김기훈*, 윤지현 | 한국과학기술연구원 도핑콘트롤센터 책임연구원, kihun.kim@kist.re.kr
서 론
최근 대한민국 사회에서 큰 문제로 대두되고 있는 마약 류의 오남용은 개인의 건강을 침해할 뿐만 아니라, 이에 따르는 의료 및 복지비용, 생산성 손실, 형사사법 비용, 주변 고통 비용 등 총 4조원 이상의 사회적 손실을 야기하는 심각한 문제로 자리잡았다.[참고문헌 1] 이에, 사회 전반에서 마약으로부터 안전한 사회를 만들기 위해 다양한 노력을 기울이고 있으며, 여기에는 첨단의 마약 분석 기술 또한 포함되어 있다. 마약류 분석 기술의 발전을 위해서는 기존의 마약 분석을 지속적으로 수행하고 있는 다양한 분야의 분석법을 탐색하고, 각각의 장단점을 파악하여 최선의 분석 방법을 도출하는 과정이 무엇보다 중요하다 할 수 있다. 따라서, 본지에서 는 운동선수의 소변 시료를 분석하여 마약을 포함한 다양한 약물의 존재를 검출하는 반도핑(anti-doping) 분야에 대해 알아보고, 반도핑 분석과 타분야에서의 마약류 분석법의 유사점 및 차이점을 살펴본 뒤, 이를 통해 얻을 수 있는 시사점을 논하고자 한다.
본 론
1. 도핑 및 반도핑 활동의 역사
스포츠 도핑의 역사는 거슬러 올라가면 고대 그리스의 올림픽으로부터 기원을 찾을 수 있을 정도로 오래되었다. 당시 이미 향정신성 약물 성분이 포함된 식품을 복용한 기록이 남아있으며, 19세기에 들어 유럽에서 스포츠 활동이 활발해지면서 원기 회복을 목적으로 하는 아프리카 전통 음료인 도프(dope)를 어원으로 하는 도핑(doping)이란 용어가 사용되기 시작하였다.[참고문헌 2] 1960년대에는 이러한 도핑이 만연하게 되자 여러 종목의 국제경기연맹에서 도핑 행위를 금지하게 되었고, 결정적으로 1960년 로마 올림픽에서 사이클 선수가 흥분제인 암페타민의 과다 복용으로 인해 경기 중 사망하는 사건이 발생하면서 국제올림픽위 원회(IOC)에서는 1968년부터 과학적인 도핑 검사를 도입하였다. 이후, 국제적인 표준 제정과 관리를 위해 1999년 세계반도핑기구(World Anti-Doping Agency)가 설립되어 현재에 이르고 있다.
반도핑 활동은 세계반도핑기구, 검사주체(testing au-thority), 시험실로 구성된 세 종류의 기구에서 수행하고 있다. 앞서 언급한 세계반도핑기구는 금지약물의 목록과 각종 규정을 제정하며, 각 시험실의 관리를 수행하고 있다. 검사 주체는 시료 채취와 분석 결과를 관리하며, 시험실은 채취된 시료의 분석을 수행한다. 세계적으로 시험실은 30여 개가 분석을 수행중에 있으며, 대부분 선진국에 집중되어 있기 때문에, 도핑 시험실의 보유 및 유지만으로도 국가 과학기술의 경쟁력을 가늠할 수 있다. 그 중, 대 한민국의 반도핑 분석 역사는 타 선진국에 뒤지지 않는 깊은 역사를 지니고 있다. 1984년에 한국과학기술연구원(KIST) 내 도핑콘트롤센터가 설립되어 1986년 서울아시안게임 및 1988년 서울올림픽게임의 도핑 검사를 성공적으로 수행하였으며, 당시 100 m 세계 신기록 보유자인 벤존슨 선수의 소변에서 동화 스테로이드인 스타노졸롤 (stanozolol)을 검출하여 메달을 박탈하여 반도핑 분석의 중요성과 기술력을 과시하였다. 이후 다양한 국제 경기들을 성공적으로 수행하였고, 최근에는 2018년 평창동계올림픽에서도 혼성 컬링 동메달리스트 선수에게서 강심제의 일종인 멜도니움(meldonium)을 검출하여 메달을 박탈한 사례가 있다.
2. 스포츠 도핑에서의 마약류 규제 현황
앞선 예에서 보듯, 반도핑 분석에서 금지하고 있는 약물은 다양한 종류가 있다. 이들 금지약물은 세계반도핑기구가 제정한 금지약물목록(prohibited list)에 나타나 있으며, 약물의 효능이나 구조에 따라 10종의 분류가 존재하고, 마약류는 S7(narcotics), S8(cannibinoids) 분류에 해당한다. 각 분류의 세부 약물들은 [표 1]에 나타낸 바와 같다.
상기한 바와 같이, 반도핑 분석에서도 이미 다양한 종류 의 마약류를 분석하고 있으며, 이들 분석법에 대한 연구 개발 논문이나 적발 사례 연구들을 통해 마약류 분석 기술을 발전시키는데 반도핑 분야가 첨단 분석법을 이끌고 있다. 특히, 도핑 분석은 마약류 이외에도 수백 종 이상의 동화 스테로이드, 호르몬, 흥분제 등을 연간 수천 개 이상의 시료에 대해 분석하여야 하고, 여기에 사용되는 분석 법은 WADA에서 규정한 최소 검출 한계 농도(MRPL)와 같은 기술 요건을 충족하여야 하기 때문에 고도화된 분석법 개발과 최신의 장비 도입이 반드시 요구되는 실정이다. 과거 마약류는 반도핑 분석에 있어 검출 빈도나 중요한 경기에서의 적발 사례 등이 많지 않았기 때문에, 중요한 이슈로 다루어지는 동화 작용 스테로이드나 성장호르몬에 비해 그 중요도가 높지 않은 약물 계통이었다. 하지만, 최근 들어 운동선수들에게도 마약류의 검출이 빈번하게 보고되고 있고, 이러한 사실은 세계반도핑기구에서 발간하는 통계 자료 [표 2]에서 잘 드러나 있다.
표에 나타낸 바와 같이, 코로나 사태 직후에 큰 폭으로 감소하였던 마약류의 검출 빈도가 2022년 대부분의 국가에서 거리두기 조치가 해제되고, 각종 경기를 재개함에 따라 빠른 속도로 예년 수준을 회복하였으며, 특히 대마의 주성분인 carboxy-THC의 검출 사례는 아직 전체 시료 숫자가 예년 수준을 회복하지 않았음에도 불구하고 동일수준으로 검출 사례가 보고되고 있다. 뿐만 아니라, 마약 류인 S7, S8 계통 약물은 경기 중에만 금지(in-compe- tition) 되는 성분임을 고려할 때, 실제로 마약류에 노출된 운동 선수들은 훨씬 많을 것으로 예상된다.
3. 반도핑 분석에서의 마약류 분석법 개발 현황
전통적으로, 반도핑 분석에서 마약류의 분석은 시료를 적절히 추출 및 정제하여 크로마토그래피를 이용해 단일 물질들로 분리하여 검출하는 방법이 널리 이용되어 왔다. 이러한 분석 전략은 크게 두 가지 장점이 있는데, 첫 번째 는 다양한 종류의 마약뿐만 아니라, 다른 계통의 약물들도 물질의 특성에 따라 동시에 분석을 할 수 있어 시간과 비용을 절감할 수 있다. 두 번째로는 반도핑 분석의 대부 분을 차지하는 소변 시료의 경우, 포함된 마약류의 농도가 낮고, 원래의 약물 분자 형태가 아닌 다른 구조를 갖는 글루쿠론산(glucuronic acid)이 결합된 형태 등으로 소변으로 배설되기 때문에, 위 방법으로 약물들을 농축하거나 원래의 형태로 전환시켜 분석이 가능하다는 장점이 있다.
현대적인 방법을 도입한 최초의 도핑 분석은 1960년대에 시작되었으며, 당시에는 최신 방법으로 알려진 가스 크로마토그래피(gas chromatography)와 불꽃이온화검출기(flame ionization detector)와 기타 다른 방법을 병용하여 수행되었다.[참고문헌 3] 당시 분석법은 가스크로마토그래피 컬럼을 통과하는 시간인 머무름 시간(retention time)에 대한 정보만으로 약물을 판별하여야 했기 때문에 혼합물의 완벽한 분리가 매우 중요하였다. 따라서, 크로마토그래피 기술이 가장 중요하였으며, 기술적 이정표인 열린 관 컬럼(open tubular column)의 개발에 힘입어 극적인 분리 효율 향상과 미량의 시료에서도 높은 감도를 [그림 1] 과 같이 달성할 수 있었다.[참고문헌 4]
그러나, 매년 금지약물의 수가 증가하고 다양한 종류의 대사체가 발견됨에 따라 크로마토그래피의 머무름 시간에 대한 정보만으로는 모든 물질을 분석 및 검출하는 데 한계가 존재하였으며, 질량분석기의 개발은 이러한 기술적 요구를 획기적으로 해결할 수 있는 방법으로 대두되었다. 진공 중에서 가속된 전자의 충돌로 분자의 라디칼 이온을 생성하는 전자 이온화(electron ionization) 방식의 질량분석기는 분자에 따라 특징적인 이온을 생성하고, 이온 스펙트럼을 통해 대략적인 구조 예측이 가능하므로, 기존 방법에 비해 약물의 선택성 및 감도를 극적으로 향상 시킬 수 있었다. 이후에는 생성된 이온을 비활성 기체와의 충돌로 한번 더 파편화시키는 MS/MS 분석을 통해 보다 자세한 분자의 구조 파악 및 매질의 간섭 효과를 제거가 가능해졌고, 이를 이용해 [그림 2]와 같이 다양한 대사 물질의 존재를 매우 효율적으로 확인할 수 있게 되었다.[참고문헌 5] 더욱 최근에는, 소수점 넷째자리까지의 분자량을 정확하게 측정할 수 있는 고분해능 질량분석기를 이용하여 구조 및 원소 구성이 유사한 물질들에 대한 정확한 판별이 [그림 3]과 같이 가능하게 되었다.[참고문헌 6]
현대 반도핑 분석의 가장 큰 화두는 소변 시료에서만 수행하던 금지약물 분석을 혈액으로 넓힐 수 있는 분석법 개발이라 할 수 있다. 하지만, 혈액은 시료 채취에 따른 선수의 부담이 크므로 이를 최소화할 수 있는 미량의 시료만을 채취하는 DBS(dried blood spot, 건조혈반)를 시료로 사용하는 새로운 규정이 신설되었으며, 이에 따라 지 난 베이징 동계올림픽에서도 제한적으로 시료 분석이 수행되었다. 건조혈반 분석은 시료 매질의 물성이 상이하고, 미량의 시료를 사용하기 때문에 손실 없는 최적화된 추출 기술 개발이 중요하다. 이탈리아의 반도핑 연구실에서는 25°C에서 30분간 순수 메탄올 추출법을 사용하여 면봉과 유사한 형태의 Mitra tip으로 채취된 20μL의 시료를 분석할 수 있는 방법을 개발하였다.[참고문헌 7] 이는 [그림 5]와 같이 WADA 및 ISO17025 요구사항을 충족하였으며, 건조혈 반 분석이 반도핑 활동에 적용될 수 있음을 확인하였다.
4. 타 분야에서의 마약류 분석법 개발 현황
반도핑 외 분야에서 마약류를 중요하게 분석하는 분야는 단연 법의학 분야라 할 수 있으며, 본지에서는 법의학과 반도핑 분야에서의 차이점을 비교해 보고자 한다. 고감도, 다성분 동시 분석은 모든 분야에서 공통으로 추구 하는 목표이지만, 법의학 분야에서는 이에 못지않게 신속한 분석, 전처리 과정의 간편함과 같은 특성이 보다 중요하게 다루어진다. 이러한 필요에 잘 부합하는 분석법으로 는 [그림 6]과 같은 실시간 직접분석 이온화장비(direct analysis in real time, DART)가 있다. 이는 기존의 크로마토그래피와의 연결 대신, 시료가 흡수된 매질에 고온의 기체를 분사시켜 매트릭스 물질을 이용해 분석 물질을 화학적으로 이온화 시키는 방법으로, 시료의 전처리가 매우 간편한 장점이 있다. 이에 미국 표준과학연구소에서는 본 방법과 독자적으로 개발한 혼합 물질의 스펙트럼을 각 각의 성분으로 분리할 수 있는 탐색 알고리즘(ILSA)을 이용하여 그림과 같은 과정을 통해 의약품 혼합 시료에서 마약류의 정성 분석을 수행하고 분석법을 검증하였다.[참고문헌 8] 92개의 실제 미지시료 분석을 통해 유용성을 입증하였으며, 기존 방법 대비 향상된 낮은 검출 한계와 높은 선택성을 확보할 수 있었다.
질량분석기는 높은 감도와 선택성을 확보할 수 있으나, 진공을 유지하여야 하기 때문에 소형화가 어렵고, 초기 구매 비용이 많이 소요되므로 실험실이 아닌 외부 현장에서 직접 시료를 분석하는 경우에는 적용하기 어렵다. 이러한 법의학 현장에서의 요구를 해결하는 데에는, 라만 분광학 기반의 분석 장비가 가장 적합하여 상용화 제품의 개발 및 이를 이용한 분석법이 다양하게 연구되고 있다. 미국 FDA 에서는 Thermo사의 휴대용 라만 분광기인 TruScan RM분석기를 이용하여 [그림 7]에 나타낸 바와 같이 100여 종 의 마약류 및 이들의 염을 포함하여 각각의 고유한 지문 과 같은 스펙트럼을 수집하였고, 이를 다른 분석 장비에 전송하여 상호 검증하였다.[참고문헌 9] 그 결과, 97% 이상의 정확도를 보였으며, 5 mg 이하의 적은 시료량에 대해서도 우수한 신호 대 잡음비를 나타내었으며, 실험실-현장 간의 신 속한 결과 전달 체계를 구축하였다.
결 론
앞에서 살펴본 바와 같이, 반도핑과 법의학은 동일한 마약류 분석에도 시료의 형태나 분석법이 추구하는 목적에 따라 다르게 발전함을 알 수 있었다. 반도핑 분석의 시험법들은 명확한 규정 및 기술적 요건을 충족하는 방향으로 발전해 왔기 때문에, 다양한 분야의 시험법 교차 검증에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 뿐만 아니라, DART-MS와 같은 법의학 실험법도 일부 물질에 대해서는 건조혈반에 적용하여 보다 신속한 스크리닝 시험법 개발에 도움이 될 수 있으리라 본다.
마약류의 반입과 생산을 완벽하게 차단하는 것은 현대의 복잡한 사회 구조에서는 불가능하다. 결국, 각종 증거수집과 정확한 검사로 마약류의 유통을 최소화하는 것이 차선책이 될 수 밖에 없으며 이를 위해서는 연구비를 지원하는 정부 기관과 분석법을 개발하는 대학이나 출연연과 같은 연구기관, 분석 장비와 각종 기자재를 개발 및 생산하는 산업체가 상호 협력하여 효율적이고 정확한 분석법의 개발이 요구된다. 이 중에서도, 정부 차원의 연구 개발에 대한 과감한 투자가 선행되어야만 마약 청정국의 지위를 유지할 수 있으리라 생각하며 끝을 맺고자 한다.
참고문헌
Baik, M. -S.; Park, S. S. “Analysis of the Drug Problem through Domestic and Foreign Drug Harm Index Development.” 국가정책연구 2019, 33(2), 209- 227.
Eui-Ryong, H.; Tae-Young, K. I. M. “Anti-doping Policy Development Process in the Sports World (1968~1999) : Focusing on IOC Activities and Passive Response from Korea.” Korean Journal of Medical History 2014, 23(2), 269-318. https://doi.org/10.13081/kjmh.2014.23.269.
Beckett, A. H.; Tucker, G. T.; Moffat, A. C.“Routine detection and identification in urine of stimulants and other drugs, some of which may be used to mod- ify performance in sport.” Journal of Pharmacy and Pharmacology 1967, 19(5), 273-294, https://doi.org/10.1111/j.2042-7158.1967.tb08089.x.
Hemmersbach, P.; de la Torre, R. “Stimulants, narcotics and β-blockers: 25 years of development in analytical techniques for doping control.” Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences and Applications 1996, 687(1), 221-238. https://doi.org/10.1016/S0378-4347(96)00276-9.
Möller, I.; Wintermeyer, A.; Bender, K.; Jubner, M.; Thomas, A.; Krug, O.; Schänzer, W.; Thevis, M. “Screening for the synthetic cannabinoid JWH-018 and its major metabolites in human doping controls.” Drug Testing and Analysis 2011, 3(9), 609-620. https://doi.org/10.1002/dta.158.
Linciano, P.; Citti, C.; Russo, F.; Tolomeo, F.; Laganà, A.; Capriotti, A. L.; Luongo, L.; Iannotta, M.; Belardo, C.; Maione, S.; et al. “Identification of a new cannabidiol n-hexyl homolog in a medicinal cannabis variety with an antinociceptive activity in mice: cannabidihexol.”Scientific Reports 2020, 10(1), 22019. https://doi.org/10.1038/s41598-020-79042-2.
Mazzarino, M.; Di Costanzo, L.; Comunità, F.; Stacchini, C.; de la Torre, X.; Botrè, F. “UHPLC–HRMS Method for the Simultaneous Screening of 235 Drugs in Capillary Blood for Doping Control Purpose: Comparative Evaluation of Vol- umetric and Non-volumetric Dried Blood Spotting Devices.” ACS Omega 2022, 7(36), 31845-31868. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c01417.
Sisco, E.; Appley, M. G.; Tennyson, S. S.; Moorthy, A. S. “Qualitative Analysis of Real Drug Evidence Using DART-MS and the Inverted Library Search Al- gorithm.” Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2022, 33(9), 1784-1793. https://doi.org/10.1021/jasms.2c00166.
Lanzarotta, A.; Witkowski, M.; Batson, J.“Identification of Opioids and Related Substances using Handheld Raman Spectrometers.” Journal of Forensic Sciences 2020, 65 (2), 421-427. https://doi.org/10.1111/1556-4029.14217.
윤 지 현 Jihyun Yoon
전남대학교 농식품생명화학부, 학사(2018.2 –2022.2, 지도교수:김인선)
전남대학교 농화학과, 석사(2022.2 –2023.8, 지도교수 :김인선)
한국과학기술연구원 도핑콘트롤센터 학연과정(2024.2 –현재, 지도교수 :김기훈, 오한빈(서강대학교 화학과))
김 기 훈 Ki Hun Kim
연세대학교 화학과, 학사(1999 –2006)
연세대학교 화학과, 박사(2006 –2011, 지도교수 :문명희)
연세대학교 화학과, 박사 후 연구원(2011 –2012)
Northwestern University, 박사 후 연구원(2013–2015)
한국과학기술연구원 도핑콘트롤센터 (2015 –현재)
Comments