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부처연구성과

피 한 방울로 암 진단 가능한 바이오센서 개발

  • 등록일2022-05-25
  • 조회수341
  • 분류 레드바이오 > 의약기술,   레드바이오 > 의료기기기술,   제품 > 바이오의료기기
  • 성과명
    피 한 방울로 암 진단 가능한 바이오센서 개발
  • 저널명
    어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)
  • IF
    30.849
  • 연구자명
    조윤경
  • 연구기관
    기초과학연구원 첨단연성물질 연구단
  • 사업명
    기초과학연구원 사업
  • 지원기관
    과학기술정보통신부
  • 발간일
    2022-05-18
  • 원문링크
  • 키워드
    #ibs #바이오센서 #진단기기 #암 진단
  • 첨부파일
    • 220518_최종_[IBS 보도자료] 피 한 방울로 암 진단 가능한 바이오... (다운로드 14회) 다운로드 바로보기

핵심내용

피 한 방울로 암 진단 가능한 바이오센서 개발

- 혈액·소변 등 생체시료 전처리 없이 현장진단기기로 직접 분석 -

- 암·감염병 등 다양한 질병 조기 발견 가능 -


기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 조윤경 그룹리더(UNIST 바이오메디컬 공학과 교수) 연구진은 혈액·소변을 이용해 암과 같은 질병을 현장에서 바로 진단할 수 있는 다공성 금 나노전극 기반 바이오센서를 개발했다. 연구진은 이번에 개발한 바이오센서로 전립선암 진단에 성공했고 이 기술은 앞으로 병원체 및 기타 질병진단 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.


소변·혈액 생체시료에는 건강 상태를 알려주는 바이오마커가 포함되어 있어 이를 분석하면 질병 여부를 알 수 있다. 정확한 진단을 위해서는 질병과 관련이 있는 바이오마커를 분리·정제해야 하나 현재는 대형의료시설이나 실험실에서 샘플 분석이 가능해 시간과 비용이 많이 소요된다. 특히 코로나19와 같은 전염병 대유행 시기에는 동시에 수많은 샘플을 분석해야하기에 의료 시스템이 포화 상태에 이를 수 있다.


현장진단기기는 간단하고 빠르게 진단할 수 있고 비용측면에서 효율적이지만, 암 이나 감염성 질환을 진단하기에는 기술적인 어려움이 있다. 암이나 감염성 질환 관련 바이오마커는 혈액 등 생체시료에 매우 소량만 존재해 극도로 민감한 탐지 기술이 필수적이다. 민감도를 높이기 위해선 전극의 표면적을 늘리면 되지만, 이는 오염도1) 역시 증가시키는 문제가 있다.


연구진은 민감도와 정확도가 높은 바이오센서 제작을 위해 다공성 금 나노 전극을 개발했다. 이를 활용해 엑소좀2)과 같은 바이오마커를 분리 정제하는 복잡한 단계를 거치지 않고도 생체시료로 현장에서 전립선 암 진단이 가능함을 확인했다. 이번에 개발한 다공성 금 나노전극은 미셀이 있는 염화나트륨 용액에 평평한 금 표면을 넣고 반복적인 전기를 가해 구현했다. 미셀은 민들레씨 같은 구형태로 머리는 물과 친하고 꼬리는 기름과 친한 막대 모양의 계면활성제가 모여있는 집합체를 말한다. 전기 펄스에 의한 전기화학적 산화환원 반응을 통해 평평한 금전극 표면에서 금을 에칭(부식)하고, 재흡착시킴으로써 나노구조를 성장시키고 나노미터 크기의 구멍을 형성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 미셀은 에칭되어 떨어져 나온 금입자가 용액 속으로 확산되는 것을 막고, 다시 금전극 표면에 흡착되도록 하는 중요한 역할을 했다.

이런 방법으로 넓은 표면적을 만들어내 센서의 민감도를 높이는 한편 나노미터 크기의 구멍을 형성해 샘플의 오염을 방지했다. 연구진은 이를 이용해 소변과 혈 장에서 암세포 유래 엑소좀에 붙어있는 단백질을 검출하며 전립선암 환자 그룹과 건강한 기증자 그룹을 구별했다.

조윤경 그룹리더는 “이번 기술은 현장진단기기의 미래 기술 개발에 핵심 발판을 제공할 것”이라며 “앞으로 다공성 금나노 구조의 잠재력을 활용해 혈액·타액 샘플을 분석하는 진단 칩 개발 등으로 연구를 확대할 예정이다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 30.849) 誌에 5월 17일 온라인 게재됐고 표지 논문 (frontispiece)으로 선정되었다.


[붙임] 1. 연구 추가설명 2. 그림설명 3. 연구진 이력사항

상세내용

 

연 구 추 가 설 명


논문/저널/저자

Publication Information

- Paper Title: SEEDING to Enable Sensitive Electrochemical Detection of Biomarkers in Undiluted

Biological Samples

- Journal, Publication Date: Advanced Materials, April 15th 2022 

- Authors: Jonathan Sabaté del Río, Hyun-Kyung Woo, Juhee

Park, Hong Koo Ha, Jae-Ryong Kim, Yoon-Kyoung Cho 

- DOI: 10.1002/adma.202200981

- Contact Regarding this Press Release: Yoon-Kyoung Cho

연구내용

보충설명

바이오센서는 간단하고 빠르며 비용 효율적인 현장 진단 도구이나, 혈장과 같은 복잡한 생체시료를 직접 사용하게 되면 바이오파울링(biofouling, 전극 에 단백질이 흡착되는 현상)으로 인한 민감도 손실로 인해 한계가 있었다. 표 면적을 증가시킴으로써 나노구조 전극의 검출 민감도를 향상시킬 수 있지만, 표면적을 증가시키는 것은 양날의 검과 같아 오염 단백질의 비특이적 흡착 역시 증가시킨다. 나노 다공성 구조를 사용하면 단백질이 오염되는 것을 방 지할 수 있지만, 미세 가공된 박막 전극과 호환되는 나노구조 및 나노다공성 표면을 생성하기 위한 직접적인 접근 방식은 보고된 바 없었다.


이 문제를 해결하고자 본 연구진은 균질하고 나노 구조화된 나노다공성 금 전극을 생성하기 위해 염화물 및 계면활성제의 도움을 받았다. 금을 에칭하고 재흡착시키는 방법을 통해 1분 이내에 190 ± 20배 더 큰 표면적을 생성 하였다. 이 공정을 나노구조/나노세공 성장을 위한 계면활성제 기반 전기화 학 식각-증착 상호작용(SEEDING)이라고 명명했다.


이러한 다공성 나노금전극 활용은 전류 측정 바이오센서의 민감도 및 생물학 적 오염 방지 기능을 향상시켜 복잡한 생체시료에서 종양 유래 세포외 소포 체(tEV)의 직접 분석을 가능하게 했다. 또 희석되지 않은 혈장에서 300 tEV/μL(마이크로리터 당 세포외소포체 개수)의 검출 한계와 전립선 환자 간 의 우수한 구별을 가능하게 했다.


그리고, 진단기기의 정확도는 (곡선 아래 면적, AUC) 소변에서 0.91이고 혈 장 샘플에서 0.90이다. (1에 가까울수록 진단 정확도가 높으며, 0.9 이상일수록 좋은 센서라 판단된다.) 생체시료의 분리 없이 직접 사용하고도 매우 우수 한 검출 민감도를 확보할 수 있었다.

연구 이야기

나노구조 및 나노다공성 표면은 진단에 사용될 때 오염방지(antifouling) 기 능과 고감도 향상에 관여하며, 견고성 부족과 저민감도로 인한 현장진단기기 개발의 주요 병목 현상을 해결 하는데 있어 매우 중요하다. 본 기술은 제조 방법이 간단하고 빠르며 확장 가능하다는 장점이 있고 소형화 및 통합 진단 칩을 제조할 수 있다.


이 연구에서 가장 어려운 부분은 평평한 기판에 나노구조와 나노포어가 형성 되는 메커니즘을 파악하고 이해하고 특성화하는 것이었다. 전체 프로세스의 성공을 위해 시약 선택, 농도 및 전기화학적 조건을 면밀하게 고려하고 미세 조정하였다. 이러한 모든 실험 조건의 요소들은 프로세스의 각 단계에서 서 로 다른 방식으로 상호 작용한다. 예를 들어, 용액에서 계면 활성제는 미셀 (micelles)을 형성하고, 미셀은 정전기 상호 작용을 통해 염화금이온 (chloroauric acid)에 결합한다. 동일한 계면활성제는 금 전극 표면에 약하 게 결합하지만, 금에 염화물(chlorid adlayer) 형성으로 인해 양전위에서 더 두꺼운 층이 형성된다. 염소는 또한 금 기질을 에칭(etching)하여 더 많은 염 화금산을 형성하는 데 도움이 되지만, 새로 형성된 염화금이온은 용액 내의 미셀에 의해 빠르게 포착된다.


연구진은 현재 진행 중인 다양한 프로젝트에서 이러한 다공성 금 나노 구조 의 잠재력을 활용하고 있다. 결장직장암과 관련된 여러 바이오마커를 검출하 기 위해 진단 플랫폼을 혈장 샘플로 분석 및 개발하고 있다. 또한, 감염성 병 원체 존재 여부에 대해 타액 샘플을 증폭 및 분석하는 진단 칩도 개발 중이 다. 마지막으로, 유사한 제조 방법으로 저렴한 재료를 사용하는 방법에 대해 서도 연구 중이다. 견고성과 감도는 현장진단기기에 중요한 요소이지만 일회 용 진단 테스트의 개발을 위해 저비용의 재료와 제조방법을 탐색하는 것 또 한 현장진단기기의 광범위한 수용을 위해 중요하기 때문이다.


 

...................(계속)

 

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