바이오인

핵심내용

국내 연구진의 신개념 치매 조기진단기술 국제적으로 인정받아

- 원천기술 민간기업 이전 및 상용화 진행 중 -

- 논문 게재를 통해 보유 특허의 원천성 강화, 실용화 및 상용화 가속 기대 -

□ 경상대학교 김명옥 교수 연구팀이 치매를 손쉽게 조기 진단할 수 있는 새로운 개념의 진단키트를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

ㅇ 연구팀의 연구 성과는 국제적인 저널인 Nature의 자매지인 ‘Scientific Reports’에 9월 12일 온라인 게재되었다.

※ 논문명 : A novel kit for early diagnosis of Alzheimer’s disease using a fluorescent nanoparticle imaging

※ 저자 : 김명옥 교수(교신저자, 경상대), 박준성(제1저자, 경상대 박사과정), 김상태 박사(제1저자, 분당 서울대 병원), 김상윤 박사(공동저자, 분당 서울대병원), 조민기(공동저자, 경상대 박사과정), 최명준(공동저자, ㈜피토스)

□ 치매의 70%이상을 차지하는 알츠하이머성 치매는 지금까지 통상적으로 PET(양전자 방출 단층촬영)나 인지능력검사 등을 통해 치매 여부를 진단하여 왔다.

ㅇ 그러나, 이러한 방법들은 치매가 어느 정도 진행된 이후에야 비로소 식별이 가능하고, 고가의 비용이 들며, 치매 진행정도를 계량화된 지표보다는 정성적으로 표현할 수밖에 없는 한계가 있었다.

□ 김명옥 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하고 치매 증세가 나타나기 이전에 진단하여 치매예방 및 치료를 극대화하는 것을 목표로, 혈액이나 땀 및 침과 같은 간단한 분비물을 시료로 하여 초기 잠복상태의 치매까지 판별해 내는 조기진단키트를 개발하였다.

◦ 특히, 이번 연구에서는 각 개인별 맞춤 진단이 가능하도록, miRNA 8종 및 항체 13종, 총 21종의 바이오마커(biomarker) 개발을 통해 치매진단의 정확도를 높였다.

□ 본 연구로 개발된 치매 조기진단키트는 민간 기업에 이전되어, 올해 말 제품화를 목표로 임상을 진행하고 있다.

◦ 연구진은 등록한 특허 기술과 민간 기업에 이전된 기술에 적용된 임상데이터와 연구방법론이 이번 논문 게재를 통해 국제적으로 인정받음으로써, 향후 동 연구 방법론을 근간으로 하는 실용화와 상용화가 보다 더 속도를 낼 것으로 기대하고 있다.

□ 김명옥 교수는 "치매의 경우 사후 치료성격의 정밀의료(precision medicine)와 병행하여, 조기진단을 바탕으로 선제적인 예방이 강조되는 정밀건강(precision health) 측면에서도 해결책을 찾아야한다.”라며,

◦ “향후에는 다중오믹스를 활용한 치매극복 연구에 매진하겠다.”라고 포부를 밝혔다.

□ 본 연구는 과기정통부 뇌과학원천기술개발사업 등의 지원으로 수행되었다.

상세내용

■ 논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : “A novel kit for early diagnosis of Alzheimer's disease using a fluorescent nanoparticle imaging ”
   - 저자 정보 : 박준성(제1저자, 경상대 박사과정), 김상태(제1저자, 분당 서울대 병원 박사) 김상윤(공동저자, 분당 서울대 병원 박사), 조민기(공동저자, 경상대 박사과정), 최명준(공동저자, ㈜피토스), 김명옥 (교신저자, 경상대 교수)
   - 특허명 : 항원 검출용 형광 나노입자 및 그를 이용한 알츠하이머 치매의 조기진단키트

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 우리나라의 경우 2015년 발표된 자료(Dementia & geriatric cognitive disorders 2015)에 따르면 65세 이상 노인 인구에서 노인 인구수를 약 600만 명으로 볼 때 2016년 노인 인구 중의 약 9%, 즉 54만 명가량이 치매 환자라고 할 수 있는데, 치매 환자 수는 점차 증가하여 2030년경에 약 9.6%, 즉 70만 명으로 증가할 것으로 추정됨. 치매는 환자의 건강뿐만 아니라 가족 및 사회에 막대한 직접 및 간접의료 비용을 지출하게 함으로써 국가적인 문제를 유발하고 있다.
 
  ○ 치매 환자 중 70%이상이 알츠하이머성 환자로, 알츠하이머성 치매의 병태생리에 대해서는 여러 가지 가설들이 대두되고 있지만, 베타아밀로이드의 뇌 내 축적이 결국 뇌세포와 시냅스의 손상을 유발하게 된다는 아밀로이드 가설(amyloid cascade hypothesis)이 가장 설득력을 얻고 있다. 하지만 이미 진행이 된 중증 알츠하이머성 치매 환자에서 치료할 수 있는 방법은 전무한 실정이다. 따라서 치매를 초기에 예방하고 치료하는 것이 중요해짐에 따라 진단의 중요성이 강조되고 있다.
 
  ○ 현재 치매를 진단하기 위해서는 PET(양전자 방출 단층촬영)와 인지능력검사 등을 종합하여 신경전문의에 의해 진단이 내려지게 된다. 하지만 PET(양전자 방출 단층촬영)은 방사선 조사량이 높고 체내 방사선 물질 주입과 비용이 비싸 환자들의 접근성이 떨어지며, 인지능력 검사는 인지능력에 이상이 없는 치매초기의 경우에는 진단을 내리기가 쉽지 않다. 또한 객관적인 지표가 모호하기 때문에 치매 중증정도를 진단하기가 어려운 실정이다.

 2. 발견 원리
  ○ Aβ처리한 HT22세포와 알츠하이머성 치매 유도 쥐에서 마이크로어레이를 이용한 스크리닝을 통해, 알츠하이머성 치매 특이적인 마커‘miR-106b, miR-146b, miR-181a, miR-200a, miR-34a, miR-124b, miR-153, miR-155, Aβ1-42 monomer, Aβ1-42 oligomer, UCHL1, NLRP3, Tau, STAT3, SORL1, Clusterin, APOE3, APOE4, Nogo-A, IL-13, Visfatin’를 선별하였다.
 
  ○ 형광 나노입자 복합체는 상보적인 서열을 통해 스템루프 구조를 이루게 되고, 루프구조에는 타겟이 되는 miRNA의 서열이나 항체를 결합시킨다. 스템루프 양 말단에 형광을 띠는 형광체와 형광을 소광시키는 소광체가 있다. 스템루프 구조는 소광체와 형광체의 거리를 가깝게 하여 형광체의 형광 발색을 억제한다.
 
  ○ 비오틴이 결합된 링커영역부가 스템루프 구조와 결합하고, 결합된 복합체를 스트렙토아비딘이 코팅된 96-웰 슬라이드 글라스에 결합시킨다.
 
  ○ 타겟 항원이나 miRNA가 항체 또는 miRNA 상보적인 서열에 결합하게 되면, 열역학적 힘에 의해 스템루프의 구조변화가 일어나고 소광체와 형광체간 거리가 멀어지면서 형광체가 형광을 발색하게 된다. 각 마커의 발색 정도에 따라 치매 초기부터 말기까지를 진단할 수 있다.

 3. 연구 성과
  ○ 본 연구는 기존의 치매 진단의 어려움과 한계점을 극복하기 위해, 치매 조기 진단 형광 나노 입자 키트를 개발하였다. 환자의 혈장으로 진단이 가능하여 환자의 접근성이 매우 높고 시간 또한 절약된다. 기존의 주관적인 진단이 아니라, 여러 가지 항원 및 miRNA를 바이오 마커로써 활용하기 때문에 진단의 정확성과 객관성을 높일 수 있는 장점이 있다.
 
  ○ 또한 기존에는 할 수 없었던, 인지능력의 장애나 치매 증상이 나타나지 않는 치매 초기를 진단할 수 있기 때문에, 조기 치매 예방 및 치매 치료에 획기적으로 도움이 될 것으로 사료된다.
 
  ○ 표적이 되는 바이오마커를 결합시켜 키트를 제작하기 때문에 알츠하이머성 치매뿐만 아니라 추후 혈관성 치매나 파킨슨병에도 이용할 수 있는 무궁무진한 잠재능력을 가지고 있는 기술이다.

■ 연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
 ㅇ 노령화 사회가 접어들면서 노인질환이 큰 사회적 문제점으로 대두되어 국가적으로 의료비 부담과 경제적 막대한 손실을 초래하여 이를 극복하기 위한 연구들이 활발히 이루어지고 있다.
 ㅇ 치매 그중 알츠하이머병 (Alzheimer’s disease)은 발병률이 해마다 꾸준히 증가하고 있어 심각한 사회문제로 떠오르는 퇴행성 뇌질환이다.
 ㅇ 알츠하이머성 치매 환자의 뇌에 존재하는 베타아밀로이드가 축적되어 만든 플라크가 지속적인 신경세포 사멸을 유도하고, 인지기능 저하 및 기억 저하를 일으키는 병을 유발한다.
 ㅇ 현재 치매를 진단하기 위해서는 PET(양전자 방출 단층촬영)와 인지능력검사 등을 종합하여 신경전문의에 의해 진단이 내려지게 된다. 하지만 PET(양전자 방출 단층촬영)은 방사선 조사량이 높고 체내에 방사선 물질 주입과 비용이 높아 환자들의 접근성이 떨어진다. 또한 인지능력 검사는 인지능력에 이상이 없는 치매초기의 경우에는 진단을 내리기가 쉽지 않다. 또한 객관적인 지표가 모호하기 때문에 치매 중증정도를 진단하기가 어려운 실정이다.

2. 연구내용
  ㅇ 마이크로어레이를 이용한 스크리닝을 통해, 알츠하이머성 치매 특이적인 마커‘miR-106b, miR-146b, miR-181a, miR-200a, miR-34a, miR-124b, miR-153, miR-155, Aβ1-42 monomer, Aβ1-42 oligomer, UCHL1, NLRP3, Tau, STAT3, SORL1, Clusterin, APOE3, APOE4, Nogo-A, IL-13, Visfatin’를 선별하였다.
 
  ㅇ  형광 나노입자 복합체는 상보적인 서열을 통해 스템루프 구조를 이루게 되고, 루프구조에는 타겟이 되는 miRNA의 서열이나 항체를 결합시킨다. 스템루프 양 말단에 형광을 띠는 형광체와 형광을 소광시키는 소광체가 있다. 스템루프 구조는 소광체와 형광체의 거리를 가깝게 하여 형광체의 형광 발색을 억제한다.
 
  ㅇ  비오틴이 결합된 링커영역부가 스템루프 구조와 결합하고, 결합된 복합체를 스트렙토아비딘이 코팅된 96-웰 슬라이드 글라스에 결합시킨다.
 
  ㅇ  타겟 항원이나 miRNA가 항체 또는 miRNA 상보적인 서열에 결합하게 되면, 열역학적 힘에 의해 스템루프의 구조변화가 일어나고 소광체와 형광체간 거리가 멀어지면서 형광체가 형광을 발색하게 된다. 각 마커의 발색 정도에 따라 치매 초기부터 말기까지를 진단할 수 있다.
 
  ㅇ  제작한 형광 나노 입자 복합체를 진단 키트로서 잘 제작되었는지 확인하기 위해, Aβ 올리고머를 처리한 HT22 세포에서 miRNA의 발현을 확인한 결과 스크리닝에서와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 치매 유도 쥐와 정상 쥐에서 항원의 발현을 확인한 결과 역시 스크리닝에서와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 제작한 형광 나노 입자 복합체가 치매 조기 진단 키트로서의 역할을 수행할 수 있고, 잘 제작 되었다는 것을 확인할 수 있다.
 
  ㅇ  PET와 CERAD-K를 수행한 신경과 전문의에 의해 진단된 6명의 70세 이상 여성들을 대상으로 혈액을 채취한 뒤 혈장을 분류한 다음, 제작한 miRNA 및 항원 형광 나노 입자로 이루어진 진단 키트에 사용하였다. 기존 진단으로 정상으로 판명된 대상이 1명, MCI로 판단되는 대상이 2명, 중증 알츠하이머성 치매로 판단되는 대상이 3명이었다. 키트를 사용하여 형광정도를 측정 및 분석하였을 때, 기존 진단과 같은 진단 결과를 얻어 치매 진단 키트의 실용화 가능성을 확인할 수 있었다.

3. 기대효과
 ㅇ  치매는 치료가 매우 어려운 질병이며, 기존의 진단 방법은 시간과 비용이 많이 든다. 또한 진단의 객관적인 지표가 없고 환자의 접근성이 매우 떨어지며 단점이 있었다. 이를 보완하기 위해 본 연구는 치매를 증상이 나타나지 않는 초기에 진단할 수 있는 키트를 개발함으로써 치매를 조기에 발견하여, 예방 및 치료를 극대화 할 수 있는 기대효과가 있다.
 ㅇ  추후 실용화를 통해 더 많은 객관적인 지표들을 가지고 더욱 정확한 진단이 가능할 것이며, 기준이 되는 바이오마커만 있다면 알츠하이머성 치매뿐만 아니라 다른 종류의 치매들까지 진단할 수 있는 키트가 제작이 가능하므로, 이 기술의 가능성은 무궁무진할 것으로 사료된다.

■ 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

치매는 난치성 질병으로 분류될 정도로, 이미 질병의 징후가 진행된 상태면 치료가 매우 어려운 실정이다. 하지만 최근 연구결과에서, 치매를 조기에 진단하여 치매 초기상태에 예방 및 치료를 한다면 이미 진행된 상태보다 치료효과 및 예방효과가 극대화되는 것을 확인하였고, 어떻게 하면 치매를 조기에 진단할 수 있는지 고민하였다. 증상이 나타나기 전의 치매를 진단하기 위한 기존 방법으로는 PET(양전자 방출 단층촬영)이 있는데, 이는 매우 비싸고 체내에 방사선 물질을 주입해야 하기 때문에 환자의 방사선 조사량의 문제점과 시간이 오래 걸린다는 단점으로 환자들의 접근성이 매우 떨어진다. 때문에 어떻게 하면 빠르고 쉽고 정확하게 진단할 수 있을까를 고민한 것이 연구를 시작한 계기이다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저 치매의 종류 중 가장 큰 범위를 차지하는 알츠하이머성 치매를 타겟으로 하여, 대표적인 알츠하이머성 치매의 바이오 마커인 올리고머Aβ 혹은 tau뿐만 아니라 miRNA와 다른 염증 마커를 포함한 알츠하이머성 치매 징후를 나타낼 수 있는 바이오마커들을 마이크로어레이를 통한 스크리닝하여 추가하였다. 또한 환자의 접근성을 위해 비교적으로 비침습적인 혈액, 그중 혈장을 이용하는 것을 목표로 실험을 전개를 하였다. 혈장에서 바이오마커들의 양을 확인하기 위해, 기존 ELISA와 FISH의 원리와 소광체와 형광체의 거리 의존적인 FRET적인 요소를 포함하였고, 이를 실현시키기 위해 결합된 스템루프 복합체로 분자비콘을 제작하여 키트를 개발할 수 있었다.
*ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay):효소결합면역흡착검사로 항체나 항원에 효소를 표지하여 효소의 활성을 측정하여 항원-항체 반응의 강도와 그양을 정량적으로 측정하는 방법
*FISH(Fluorescence in situ Hybridization):형광동소보합법으로 특정 DNA 염기서열의 존재 유무를 규명하기 위한 방법
*FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer):두 종류의 형광물질이 가까운 거리에 있을 때 공명에 의해 에너지를 전달하는 현상이며 거리 의존적이다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

스템 루프를 형성하는 형광 나노 입자 복합체를 제작하기 위한 적당한 조건을 찾기 위해 여러 시행  착오가 있었다. 온도와 pH 그리고 각 혼합물의 농도가 제작에 있어서 매우 예민하게 작용하기 때문에 적정한 조건을 찾는데 많은 어려움이 있었지만, 많은 시행착오 끝에 가장 효율적으로 제작할 수 있는 조건을 찾는데 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재 증상이 나타나기 전 치매를 진단하기 위해서는 PET 및 신경심리 검사를 이용하는데, 이는 시간과 비용이 많이 들고 체내에 방사선 물질 주입을 해야 하는 점에서 증상이 나타나기 전의 환자가 검사를 실시하기에는 어려움이 있다. 이와 같은 어려움을 해결하기 위해 비교적 비침습적인 혈액을 이용할 수 있는 키트를 개발하였으며, 동시에 여러 바이오마커(miRNA8종 항원16종) 수치를 형광 발색을 통해 확인하므로 더욱 정확하고 신속하며 객관적인 진단을 내리기가 수월하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

치매 극복을 위해 원인규명 및 발병 기전 규명 - 예측 및 진단기술개발 - 예방 및 치료기술개발로 이어지는 연구를 활성화하여 더욱 치매 연구에 매진 하고 싶다.

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.