바이오인

핵심내용

세포막을 이용하여 고정밀 혈당측정기 개발

적혈구의 포도당 선택적 투과 능력 활용

□ 포도당만 선택적으로 투과시키는 적혈구 세포막을 이용하여 당뇨병 환자의 혈당측정 오차를 획기적으로 줄일 수 있게 되었다. 윤대성 교수(고려대학교) 연구팀이 적혈구 세포막을 혈당센서에 코팅하여 스마트 고선택성 혈당센서를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다. 이 연구에는 김인수 박사과정(제1저자, 고려대학교)과 이규도 박사(공동교신저자, 고려대학교)가 주저자로 참여했다.

□ 당뇨병은 아직까지 완전한 치료제가 없으며, 환자 스스로 혈당 수치를 정상상태로 유지하기 위해 지속적으로 노력해야 한다. 이를 위해 환자가 수시로 혈당을 확인할 수 있는 개인용 혈당측정기가 많이 활용되고 있다.

□ 그러나 개발된 혈당측정기는 오류가 자주 발생한다. 효소와 포도당의 전기화학적 반응을 통해 혈당을 측정하는데, 혈액 속 단백질, 환자가 섭취한 식품이나 약물이 효소와 포도당의 상호작용을 저해하기 때문이다. 오차를 줄이고 보다 정확히 측정할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

□ 연구팀은 적혈구 세포막에 정밀하게 포도당만을 흡수하는 포도당 수송체가 다수 존재하는 것에 착안하였다. 적혈구 세포막으로 200 nm(나노미터) 두께의 포도당 선택적 반투과성 막을 제작하여 혈당센서에 적용했다.

 ㅇ 혈당 측정에 간섭을 일으키는 요산, 비타민 C, 갈락토오스를 포함하여 실험한 결과, 적혈구 세포막으로 코팅한 혈당센서에서 오차가 대폭 줄어든 것을 확인했다. 기존 혈당센서에서 오차가 28.2% 발생한 반면, 적혈구 세포막으로 코팅한 경우에는 오차가 2.6%에 그쳤다.

□ 윤대성 교수는 “이 연구는 적혈구 세포막을 자연모사함으로서 포도당을 제외한 다른 생체물질에는 반응하지 않는 고성능 혈당센서 기술을 개발한 것”이라며, “세포막코팅을 이용한 선택적투과기술은바이오센서 분야 뿐 아니라 약물전달시스템 및 조직공학 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었다. 분석화학 분야 저명 국제학술지 바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics) 4월 15일자 논문으로 게재되었다.

상세내용

[주요내용 설명]

□ 논문명, 저자정보

 ○ 논문명
A highly permselective electrochemical glucose sensor using red blood cell membrane

 ○ 주저자
김인수 박사과정(제1저자, 고려대학교), 이규도 박사(교신저자, 고려대학교), 윤대성 교수(교신저자, 고려대학교)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 국제 당뇨병 연맹에 따르면 세계적으로 2015년도 4억 1500만 명의 당뇨병 환자가 있으며, 2040년도에는 6억 4200만 명으로 늘어날 것으로 추산하고 있다. 이는 세계 성인인구의 10%로써, 10명 중 한 명이 당뇨병에 걸릴 것으로 예상하는 것이다.
  ○ 당뇨병은 현재 완전한 치료제가 없을뿐더러 시력 상실, 심장 마비, 뇌졸중 및 혼수상태 등 다양하고 심각한 합병증을 동반할 수 있다는 점에서 환자의 지속적인 식이관리와 노력이 필요하다. 당뇨병 환자는 자신의 혈당을 지속적으로 관찰하며, 혈당을 정상상태로 유지하기 위해 노력한다. 하루에도 네 번 이상 관찰할 수 있도록 개인용 최소침습형 혈당측정기가 개발되어 왔다.
  ○ 혈당측정기는 혈액 내의 포도당의 양을 측정하기 위해 효소를 사용하는데, 환자가 섭취한 식품이나 복용하는 약에 의해 부정확한 혈당 정보를 제공하는 한계가 있으며, 부정확한 정보로 인해 부적절한 인슐린 및 혈당 강하제의 투여를 야기할 수 있다.
  ○ 혈액 내의 여러 물질에 의한 측정의 오차를 극복하기 위해 많은 기술들이 개발되고 있다. 대표적으로 다양한 중합체(polymer)를 사용하여 물리적인 크기에 따라 걸러내거나 전기적 반발력을 이용해 반투과성 막을 만드는 기술 등이 발전해 왔다. 하지만 포도당과 유사한 분자구조와 크기를 갖는 물질들을 정확하게 걸러내는 데 한계가 있어왔다.

 2. 연구내용
  ○ (연구방법 및 연구 절차) 사람의 혈액에서 원심분리를 통해 적혈구를 추출 및 정제하였으며, 저삼투압 용액을 통해 적혈구에서 적혈구막을 분리하였다. 기존 상용화된 혈당센서에 정제된 세포막을 농도별로 코팅하여 100 nm ~ 500 nm 두께의 막을 형성하였다 (단일 세포막의 두께는 5 ± 1 nm). 세포막을 코팅하여 만든 혈당센서를 이용해 당뇨병 환자의 혈당 범위에 맞춘 포도당 용액을 측정하였고 포도당과 오차발생원*을 함께 넣어서도 측정하였다.
     * 오차발생원(Interfering species) : 혈액 내에 존재하는 혈당측정을 방해하거나 간섭을 일으키는 물질들을 일컬음. 갈락토오스(Galactose), 아스코르브산(비타민C, Ascorbic acid), 요산 (Uric acid) 등이 있다.

  ○ (연구결과) 세포막을 코팅한 혈당센서의 경우 순수한 포도당 용액을 측정한 결과가 세포막을 코팅하지 않은 혈당센서의 결과와 같았다. 하지만 포도당과 오차발생원을 함께 넣어 측정할 경우, 세포막을 코팅한 혈당센서는 포도당의 신호에서 큰 변화가 없었지만(최대 2.6%의 오차율을 보임), 코팅하지 않은 혈당센서는 오차발생원의 농도에 따라 신호가 크게 변화(최대 28.2%의 오차율을 보임)하였다. 이를 통해 적혈구막을 코팅할 경우 오차발생원에 영향을 거의 받지 않는다는 것을 실험적으로 증명하였다.

  ○ (기존 연구와의 차이점 및 핵심내용) 기존의 혈당센서의 정확도를 높이는 연구는 오차발생원을 거르기 위해 다공성 고분자(porous polymer)를 코팅하는 방법을 사용했다. 이와 같은 방법은 입자의 크기 차이에 의해 작동하는데, 혈액 내 수많은 물질 중에는 포도당과 크기가 유사한 오차 발생원도 다수 존재한다. 반면에 이 연구는 혈당센서 최초로 생체 물질인 적혈구막을 혈당센서에 적용하였다. 적혈구막에 다량 존재하는 포도당 수송체가 포도당만을 선택적으로 통과시키며, 이와 유사한 크기의 오차발생원은 통과시키지 않는 특징을 지닌다. 결론적으로 이 연구는 정밀한 생체기계인 포도당수송체를 함유한 적혈구세포막을 혈당센서에 도입함으로서 이전에는 도달할 수 없었던 높은 선택성을 혈당센서에 부여할 수 있었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ (연구의 핵심내용 및 기대효과) 이 연구에서는 세계 최초로 혈당센서에 적혈구의 세포막을 포도당 선택적 필터로 적용하였다. 그 결과 포도당이 오차발생원들과 혼합되어 있는 상황에서도 고선택성을 갖는 정확한 혈당측정이 가능하게 되었다. 이러한 연구 성과는 앞으로 당뇨병 환자의 자가 혈당측정이나 임신성 당뇨를 측정할 때 보다 정확한 포도당 농도를 측정할 수 있기 때문에 당뇨진단기 산업에 큰 영향을 끼칠 것으로 보인다.

  ○ (적용·응용 분야) 적혈구의 세포막 뿐 아니라 다른 세포의 세포막을 적용할 경우 다양한 질병을 진단할 수 있는 고정밀 바이오센서를 개발할 수 있을 것이다. 또한 이 기술은 약물전달시스템 및 조직공학 분야에도 적용 가능할 것으로 기대된다.

...................(계속)

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