초음파로 체내 금속 탐지하는 진단 기술 개발
초음파로 체내 금속 탐지하는 진단 기술 개발
  • 이웃집편집장
  • 승인 2022.04.13 23:35
  • 조회수 651
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한미 연구진이 초음파로 아연, 칼슘과 같은 체내 금속 이온을 직접 들여다 볼 수 있는 진단기술을 개발했습니다. 

 

UNIST는 도시환경공학과의 김건 교수가 美 텍사스대학교, 일리노이대학교 연구진들과 함께 초음파의 열로 DNA 센서(DNAzyme)를 활성화해 생체 내 금속 이온을 모니터링 할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔습니다. 활성화된 DNA 센서가 금속 이온을 감지하면서 형광이 나타나 금속 이온을 눈으로 확인 할 수 있는 방식인데요. 

개발된 초음파-DNA센서(DNAzyme) 기반 금속 이온 감지 기술의 원리.초음파(HIFU)가 DNA센서(DNAzyme)를 활성화하며, Zn2+ (아연) 이온을 첨가하면 활성화된 DNA센서가 절단 (cleavage) 되어 광학적 신호가 발생한다. 광학적 신호는 절단된 DNA센서와 아연 이온과의 결합 정도에 따라 결정된다. 동물 실험에서 초음파 처리를 한 쪽(왼쪽 옆구리)에서 강한 형광 신호를 얻었으며, 이는 초음파가 DNA 센서를 활성화 할 수 있다는 의미다. 출처 : UNIST
개발된 초음파-DNA센서(DNAzyme) 기반 금속 이온 감지 기술의 원리.초음파(HIFU)가 DNA센서(DNAzyme)를 활성화하며, Zn2+ (아연) 이온을 첨가하면 활성화된 DNA센서가 절단 (cleavage) 되어 광학적 신호가 발생한다. 광학적 신호는 절단된 DNA센서와 아연 이온과의 결합 정도에 따라 결정된다. 동물 실험에서 초음파 처리를 한 쪽(왼쪽 옆구리)에서 강한 형광 신호를 얻었으며, 이는 초음파가 DNA 센서를 활성화 할 수 있다는 의미다. 출처 : UNIST

연구팀은 “이 기술로 단일 세포 수준에서 뿐만 아니라 실제 살아 있는 쥐의 옆구리에서 아연 이온을 감지하는 데 성공했다”며 “다양한 진단 기술 개발, 체내 금속 이온의 역할을 규명하는 연구” 등에 도움이 될 것 이라고 설명했습니다. 

 

기존에는 DNA 센서를 광학 레이저 등을 이용해 활성화 했는데, 레이저가 피부나 근육 속을 깊숙이 투과하지 못해 응용에 제약이 있었습니다. DNA 센서는 유전물질로 알려진 DNA를 변형해 만든 인공 물질로 생체 친화적 의료 진단 플랫폼 등으로 주목받는 물질입니다. 

 

연구팀은 초음파 시스템을 개발해 이 같은 기술적 한계를 극복했습니다. 긴 작동 시간동안 특정 온도(43°C)로 유지할 수 있도록 초음파의 열에너지를 정밀하게 조절하는 기술이 적용됐는데요. 온도가 너무 낮으면 센서가 충분히 활성화 되지 않아 금속 이온 감지 민감도가 떨어지며, 너무 높으며 살아 있는 동물의 조직이 손상되기 때문입니다.

 

실제 살아 있는 쥐 옆구리에 DNA 센서를 주입한 뒤 30분 동안 초음파 처리를 했을 때, 초음파 처리를 하지 않은 부위 보다 강하게 형광 발색이 나타남을 확인했습니다. 초음파의 뛰어난 DNA 센서 활성화 기능을 입증한 것입니다.

 

김 건 교수는 “초음파 기술이 기존 광역동 치료, 영상 이미지뿐만 아니라, 체내 특정 성분 감지, 약물전달을 위한 나노입자 활성화 등으로까지 쓸 수 있다는 사실을 보여준 연구”라고 설명했습니다. 

이번 연구 결과는 최상위 화학 학술지 중에 하나인 미국화학회지(JACS)에 지난 3월 19일자로 게재됐습니다.

논문명: Noninvasive and Spatiotemporal Control of DNAzyme-Based Imaging of Metal Ions In Vivo Using High-Intensity Focused Ultrasound

 

#용어설명

1. DNA 효소 (DNAzyme)

DNA 효소(DNAzyme)는 Deoxyribozymes, DNA enzymes, catalytic DNA 등으로 불리며 체내 특정한 화학반응을 가능하게 해주는 DNA oligoncleotide (한 가닥 DNA의 짧은 사슬)이다. DNA 효소는 “효소 센서”라고 불리며 본 연구에서는 체내 금속 이온을 감지하고 이미징하는 데 사용되도록 설계되었다. 

2. 고강도 집속 초음파 (high-intensity focused ultrasound, HIFU)

방사된 기계적 에너지를 표적으로 한 부분에 집중시키는 초음파 기술. 고강도 집속 초음파를 마찰 열에너지로 변환해 조직을 응고시키는 기술은 의료용으로 상용화 됐다.

3. 시·공간적인 제어 (spatiotemporal control)

초음파 발생 에너지를 원격으로 조절하는 기술. 본 연구에서 말하는 시·공간적인 제어는 발생한 초음파 에너지를 원하는 시간 동안 원하는 위치에서만 발생시킬 수 있음을 의미함. 

4. 동물 실험 (In vivo)

생체 내를 의미함. 보통은 실험용 쥐 등의 동물을 이용한 의료 실험을 의미함.


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