패혈증 및 전염병 '2시간 내 진단'
패혈증 및 전염병 '2시간 내 진단'
  • 강지희
  • 승인 2019.10.23 13:40
  • 조회수 2456
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논문 표지. 출처: 재료연구소
연구팀의 논문 표지. 출처: 재료연구소

약 100조원 규모의 전 세계 체외진단 센서 시장은 미국과 독일 등 다국적 바이오 기업이 거의 독점적 우위를 차지하고 있는데요. 이러한 상황에서 국내 연구팀이 현장에서 동물매개 전염병이나 질병의 초기진단이 가능한 초고감도 3차원 바이오센서 칩을 개발했습니다. 

 

재료연구소 표면기술연구본부 박성규 박사 연구팀이 이끄는 국제 공동 연구팀(재료연구소, 미국 하버드 의과대학 메사추세츠 종합병원(MGH), 영국 임페리얼 공대, 독일 뮌헨 공대)은 패혈증이나 조류독감을 현장에서 빠른 시간(약 2시간 이내) 안에 초고감도(ppb 이하)로 검출할 수 있는 3차원 바이오센서 칩을 개발했습니다. 해당 논문은 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다. 

 

금속 나노입자 이용해 합성

대면적 바이오센서 칩 및 바이오센서 성능평가. 출처: 재료연구소
대면적 바이오센서 칩 및 바이오센서 성능평가. 출처: 재료연구소

재료연구소 박성규 박사 연구팀은 세계 최초로 금속 나노입자를 진공에서 직접 합성 가능한 원천기술을 개발했습니다. 연구팀은 고분자 나노소재와 금속의 표면에너지 차이를 극대화시켰는데요. 이를 통해 고분자 나노구조 상에서 귀금속 나노입자를 구형으로 형성했습니다. 이번에 개발한 고감도 바이오센서 칩은 3차원 고밀도 금속 나노 구조체의 플라즈몬 공명 현상을 이용했는데요. ppb 이하 극미량의 단백질 바이오마커 검출이 가능합니다.

 

한편, MGH 임형순 교수 연구팀은 혈액에서 패혈증 관련 단백질 바이오마커만을 선택적으로 결합해 형광 이미지 구현을 통해 분석 가능한 형광 기반 면역 분석법을 개발했습니다. 독일 및 영국 연구팀은 3차원 금속 나노구조의 광학 전산모사를 통해 플라즈몬 공명 현상을 해석하해 초고감도 3차원 바이오센서 칩의 성능을 이론적으로 뒷받침했습니다.

 

진공증착 공정을 통해 형성된 금속 나노입자는 표면에 계면활성제와 같은 화학물질을 포함하고 있지 않습니다. 덕문에 면역분석법을 통한 형광 분석 시 형광신호의 세기와 민감도 등을 향상시킬 수 있는 장점을 갖습니다.

※ 진공증착 공정?

진공 속에 금속 소스를 넣고, 금속을 가열(열 증착법)하거나 플라즈마 발생(스퍼터링 증착법)을 통해 금속 소스를 휘산(揮散)시켜 기판 표면에 얇은 층(thin film)을 형성하는 공정을 말합니다. 금속 원자는 개별적으로 기판 표면에 도달해 표면에서 응축됩니다. 때문에 연구팀은 기판 표면과 금속의 표면에너지 차이를 극대화하면 구형의 금속 원자 응집체 (즉 금속 나노입자)가 형성됨을 본 연구개발에서 세계 최초로 규명했습니다.

 

※ 바이오마커(Biomarker)?

일반적으로 단백질이나 DNA, RNA 및 대사물질 등을 통해 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말합니다.


※ 면역분석법(Immunoassay)?

항원과 항체 간의 결합이 큰 특이반응을 이용해 불순물이 많은 생체시료(혈액, 타액, 소변 및 땀)로부터 목적으로 하는 미량의 바이오마커를 선택적으로 결합하는 기술을 말합니다.

 

※ ppb(parts per billion)?

10억 분의 1(10-9)이라는 뜻입니다. 극미량 성분의 농도를 나타낼 때 사용합니다.

현재 재료연구소 연구팀은 MGH와 공동으로 10여종의 패혈증 바이오마커에 대해 초고감도 다중분석기술을 통해 진단 정확도의 향상 기술을 개발하고 있으며 이와 함께 국내 광학기기 제조업체와 휴대형 질병진단기기 또한 개발하고 있습니다. 연구책임자인 재료연구소 박성규 책임연구원은 "패혈증은 전 세계적으로 매년 3천만 명 이상이 발병하고, 발병 후 일주일 이내에 사망하는 치사율이 20%인 매우 위험한 질병"이라며 "2시간 이내에 패혈증을 확진할 수 있는 초고감도 쾌속 진단기기의 개발이 치사율을 낮추는 가장 효과적인 방법이 될 것으로 기대한다"고 말했습니다.

 

재료연구소의 바이오센서 칩을 직접적으로 분석한 MGH 임형순 교수는 "바이오센서의 상용화를 위해서는 고감도 바이오센서 칩의 대면적 제조 공정의 확립과 재현성 확보가 관건"이라며 "재료연구소의 3차원 바이오센서 칩은 두 가지를 모두 만족시키기 때문에 향후 패혈증 임상 샘플을 통한 실증 연구에보다 집중할 계획"이라고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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