바이오인

핵심내용

한 번에 진단할 수 있는 길 열어”-

  □ 바이오-나노의 소재와 기술을 융합하여 다양한 질환의 표지인자를 정확히 검출하는 신기술이 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 에이즈나 자가면역질환(류머티즘, 소아당뇨병 등)을 한 번에 진단할 수 있는 의약품 개발이 가능해질 전망이다.

 ○ 고려대 이지원 교수(50세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원(도약연구)과 선도연구센터지원(ERC) 사업의 지원으로 수행되었고, 재료 및 응용분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Advanced Materials (IF=13.877)’지 9월호(9월 11일자)에 게재되었다. (논문명: A Novel Bioassay Platform Using Ferritin-Based Nanoprobe Hydrogel)

□ 건강한 삶을 유지하기 위해서는 예방이 최선이지만, 일단 병에 걸리면 최대한 빨리 정확히 진단하여 적절한 치료를 받는 것이 중요하다. 따라서 전 세계 연구자들은 다양한 질환을 조기에 정확히 감별하는 진단 기술을 개발하고자 활발히 연구하고 있다.

 ○ 특히 난치성 질환인 암, 자가면역질환이나 신종플루와 같은 바이러스 감염질환은 환자가 증상을 느꼈을 때 이미 손을 쓸 수 없을 만큼 악화된 경우가 많아, 조기 진단이 더욱 중요하다. 대부분의 난치성 질병은 혈액 내에 질환을 나타내는 특이한 표지인자 물질이 소량 존재하는데, 이 극소량의 질환 표지인자를 정확히 검출하는 고감도 진단기술 개발이 절실하다. 

 ○ 우선 정확한 진단기술을 개발하기 위해서는 혈액 속에 있는 무수히 많은 물질 중에서 질환을 나타내는 특이한 표지인자를 선택적으로 인식하여 검출하는 프로브* 시스템 개발이 필요하다.

    *) 프로브(Probe) : 시료 속에 있는 다양한 물질 중에서 특정 물질만을 선별해내는 소재로, 질환 진단을 위해서는 특정 질환의 표지인자와 특이적으로 결합하는 단백질, 펩타이드 또는 항체 등이 이용됨

 ○ 지금까지는 평면에 프로브를 고정하여 질환 표지인자를 검출하는 2차원 프로브 시스템을 기반으로 한 진단제품이 대부분이었다. 그러나 이 제품은 평면에 충분한 양의 프로브를 고정하는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 한 번에 한 가지 질환의 표지인자만을 검출할 수 있었다. 또한 고정된 프로브가 공기 중에 노출되면, 불안정해지거나 기능이 감소되는 등 장기간 충분히 사용하기에도 어려움이 있었다.

 
□ 이지원 교수 연구팀은 단백질 나노입자(인간 훼리틴)로 3차원 프로브를 만들고, 이를 흡수성이 높은 젤(Hydrogel)과 화학적으로 융합함으로써 안정적인 3차원 입체형 프로브 시스템을 개발하여 질환 진단에 성공하였다. 특히 이 기술은 한 번에 2개 이상의 질환 표지인자를 검출할 수 있는 것이 특징이다.

 ○ 인간 훼리틴은 24개 요소들이 스스로 하나의 단백질로 구성된(자가조립) 나노크기의(10억분의 수미터) 원형 입자로, 사람으로부터 나온 단백질 나노입자이면서도 대장균을 이용해 대량생산할 수 있는 장점이 있다.

 ○ 또한 유전공학기술을 이용해 훼리틴 나노입자 표면에 다양한 프로브를 입체적으로 표출할 수 있어 극소량의 질환 표지인자를 효과적으로 검출할 수 있다.

 ○ 훼리틴과 융합한 하이드로젤은 구멍이 많은(다공성) 3차원 구조체로, 내부에 수분이 많아 물질이 쉽게 퍼지고, 고정된 프로브의 검지활성을 장기간 안정적으로 유지할 수 있다.(상온(25oC)에서 10일간 활성 100% 유지, 기존 평면 대비 50배 이상)

 ○ 또한 2차원 평면소재에 비해 표면적이 크게 확장되어 많은 양의 프로브를 고정시킬 수 있다.(기존 평면 대비 최대 수백 배 이상)

 ○ 아울러 연구팀은 증상만으로 정확히 진단하기 어려운 에이즈와 쇼그렌 증후군*을 기존의 진단제품에 비해 최대 200배 낮은 농도에도 검출하고, 두 질환을 정확히 구분하여 동시에 진단하는데도 성공하였다.

    *) 쇼그렌 증후군 : 대표적인 전신성 자가면역질환으로 피부, 코, 생식선의 건조 및 혈관, 폐 등 기관에 악영향을 주는 질환. 현재까지 완치시킬 수 있는 방법이 없어 조기 진단이 매우 중요한 질환

□ 이지원 교수는 “이번 연구는 단백질 나노입자와 하이드로젤을 융합함으로써 3차원 입체형 프로브 신소재를 개발하여, 다양한 질환의 표지인자를 정확히 조기에 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 에이즈와 같은 난치성 질환을 2개 이상 한 번에 동시에 진단할 수 있는 것이 특징”이라며, “향후 난치성 질환의 치료와 예방뿐만 아니라 차세대 진단기술 개발에도 새로운 기반을 마련하였다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

A Novel Bioassay Platform Using Ferritin-Based Nanoprobe Hydrogel
Eun Jung Lee , Keum-Young Ahn , Jong-Hwan Lee , Jin-Seung Park , Jong-Am Song ,
Sang Jun Sim , Eun Bong Lee , Young Joo Cha , and Jeewon Lee*
*Corresponding author: Jeewon Lee leejw@korea.ac.kr

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201200728/abstract

1. 연구 배경

 암, 바이러스 감염질환, 자가면역질환 등 인간의 생명을 위협하는 난치성 질환은 발병/감염 초기의 조기 진단을 통해 적절한 치료를 시작하는 것이 치료 효과를 극대화할 수 있고, 치료 시간과 비용 또한 절감할 수 있다. 하지만 현재의 질환 진단 기술은 민감도, 특이도, 재현성 측면의 기술적 한계로 인해 효과적인 조기 진단은 물론이고, 더 나아가 복수 질환의 동시 다중 진단을 구현하기에 미흡한 수준에 머물러 있다.

 이지원 교수 연구팀에서는 민감도, 특이도가 향상된 초고감도 진단 기술을 개발하기 위해 프로브의 고집적화 및 방향성 제어를 가능하게 하는 단백질 나노입자 기반 프로브를 개발한 바 있으며, 이를 활용하여 소아 당뇨병의 고감도 진단에 성공한 연구 결과를 2007년 ‘FASEB Journal’에 발표하였다. 또한 지난 2009년에는 유전공학적으로 재설계된 B형 간염 바이러스의 캡시드 단백질 나노입자을 이용하여 기존 진단 기술보다 백만 배 이상 민감도가 향상된 나노바이오 센서 기술을 개발, 나노분야의 저명한 학술지인 ‘Nature Nanotechnology’에 논문을 게재하였다.

 본 연구에서는 훼리틴 단백질 나노입자 프로브와 다공성 하이드로젤이 융합된 새로운 3차원 입체형 프로브 소재를 개발하고 이를 활용하여 기존 진단 기술의 한계를 극복하면서 동시에 안정성이 대폭 향상된 실용적인 진단 시스템 신기술을 개발하였다. 

2. 연구 결과

 본 연구에서는 인간 유래의 훼리틴 단백질 나노입자를 이용하여 3차원 프로브 소재를 제조하고, 이를 고분자 단량체와 결합한 후 one step 중합반응을 통해 다공성 구조의 하이드로젤을 제조함으로써 새로운 3차원 입체형 프로브 소재를 개발하였다.

 훼리틴 단백질 나노입자는 구형의 나노입자로서 유전공학 기법을 통해 다양한 표면 특성/기능을 가진 나노입자로 개발할 수 있으며, 특히 표면에 질환 표지 인자 검지를 위한 단백질/펩타이드 프로브를 표출시켰을 때 일정한 방향성, 높은 직접도 및 안정성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 훼리틴 단백질 나노입자 표면에 쇼그렌 증후군(SS)과 후천성 면역 결핍증(AIDS) 환자의 질환 표지 인자를 검지하는 프로브를 각각 표출시켜 SS와 AIDS의 고감도 진단을 위한 3차원 프로브를 제조하였다.

 상기 단백질 나노입자 기반 3차원 프로브와 다공성 하이드로젤을 화학적으로 융합하여 단백질 나노입자 프로브가 내부에 고르게 분포되어 있는 다공성 구조의 새로운 3차원 입체형 프로브 구조체를 개발하였다. 이는 내부에 프로브의 양을 정확히 조절하며 프로브를 고집적도로 고정할 수 있을 뿐만 아니라, 하이드로젤의 뛰어난 수분 유지 능력으로 인해 단백질 나노입자 프로브의 검지 활성을 장기간 안정적으로 유지할 수 있는 장점이 있어 진단 민감도, 특이도, 재현성, 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 진단 기술을 SS 및 AIDS 특이적인 질환 표지 인자 검출에 적용한 결과, 상용화된 기존 2차원 평면 기반 진단제품에 비해 100-200배 정도 민감도가 향상되었으며, 실제 SS와 AIDS 환자 혈청을 적용하였을 때 높은 특이도 및 재현성을 가지고 각 표지 인자의 동시 다중 검출이 가능함을 확인하였다.
 이번 연구를 통해 개발된 단백질 나노입자-하이드로젤 융합 기반 3차원 입체형 프로브 소재 및 진단 시스템은 다양한 난치성 질환의 진단에 폭넓게 적용 가능하므로, 난치성 질환의 조기 진단 및 동시 다중 진단을 통한 질환 치료 및 예방에 크게 기여할 것으로 예상된다.

3. 연구 결론

 단백질 나노입자-하이드로젤 융합 기반 3차원 입체형 프로브 소재 및 진단 시스템은 프로브의 정량 제어, 고집적화 및 방향성 제어가 가능할 뿐 아니라, 장기간 프로브 검지 활성 유지를 가능하게 한다. 이러한 특징은 질환의 조기 진단을 위한 고감도 진단 기술/시스템이 갖추어야 할 필수 요건으로, 본 개발 기술은 기존 진단 기술/시스템의 기술적 한계를 극복할 수 있는 “한계 돌파형” 진단 신기술에 해당한다. 본 진단 기술/시스템은 단백질 나노입자 기반 다양한 3차원 프로브와 하이드로젤을 융합하여 다양한 질환 표지인자 검출에 범용적으로 활용할 수 있으며, 다수 질환의 동시 다중 진단에도 적용 가능하므로 새로운 차세대 진단 의약품 개발에 직접 적용될 수 있음은 물론이고, 환경 모니터링, 식품 안전성 시험, 신약 후보물질 검색 등에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

그림 1. (A) 훼리틴 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재를 이용한 쇼그렌증후군과 에이즈 동시 다중 검출 진단 시스템의 개요, (B) 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재의 다공성 구조(SEM), (C) 하이드로젤에 융합, 고정된 단백질 나노입자 기반 프로브의 분포도 (SEM)

그림 2. 기존 상용 진단 제품, 2차원 평면에 고정된 단백질 나노입자 기반 프로브 진단 시스템, 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재를 이용한 진단 시스템의 민감도 비교 실험 결과 (A) 쇼그렌 증후군 표지 인자 검출 (LODE: 6.6 nM, LODP: 660 pM, LODH: 66 pM), (B) 후천석 면역 결핍 증후군 표지 인자 검출 (LODE: 6.6 nM, LODP: 660 pM, LODH: 33 pM). [□: 기존 상용 진단 제품, ▩: 2차원 평면(polystyrene)에 단백질 나노입자 기반 프로브를 고정한 진단 시스템, ■: 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재를 이용한 진단 시스템] [LOD: Limit of detection(검출 한계 농도) - LODE: 기존 상용 진단 제품의 LOD / LODP: 2차원 평면(polystyrene)에 단백질 나노입자 기반 프로브를 고정한 진단 시스템의 LOD / LODH: 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재를 이용한 진단 시스템의 LOD]

그림 3. 단백질 나노입자 기반 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 프로브 소재 기반 진단 시스템에 쇼그렌증후군 및 에이즈 환자 혈청을 적용하여 질환 표지 인자의 동시 다중 검출을 시도한 결과

4. 기타사항

□ 고려대학교의 화공생명공학과 (http://prosys.korea.ac.kr/cbe/main/)에서는 화학공학에 생명공학을 접목시켜 21세기 중요한 육성 분야 중 하나인 바이오기술의 다양한 분야에서 핵심기술 개발에 주력하고 있다.

□ 연구팀 홈페이지
 ○ 분자생물공학연구실(Biomolecular Engineering Lab; BMEL) http://bmel.korea.ac.kr/

용   어   설   명

1. Advanced Materials지
 ○ 지난 20여 년 동안 다양한 재료/소재 연구 분야의 최우수 논문 발표를 선도하고 있는 세계적 학술지로서(출판사: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.), 논문 심사가 까다롭고 게재승인 받기 매우 어려운 것으로 알려져 있다. (Impact factor : 13.877)

2. 나노입자 (Nanoparticles)
  ○ 나노크기(100 nm 이하)의 입자형태 물질 (금속 나노입자 등을 포함한 무기 나노입자, 고분자 나노입자 등을 포함하는 유기 나노입자, 단백질 나노입자를 포함하는 바이오 나노입자로 분류됨)

3. 질환 표지 인자 (Disease specific markers)
  ○ 질환에 걸리면 발병/감염 조직이나 세포의 변형, 파괴 또는 유전자 변이에 의해 과도하게 비정상적으로 생성되는 생체 물질, 질병을 유발하는 바이러스나 세균 유래의 유전자, 단백질이나 이에 대항하여 만들어지는 항체 등의 생체 물질이 체내에 존재한다. 건강한 사람과 달리 특정 질환 환자에게서만 특이적으로 발견되는 이러한 생체 물질을 질환 표지 인자라고 정의하며, 특정 질환을 정확하게 진단할 수 있는 근거 물질로 활용된다.

4. 프로브 (Probe)
  ○ 시료 내의 다양한 물질들 중 특정 물질만을 선택적으로 검지하는 소재를 뜻하며, 질환 진단 분야에서는 특정 질환 표지 인자와 특이적으로 결합할 수 있는 단백질, 펩타이드, 또는 항체 등이 프로브로 이용된다.

5. 인간 훼리틴 (Human ferritin)
 ○ 24개의 구성 요소 단백질(heavy chain, light chain 등 두 종류의 isoform으로 존재)이 인체 세포 내에서 자연적으로 자가조립(self-assembly)되어 이루어진 약 12 nm 크기의 구형 입자로서, 내부 공간에 여분의 철분을 iron oxide의 형태로 보관하는 활성을 갖고 있다.

6. 하이드로젤 (Hydrogel)
  ○ 물을 분산매로 이용하는 고흡수성 젤(gel)로서, 일반적으로 중합반응이 가능한 단위 화합물의 고분자화를 통해 제조할 수 있으며 흡수성 고분자로서 다방면에 활용되고 있다.

7. 쇼그렌 증후군
  ○ 쇼그렌 증후군이란 전신성 자가 면역 질환으로 피부, 코, 생식선의 건조 및 혈관, 폐, 간, 이자, 신장을 포함하는 몸의 기관에 악영향을 주는 질환으로, 전 세계적으로 자가 면역 질환 중 3번째로 많이 분포하며 병이 진행되면 현재까지 완치시킬 수 있는 방법이 없어 조기 진단이 매우 중요한 질환으로 알려져 있다.

그   림   설   명

<훼리틴 단백질 나노입자 프로브-하이드로젤 융합 3차원 입체형 소재를 이용한 
동시 다중 진단 시스템>

인간 훼리틴 나노입자 기반의 3차원 프로브를 제조하고 이를 다공성 구조의 하이드로젤과 화학적으로 융합시켜 안정적인 3차원 입체형 프로브 시스템을 개발하고 이를 2가지 질환의 동시 다중 진단에 활용하였다. 즉, AIDS 진단용 단백질 나노입자와 쇼그렌 증후군 진단용 단백질 나노입자를 고분자 단량체와의 one step 중합 반응을 통해 두 가지 단백질 나노입자 프로브가 고르게 분포된 새로운 3차원 입체형 프로브 시스템을 개발하였으며, 혈청 시료를 적용한 뒤 형광 파장이 다른 두 가지 양자점(quantum dot)이 연결된 2차 항체를 이용하여 각 질환의 표지 인자를 구별하여 고감도로 검출하였다. 실제 AIDS 및 쇼그렌 증후군 환자의 혈청을 혼합하여 적용한 결과 각 질환에 대한 정확한 동시 다중 진단이 가능하였다.

바이오-나노 융합 새로운 3차원 입체형 프로브 소재를 이용한 진단 신기술 개발을 지도하고 있는 이지원 교수 (왼쪽부터) 이지원 교수, 이은정, 이종환 박사과정생