J Appropr Technol > Volume 8(3); 2022 > Article
케냐의 지속가능한 모자보건 증진을 위한 감염병 퇴치 도전과 성과 - 케냐 가임여성의 에이즈, B형 간염, 매독 감염병 진단을 위한 다중면역진단 솔루션 개발 사례 -

Abstract

케냐에서는 임산부 무상 케어 프로그램인 ‘린다 마마 프로그램’을 시행하고 있지만, 2017년 기준 출생아 10만 명 당 임산부 사망률이 342에 달하며 에이즈, B형 간염, 매독 등 감염률이 높은 상황이다. 신속간이검사(래피드진단)를 중심으로 진단이 이루어지고 있으나 정확도가 떨어지고 있어, 정확하고 신속한 진단 방법이 필요하다. 이에 한국국제협력단(KOICA)의 혁신적 기술 프로그램(CTS)을 통해 병원 이외에 학교, 지역 보건소 등에서 최소 교육으로도 검사가 가능한 에이즈, B형 간염, 매독을 진단할 수 있는 다중면역진단기기 및 다중진단키트를 개발하였다. 진단키트의 민감도 및 특이도는 각 90% 이상으로 나타났으며 이는 신속진단키트 대비 20% 이상 향상된 것이다. 가격경쟁력을 갖춘 진단기기와 키트 보급으로 15세 이상 49세 이하 가임여성들의 에이즈, B형 간염, 매독 감염에 대한 지속적인 모니터링이 가능해짐으로서 모자 보건 증진에 기여할 수 있을 것이다.

In Kenya, the ‘Linda Mama Program’, a free care program for pregnant women, is being implemented, but as of 2017, maternal deaths per 100,000 live births reached 342, and the infection rate such as AIDS, hepatitis B, and syphilis is high. Diagnosis is being made centering on a quick simple test (rapid diagnosis), but the reliability is low, so an accurate and quick diagnosis method is needed. Through the Innovative Technology Program (CTS) of Korea International Cooperation Agency (KOICA), we developed a multi-immune diagnostic device and multi-diagnostic kit that can diagnose AIDS, hepatitis B, and syphilis, which can be tested with minimal education at schools and local public health centers in addition to hospitals. The sensitivity and specificity of the diagnostic kit were each 90% or more, which was improved by more than 20% compared to the rapid diagnostic kits. The supply of cost-competitive diagnostic devices and test kits will enable continuous monitoring of AIDS, hepatitis B, and syphilis infections among women of childbearing age between the ages of 15 and 49, thereby contributing to the improvement of maternal and child health.

Introduction

분만 전후의 산모 사망률은 전 세계의 주요 공중 보건 문제이다. 사하라 사막 이남의 아프리카는 가장 높은 533명의 모성사망률(출생아 10만 명 당 임산부 사망률, Maternal Mortality Ratio)과 연간 200,000명의 산모 사망으로 고통 받고 있으며 이는 전 세계적으로 연간 모든 산모 사망의 2/3(68%)에 해당한다. 또한 15세 소녀가 평생 동안 임신이나 출산의 합병증으로 사망할 확률(평생 산모 사망 위험)은 2017년 기준 저소득 국가는 45명 중 1명, 고소득 국가는 5,400명 중 1명이며 사하라 사막 이남의 아프리카의 여성은 38명 중 1명으로 평생 위험에 직면해 있다(WHO, 2019) (Figure 1).
케냐에서는 매년 6,000명 이상의 산모가 사망하고 35,000명의 사산이 발생하며, 2017년 산모 사망율(MMR)은 342건(한국 11), 평생 산모 사망 위험은 42명 중 1명(한국 8,300명 중 1명)으로 보고되었다(WHO, 2019). 이는 UN의 건강과 복지 증진을 위한 지속가능발전목표 3번의 첫 번째 세부 목표인 ‘2030년까지 전 세계 산모사망률을 10만 명 당 70명 미만으로 감소’에 비해 매우 높은 상황이다(UN-SDGs).
이들 산모 사망 원인의 약 12%는 임신 관련 감염으로 에이즈, 말라리아, B형 간염, 매독 등이 주요 감염원이다. 특히 에이즈는 전 세계적으로 가임기 여성들의 주요 사망 원인이며, 아프리카의 청소년(10-19세) 사이에서 가장 큰 사망원인이다. 2018년 케냐의 에이즈 유병률은 4.9 %로 여성이 6.6%로 남성 3.1%에 비해 두 배가 넘는다(NASCOP, 2020). HIV 감염자는 간염에 걸릴 확률이 더 높고(Kerubo et al., 2015), 단순 포진 바이러스 2형(HSV-2), 임질(GC), 매독(SYP), 클라미디아(CT)등 성병(STI)과의 중복 감염 사례가 보고되고 있다(Oliver et al., 2018).
케냐 정부는 경제개발 핵심 목표인 BIG 4 아젠다 중 하나로 ‘보편적 의료보장 제도(Universal Health Coverage, UHC)’를 국가 우선과제로 선정해 의료 불평등을 해소하고 2022년까지 모든 국민이 재정적 어려움 없이 필수 의료 서비스를 받을 수 있도록 노력하고 있다. 2020년 말 UHC는 케냐의 47개 주 중 4개 주에서 시범적으로 시행 중이며 전국적으로 시행하기 앞서 중간 규모 이상의 민간 병원과 지자체 병원에서 무상 의료 제공을 계획 중이다. 케냐에는 Nairobi Hospital, Agakhan Univeristy Hospital, Karen Hospital 등 3차 의뢰 병원(종합 및 전문 병원) 6곳, 2차 진료병원 20곳, 1차 진료병원 89 5곳이 있으며, 의사는 2021년 기준 13,376명으로 인구 10만 명 당 27.1명의 전문 의료진이 활동하고 있다(KNBStats, 2022). 2019년 케냐 보건부가 발표한 자료에 따르면 케냐 국민의 11%만이 국민건강보험기금(National Hospital Insurance Fund, NHIF) 보험을 가입하고 있다. 이러한 낮은 가입률은 케냐 노동시장의 80%를 차지하는 비정규직 및 일용직은 국민건강보험 가입이 의무가 아니고 임금 대비 부담스러운 보험료 등에 기인한다. 대부분의 케냐인들은 돈을 지불하지 않고 간단한 의료 서비스를 받을 수 있는 클리닉 수준의 의료서비스만 받고 있으며, 병원보다는 약국에서 쉽게 살 수 있는 약품에 의존하고 있다.
케냐 정부는 무료 출산 서비스 정책에 따라 임산부 무상 케어 프로그램인 ‘린다 마마 프로그램’(Linda Mama Programme, ‘산모보호하기’의 뜻)을 시행하고 있다. 린다 마마 프로그램은 지불 능력이 아닌 필요에 따라 대상 인구의 모든 사람이 이용할 수 있는 기본 의료 서비스 패키지 제공을 목표로 임산부와 유아가 양질의 저렴한 의료 서비스를 이용할 수 있도록 보장하는 공적 자금 지원 의료 제도이다. 2013년부터 모든 공중 보건 시설에서 출산 서비스에 대한 사용자 요금을 폐지하였으나 무료 출산 서비스 정책을 시행한 지 2년 후 산모 및 신생아 사망률은 유의미한 감소를 보이지 않았다(Lang’at et al., 2019). 임신기간 동안 3회에 걸쳐 에이즈, B형 간염, 매독, 헤모글로빈 수치 등에 대해 간이진단검사를 개별적으로 실시하고 있지만 번거롭고, 정확도가 높지 않은 실정이다.
한국국제협력단(Korea International Cooperation Agency, KOICA)의 혁신적기술 프로그램(Creative Technology Solution, CTS)은 예비창업가, 스타트업, 소셜벤쳐들의 혁신적 아이디어 또는 기술을 ODA에 적용하여 기존 방법으로 해결이 어려웠던 개발협력 난제에 대한 솔루션을 찾는데 기여하고 개발협력사업의 효과성을 제고하는 사업이다. 2015년부터 예비창업가 육성지원(현지조사 지원, Seed 0), 기술개발사업(Seed 1), 시범사업(Seed 2)의 단계별로 지원하고 있다(KOICA CTS, 2022).
본 사업은 2019년 6월부터 2020년 말까지 Seed 1. 사업으로 진행되었으며 케냐에서 유병률이 높은 에이즈와 B형 간염, 매독의 중복 감염을 신속하고 정확하게 진단할 수 있도록 “다중면역진단” 기술을 이용한 솔루션을 개발하였다. 가격경쟁력을 갖춘 진단기기와 키트 보급을 촉진할 수 있는 기반을 마련하고 병원 이외에 학교, 지역 보건소에서도 최소 교육으로도 진단검사가 가능하도록 함으로써 기존 산모들을 대상으로 진행되는 산전검사 뿐 아니라 15세 이상 49세 이하 가임여성의 조기진단율을 높이는데 기여하고자 하였다.

Methods

에이즈, B형 간염, 매독 진단을 위한 진단키트 개발 작동 원리

인간면역겹핍 바이러스(Human Immuno-deficiency Virus) 감염시 생성되는 항체와 B형간염 바이러스(Hepatitis B Virus) 표면항원, 트레포네마 팔리둠(Treponema pallidum) 나선균에 감염되어 발생하는 매독(Syphilis)의 항원에 특이적으로 결합하는 항체를 동시에 검출하는 솔젤 기술을 활용하였다(Avnir et al., 2006). 구멍(well)안에 에이즈, B형 간염, 매독 관련 항원과 항체를 고정하여 검출하는 방식으로 현장용 정밀 고속 진단검사가 가능하도록 하였다.
  • — 항체 검출(Double antigen sandwich) : 칩의 표면에 검출하고자 하는 항체에 특이적인 항원을 고정하고, 항체의 다른 epitope에 결합하는 형광물질이 고정된 다른 항원을 이용하여 항체를 검출

  • — 항원 검출(Antibody sandwich): 칩의 표면에 바이러스 항원에 특이적인 항체를 고정하고 다른 epitope을 가지면서 같은 바이러스 항원에 특이적인 또 다른 형광물질이 고정된 항체를 이용(Figure 2)

카트리지 및 시약 개발

HIV, Syphilis, HBsAg에 대한 상용화 마커를 조사하여 적합한 마커를 선정한 후 ELISA 기반의 반응 시약을 구성 하였다. 비 특이 제어를 위한 Blocking 시약 및 조성성분을 결정한 후 최적의 조성 조건을 테스트하였다(Figure 3).
팁/ 카트리지를 설계하고 카트리지 내에 투입하는 시약과 검체의 부피를 테스트하여 최적화하였다. 솔-젤 Spot Array를 반영한 팁 크기 및 형상, 재질 구성을 결정하고 카트리지(검체홀, 팁보관홀, 2차 항체 홀, 세척액 홀, 흡수패드 홀)를 설계하였다. 팁/ 카트리지 설계를 바탕으로 금형을 제작한 후 사출진행 및 사출물 입고검사(치수검수, 광학성능검수, 사출물간-장비간 호환검수)를 진행하였다.
솔젤 팁 기반의 카트리지 Assay 조건 테스트를 위해 4단계로 농도별 신호 값을 분석하여 최적화였다.
  • 1 단계: 솔젤 팁의 장비장착 및 검체와1 차항원-항체반응

  • 2 단계: 형광 Label된 항체와의 2차 형광 면역 반응

  • 3 단계: 최종 반응후 솔젤팁 Wasing

  • 4 단계: 솔젤팁 형광 측정을 위한 표면 이물 제거

시제품 개발

진단기기에 적합한 용기와 팁을 제작하여 테스트 카트리지(팁+용기+융착 및 라벨) 생산을 위한 시스템을 구성하고(Figure 4, 5) 소프트웨어를 포함한 다중진단을 위한 진단기기 시제품을 제작하였다.

진단기기와 진단키트 검증을 위한 임상 성능 시험

HIV1/2, Syphilis, HBsAg 양성 검체 및 음성 검체를 사용하여 내부 임상검사를 수행하였으며 진단기기와 진단키트의 검증을 받기 위해 외부기관(동국대 산학협력단)에 위탁하여 외부 임상 시험을 진행하였다.

현지 교육

케냐 현지 의료인 대상으로 진단기기 및 진단키트 사용방법에 대한 설명 및 시연을 실시하였다. 교육에는 케냐타대학 Anthony Wanyoro 교수, George Kosimbei 교수, Mildred Nawiri 박사와 동아프리카 보건의료연맹 Annastasia Nyalita 박사, Amit Thakker 박사 및 티카 레벨 5 병원, 메트로폴리스 의학 연구소, 바이오퀘스트의 직원 등이 참가하였다(Figure 6, 7).

Results

에이즈, B형간염, 매독 진단을 위한 다중면역진단 카트리지 및 시약개발

진단기기 1대(소프트웨어 포함)와 진단키트 240개를 개발했으며 임상검사 결과 성능평가 기준인 민감도와 특이도 90% 이상으로 연구용 의료기기로서의 성능이 유효함을 증명하였다.
진탄 키트는 진단 카트리지, 진단 시약, 팁(펀칭 팁 포함)으로 구성되어 있으며 T1 (HIV & Syphilis), T2 (HBsAg) 두 가지 팁으로 제작하였다(Figure 8, 9).

내부 임상 검증

Covid-19 팬데믹으로 인해 케냐 현지 검체를 활용하여 현지 임상 진행이 불가능하여 국내에서 IRB 승인을 획득하고, 자체 임상검사로 성능을 분석하였다. 에이즈, 매독, 감염 양성 검체와 음성 검체를 블라인드 테스트로 성능을 평가하였다(Table 1).

1) Tip 1 (HIV & Syphilis) 내부임상결과

• HIV & Syphilis - 독일 음성검체(40개)
• HIV - Trina 양성검체(10개)
• Syphilis - U2BIO 양성검체(10개)
• 반응시간 : 1차(20min) + 2차(5min)
— 독일음성검체 40개: HIV-37개 음성 판정, 3개 위양성 판정 Syphilis-40개 모두 음성판정
— Trina 양성검체 10개: HIV 모두 양성 판정
— U2BIO 양성검체 10개: Syphilis 모두 양성 판정

2) Tip 2 (HBsAg) 내부임상결과

• 독일 음성검체(40개)
• Cerba 양성검체(10개)
• 반응시간 : 1차(20min) + 2차(10min)
• 결과
— 독일 음성검체 40개: 모두 음성 판정
— Cerba 양성검체 10개: 모두 양성 판정

외부 임상 검증

진단기기와 진단키트의 검증을 위해 외부기관(동국대 산학협력단)에 위탁하여 임상 검사를 진행하였디.
  • — 인간의 혈청이나 혈장 검체에서 HIV1/2, Syphilis에 대한 항체를 동시 다중 진단하는 체외진단의료기기와, HBsAg 항원을 진단하는 체외진단의료기기의 성능을 평가하는 단일기관, 단일 눈가림, 무작위 배정, 후향적 확증 연구방법으로 수행하였다.

  • — HIV1/2, Syphilis 항체들을 동시에 다중 정상하는 RNI HIV/Syphilis (모델명: Rni01)와 HBsAg 항원을 정성 진단하는 RNI HBsAg(모델명: Rni02)의 민감도와 특이도는 평가기준인 90% 이상으로 연구용 의료기기의 성능이 유효함을 증명하였다(Table 2).

Discussion

이동성이 편리하고 사용성이 용이한 유저 기반의 진단기기의 보급은 현장에서 즉시 검출 및 진단이 가능하게 함으로써 감염의 확산을 줄이는데 효과적이다. 본 사업의 목표인 다중진단기기와 진단키트를 제작하였으며, 내부 및 외부(동국대 산학협력단)임상을 진행하여 성능(민감도 90%, 특이도 90% 이상)을 확인하였다.
세계 보건 기구(WHO)는 122개의 임상 진단 테스트로 구성된 필수 진단 목록(Model List of Essential In Vitro diagnostics, EDL)의 개발해 전 세계 의료 시스템의 모든 계층에 걸쳐 임상 실험실 테스트를 권장하고 있다(WHO EDL, 2019). 케냐의 임상 검사실은 적절한 장비 부족, 검사실 소모품의 공급 부족과 부적절한 인력 등으로 인해 제한된 테스트 메뉴(47%-65%)를 가지고 있으며 충분한 검사가 이루어지지 않고 있다(KHFA, 2018). 또한 ISO 15189에 대한 인증은 케냐의 임상 실험실에 필수 사항은 아니며 대부분의 실험실에서 재정적으로 감당할 수 있는 범위를 훨씬 벗어난다. 현재 시스템에서 환자는 합리적인 결정을 내리는 데 필요한 주요 기준에 대한 정보에 대한 접근이 제한적이며 민간 연구소의 평균 시험 가격은 공공 연구소의 평균 시험 가격의 468%로 조사되었다(Bahati et al., 2021).
케냐에서는 연간 100만 명의 임산부들이 산전검사의 대상이며 임신기간 동안 3회에 걸쳐 헤모글로빈, HIV, 결핵, 매독에 대한 혈청학적 검사(VDRL/RPR), HBV 검사를 국가에서 주도하여 간이진단검사를 시행하고 있다. 또한, 출생 후 2주 이내에 HIV에 감염된 여성에게서 태어난 유아에 대한 HIV 검사를 권장하기 위해 HIV 감염 모자 전염 예방(Prevention of Mother to Child Transmission, PMTCT) 및 영아 조기 유아 진단(Early Infant Diagnosis, EID) 지침을 2016년에 업데이트했으나 시행이 연기되었으며 2020년 말까지 케냐 전역에서 널리 시행되지 않고 있다. 모유 수유 기간을 포함한 최종 수직 전파율은 2021년에 8.9 2에 이르고 있다(UNAIDS, 2021). 임산부 무상 케어 프로그램에서 HIV 양성 반응을 보인 산모의 경우 산모와 아기에게 항레트로바이러스 요법(Antiretroviral therapy, ART)을 시작하도록 권장하고 있다. 그러나 대부분의 병원에서는 생후 6주에 영아 ID를 부여해 [HIV에 노출된 유아] 등록부에 기재 하고 있으며, 양성인 경우 유아 ART 시작을 위해 병원을 방문해야 한다. 샘플 처리 및 검사 지연, 결과 통지 사이의 후속 조치 미비 등으로 HIV 양성 영유아의 약 63%만이 ART를 받고 있다(Wexler et al., 2021). 본 사업에서 개발된 소형 진단기기와 진단키트를 활용해 검사의 번거로움, 비용 그리고 시간적인 측면에서 매우 효율적인 검사 시스템의 구축이 가능할 것이다. 병원 이외에 학교, 지역 보건소 등에서도 최소한의 자원으로 진단에 대한 접근성을 향상시켜 가임여성들의 건강관리 향상에 기여할 수 있을 것이다.
현지 방문을 통해 진단기기와 진단키트 사용법을 교육하였으며, 이해관계자들과의 네트워크를 구축하였다. 케냐타 국립대학(Kenyatta University)과 현지 공동연구 및 마케팅을 위한 MOU를 체결하였으며 이는 판데믹 이후 케냐 및 인근 국가에 시범사업 결과를 반영한 마케팅 전략 수립 및 비즈니스 파트너 발굴을 위한 교두보가 될 수 있을 것으로 기대된다. 케냐의 수도인 나이로비 및 향후 협력 가능성이 있는 키텐켈라, 메루카운티 지역 등 마케팅 단계(라이센싱 및 판매)에서 사업의 범위를 확장 할 수 있을 것으로 보이며, 동아프리카 판매를 위한 협의를 진행하였다(East Africa Healthcare Federation).
케냐 국민건강보험기금(National Hospital Insurance Fund, NHIF)에 가입한 국민이 늘어남에 따라 대부분의 병원들이 환자들의 전산화를 서두르고 있으며 진단 키트의 대량 수요가 예상되고 있다. 정부와의 협력(B2G)을 통해 전국에 위치한 학교, 지역 보건소 그리고 민간 병원(B2B)을 타겟으로 제품을 공급하는 방안을 추진하는 것이 바람직할 것이다.

Acknowledgments

This research was supported by Creative Technology Solution (CTS) program of Korea International Cooperation Agency (KOICA) (No. 2019-0036).

Figure 1.
Maternal Mortality Ratio, (maternal deaths per 100,000 live births) (WHO, 2019).
jat-2022-00227f1.jpg
Figure 2.
Antigen and antibody detection methods.
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Figure 3.
Development of cartrages and reagents.
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Figure 4.
Diagram of equipment components and a portable diagnostics system for point of care (POC) testing that measures laser-induced fluorescence.
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Figure 5.
Assembling diagnostic devices.
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Figure 6.
On site training at Chandaria business innovation and incubation centre, Kenya University on December 15th, 2021.
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Figure 7.
Instructions for use for the diagnostic device.
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Figure 8.
The composition of Tip 1 and Tip 2.
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Figure 9.
Cartridge configuration.
jat-2022-00227f9.jpg
Table 1.
Summary of in-house clinical test results
마커 종류 샘플 수(S/co) 음성 양성 일치율
T1 HIV (음성) 40 (S/co 0.00~2.26) 37 3 92.5% (음성)
HIV (양성) 10 (S/co 1.29~12.79) 0 10 100% (양성)
Syphilis (음성) 40 (S/co 0.00~0.062) 40 0 100% (음성)
Syphilis (양성) 10 (S/co 3.54~15.11) 0 10 100% (양성)
T2 HBsAg (음성) 40 (S/co 0.00~0.45) 40 0 100% (음성)
HBsAg (양성) 10 (S/co 218.52~234.92) 0 10 100% (양성)
Table 2.
Summary of external clinical test results
(a) Anti-HIV
연구용 의료기기 확진 결과
양성 음성
양성 60 0
음성 0 60

임상적 민감도: 100%

임상적 민감도의 95% 신뢰구간: 94.0-100%

임상적 특이도: 100%

임상적 특이도의 95% 신뢰구간: 94.0-100%

(b) Anti-Syphilis
연구용 의료기기 확진 결과
양성 음성
양성 58 0
음성 2 60

임상적 민감도: 97%

임상적 민감도의 95% 신뢰구간: 88.6-99.1%

임상적 특이도: 100%

임상적 특이도의 95% 신뢰구간: 94.0-100%

(c) HBsAg
연구용 의료기기 확진 결과
양성 음성
양성 58 1
음성 2 59

임상적 민감도: 97%

임상적 민감도의 95% 신뢰구간: 88.6-99.1%

임상적 특이도: 98%

임상적 특이도의 95% 신뢰구간: 91.1-99.7%

References

Avnir, D., Thibaud, Coradin T., Levc, O., and Livageb, J. (2006). Recent bio-applications of sol-gel materials. J. Mater. Chem, 16, pp. 1013-1030.
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Bahati, F., English, M., Sayed, S., and et al (2021). Information asymmetry in the Kenyan medical laboratory sector. Glob Health, 14(1), 1964172.
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NASCOP. (2020). National AIDS and STI Control Programme (NASCOP), Preliminary Kenya Population-based HIV Impact Assessment (KENPHIA) 2018 Report.
Kerubo, G., Khamadi, S., Okoth, V., and et al (2015). Hepatitis B, Hepatitis C and HIV-1 Coinfection in Two Informal Urban Settlements in Nairobi, Kenya. PloS ONE, 10(6), e0129247.
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