암 조기진단 이끌 나노바디 기반 초정밀 바이오센서 개발

- 생명연-표준연-기초지원연 등 융합기술로 기존 ELISA 대비 감도 1,000배 향상된 초정밀 바이오마커 진단 플랫폼 개발

- 기술사업화 연계 통해 질병 초기 미세한 생체변화를 빠르고 정확하게 감지하는 진단기기 개발 기대

□ 한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 바이오디자인교정연구센터 우의전 박사 연구팀은 암과 염증 반응의 주요 진단 지표 중 하나인 인터루킨-6(Interneukin-6, 이하 IL-6) 단백질을 초정밀하게 감지할 수 있는 나노바디 기반의 바이오센서를 개발했다고 밝혔다.

□ IL-6는 면역반응을 조절하는 단백질로, 우리 몸이 염증이나 암세포에 반응할 때 그 수치가 급격히 높아지는 특징이 있어 췌장암, 신장암, 자가면역질환, 패혈증 등 다양한 질환의 조기진단과 예후 모니터링의 핵심 지표(biomarker)로 활용되고 있다.

ㅇ 그러나, 기존의 진단기술(ELISA, PCR 등)은 분석 시간이 길고, 숙련된 인력이 필요하며, 극미량의 단백질을 탐지하기에는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 항체보다 10분의 1 크기인 나노바디에 주목했다. 나노바디는 낙타과 동물의 항체에서 유래한 초소형 단백질로 일반 항체보다 훨씬 작고 구조적으로 단단하며, 세균에서도 쉽게 생산할 수 있어 진단기기 개발에 매우 유리하다.

ㅇ 특히, 작은 크기 덕분에 센서 표면에 더 촘촘히 부착할 수 있고, 온도와 환경 변화에도 안정적이어서 현장 진단(POCT) 기기로 발전시킬 가능성이 크다.

ㅇ 이에 연구팀은 기존 항체의 ‘핵심 부분(인식 부위)’만을 정밀하게 복제하여 나노바디로 직접 바꿀 수 있는 ‘CDR 그래프팅(CDR grafting)’ 기술을 고안했으며, 이를 통해 면역 동물실험 없이도 고정밀 나노바디를 신속하게 제작할 수 있게 되었다.

□ 이렇게 설계한 나노바디를 한국표준과학연구원(이하 표준연)이 보유한 액체 속 반응을 직접 감지할 수 있는 실리콘 센서(Solution-Immersed Silicon; SIS) 기술과 결합하여 세계 최고 수준의 민감도를 갖춘 바이오센서를 구현하는 데 성공했다.

ㅇ SIS 센서는 액체 환경에서 실리콘 표면의 빛 반사 변화를 정밀하게 측정하여 단백질 결합을 실시간으로 감지하는 첨단 광학 기술로금속막이 필요하지 않아 신호 간섭이 적고 안정성이 높다.

□ 이번에 개발된 센서는 극미량의 단백질도 탐지할만큼 매우 민감했다. IL-6 단백질이 1조분의 1그램(4.5 fg/mL) 수준으로 존재해도 감지할 수 있을 만큼 정밀했으며, 이는 현재 사용되는 ELISA 진단키트 대비 약 1,000배 높은 감도에 해당한다.

ㅇ 더 나아가, 췌장암과 신장암 환자의 혈청을 분석한 결과, 건강한 사람과 환자를 명확히 구분할 수 있었으며, 임상 진단에 직접 활용될 수 있는 가능성도 확인되었다.

□ 이번 연구의 가장 큰 성과는 단순히 새로운 센서를 만든 데 그치지 않고, 항체를 나노바디로 직접 바꿀 수 있는 설계 플랫폼을 제시했다는 점이다.

ㅇ 이 플랫폼을 활용하면 특정 질병 단백질을 인식하는 항체가 이미 확보되어 있는 경우, 해당 항체를 단기간에 나노바디로 바꾸어 다양한 센서나 진단기기에 적용할 수 있다.

ㅇ 해당 기술이 상용화되면 암 조기진단은 물론, 병원·가정·응급 현장에서도 신속한 질병 판별이 가능해질 것으로 기대된다.

□ 이번 성과는 중대질환진단융합연구단(단장 김승준) 사업의 일환으로 생명연의 나노바디 설계 기술, 표준연의 용액침지형 실리콘(SIS) 센서 기술, 한국기초과학지원연구원과 국립암센터의 단백질 분석 및 임상 검증 역량이 융합된 다기관 융합연구의 대표적인 사례라 할 수 있다.

ㅇ 또한, 이번 연구성과는 기존에 SIS센서를 개발한 (주)에스아이에스센서를 통하여 기술사업화로 연계될 것으로 기대된다.

□ 연구책임자인 우의전 박사는 “이번 연구는 항체공학과 정밀계측기술을 결합해 생체신호를 극미량에서도 감지할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 것이다”라며, “이 기술을 통해 암이나 염증성 질환 등 다양한 질병의 초기 단계에서 발생하는 미세한 생체변화를 빠르고 정확하게 진단할 수 있는 기반을 마련했다”고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구성과는 세계적인 과학 저널인 Chemical Engineering Journal (IF 13.2)에 10월 23일 온라인 게재되었으며, (논문명 : Development of a high-sensitivity interleukin-6 biosensor by combining nanobody engineering and solution-immersed silicon ellipsometry / 교신저자 : 우의전(생명연), 김동형(표준연) / 제1저자 : 찬다나, 최정현 )

ㅇ 국가과학기술연구회 융합사업, 과기정통부 기초연구사업, 생명연 주요사업 지원으로 수행되었다.

그림 1. IL-6 결합 나노바디의 설계 및 기능 검증

(a) 항체의 CDR을 나노바디 구조로 이전하는 개략도 (CDR-grafting 전략)

(b) CDR 정의 방식(Chothia vs AHO)에 따른 나노바디의 IL-6 결합력 비교 (FACS 분석)

(c) 나노바디(NB)와 IL-6의 복합체 형성 확인 (SEC 분석)

(d) ELISA 기반 나노바디-IL-6 결합력(KD) 측정

(e) 등온적정열량계(ITC)를 통한 나노바디 결합 분석

(f) 나노바디 구조와 기존 항체의 결합 부위 비교 (X-ray 결정 구조)

(g) 나노바디에 의한 IL-6/IL-6R 결합 억제 확인 (Inhibition ELISA)

그림 3. 혈청 내 IL-6 검출 성능 평가

(a) 극저농도(10 fg/mL) IL-6에 대한 나노바디 센서 반응 비교

(b) 혈청 조건에서 다양한 농도(10 fg/mL~100 ng/mL) IL-6 측정 결과

(c) 측정값의 선형성 분석 및 ELISA 대비 성능 비교 (약 1000배 민감도)

(d) 임상 혈청 샘플에서 IL-6 분석 : 췌장암, 신장암 환자 및 건강 검진군의 IL-6 농도 측정 결과

...................(계속)

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