보다 목적이 다릅니다.

분석 목적	활용 가능한 접근
알려진 특정 변이 확인	qPCR, dPCR 등
특정 변이의 낮은 농도 추적	dPCR 등
여러 유전자 동시 분석	NGS panel 등
새로운 변이 탐색	Sequencing 기반 분석
반복적인 특정 표적 모니터링	목적에 따라 PCR 기반 분석 가능

따라서 액체생검에서는 PCR이 좋은가, NGS가 좋은가보다 어떤 분자 정보를 얻고 싶은가를 먼저 결정하는 것이 중요합니다.

혈액 속 RNA도 액체생검의 분석 대상이 될 수 있다

액체생검에서 연구되는 것은 DNA만이 아닙니다.

혈액 등의 체액에는 다양한 형태의 RNA도 존재할 수 있습니다.

대표적으로 연구되는 대상에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• microRNA
• messenger RNA
• circular RNA
• extracellular vesicle 또는 exosome과 관련된 RNA

RNA는 분해되기 쉬운 분자이기 때문에 안정성과 검체 처리 조건이 중요한 문제가 됩니다.

이와 관련해 관심을 받은 분자 가운데 하나가 circular RNA(circRNA)​입니다.

circRNA가 액체생검 바이오마커로 연구되는 이유

일반적인 linear RNA에는 5′ 말단과 3′ 말단이 존재합니다.

반면 circRNA는 이름 그대로 공유결합에 의해 닫힌 원형 구조를 갖습니다.

이러한 구조 때문에 일부 exonuclease에 대해 linear RNA보다 상대적으로 안정성을 나타낼 수 있습니다.

또 특정 암에서 circRNA expression pattern이 달라질 가능성이 보고되면서 혈액이나 extracellular vesicle에서 검출되는 circRNA를 바이오마커로 활용하려는 연구가 이어지고 있습니다.

특히 비소세포폐암(NSCLC)을 포함한 여러 암에서 circRNA의 liquid biopsy 가능성을 조사한 연구와 리뷰들이 발표돼 있습니다.

다만 특정 circRNA가 연구에서 암 환자와 대조군을 구별했다는 사실만으로 곧바로 임상진단 바이오마커가 되는 것은 아닙니다.

독립적인 환자집단의 검증, 검체 처리 표준화, assay 재현성과 임상적 유용성 평가가 필요합니다.

circRNA는 일반 PCR로 그대로 증폭할까?

RNA이기 때문에 DNA polymerase 기반 PCR로 곧바로 증폭할 수는 없습니다.

먼저 reverse transcription을 통해 RNA 정보를 cDNA로 변환하는 과정이 필요합니다.

circRNA를 분석할 때는 원형 구조에서 만들어지는 독특한 back-splice junction을 이용해 linear RNA와 구별하는 primer 또는 probe를 설계할 수 있습니다.

이렇게 생성된 cDNA는 qPCR이나 digital PCR 등의 방법으로 분석할 수 있습니다.

즉,

체액 채취 → RNA 분리 → Reverse transcription → circRNA 특이적 서열 인식 → PCR/dPCR 검출

과 같은 분석 구조를 설계할 수 있습니다.

이 과정에서 PCR은 circRNA 자체를 원형 상태로 증폭하는 것이 아니라 circRNA에서 유래한 cDNA의 특징적인 서열을 검출하는 역할을 합니다.

액체생검은 조직검사를 대체하는 기술일까?

액체생검의 장점을 설명하면서 조직검사를 대체할 기술이라고 표현하는 경우가 있습니다.

하지만 현재의 임상적 활용을 이렇게 단순하게 보는 것은 적절하지 않습니다.

조직검사를 통해서는 종양의 형태와 조직학적 특징, 단백질 발현과 주변 조직 구조 등 액체생검만으로 얻기 어려운 중요한 정보를 확인할 수 있습니다.

반면 액체생검은 혈액 등의 체액에서 종양 관련 분자정보를 확인할 수 있고 반복적인 채취가 상대적으로 용이하다는 특징이 있습니다.

따라서 두 방법은 역할이 다릅니다.

어떤 상황에서는 액체생검이 치료와 관련된 특정 유전자 변이를 확인하는 데 이용될 수 있고, 다른 상황에서는 조직검사가 여전히 필요할 수 있습니다.

액체생검은 이미 실제 임상에서도 사용되고 있다

액체생검을 아직 연구실에서만 사용하는 미래기술이라고 보는 것도 맞지 않습니다.

미국 FDA는 혈장 circulating cell-free DNA를 분석하는 여러 검사에 특정 용도의 승인을 내렸습니다.

대표적으로 FoundationOne Liquid CDx는 cfDNA에서 여러 유전자 변이를 분석하는 검사이며, 특정 암 환자의 FDA 승인 치료제 선택을 돕는 동반진단 용도로 승인 범위가 확대돼 왔습니다.

Guardant360 CDx 역시 혈액의 cfDNA에서 특정 유전자 변이를 검출하여 일부 암에서 치료제 선택을 돕는 목적으로 FDA 승인된 검사입니다.

2026년 FDA 동반진단 목록에도 혈장을 사용하는 Guardant360 Liquid CDx를 비롯한 액체생검 기반 검사가 포함돼 있습니다.

따라서 액체생검의 현재 위치를 정확히 표현한다면 일부 용도는 이미 임상에 적용되고 있으며, 동시에 조기암 검출이나 MRD 등 여러 분야에서 새로운 활용 가능성을 계속 검증하고 있는 기술군​이라고 보는 것이 적절합니다.

그렇다면 PCR 기반 액체생검의 강점은 무엇일까?

액체생검의 어려움은 검체를 얻는 데만 있는 것이 아닙니다.

체액 속에 존재하는 매우 작은 양의 종양 관련 핵산에서 원하는 정보를 정확하게 분리해내는 것이 더 큰 문제일 수 있습니다.

PCR 기반 방법은 이미 알고 있는 특정 변이를 선택적으로 증폭하고 분석하는 데 활용할 수 있습니다.

Digital PCR은 시료를 수많은 작은 반응계로 나누어 희귀 표적을 분석한다는 독특한 접근법을 제공합니다.

반면 NGS는 많은 유전자와 변이를 동시에 탐색할 수 있다는 다른 장점을 갖습니다.

결국 액체생검에서 중요한 것은 특정 기술 하나가 모든 문제를 해결하는 것이 아닙니다.

검체 → 바이오마커 선택 → 핵산 추출 → 표적 증폭 또는 sequencing → 신호 분석 → 임상적 해석

이라는 여러 단계가 함께 작동해야 합니다.

PCR과 digital PCR은 이 과정 가운데 특히 미량의 알려진 핵산 표적을 선택적으로 확인하고 측정하는 도구로 중요한 역할을 할 수 있습니다.

※ 본문은 액체생검과 PCR 기반 핵산 분석 기술을 이해하기 위한 교육 목적의 콘텐츠입니다. 특정 암의 조기진단 가능성이나 검사 결과를 판단하는 의료 조언을 제공하지 않습니다.