바이오인

출처: biozine

첨단 Lab-on-a-Chip 기술 개발과 신약탐색에의 응용

김혜림 · 한종훈 (hahn@postech.ac.kr)

포항공과대학교 화학과 생의학분석기술연구실

1. Lab-on-a-Chip이란

Lab-on-a-Chip(이하 LOC)은 유리, 실리콘, 또는 플라스틱으로 된 수 ㎠ 크기의 chip 위에 분석에 필요한 여러 가지 장치 들을 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 집적시킨 화학 마이크로 프로세서 로 최근 급속히 성장하는 제약 산업 분야에서 신 약탐색에 필요한 비용과 시간을 줄일 수 있는 중요한 기술로 각광받고 있다.

LOC기술은 반도체 제작에 사용되는 식각(lithography)기술을 이용하여 유리, 실리 콘, 또는 플라스틱에 필요한 분석장 치들을 초소형으로 제작하여 시료의 전처리, 반응, 분리, 검출 등의 과정을 하나의 chip 위에서 연속적으로 수행 가능하도록 한 다.(그림 1) 이로 인해 분석에 필요한 시료와 시약의 소모량을 최소화할 수 있으며, 분석의 자동화가 용이하고, 아울러 시 간과 비용을 현저히 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다. 이러한 장점은 마이크로 크기의 채널을 제작하여 그 안에서 유 체의 흐름을 자 유롭게 제어하는 기술을 통해 실현된다.

1-1. Lab-on-a-Chip의 제작방법

[그림1] Lab-on-a-Chip.

LOC는 분석에 필요한 모든 과정들이 하나의 작은 칩 위에서 수행될 수 있도록 여러 개의 채널이나 미세 구조물들을 포함 하는데 이를 제작하기 위하여 반도체 제작 공정에 사용되는 미세가공 기술인 photolithography와 etching 기술을 이용한다. 칩의 제작에 는 투명한 유리나 수정판이 많이 사용되나 제작이 어렵고 높은 비용과 오랜 시간이 요구되 어 생산성이 떨어진다. 이 러한 단점을 보완하기 위해 신속하고 대량 생산이 가능한 여러 가지 종류의 고분자 재료를 이용한다. 그 중 polydimethylsiloxane(PDMS) 는 주형(master)에 부어 성형하는 몰딩 방법을 이용하여 손쉽고 단시간에 대량 제작이 가능하며, 230 nm 부근까지 광학 적으로 투명하고 독성이 없다는 장점이 있어 제작에 많이 사용된다. PDMS chip 제작방법은 아래 그림 2와 같다.

또 다른 방법 중 하나는 LIGA기술을 이용한 Lab-on-a-Chip 제작이다. LIGA 공정은 방 사광 가속기의 강한 X-ray를 이 용한 노광으로 손쉽게 마이크로 이하의 정밀도를 갖는 수백 ㎛두께의 고종횡비 (high aspect ratio)의 레지스트 구 조로 제작할 수 있다. 그리고 전기도금을 이용하여 레지스트의 금속 복제품을 제작하고, 이 를 이용한 사출 성형 통하여 세라믹, 플라스틱 등의 다양한 재료로 된 구조물을 제작할 수가 있다.

[그림2] PDMS chip 제작과정.

1-2. Lab-on-a-Chip의 검출방법

현재 LOC에는 다양한 분리방법이 이용, 개발되고 있다. 모세관 전기영동법 (capillary electrophoresis)은 가장 널리 사용되고 있는 방법 중 하나로 용액의 흐름을 제어하고 혼합물을 분리하는 방법이다. 전기삼투 흐름과 전기영 동을 이용하며 전기삼투흐름(electroosmotic flow)은 채널의 양단에 전기장을 가할 때 발생되는 흐름으로 소형화된 액상 분리시스템에서 매우 유용하 다. 또한 펌프를 이용한 일반적인 유체역학적인 흐름을 이용하기도 한다.

[그림3] Absorption chip.

레이저유발형광(LIF : laser induced fluorescence) 검출법은 광원으로 레이저를 사 용하는 방법인데, 감도와 선택성이 높기 때문에 복잡한 생체 혼합물 내에 극미량으로 존재하는 생화합물을 분석 하는 데에 매우 유용하다. 그러나 LIF는 광원 파장의 제약과 형광물질을 시료에 붙여야 하는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위 해 흡광검출법이 이용된 다. 이 검출법은 시료의 특성에 제한이 없이 다양한 시료의 검출에 상용될 수 있으며, 시료에 표지물질을 붙일 필요도 없 으므로 현재 가 장 널리 사용되는 검출 방법이다. Absorption chip(그림3)은 흡광검출법을 이용한 chip으로 고분자 물질인 PDMS를 사용하여 제작 할 수 있으므로 손쉽게 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 이밖에도 Confocal LIF 검출과 화학 발광 검출, 전 기 화 학 검출 방법등이 이용되고 있다.

1-3. 모듈 chip을 연결한 시스템 제작 기술

LOC을 모듈화하면 특정 분석이 가능해지고 재활용이 용이하기 때문에 각각의 실험 조 건을 분리하여 최적화 할 수 있 다.

첫 번째 제작 방법은 두 개 이상의 모듈화 된 LOC를 용도에 맞춰 모세관으로 연결하 여 원하는 분석을 수행할 수 있도록 하는 기술이다. 온도의 최적상태가 다른 과정이 하나의 칩위에 집적될 경우 반응부의 온도가 다른 부분에 영향을 주게 된다. 그러나 여러 개의 chip을 연결한 경우 반응 chip은 고온으로 유지하고 분리 chip은 그보다 낮은 온도로 유지하 는 것이 가능하다. (그림 4)

[그림 4] Capillary로 연결된 LOC. [그림 5] Precolumn reaction chip.

두 번째 제작 방법은 입구와 출구 그리고 두 구멍을 연결하는 미세 채널 구조가 배열 된 microfluidic bread board를 만 들고 이 위에 LOC 모듈들을 접합시키는 기술이다. 이 방법은 전자회로실험에서 많이 사 용되는 breadboard개념을 LOC에 이용한 것으로서 각각의 microfluidics process의 부품 개념을 하나로 모듈화하여 원하는 LOC를 만 드는 것이다. 이 방법은 모듈들을 breadboard에 접합시킴으로서 새로운 chip을 개발하는 데에 걸리는 시간과 비용을 줄 여준다.(그림 5)

2. 신약 탐색 및 의료 진단용 Lab-on-a- Chip

LOC 기술은 인간 게놈 프로젝트의 완성과 함께 앞으로 biochip(DNA chip, protein chip등)을 이용한 신약탐색, 의료 진단장비 및 인간 유전자 검색 장비 시장 분야에서 큰 시장을 형성하면서 고속성 장을 할 것으로 예측된다.

2-1. 신약 탐색 응용기술

[그림 6] 신약탐색을 위한 LOC. [그림 7] 의료진단용 LOC.

현재까지 well plate는 신약 탐색을 위해 가장 많이 사용되는 방법으로 표적이 되는 기질과 병을 일으키는 효소 와 단백질과의 반응을 억제하는 약물을 검색하는 방법이다. 신약 후보 물질의 초고속 고효율 신약 탐색 (high throughput screening : HTS)를 위해 현재 9600개의 well plate로 한번에 10000개 정도의 물질을 검색하는 단계에 왔 으나 well에서 의 용액 증발 문제, 정확한 정량의 문제와 수 nL정도의 미량의 유체를 재현성 있게 다루기 힘들다는 문제 점 등 이 제기되고 있다. 이에 반해 LOC 에서는 미량 유체를 손쉽게 다를 수 있으며, 시료의 전처리, 반응, 미반응물의 분리, 시간에 따 른 약리 효과 측정, 약물이나 효소의 농도에 따른 효과 측정 등 well plate에서 수행할 수 없는 다양한 연구를 고속으로 수행할 수 있 다. 이러한 이점을 바탕으로 먼저 미량 유체 흐름을 조절하기 위하여 microfluidics를 이용한 squeezing micropump, peristaltic micropump, electroosmotic pump등의 방법 등이 이용되고 있다. 이와 함께 신약 탐색을 위한 LOC 의 예로 그림 6과 같이 반응 시간 및 농도에 따른 약리 효과 측정을 위한 chip이 개발되고 있다.

2-2. 의료 진단용 Lab-on-a-Chip

암 등의 질병 진단, 유전자의 돌연변이 검색 등을 수행할 수 있는 biochip 역시 의 료진단 분야에서 획기적인 변화를 가 져오고 있다. 그러나 biochip으로부터 원하는 진단 정보를 얻기 위해서는 혈액 등의 시료를 채취하여 전처리를 수행하는 과정을 거쳐야 한다. 물론 전처리 과정에서는 혈액으로부터 genomic DNA나 mRNA의 분리, 분석에 필요한 정도의 양을 얻기 위한 PCR 및 PCR 생성물 분석, 분석 에 적당한 크기로 자르는 과정이 요구된다. 따라서 DNA chip과 연결하여 간편하고 신속한 혈액 전처리를 수행 할 수 있는 의료 진단용 LOC (그림 7) 역시 지속적인 연구 개발이 진행되고있다.

3. 맺음말

첨단 Lab-on-a-Chip기술은 화학, 생명, 환경, 제약, 의료 보건 등 광범위한 산업전 반에 큰 영향을 미칠 수 있는 새로운 기술 이다. 이는 기존 분석 장비에 비해 훨씬 크기가 작고, 저렴하며, 분석에 필요 한 시약 및 시료의 양을 대폭 줄일 수 있으며, 고 속 분석이 가능하고, 다중 채널에서 동시 분석이 가능한 장점이 있다. 물론 이 기술이 실 용화되어 널리 보급되기 위해서는 채널 내의 극미량, 정밀 유체 흐름제어, 다른 장비와의 연결 문제, 고감도 검출 방법 개발 등의 해결해 야 할 문제들이 많이 있다.

과학의 발전은 새로운 측정 기기의 개발과 그 맥락을 함께 해왔다. 새로운 측정장비 의 개발은 인간이 자연을 바라보 는 '시야'를 넓혀주는 동시에 더욱 미세한 세계까지도 관찰할 수 있는 기회를 제공해 주었다. 이 러한 관점에서 Lab-on-a-Chip 기술은 21세기의 가장 중요한 연구 분야인 생명 과학 연구에 중요한 눈을 제공해 줄 것이다.

◎ 관련 웹사이트

- 포항공과대학교 생의학분석기술연구실 ( http://www.postech.ac.kr/chem/labbi)

- Caliper Technologies ( http://www.calipertech.com/)

- Technology Networks Ltd.( http://www.lab-on-a-chip.com)

- The LOC consortium( http://www.ornl.gov/lsm/laser1.html)

- Sandia National Laboratory( http://www.sandia.gov)

- The Cepheid( http://www.cepheid.com)

- Richard A. Mathies Group ( http://www.cchem.berkeley.edu/~ramgrp/LabWebPage/index.html)