△ 국내에서 신개념 바이오센서가 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 신개념 바이오센서가 잇따라 등장하고 있다.

17일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 국산 벤토나이트를 이용한 통풍·신장질환 진단 바이오센서, 유전자 가위 활용 40분내 항생제 내성 유전자 진단기술, 폐암 유발 바이오마커 빠르게 검출 바이오센서 등의 개발에 성공했다.

한국지질자원연구원(KIGAM) 포항지질자원실증연구센터 김재환 박사팀은 최근 캐나다 캘거리대 연구팀과 함께 국내 동남권산 벤토나이트를 활용해 차세대 전기화학 바이오센서를 개발했다.

전 세계적인 고령화와 만성질환 증가로 현장진단(POC) 기술 수요가 빠르게 늘고 있다.

특히 통풍, 신장질환, 대사증후군의 핵심 바이오마커인 요산 농도를 조기에 정확히 측정하는 것이 진단과 치료 효과를 높이는 방법이다.

그러나 효소법 등 기존 실험실 기반 분석법은 높은 정확도에도 고가의 장비와 전문인력, 분석 시간이 필요해 현장 적용에 한계가 있다. 유력한 대안인 전기화학 바이오센서는 상용화에 어려움이 남아 있다.

연구팀은 전도성이 낮아 바이오센서 활용에 한계가 있던 벤토나이트에 주목했다. 벤토나이트는 넓은 비표면적과 다공성 층상 구조, 우수한 생체적합성, 단백질 흡착 억제 특성을 갖춰 바이오센서 소재로서의 잠재력이 높다.

이에 전기전도성과 넓은 비표면적을 지닌 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)와 벤토나이트를 결합한 나노복합체를 설계해 두 소재의 장점을 서로 보완하게 만들었다.

이 나노복합체를 자체 설계한 에어브러시 스프레이 공정으로 전극 표면에 균일하게 붙이고 요산분해효소를 전극 표면에 고정화해 최종 바이오센서를 완성했다.

개발된 센서는 통풍·신장질환 진단에 필요한 요산 농도 범위(10~2000μM)를 광범위하게 검출하며 인공 혈청 환경에서도 높은 정확도를 유지했다.

특히 생체오염에 따른 신호 감소율을 기존 대비 27.6%에서 10.0%로 크게 낮추고, 60일 이상 안정적인 성능을 확인했다.

연구팀은 국내산 천연 광물의 과학적 가치를 첨단 의료기술 분야로 확장한 융합연구 성과로 지질자원 기반 소재의 고부가가치화를 통해 바이오·헬스케어, 차세대 진단기기 등 신산업 분야를 선도해 나가겠다는 계획이다.

국립보건연구원(은 최근 '유전자가위(CRISPR)' 기술과 유전자 증폭 기술을 결합해 병원 내 집단감염 위험이 높은 병원성 세균의 주요 내성 유전자를 40분 이내에 검출할 수 있는 현장형 유전자 검출 기술을 개발했다.

이 기술은 별도의 복잡한 장비 없이 현장에서 항생제 내성 유전자를 신속하게 검출할 수 있으며 특히 검출 과정에서 교차 오염을 완전히 차단한 것이 특징이다.

최근 국내 병원에서는 강력한 항생제인 카바페넴에도 내성을 가진 '카바페넴 분해효소 생성 장내세균목(CPE)' 감염이 증가하고 있다.

CPE는 중증 감염을 일으킬 수 있으며 병원내 확산 속도도 빨라 조기 발견이 매우 중요하다. 특히 CPE가 보유하고 있는 카바페넴 분해효소 유전자의 종류에 따라 치료에 사용할 수 있는 항생제가 달라질 수 있어 이를 신속하게 확인하는 분자 진단의 중요성이 더욱 커지고 있다. 

연구팀에 따르면 기존 검사법인 유전자증폭 검사(Polymerase Chain Reaction, PCR)는 높은 정확도에도 검사 시간이 길고 전문 장비와 인력이 필요하다는 단점이 있다.

이에 연구팀은 유전자의 증폭과 검출 과정을 하나의 시험관에서 동시에 진행하는 진단 방식인 '단일튜브(one-pot) CRISPR 분자진단' 방식을 개발해 검사 과정을 대폭 단순화하고 검출 성능을 향상시켰다. 

그 결과 주요 카바페넴 내성 유전자인 KPC와 NDM을 매우 낮은 농도에서도 검출할 수 있었으며 실제 환자 검체 평가에서 민감도 94.4%, 특이도 98.7%를 기록했다. 또 검체 전처리부터 결과 확인까지 약 40분 이내에 가능해 기존 검사보다 신속한 현장 진단이 가능함을 확인했다.

연구팀은 실증 연구를 통해 현장 적용성을 높이고 실제 의료 환경에서도 활용이 가능한 제품화 단계로 발전시킨다는 방침이다.

서울아산병원 생화학분자생물학교실 이창환 교수는 최근 미생물학교실 진준오 교수와 함께 인공지능 기반 구조 분석과 나노기술을 결합해 폐암 바이오마커를 검출하는 키트를 개발했다.

이 키트는 특정 DNA가 폐암 바이오마커와 결합하면 형광 신호가 발생해 별도의 복잡한 장비 없이 육안으로도 검출 결과를 관찰할 수 있다. 진단 정확도는 96%에 달했다고 밝혔다.

폐암을 유발하는 바이오마커로 알려진 USE1은 폐암 환자의 92.5%에서 과발현되는 단백질로 2017년 이창환 교수팀이 세계 최초로 보고한 바 있다.

당시 연구에서 USE1를 억제할 경우 종양의 증식이나 이동, 침윤이 현저히 감소하는 것이 확인되며 폐암 진단과 치료의 주요 표적으로 주목받았다.

이번 연구에서는 USE1을 신속하고 정밀하게 검출해 실제 임상에서 활용할 수 있도록 USE1에 특이적으로 결합하는 고친화도 DNA 압타머를 선별했다.

압타머는 특정 단백질에 선택적으로 결합하는 짧은 DNA 조각이다. 기존 항체 기반 분석법에 비해 생산 비용이 낮고 안정성이 높다.

연구팀은 먼저 AI 딥러닝 기반 구조 예측을 통해 압타머가 USE1 단백질의 특정 부위 인근에 결합한다는 점을 확인했다. 이후 실제 실험을 통해 압타머가 다른 유사 단백질과 달리 USE1에만 선택적으로 결합한다는 사실을 확인했다.

이러한 결과를 육안으로도 확인할 수 있도록 연구팀은 DNA 증폭 기술(회전환복제기법, RCA)을 통해 형광 신호를 극대화하고, DNA 구조에 형광 나노입자인 ‘양자점’을 결합한 신호 증폭 시스템을 구현했다.

즉 USE1이 존재할 경우 강한 형광 신호를 발생시켜, 나노바이오센서 기반 진단 키트를 통해 특수 장비 없이 UV 조명 하에서 육안으로도 결과를 판독할 수 있도록 설계된 것이다.

더 나아가 연구팀은 실제 환자 조직을 대상으로 임상 검증을 시행했다. 폐암 조직과 정상 조직 각 30쌍을 분석한 결과 진단 정확도(AUC) 96%, 민감도 100%, 특이도 88.3%를 달성하며 우수한 진단 성능을 확인했다.

연구팀에 따르면 이번 연구는 연구팀이 직접 발굴한 폐암 바이오마커 USE1을 실제 검출 가능한 진단 기술로 확장한 성과로 기초연구 성과가 응용기술로 이어진 대표적 사례다. 

이 연구는 이전 연구를 통해 폐암 바이오마커를 세계 최초로 발견한 것에서 더 나아가 이를 신속하고 선택적으로 탐지하는 압타머 기반 바이오센서로 발전시킨 것이다. 또 AI를 접목해 분자 인식의 구조적 타당성까지 제시해 연구의 정밀성과 설명력을 높였다.

연구팀은 압타머가 USE1의 효소 활성 부위에 결합한다는 발견은 진단을 넘어 USE1 기능 억제 기반 치료제 개발로 이어질 수 있어 향후 치료 기술 개발과 연계될 것이라고 기대했다.

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#통풍#신장질환#폐암#바이오마커