Micro-sampling 기반 TDM: DBS, VAMS 적용 시 LC-MS/MS 분석 최적화 전략

 혈액 10–20 µL 시대의 TDM 패러다임 변화와 실무 중심 분석법 구축 가이드

 

Therapeutic Drug Monitoring(TDM)의 패러다임은 최근 몇 년 사이 뚜렷한 변화를 맞이하고 있다. 과거의 TDM은 병원 외래 또는 입원실에서 간호사가 채혈하고, 채혈된 전혈/혈장을 냉장·냉동 조건에서 검사실로 이동시키는 형태가 기본이었다. 환자는 일정 시간 간격에 맞춰 병원을 방문해야 했고, 특히 소아·신생아·노약자 환자에게는 반복 채혈이 큰 부담이 되었다.

하지만 DBS(Dried Blood Spot) 와 VAMS(Volumetric Absorptive Micro-sampling) 기술이 본격적으로 확산되면서, TDM은 “소량 채혈 기반의 개인화 modular monitoring”이라는 새로운 트렌드를 맞이하고 있다. 이제 환자들은 손끝에서 10–20 µL 정도의 혈액만 채취하면 되며, 심지어 가정에서 스스로 샘플을 채취해 우편으로 검사실에 보내는 형태도 가능해졌다.

이 글에서는 DBS와 VAMS 기반 TDM 분석법을 LC-MS/MS로 구축할 때 반드시 고려해야 할 기술적 요소들을, 실무 중심 관점에서 최대한 구체적으로 풀어본다. 소아·이식 환자·항암제 투여 환자처럼 TDM 의존도가 높은 패셔트 그룹을 중심으로, 실제 분석법 개발자가 겪는 난관과 이를 해결하기 위한 노하우까지 포함해 서술형으로 정리했다.

■ 1. Micro-sampling이 TDM에서 주목받게 된 이유

— “환자 편의성, 비용 절감, 더 촘촘한 약물 모니터링”

DBS와 VAMS는 단순히 채혈량을 줄이는 장비적 혁신이 아니라, TDM의 운영 방식 자체를 재정의하는 기술이다. 그 이유는 다음과 같다.

1) 환자 방문 부담 감소

Tacrolimus, Cyclosporine처럼 narrow therapeutic index를 가진 약물은 혈중 농도 추적이 중요하다.
그러나 이식 환자들은 빈번한 외래 방문이 피로도를 높이고, 특히 면역억제제로 인한 피부 약화·멍이 잘 드는 문제까지 겹쳐 반복적 정맥 채혈은 큰 부담이 된다.

DBS/VAMS는 손끝에서 소량 채혈이 가능해, 환자가 가정에서도 샘플을 채취할 수 있다.

2) Logistic 비용 절감

액체 전혈·혈장은 냉동 또는 냉장 운반이 필수지만,
DBS/VAMS 카드는 상온 보관·상온 배송이 가능하다.

3) PK 곡선의 촘촘한 수집

전통적 TDM은 trough 중심의 single-point 측정이 대부분이다.
하지만 마이크로샘플링은 손쉽게 여러 타임포인트를 채혈할 수 있어,
개인별 PK 모델링 기반 dose adjustment가 가능해진다.

4) 소아·희귀질환 환자 모니터링 최적화

신생아나 저체중 소아들은 채혈량 제한 때문에 기존 TDM이 어렵다.
Micro-sampling은 이 문제를 사실상 해결한 기술이다.

■ 2. DBS(Dried Blood Spot)와 VAMS의 차이

— “Spotting 방식 vs. 정량적 흡수 방식”

두 기술은 비슷해 보이지만, 구조와 분석 접근 방식이 다르다.

항목	DBS	VAMS
채혈 방식	거즈/카드(Whatman 903 등)에 혈액을 떨어뜨림	스폰지 형태의 고정 부피 팁이 일정량(10–20 µL)을 흡수
샘플 양	Spot 크기·hematocrit에 따라 가변	부피가 정량적으로 고정
Hct 영향	매우 큼	상대적으로 적음
Disc punching 필요	있음	없음
채혈 숙련도	비교적 쉬움	초반 교육 필요
분석 reproducibility	높지만 Hct 교정 필요	DBS보다 reproducible

결론적으로, DBS는 저비용·간편성, VAMS는 정량 정확도가 강점이다.
TDM에서는 Hct 편차를 어떻게 관리하느냐가 가장 중요한 과제이며, 이 때문에 VAMS를 선호하는 흐름이 점차 강해지고 있다.

■ 3. Micro-sampling 기반 LC-MS/MS 분석을 어렵게 만드는 요소들

— “소량 혈액이 주는 이점 뒤에는, 기술적 난관이 숨어 있다”

Micro-sampling 분석법이 어렵다고 평가받는 이유는, 소량 혈액으로 인한 다음과 같은 과제가 존재하기 때문이다.

■ 3.1 Hematocrit(Hct) 영향

DBS에서 가장 악명 높은 문제다.
Hct가 높으면 혈액이 잘 퍼지지 않아 spot diameter가 작고,
Hct가 낮으면 지나치게 넓게 퍼진다.

→ 즉, 동일한 3 mm punch가 실제로 포함하는 혈액량이 환자마다 달라진다.
이는 전혈 기반 TDM(특히 Tacrolimus, Cyclosporine)에서 큰 bias를 만든다.

VAMS도 완전히 자유롭지는 않지만 영향은 비교적 작다.

■ 3.2 전혈 기반 분석의 matrix effect

전혈은 plasma보다 훨씬 복잡한 matrix를 가진다.

• hemoglobin
• phospholipid
• 세포 내 효소
• endogenous metabolite

이들이 ion suppression을 만들어 analyte quantitation을 흔들 수 있다.

■ 3.3 Extraction recovery variability

소량 matrix에서는 extraction efficiency가 조금만 달라져도 정량 정확도에 큰 영향을 준다.

DBS는 카드 종류, 펀칭 위치, 건조 시간, 카드 습도 등의 영향을 많이 받는다.
VAMS는 팁의 wetting efficiency가 중요하다.

■ 3.4 Sample homogeneity 문제

DBS는 혈액이 spot 내에서 균일하지 않다.
VAMS는 상대적으로 균일하지만, 팁 표면의 blood coating 정도가 영향 미친다.

■ 4. DBS 기반 TDM 분석법 개발: 실무 최적화 포인트

✔ 4.1 Card 유형 선택

가장 많이 사용되는 것은 Whatman 903 protein saver card이다.
그러나 Tacrolimus·Cyclosporine 같은 소수성 약물은 카드 섬유에 비특이적 흡착을 일으킬 수 있다.

따라서 면역억제제 분석에서는 다음과 같은 카드가 더 유리할 때가 있다.

• PerkinElmer 226 card
• Ahlstrom grade TFN

카드는 반드시 analyte-specific하게 테스트할 필요가 있다.

✔ 4.2 Spot 크기와 펀칭 위치 통제

DBS는 spot outer ring과 central zone의 농도가 균일하지 않다.
보통 "middle zone"을 선호하지만, 가장 중요한 것은 항상 동일한 위치에서 punch를 떼는 것이다.

권장되는 workflow는 다음과 같다.

1. 환자 spotting
2. 2–3시간 상온 건조
3. 3–6 mm punch cutting
4. extraction solvent(유기용매 + IS) 처리
5. vortex 30분
6. 원심분리 후 상층액 취해 LC-MS/MS 주입

✔ 4.3 Hematocrit 보정 모델 구축

Hct는 DBS 분석법의 성패를 가르는 핵심 요소다.

가장 대표적인 Hct 보정 전략은 다음 두 가지다.

① Hct-spot size 모델링

Hct에 따라 spot diameter가 달라지는 점을 이용해 역으로 Hct를 추정하는 방식이다.

Spot diameter ↓ → Hct 높음
Spot diameter ↑ → Hct 낮음

이를 calibration model에 포함해 보정한다.

② PLSR 기반 Hct 예측

스펙트럼 기반 multivariate model(예: NIR, Hyperspectral imaging)을 사용해 Hct를 추정하는 방식이다.
기계 학습 기반으로 Hct를 자동 보정하는 연구도 증가하고 있다.

✔ 4.4 Extraction solvent 최적화

DBS extraction은 solvent 조합이 결과에 큰 영향을 준다.

전형적으로 다음 조합이 사용된다.

• MeOH
• ACN
• MeOH+Water (50:50)
• ACN+Water+FA

Tacrolimus나 Cyclosporine처럼 지용성 약물은 MeOH-rich solvent,
항경련제처럼 상대적으로 극성이 있는 약물은 ACN-water mix가 유리하다.

필요 시:

• sonication
• 10–20분 vortex
• heater block extraction (40–60°C)

등을 조합해 recovery를 향상시킬 수 있다.

■ 5. VAMS 기반 LC-MS/MS TDM 분석법 개발 전략

— “정량적 micro-sampling의 표준”

VAMS는 최근 TDM 분석에서 가장 빠르게 확산되는 기술이다.
특히 Hct 의존성이 적다는 점이 가장 큰 장점으로 평가된다.

✔ 5.1 VAMS extraction workflow

1. VAMS tip을 10–20 µL 혈액에 접촉
2. 팁이 색이 균일하게 변할 때까지 흡수 (2–4초)
3. 건조 1–3시간
4. extraction solvent + IS 처리
5. vortex & sonication
6. LC-MS/MS 분석

VAMS는 전체 팁을 extraction tube에 넣으면 되기 때문에, DBS처럼 punching 과정이 없다.

✔ 5.2 VAMS가 제공하는 실무적 장점

1) Hct 영향 대폭 감소

팁 고유의 capillary action이 일정 부피를 일정하게 흡수해 준다.
Hct 20–60% 범위에서 recovery와 matrix effect가 상대적으로 안정적이다.

2) Homogeneous sampling

DBS처럼 spot 내 농도 편차가 크지 않고, sample distribution이 균일하다.

3) 높은 reproducibility

팁 자체가 정량적 용량(volumetric)을 제공하므로 batch-to-batch 일관성이 좋다.

4) On-site self sampling이 용이

환자가 가정에서 채혈하고 우편으로 보내는 데 적합하다.

■ 6. Analyte 종류별 Micro-sampling TDM 최적화 전략

— “면역억제제 · 항생제 · 항경련제 · 항암제”

각 약물군은 물리화학적 특성이 크게 달라, 분석법 접근 자체를 달리해야 한다.

✔ 6.1 Tacrolimus / Cyclosporine / Sirolimus

• 높은 지용성
• 전혈 기반 분석 필요
• DBS에서 Hct 영향이 매우 큼
• VAMS가 훨씬 안정적인 선택

LC-MS/MS 분석 시 mobile phase의 양극성 조정이 중요하고,
fronting/suppression 문제 때문에 injection volume을 과도하게 늘리면 곤란하다.

✔ 6.2 항생제 (Vancomycin, Linezolid 등)

• 물에 잘 녹음
• 단백결합률 낮거나 중간
• DBS와 VAMS 모두 잘 작동

전혈 기반이지만 plasma-based PK 모델과 차이가 클 수 있어 전환식을 포함하는 모델을 구축하는 것이 좋다.

✔ 6.3 항경련제 (Valproic acid, Carbamazepine 등)

DBS는 오히려 plasma보다 안정성이 좋을 때도 있다.
단, 유기산 계열(VPA)은 pH에 민감하므로 extraction solvent 조건을 반드시 조정해야 한다.

✔ 6.4 항암제 (TKI 계열 등)

소량 혈액 기반 모니터링의 임상적 가치는 매우 큼.
다만 protein binding이 높은 경우 전혈 기반 micro-sampling에서 recovery 흔들림이 발생할 수 있다.

■ 7. LC-MS/MS 분석에서 꼭 고려해야 할 고급 기술 요소

✔ 7.1 Ion suppression mapping

전혈 기반 분석에서는 phospholipid suppression hotspot이 특정 RT 구간에서 집중적으로 나타난다.
이를 파악하기 위해 다음을 수행한다.

• full-scan post-column infusion
• MRM suppression profiling
• peak purity profiling

이를 기반으로 gradient 시간을 조절하고 column chemistry를 최적화해야 한다.

✔ 7.2 Stable isotope-labeled internal standard(SIL-IS)의 중요성

Micro-sampling에서는 extraction loss가 상대적으로 크기 때문에 IS 의존도가 매우 크다.

IS 선택 기준은 다음과 같다.

1. retention 완전 일치
2. 동일 precursor → 동일 fragment pathway
3. isotopic shift는 너무 작지 않게 (+6 이상 권장)
4. fragmentation ratio 동일

Tacrolimus 분석에서는 Tacrolimus-13C,D2,
Cyclosporine에서는 Cyclosporine-D12 등이 많이 사용된다.

✔ 7.3 Autosampler carry-over 관리

Tacrolimus, Cyclosporine 같은 지용성 약물은
needle coating으로 인한 carry-over가 빈번하다.

해결 전략은 다음과 같다.

• needle wash solvent 강화
• injection interval 조정
• needle seat temperature 증가
• column backflush 적용

■ 8. Micro-sampling 기반 TDM의 임상적 해석

— “전통적 혈장 기반 수치와 동일하지 않을 수 있다”

DBS/VAMS는 전혈 기반이며, 기존 대부분의 TDM reference range는 plasma 또는 whole-blood 기반이다.
따라서 특정 약물군은 전환식(conversion factor)를 별도로 도입해야 한다.

예:
Tacrolimus → DBS/VAMS 결과 × K-factor → 기존 whole-blood 농도로 환산

이 과정은 population PK 모델링을 통해 refinement할 수 있다.

■ 9. 품질관리(QC)·검증(Validation)

Micro-sampling 기반 LC-MS/MS 분석법 검증은 일반 bioanalytical validation과 유사하지만,
추가적으로 다음 항목이 포함된다.

• Hct range validation (20–60%)
• punch 위치별 homogeneity 확인
• spot storage stability
• VAMS tip drying time validation
• hematocrit-dependent recovery
• card별 matrix effect 비교

이는 TDM처럼 임상용 검사에서 reproducibility가 가장 중요하기 때문이다.

■ 10. 미래 전망: Micro-sampling + AI 기반 자동 TDM 플랫폼

향후 TDM은 micro-sampling 기술과 AI 기반 예측 모델이 결합될 가능성이 높다.

가능한 시나리오를 그려보면 다음과 같다.

1. 환자가 집에서 VAMS로 샘플 채혈
2. 상온 배송
3. 검사실 도착 후 자동 sample prep
4. LC-MS/MS → 실시간 AI drift·peak quality 평가
5. PK 모델 기반 dose recommendation 자동 생성
6. clinician에게 알림 전송

이 흐름이 정착되면,
TDM은 더 이상 병원 중심의 검사 영역이 아니라
“환자 중심의 개인화 약물관리 플랫폼”으로 확장될 것이다.

■ 결론

Micro-sampling 기반 TDM은 환자의 삶을 실질적으로 개선하는 기술이며,
LC-MS/MS 분석실의 workflow를 완전히 다른 단계로 끌어올리는 혁신이라고 할 수 있다.

DBS와 VAMS는 각자 장단점을 가지지만,
다음 두 가지 키워드를 중심으로 접근하면
대부분의 기술적 난관을 극복할 수 있다.

① Hematocrit 영향 관리
② Extraction reproducibility 확보

여기에 LC-MS/MS의 ion suppression control, SIL-IS 최적화,
card/tip 특성 평가, storage stability 검증을 제대로 수행하면
전통적 TDM 이상의 정량 정확도까지 확보할 수 있다.

앞으로 micro-sampling은 소아·이식·항암 환자뿐 아니라
신약 개발 시 PK sampling과 임상시험 모니터링까지 폭넓게 확장될 것이다.
소량 혈액으로도 최대한의 정보를 얻어내는 기술은
“TDM의 새로운 표준”으로 자리 잡고 있다.