Application of Polymerase Chain Reaction (PCR) to the Diagnosis of Tuberculosis

Polymerase Chain Reaction (PCR)을 이용한 결핵의 진단에 관한 연구

Background: Since its development by Saiki et al, polymerase chain reaction (PCR) has been very useful in various fields of molecular biology. PCR can be used for the detection of a very small amount of microbial agent, and is especially useful in those patients who are difficult to diagnose microbiologically or serologically. Mycobacterium tuberculosis is a very slowly growing organism and AFB staining frequently shows false negative results, and therefore PCR would be a very rapid, easy, and sensitive diagnostic method for the diagnosis of Mycobacterium tuberculosis. Method: To compare PCR with conventional methods in diagnosing Mycobacterium tuberculosis in sputum, we used sputa of patients who visited or were admitted to Seoul National University Hospital. The amplification targets were 383 base pair DNA, a part of 2520 base pair DNA encoding 65 kD Mycobacterium tuberculosis specific protein (the primers are TB-1, -2), and 123 base pair DNA, a part of IS6110 fragment, which multiple copies are known to exsist PCR one genome (the primers are Sal I-1, -2). We also requested AFB staing and culture to the lab of Seoul National University Hospital with the same sample and compared the results. Results: 1) Using TB-1, -2 primers, PCR was positive in 73.1% (19/26) of culture positive sputa, in 12.5% (1/8) of culture negative. but clinically diagnosed tuberculous sputa, and was negative in all sputa of patients who were clinically diagnosed as non-tuberculous etiology. 2) Using Sal I-I, -2 primers, PCR was positive in 94.1% (32/34) of culture positive sputa, in 23.1% (6/26) of culture negative, but clinically diagnosed tuberculous sputa, and was negative in 87.5% (14/16) of sputa from patients who were clinically diagnosed as non-tuberculous etiology. Conclusion: PCR could be a very rapid, sensitive and specific method for the diagnosis of Mycobacterium tuberculosis in sputa, and further studies should be followed for the development of easier method.

연구배경 : 1985년 Saiki등에 의해, 특정한 DNA를 연속적으로 복제할 수 있는 방법인 polymerase chain reaction (PCR)이 개발된 이래, PCR은 검체내에 극미량으로 존재하고 있는 병원체의 진단에 큰 도움을 줄 것으로 기대되었다. 결핵균의 진단방법중, 도말염색 방법은 감수성이 낮아서 문제가 되고 있으며, 배양은 감수성은 높으나 기간이 오래 걸려서 임상적으로 도움을 주지 못하는 경우가 많다. 이에 저자들은 Mycobacterium tuberculosis의 특이 단백질인 65 kD mycobacterial antigen을 encoding하는 2520 base pair DNA중, 383 base pair DNA를 이용한 PCR과 IS6110 fragment의 일부인 123 base pair DNA를 이용한 PCR을 시행하여, 이의 감수성과 특이도를 알아보고 폐결핵 환자의 객담을 검체로한 결핵의 조기진단 방법을 개발하고자 하였다. 방법 : M. tuberculosis (H37Rv, H37Ra), M. avium, M. intracellulare, M. scrofulaceum 균주와 환자의 객담에서 DNA를 추출하여, 383 base pair DNA 양끝의 20 base pair DNA primer (TB-1, -2)와 IS6110 fragment 일부의 DNA 양끝의 20 base pair DNA primer (Sal I-1, -2) 로 PCR을 시행하였으며, 전기 영동후 자외선 발광으로 확인하였다. 결과 : 1) Ethidium bromide 염색후 발광경하에서, Mycobacterium tuberculosis (H37Rv, H37Ra)와 Mycobacterium bovis는 TB-1, -2 primer와 Sal I-1, -2 primer를 이용한 PCR에서 모두 양성을 보였고 Mycobacter intracellulare와 Mycobacterium scrofulaceum은 TB-1, -2 primer를 이용한 PCR에서만 양성을 보였다. 2) Southern Blot 분석에는 두쌍의 primer 모두에서 Mycobacterium tuberculosis (H37Rv, H37Ra)와 Mycobactgerium bovis만이 양성을 나타내었으며 Mycobacterium intracellulare 와 Mycobacterium scrofulaceum은 음성을 나타내었다. 3) Mycobacterium tuberculosis (H37Rv)를 순차적으로 희석하여 시행한 PCR에서 두쌍의 primer 모두에서 Mycobacterium 균 1개체에 해 당되는 1 fg DNA까지 양성을 나타내었다. 4) 임상적으로 진단받은 결핵환자의 시행한, Sal I-1, -2 primer를 이용한 PCR에서 도말 검경 양성군의 객담 29예중 28예인 96.6%에서 양성을 나타내었으며, 도말 정경 음성-배양 양성군에서는 5예중 4예(80.0%), 그리고 도말 검경 음성-배양 음성군에서는 26예중 6예(23.1%)가 양성을 나타내었고 음성 대조군 검체 16예에서 2예(12.5%)에서 양성을 나타내였다. 결론 : 이상의 결과로, PCR은 객담에서의 결핵균의 진단에 있어, 배양과 견줄 수 있는 특이도와 예민도를 보이고 있어, 특정한 경우 진단에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되며, 추후 방법의 개선을 위한 연구가 계속 필요할 것으로 사료된다.