부처연구성과
초고속 저비용 대량으로 약물 검색이 가능한 바이오 분석칩 개발
- 등록일2014-03-25
- 조회수5718
-
성과명
초고속 저비용 대량으로 약물 검색이 가능한 바이오 분석칩 개발
-
연구자명
권성훈
-
연구기관
서울대학교 공과대학
-
사업명
글로벌프론티어사업
-
지원기관
미래창조과학부
-
보도자료발간일
2014-03-25
- 원문링크
-
키워드
#바이오 분석칩 #약물
- 첨부파일
초고속+바이오+분석칩+개발.hwp
핵심내용
- 국내 제약 및 바이오 산업의 진입 장벽을 낮추다 -
□ 국내 연구진이 신약 개발 과정에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 초고속 대용량 바이오 분석칩을 개발했다. 이번 연구 성과가 국내 연구진들의 제약 산업 및 바이오 산업에 대한 진입 장벽을 낮추고, 개인 맞춤 의학시대로 나아가는 교두보 역할을 할 것으로 기대된다.
o 본 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 하나인 ‘의약바이오컨버젼스연구단’(단장 김성훈 교수)의 지원으로 서울대학교 전기전자공학부 권성훈 교수 연구팀에 의해 수행되었으며 세계적인 학술지 Nature Communications에 3월 17일 온라인 게재되었다.
* 논문명: One-step pipetting and assembly of encoded chemical-laden microparticles for high-throughput multiplexed bioassays
□ 하나의 신약을 개발하기 위해서는 10년이 넘는 시간과 천문학적 비용이 소요되기 때문에 많은 환자들이 적절한 가격의 약을 적절한 시기에 공급받지 못하고 있다.
o 특정 질병을 치료하는데 효과가 있다고 검증된 약물이라 하더라도 그 질병을 가진 환자의 개별적 특성에 따라 치료의 예후가 달라지는 경우가 매우 많다.
o 개별 맞춤 의약 시대를 맞이하기 위해서는 특정 질병에 효과가 있는 약물 혹은 약물의 조합을 빠르고 값싸게 찾아낼 수 있는 방법이 필연적으로 요구된다.
□ 권성훈 교수 연구팀은 다양한 바이오 물질을 운반할 수 있는 마이크로 크기의 미세 입자 제작 기술을 보유하고 있으며, 이 기술을 기반으로 한 다양한 원천 기술을 Nature Materials, Nature Photonics 등의 세계적인 학술지에 발표한 바 있다.
o 본 연구는 다양한 원천 기술을 하나의 플랫폼에 융합하여 매우 적은 시간과 비용으로 초고속 대용량 약물 검색을 수행할 수 있는 바이오 분석칩을 개발하고자 하는 목적으로 수행되었다.
□ 권성훈 교수 연구 그룹은 본 연구를 통해 개발한 바이오 분석칩을 사용하여 다양한 종류의 항암제 및 항암제 조합에 대한 세포 반응을 확인하였으며 초고속 복합 약물 검색 플랫폼으로써의 가능성을 검증하였다.
o 초고속저비용으로, 다량의 바이오 물질 간의 반응(생물 검정, Bio asssay)을 알아보는 기술은 중소기업 및 연구소들의 제약 및 바이오산업 진출에 대한 진입장벽을 크게 낮출 수 있는 원천 기술로 큰 의미를 가지고 있다.
□ 권성훈 교수는 “이번에 개발된 바이오 분석칩을 활용하면 신약 후보물질을 비롯하여 다양한 바이오 물질을 검색하는데 소모되는 시간과 비용을 획기적으로 감소시켜, 한국 바이오산업의 성장을 촉진하는데 기여할 수 있을 것” 이라며 “특히 다양한 학제간의 융합 연구를 통해 이루어진 연구 성과로 그 의미가 매우 크다”고 연구의의를 밝혔다.
상세내용
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
하나의 신약을 개발하기 위해서는 10년이 넘는 시간과 천문학적 비용이 소요되기 때문에 많은 환자들이 적절한 가격의 약을 적절한 시기에 공급받지 못하고 있다. 또한 특정 질병을 치료하는데 효과가 있다고 검증된 약물이라 하더라도 그 질병을 가진 환자의 개별적 특성에 따라 치료의 예후가 달라지는 경우가 매우 많다. 그러므로 개별 맞춤 의약 시대를 맞이하기 위해서는 특정 질병에 효과가 있는 약물 혹은 약물의 조합을 빠르고 값싸게 찾아낼 수 있는 방법이 필연적으로 요구된다.
특정 물질이 질병에 효과가 있는지 알아보기 위해서는 화합물, DNA, 세포 등 바이오 물질 간의 반응 알아보는 과정인 바이오 어세이를 수행해야 한다. 현재 바이오 어세이를 수행하기 위해 기존의 실험실 단위에서 가장 많이 사용되는 방법은 사람이 직접 손으로 피펫팅을 하여 물질간의 반응을 알아보거나 자동화된 피펫팅 기계를 사용하여 실험을 수행하는 것이다. 하지만 직접 피펫팅을 하는 방법은 매우 노동 집약적이고 복잡도가 높다. 또한 한번의 실험에 필요한 시약의 양이 매우 많기 때문에 다양하고 많은 물질을 검증하기 위해서는 천문학적 어세이 비용이 소모된다는 단점이 있다.
서울대학교 권성훈 교수는 현재의 약물 검색 과정이 가지고 있는 문제들을 해결하기 위해 획기적인 초고속 대용량 바이오 분석칩을 개발하였다. 본 연구에서는 서로 다른 물질을 코드화된 미세입자 안에 삽입하고 이러한 미세입자들을 작은 칩 위에 자기조립 시키는 “Partipetting” 이라는 개념을 고안하였다. 이 방법을 이용하면 다양한 약물 후보 물질들이 조립된 바이오칩을 매우 싼 값으로 쉽게 만들수 있으며 약물 라이브러리 어세이를 위한 시간 역시 단축할 수 있다. 권성훈 교수 연구팀은 이 플랫폼을 활용해 실제로 바이오칩을 제작하였으며, 다양한 종류의 항암제 및 항암제 조합에 대한 세포 반응을 확인하는 실험을 통해 초고속 복합 약물 검색 플랫폼으로써의 가능성을 검증하였다. 본 연구 내용은 융합 과학분야 최고 학술지인 Nature Communications (IF: 10.015)에 3월 17일 온라인 게재될 예정이다.
2. 연구내용
본 연구실에서 개발한 바이오 분석칩을 활용한 약물 검색 과정은 크게 1) 코드화된 미세입자를 사용한 약물 라이브러리 제작, 2) 미세입자를 기반으로 한 약물 라이브러리를 작은 미세 어레이에 자기조립한 약물 칩 제작, 3) 약물 칩과 세포칩의 합체를 통한 대용량 바이오 어세이 수행 그리고 4) 세포 반응 관찰 과정으로 나뉜다.
본 연구실에서 2006년에 개발한 광미세유체 마스크리스 리소그라피 기술을 이용해 코드가 새겨진 고분자 기반의 미세입자를 생산한다. 이 미세입자는 액체를 흡수하는 성질을 가지고 있기 때문에 각 코드별로 할당된 약물을 미세입자에 흡수시키고 말려서 각 약물 미세 입자를 제작하며, 이렇게 제작된 다양한 종류의 약물 미세 입자들을 한데 모아 약물 라이브러리를 제작한다. 미세 입자 한 개가 하나의 바이오 어세이에 활용되는데, 미세 입자의 내부에 흡수되는 약물의 양이 수십 피코 리터에 불과하므로 한 번의 어세이에 필요한 시약의 양을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
앞서 준비한 다양한 종류의 약물 미세입자 라이브러리를 한 번의 피펫팅 과정을 통해 칩 위에 자기 조립하여 약물 칩을 제작할 수 있다. 이 약물 칩과 소량의 세포를 키운 세포 칩을 서로 합치면 하나의 약물 입자 당 하나의 어세이 공간이 확보되고, 이와 동시에 약물 미세 입자에서 약물이 흘러나와 세포와 반응하게 된다. 하나의 칩에는 매우 많은 어세이 공간이 있으므로 한 번의 실험으로 매우 많은 어세이를 수행할 수 있으며 적은 양의 시약을 정확한 양으로 사용할 수 있어 실험의 정확도를 높일 수 있다.
약물과 세포를 충분히 반응시킨 후 세포 칩의 세포를 염색해 약물 반응의 결과를 관찰하고 분석할 수 있다. 특정 약물 입자는 고유의 코드를 가지고 있으므로 반응이 일어난 세포가 어떤 약물과 반응했는지 확인할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 전 분석과정을 자동화할 수 있는 프로그램을 개발하여 어세이 과정 뿐 아니라 결과분석에 소모되는 시간 역시 감소시켰다.
본 논문에서는 실제로 다섯 종류의 항암제 및 항암제 조합들에 대해 골육종 세포의 반응을 확인하였으며 분석 자동화 프로그램을 이용한 대용량 분석을 수행하였다. 본 논문에 소개된 기술을 사용하면 매우 적은 양의 시료와 약물로 대용량의 바이오 어세이를 빠르게 수행할 수 있다.
3. 기대효과
본 연구 결과는 미세유체학, 광학, MEMS, 생명공학 등 매우 다양한 분야의 기술을 융합하고 창의적인 개념을 도입한 융합 연구의 결과이다. 그러므로 여러 학제 및 산업 분야에서 새로운 연구 주제들을 창발시킬 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구팀이 이번에 개발한 바이오 분석칩은 매우 많은 종류의 신약 후보 물질들 및 물질의 조합을 초고속 저비용으로 분석할 수 있게 하므로, 생명 공학 기술의 발전이 열게 될 개인 맞춤 의학 시대로 한 발짝 다가가는데 활용될 수 있는 원천 기술로써 큰 의미를 가진다. 또한 21세기의 신 성장 동력으로 전망되는 제약 및 바이오산업에 필수적인 플랫폼으로 한국 바이오산업의 성장을 촉진시키는데 기여할 수 있다.
고부가가치 산업인 제약 분야를 필두로, 현재의 바이오산업은 많은 자본과 시간이 필요로 하기 때문에 세계적인 규모를 가진 기업만이 그 시장에 참여할 수 있다. 그러나 본 연구팀이 이번에 개발한 Partipetting 기술을 활용하면 소규모의 실험실에서도 많은 종류의 바이오 어세이를 값싸고 손쉽게 수행할 수 있으므로, 바이오산업의 다양한 필요를 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 중소기업 및 연구소들의 바이오산업 진출에 대한 진입장벽을 크게 낮출 수 있을 것으로 전망된다.
그 림 설 명
ⓐ 설명
- 코드화된 미세 약물 입자와 약물 칩의 제작 과정
- 마이크로 크기의 미세 입자에 서로 다른 종류의 약물을 흡수시키고 이러한 약물 입자들을 모아 라이브러리를 제작한다.
- 약물입자 라이브러리를 간단하게 기판 위에 뿌려 약물 칩을 제작한다.
ⓑ 설명
- 약물 반응을 관찰한 대용량 세포 칩 (scale bar: 1cm)
- 손바닥 크기의 약물 칩에 수천 개의 약물입자가 들어갈 수 있으며 약물 칩을 세포 칩과 합쳐 항암제에 대한 세포 반응을 관찰할 수 있다.
Ⓒ 설명
- 초고속 대용량 바이오 어세이 분석 과정 (scale bar: 1cm)
- (a-b) 이미지 프로세싱을 통해 약물 칩에 어떤 종류의 약물이 포함되어 있는지 자동으로 분석한다.
- (c-d) 이미지 프로세싱을 통해 각 약물에 대해 반응한 세포의 생존율을 도출하여 약물의 효과를 검증한다.
용 어 설 명
1. 코드화된 미세 입자
○ 자외선을 받으면 고체화되는 고분자 물질을 이용하여 만들어진 수십~수백 마이크로 크기의 작은 입자. 일정 부분의 자외선만 고분자에 조사할 수 있는 특수 마스크를 사용해 입자의 크기 및 모양을 마음대로 조절할 수 있으며 입자의 표면에 다양한 모양의 코드도 삽입할 수 있다. 또한 고체화된 고분자는 스폰지처럼 수분을 흡수할 수 있어 다양한 액체 물질을 함유할 수 있다.
2. 바이오 어세이
○ 생물 검정. 화합물, DNA, 세포 등 바이오 물질 간의 반응 알아보는 과정이다. 특정 바이오 물질이 원하는 기능 및 효과를 가지고 있는지 알아볼 수 있으며 신약 개발을 비롯하여 다양한 생물 실험에 광범위하게 사용된다.
3. 약물 라이브러리
○ 신약에 사용될 수 있는 신약 후보 물질 발굴을 위해서는 매우 많은 종류의 화합물의 효과를 검증해야 하는데 이에 사용되는 화합물들을 모아 놓은 것을 라이브러리라고 한다.
관련정보
지식
동향