△ 신개념 바이오센서가 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 신개념 바이오센서가 잇따라 등장하고 있다.

27일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 후각 바이오센서 기반 머신 러닝 모델, 플라즈모닉 기반 액체생검 플랫폼, 벤토나이트 활용 차세대 전기화학 바이오센서 등의 개발에 성공했다.

연세대학교 강남세브란스병원 비뇨의학과 구교철 교수는 최근 이화여자대학교 식품영양학과 박태현 교수와 함께 전립선암을 조기에 진단할 수 있는 후각 바이오센서 기반 머신 러닝 모델을 개발하고 유용성에 관한 연구 결과를 발표했.

연구팀은 특이도가 낮아 전립선암이 아님에도 고통스러운 추가 조직검사를 시행해 신체적·경제적 부담감을 주었던 전립선특이항원(PSA) 검사 단점을 보완·대체 할 수 있는 비침습적 진단 방법 개발 필요성에 주목해 연구에 돌입했다.

먼저 연구팀은 훈련된 탐지견(German Shepherd)이 환자 소변 냄새를 맡아 높은 정확도로 전립선암을 감별했다는 과거 연구자료에서 실마리를 찾아 인공 후각 기반 진단 시스템을 개발했다.

연구팀은 인간 후각 수용체 단백질 6종을 추출하여 지질 성분으로 된 미세 인공 세포막 나노입자인 '나노디스크(Nanodisc)'에 결합함으로써 소변에서 발생하는 냄새 분자가 센서에 영향을 주어 형광 신호가 감소 현상이 일어나도록 만들었다. 

연구팀은 미세한 신호 변화 값을 측정하여 패턴분석에 따른 머신 러닝 알고리즘과의 결합을 이뤄 전립선암 환자 소변 양상을 학습시켰다.

연구팀은 철저한 결과 검증을 위해 143명으로 구성된 참가 후보군을 엄격한 배제 기준을 적용해 거른 후 전립선암 환자군 40명과 대조군 33명(총 73명)으로 나누어 연구를 진행했다. 또 인공지능 모델 정밀도를 더욱 높이기 위해 총 290개에 달하는 소변 샘플 세트를 구축하여 교차 검증 작업도 수행했다.

연구팀은 전립선암 분자를 찾아냄에 가장 결정적으로 작용하는 세 가지 핵심 수용체(OR2W1, OR51E1, OR51E2)를 밝혀냈으며 이를 기반으로 암 환자와 정상인 양상을 구분했다.

인공지능 학습 결과로 연구팀이 개발한 머닝 러신 모델은 정확도(Accuracy) 면에서 0.890를 보여 89% 확률로 전립선암 환자와 정상인을 정확하게 감별하는 능력을 보였다.

머닝 러신 모델이 지닌 민감도와 특이도를 동시에 담아 측정 적중률을 그래프로 나타낸 AUC(Area Under the Curve) 수치는 0.964±0.01로 매우 높게 나타났다.

전립선암 환자와 건강인 소변을 96.4% 수준으로 정확하게 진단할 수 있다는 의미로 통계학에서는 최상위 등급에 속해 진단과 예측 능력이 매우 뛰어남을 보였다.

연구팀은 향후 대규모 임상 연구를 통해 실제 의료 현장에서 활용이 가능한 진단 기술로 발전시킬 계획이다.

한국재료연구원(KIMS) 바이오·헬스재료연구본부 이민영·박성규 박사 연구팀은 최근 플라즈모닉(Plasmonic·금속 나노구조와 빛이 상호작용할 때 발생하는 광학적 현상을 이용한 기술로 초고감도 바이오센서 소재에 활용) 기반의 액체생검(체액을 이용해 암과 관련된 유전자 등을 검사하는 방법) 플랫폼을 개발했다.

연구팀은 앞서 폐암 환자의 혈액에서 돌연변이 유전자(EGFR)를 초고감도로 검출할 수 있는 플라즈모닉 기반 액체생검 기술을 개발한 바 있다.

연구팀은 이번에는 대장암의 주요 암유전자인 KRAS 분석으로 연구 범위를 확장했고, 혈액뿐만 아니라 소변에서도 암유전자를 검출했다는 점에서 의미가 있다고 설명했다.

액체생검은 암 조직을 직접 떼어내는 조직검사보다 환자 부담이 적다.

또 반복 검사가 가능해 암 조기진단과 재발 모니터링에 유용한 기술로 평가받는다.

그러나 초기 암 환자의 혈액과 소변에는 암유전자가 극미량 존재하기 때문에 기존 유전자 증폭(PCR) 기반 기술이나 초고심도 차세대염기서열분석(NGS) 기술로는 검출 민감도, 분석 비용·시간 면에서 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 플라즈모닉 신호 증폭 기술과 선택적 유전자 증폭 기술을 결합했다.

금속 나노구조 기반의 플라즈모닉 마이크로어레이(microarray)를 활용해 미세한 광신호를 증폭시키고, 정상 유전자 사이에 섞인 극소량의 돌연변이 유전자를 선택적으로 구분·검출할 수 있게 설계한 것이 특징이다.

연구팀은 플라즈모닉 액체생검 플랫폼의 대장암 적용 가능성과 소변 기반 암유전자 분석 가능성을 입증한 연구로 향후 다양한 암종에 적용 가능한 정밀진단 플랫폼으로 발전시켜 암 조기진단과 재발 모니터링에 활용할 계획이다.

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.

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#바이오센서#체외진단기기