PCR vs 항원…코로나 검사 정확도와 검사량, 무엇이 우선일까

[윤복원의 물리상식으로 푸는 요즘 세상]데이터로 보는 ‘한국의 코로나 3년’(12)
5부 : 진단 검사의 정확도-PCR검사 대 항원검사

서울대는 2021년 4월 검체 채취부터 분자진단까지의 과정을 현장에서 처리해 2시간 이내에 검사 결과를 확인할 수 있는 코로나19 신속 분자진단 검사를 도입했다. 김명진 한겨레 기자 littleprince@hani.co.kr

코로나19 진단검사에 쓰이는 PCR(중합효소연쇄반응) 검사는 어떤 원리로 이뤄질까?

PCR검사는 DNA(DeoxyriboNucleic Acid, 디옥시리보핵산)가 있으면 특정 DNA 부위를 여러개의 똑같은 DNA 조각으로 복사해 이를 감지하는 검사이다. 수십억배 이상으로도 복사할 수 있기 때문에 DNA가 조금만 있어도 DNA의 일부를 많으면 수십억배 복사해서, 마치 엄청나게 많은 DNA를 감지하는 효과를 얻을 수 있는 방식이다. 설탕 가루 한 알갱이만 넣은 물 한 컵을 맛보면 단맛을 느끼지 못하지만, 이 물속의 설탕 알갱이 하나를 한 숟가락 만큼으로 복사해 양을 늘리면 그 물은 단맛을 느낄 수 있게 되면서 물에 설탕이 있음을 알 수 있는 것을 생각하면 되겠다.

PCR검사의 유전자 증폭 과정에서는 검체의 온도를 높이고 다시 내리는 과정을 반복할 때마다 감지하려고 하는 DNA의 개수가 늘어난다. 높은 온도를 유지하는 동안에는 달라붙어 있는 두 가닥의 DNA를 떨어뜨리고, 낮은 온도를 유지하는 동안에는 떨어뜨린 각각의 DNA 가닥에 DNA를 구성하는 핵 염기를 붙여 두 가닥의 DNA가 달라붙는 쌍으로 만들어서 복사한다. 이런 증폭 과정을 반복할 때마다 DNA 조각의 개수는 두배로 늘어난다. 100개의 DNA가 있으면 이를 복사하는 증폭 과정을 한 번 거치면 2배인 200개로 늘어나고, 한 번 더 거치면 400개로 늘어난다.

그림 5-4. PCR 기본 원리. 이상적인 PCR의 경우 복사 증폭 과정을 거칠 때마다 DNA 양은 두 배씩 늘어난다.

코로나바이러스는 DNA가 아닌 RNA(Ribonucleic acid, 리보핵산)을 지니고 있다. PCR검사를 하려면 RNA를 DNA로 변환하는 역전사(Reverse Transciption)과정이 필요하다. 이러한 이유로 코로나 바이러스를 검사하는 PCR검사는 RT-PCR(Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction)이라고 부른다.

실시간 PCR(Real-Time PCR 또는 Quantitative PCR)은 특정 DNA 부위를 증폭하는 동안 형광 물질을 이용해 DNA 양 만큼 밝은 형광이 나오게 하고 이를 감지한다. 증폭 초기에는 DNA양이 적어 감지할 수 있을 만한 형광의 밝기가 안되지만, 증폭 과정을 반복해 DNA 양이 아주 많아지면 형광의 밝기가 감지할 수 있는 만큼 충분히 커진다. 형광의 밝기가 감지할 수 있을 만큼 커지면 그 검체는 검사하려고 하는 특정 DNA가 있다고 판정한다. 검체에서 형광의 밝기가 감지할 수 있는 수준만큼 DNA 양이 많아지도록 DNA를 증폭한 횟수가 Ct(cycle threshold)값이다.

검체에 원래 바이러스가 많았으면 적은 횟수의 증폭만으로도 감지할 수 있을 만큼 DNA가 많아지지만, 원래 바이러스가 적으면 더 많은 횟수의 증폭을 해야 감지할 수 있을 만큼 DNA양이 많아진다. 다시 말해 Ct값이 작으면 원래 바이러스 양이 많았다는 것이고 Ct값이 크면 원래 바이러스양이 적었다는 것을 의미한다.

코로나바이러스의 경우 증폭 과정을 35회 반복해도 특정 DNA가 감지되지 않으면 음성으로 판정하는 것으로 알려졌다. 이상적인 상황에서 특정 DNA 조각을 최대 2의 35제곱인 약 340억배로 복사 증폭해도 감지할 수 없다는 것을 의미한다.

PCR검사를 했는데 어떤 사람은 Ct값이 30이 나왔고 어떤 사람은 Ct값이 20이 나왔다고 하자. Ct값이 30이 나온 사람은 DNA 증폭과정을 30회 반복해서 복사한 DNA양이 감지할 수 있는 양에 도달한 것으로, 2의 30제곱인 약 10억배 많아져야 감지할 수 있는 DNA양이 된 것이다. Ct값이 20이 나온 사람은 DNA 증폭 과정을 20번 반복해서 복사한 DNA양이 감지할 수 있는 양에 도달한 것이므로, 2의 20제곱인 약 100만배 많아져야 감지할 수 있는 DNA양이 된 것이다.

따라서 원래 검체 속에 있었던 바이러스 양은 Ct값이 20인 검체가 Ct값이 30인 검체보다 1000배 더 많았다는 것을 의미한다. 정리하면 PCR 검사 결과에 나온 Ct값이 작을수록 몸에 더 많은 바이러스를 지닌 것이다.

그림 5-5. Ct값은 DNA를 감지할 수 있을 만큼 증폭하는 횟수. 검체 속에 DNA가 많으면 적은 횟수의 증폭으로도 감지할 수 있을 만큼 DNA가 많아지므로 Ct값이 작다. 반대로 검체 속에 DNA가 적으면 더 많은 횟수를 증폭해야 하므로 Ct값이 크다. 세로축의 큰 눈금 사이는 10배씩 증가하는 로그 스케일로 그렸다. 코로나바이러스는 DNA가 아닌 RNA을 지니고 있으므로 RNA를 DNA로 변환하는 역전사 과정을 미리 거쳐야 한다.

감염 위험 없어도 양성이 나오는 PCR검사

한동안 언론에서 신속항원검사의 민감도에 대한 논란이 있었다. 2021년 2월에 제출되었고 4월에 발표된 논문에서는 특정 신속 항원 검사 키트의 민감도가 17.5%로 나왔다.[2] 이 때문에 2021년 4월에는 신속 항원검사를 사용하지 말아야 한다는 내용의 의견이 전문가들 사이에서 나왔다.[3] 어떤 논문에서는 90% 이상의 민감도가 나오는 등 제품에 따라 편차가 상당히 컸다.[4] 좀 더 체계적이고 정확한 방식으로 제품별 민감도를 평가하고 비교하는 과정이 필요했던 시기였다.

먼저 PCR 검사와 항원 검사의 기본 원리를 비교해 보자. PCR 검사는 바이러스가 지닌 RNA를 DNA로 변환한 다음에, 특정 DNA 부위를 복사해 증폭하는 과정을 거친다. 검체에 바이러스가 조금밖에 없어도 DNA를 증폭해 감지할 수 있는 DNA 양으로 늘릴 수 있다. 적은 양의 바이러스를 지닌 검체도 양성으로 판정할 수 있을 만큼 정확한 검사 방법이다. 반면 항원검사는 증폭하는 과정 없이 바이러스를 직접 감지하는 검사 방식이다. 바이러스 양이 많으면 양성으로 판정할 가능성이 크지만, 바이러스 양이 적으면 음성으로 잘못 판정할 가능성이 큰 검사 방식이다.

항원검사의 민감도를 따질 때 기준이 되는 것은 PCR검사에서 양성이 나온 경우이다. PCR검사는 바이러스 속의 RNA를 DNA로 변환한 후 최대 수백억배까지 복사 증폭해서 감지하기 때문에, 검체 속에 아주 적은 양의 바이러스가 있어도 감지할 수 있을 만큼 정확한 검사이다. 바이러스에 노출된 지 얼마 안됐거나, 감염 후 회복되어 몸에 바이러스가 적을 때도 양성으로 판정할 만큼 매우 정확하다.

그림 5-6. PCR 검사에서 양성이 나오는 기간과 항원검사에서 양성이 나오는 기간 비교. 항원검사에서 양성이 나오는 기간은 PCR 검사에서 양성이 나오는 기간에 비해 훨씬 짧다.[5]

PCR검사에서 양성이 나오는 기간은 어느 정도일까?

2020년 6월24일까지 한국에서 코로나-19에 확진된 사람들은 PCR검사에서 이틀 연속 음성이 나와야 격리에서 해제됐다. 2020년 2월18일부터 시작된 확진자 급증이 진정된 후 확진된 사람들은 평균 35일 후에 격리에서 해제됐다. 확진된 후 평균 35일 동안 PCR검사에서 양성이 나왔다는 것을 의미한다. 확진 전에도 며칠간 더 양성이 나올 수 있으므로 PCR검사는 평균 35일 이상 양성이 나온다고 볼 수 있다. 확진된 지 10일이 지나면 감염 전파 위험이 거의 없는 것을 고려하면, PCR 검사에서 양성이 나오는 기간에 25일 이상은 감염 전파 위험이 거의 없음에도 불구하고 양성이 나온다고 볼 수 있다.

항원검사에서 양성이 나오는 기간은 상대적으로 짧다. 바이러스 양이 많은 7일 정도의 기간에만 양성으로 판정한다. 항원검사는 PCR검사에서 양성을 판정하는 기간의 5분의 1인 짧은 기간만 양성으로 판정하는 셈이다.

Ct값과 상관없이 PCR검사에서 양성이 나온 모든 사람을 대상으로 항원검사를 한다고 하자. 그러면 Ct값이 25를 넘을 만큼 바이러스가 적은 사람들도 있다. 이들은 항원검사에서 음성이 나올 가능성이 훨씬 크다. 감염자를 양성으로 판정하지 않는 경우가 많아지는 만큼 항원 검사의 민감도는 낮아진다. 항원검사에서 음성이 나온 사람 중에는 이전에 바이러스가 많았던 시기에 나타난 증상이 충분히 사라지지 않아 유증상 확진자로 분류되는 사람들도 있다. 따라서 유증상 감염자만을 따로 놓고 항원검사의 민감도를 계산해도 Ct값이 25이하인 경우만으로 계산한 민감도보다 낮을 가능성이 크다.

결국 항원검사의 민감도를 결정하는 데 큰 영향을 끼치는 것은 항원검사를 받은 사람들이 어떤 사람들이었냐는 것이다. PCR검사와 항원검사를 동시에 한다고 했을 경우, 항원검사의 민감도는 PCR검사에서 어떤 Ct값이 나온 사람들을 대상으로 했는지가 결정적인 영향을 끼친다. 따라서 항원검사의 민감도는 그 기준이 되는 PCR검사의 Ct값과 연관해서 봐야 한다. 특히 감염 전파 위험이 있을 만큼 바이러스 양이 많은 Ct값 25이하에서의 항원검사 민감도를 잘 살펴볼 필요가 있다.

항원검사는 감염자를 얼마나 찾아낼 수 있나

감염 전파 위험이 큰 사람을 항원검사로 얼마나 찾을 수 있을까?

무작위로 사람을 선택해 PCR 검사를 해서 양성이 나오는 검체를 다시 항원검사를 해서 항원검사의 민감도를 측정한다고 하자. 이 경우 항원검사에서 양성이 나오는 기간과 PCR 검사에서 양성이 나오는 기간에 따라 항원검사의 민감도가 달라진다. 항원검사에서 양성이 나올 만큼 바이러스 양이 많을 때는 90%의 확률로 양성이 나오고, 바이러스 양이 적을 때는 100% 음성이 나온다고 가정한 아주 간단한 모델을 적용해 계산한 항원검사의 민감도는 ‘표 5-1’에서 확인할 수 있다. PCR검사에서 양성이 나오는 기간이 35일이고 항원검사에서 양성이 나오는 기간이 7일일 경우, 무작위로 선택한 PCR 검사 양성의 검체에 대한 항원검사 민감도는 18%까지 내려간다.

같은 모델에서 PCR 검사에서 양성이 나온 사람 중에 감염 전파 위험성이 있는 사람의 비율을 계산해 보자. 감염된 후 PCR 검사에서 양성이 나오는 기간이 35일이고, 감염 후 바이러스 양이 많은 10일 동안 감염 위험성이 있다고 가정한 모델을 보자. 무작위로 PCR 검사를 해서 양성이 나온 사람 중에 감염 전파 위험성이 있는 사람의 비율은 28.6%이다.

PCR 검사에서 양성이 나온 사람들 검체를 모두 항원검사를 한다고 하자. 항원검사에서 양성이 나오는 기간은 7일이고 그중 90%의 확률로 양성이 나온다고 하면, PCR검사와 항원검사 모두 양성이 나오는 사람의 비율은 18%(=(7÷35)×0.9)다. 항원검사에서 양성이 나온 검체는 모두 감염 전파 위험이 있는 사람들의 검체라고 하면, 감염 전파 위험이 있는 사람 중 항원검사에서 양성이 나오는 사람의 비율은 63%(=(7÷35)×0.9) / (10÷35))다. 항원검사를 딱 한 번만 하면 감염 전파 위험이 있는 감염자의 63%를 항원검사로 찾을 수 있다.

그림 5-7 항원검사를 이틀에 한 번씩 반복해 감염 전파 위험이 있는 사람들을 찾아내는 것을 설명하는 그림. PCR검사에서 양성이 나온 사람들의 감염 시점이 골고루 퍼져 있다고 하면, 그 중 바이러스 양이 많은 일부만 첫 항원검사에서 양성이 나온다(내부를 채운 주황색 동그라미). 이틀 후에는 감염된 지 얼마 안된 순서로 항원검사에서 양성이 나온다. 이틀 간격으로 총 세 번의 항원검사를 하면 감염 전파 위험이 있는 감염자 대부분을 항원검사로 찾아낼 수 있다.

항원검사를 시차를 두고 반복하면 감염 전파 위험이 있는 감염자를 더 높은 비율로 찾아낼 수 있다. 모델을 좀 더 구체화해서 알아보자. 추가되는 설정은 다음과 같다.

감염된 후 바이러스가 많아지기 시작하는 처음 3일 동안은 바이러스 양이 충분하지 못해 PCR검사에서만 양성이 나오고, 그중 1일차는 감염 전파 위험이 없고 2~3일차 이틀 동안은 감염 전파 위험이 있다. 4일차부터 10일차까지 7일 동안은 바이러스 양이 아주 많아 PCR검사와 항원검사에서 모두 양성이 나온다. 11일차는 감염 전파 위험은 있지만 항원검사에서는 음성이 나오고 PCR 검사에서는 양성이 나온다. 12일차부터 35차까지는 감염 위험이 없고 PCR검사에서만 양성이 나온다.

신규 확진자가 일정하게 나오는 상황이라고 하고 이 모델을 적용하자. 무작위로 사람을 선택해 PCR검사를 해서 양성이 나온 사람 중에서 35명에 11명의 비율로 감염 전파 위험이 있거나 앞으로 감염 전파 위험이 있을 사람들이다. 나머지 35명에 24명의 비율로 PCR검사에서만 양성이 나오지만 이들은 감염 전파 위험이 없고 앞으로도 없는 사람들이다.

훨씬 더 많은 사람을 검사할 수 있는 항원검사

PCR 검사를 해서 양성이 나온 사람들은 바로 항원검사를 한다고 하자.

PCR검사와 동시에 항원검사를 한다. 그러면 35명에 7명은 90%의 확률로 항원검사에서 양성이 나온다. PCR검사에서 양성이 나온 사람 중 감염 전파 위험이 있거나 있을 사람 수와 비교하면, 57.3%(=(7÷35)×0.9) / (11÷35))의 비율이다. 한 번의 항원검사로 감염 전파 위험이 있거나 있을 사람 중 57.3%를 한 번의 항원검사만으로 찾아낼 수 있다.

이틀 후에 같은 사람 중 항원검사에서 음성이 나온 사람들만 다시 한 번 항원검사를 한다고 하자. 첫 항원검사 때와는 몸에 있는 바이러스 양이 달라진다. 감염된 지 얼마 안된 사람은 바이러스 양이 더 늘어나고 감염된 지 시간이 충분히 지난 사람은 바이러스양이 줄어든다. 바이러스 양이 늘어나는 사람들은 항원검사로 양성이 나올 수 있고, 양이 줄어드는 사람의 일부는 항원검사로 음성이 나온다. 1차 항원검사에서 90% 확률에 들지 못해 음성이 나온 사람 중 바이러스 양이 많은 경우는 2차 항원검사에서 다시 90% 확률로 양성이 나온다. 그만큼 감염 전파 위험이 있으면서 1차 항원검사에서 놓친 사람 중에 양성이 나온다.

이전 항원검사에서 음성이 나온 사람들을 대상으로 항원검사를 이틀마다 반복하면 감염 전파 위험이 있는 사람들을 더 많이 찾아낼 수 있다.

계산 결과를 표 5-2에 정리했다. 이틀에 한 번씩 항원검사를 반복할 경우 총 세 번의 항원검사를 하면 항원검사로 찾을 수 있는 감염자 대부분을 찾을 수 있다. PCR 검사에서 양성이 나온 사람 전체에 대한 비율은 30%에 못 미치지만, 다른 사람에게 감염을 전파할 위험이 있거나 앞으로 감염을 전파할 위험이 있을 사람들을 대상으로 한정하면 90%에 가까운 사람을 항원검사로 찾을 수 있다.

항원검사로 감염 전파 위험이 있는 사람을 높은 확률로 찾을 수 있지만, 문제는 PCR검사에 비해 더 늦게 양성이 나온다는 점은 단점이 될 수 있다. 항원검사에서 음성이 나왔다고 방역에 소홀할 경우 위음성으로 인한 감염 전파 가능성이 충분히 있기 때문이다. 대신 PCR 검사와는 달리 항원검사는 훨씬 더 많은 사람을 검사할 수 있다는 것은 장점으로 볼 수 있다.

윤복원/미국 조지아공대 연구원(전산재료과학센터·물리학) bwyoon@gmail.com

주)

[2] “Clinical Application of the Standard Q COVID-19 Ag Test for the Detection of SARS-CoV-2 Infection”, S. Oh, et al., Journal of Korean Medical Science, https://doi.org/10.3346/jkms.2021.36.e101

[3] "정치화된 코로나 검사, K방역이 흔들린다", 김연희, 시사인, 2021년 4월 13일, https://www.sisain.co.kr/news/articleView.html?idxno=44323

“코로나 자가진단키트 활용 공론화...전문학회는 난색”, 최선, 메디칼타임즈, 2021년 4월 14일, https://www.medicaltimes.com/Users/News/NewsView.html?mode=view&ID=1139989&REFERER=NP

“[기고] 코로나 ‘자가검사키트’가 필요하다”, 최재욱, 세계일보, 2021년 4월 23일, https://www.segye.com/newsView/20210422519899?OutUrl=naver

[4] “Validation of a rapid antigen test as a screening tool for SARS-CoV-2 infection in asymptomatic populations. Sensitivity, specificity and predictive values”, A. Fernandez-Montero, J. Argemi, J. A. Rodríguez, A. H. Ariño, and L. Moreno-Galarraga, EClinicalMedicine, 37, 100954 (2021). doi: https://doi.org/10.1016/j.eclinm.2021.100954

[5] “Viral kinetics of SARS-CoV-2 over the preclinical, clinical, and postclinical period”, S. Jang, J. Rhee, Y. Wi, and B. Jung, International Journal of Infectious Diseases, 102, 561 (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.10.099