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고려대 공동연구진, 전기화학 기반 고감도 나노바이오센서 개발
고려대 공동연구진, 전기화학 기반 고감도 나노바이오센서 개발
  • 하영 기자
  • 승인 2021.08.04 15:46
  • 댓글 0
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- 바이오센서분야 최고 권위지 Biosensors & Bioelectronics 인쇄본에 실려

 고려대학교(총장 정진택) 바이오의공학과 윤대성 교수, 생명정보공학과 이규도 교수, 안암병원 감염내과 윤영경 교수로 이뤄진 공동연구팀은 세포막 기반의 전기화학센서를 이용해 균혈증 환자와 정상인의 혈액 내 존재하는 황색포도상구균이 분비하는 용혈소(알파-헤모라이신 또는 알파-톡신) 양을 구별해낼 수 있는 전기화학 기반의 고감도 나노바이오센서를 개발했다.

 균혈증은 여러 세균, 바이러스, 미생물 등에 의하여 혈액에 세균이 존재하는 상태를 말하며, 심할 경우 균혈증으로 인해 패혈증으로까지 발전하여 생명을 위협할 수 있다. 특히, 높은 확률로 체내에 존재하는 황색포도상구균에 의해 발병하게 되며, 이중 메티실린1) 항생체에 내성을 지닌 MRSA(메티실린내성-황색포도상구균)는 더욱 처치하기 까다롭기에 빠른 진단이 필요하다. 기존의 균혈증 및 패혈증의 진단 방법으로는 혈액 검사와 PCR(중합효소 연쇄반응)이 쓰이게 되는데, 이들은 측정 시 많은 양의 혈액을 필요로 하며, 박테리아 배양 및 사전처리 과정에서 많은 시간과 비용을 요구하는 등 단점이 있다. 또한 측정에 필요한 장비 때문에 장소가 제한적이며, 전문 인력이 있어야 측정이 가능하다는 어려움도 존재한다.
1) 메티실린(Methicillin) : Meticillin이라고도 불리며 포도상구균(staphylococcus)으로 인한 감염 치료에 사용되는 항생제

 이에 따라, 연구팀은 측정이 용이한 전기화학적 측정 기술과 세포막의 코팅 기술을 이용하여 균혈증 및 패혈증을 진단할 수 있는 실험을 고안했다. 황색포도상구균과 MRSA는 공통적으로 세포막을 파괴시키는 용혈소라는 물질을 분비하며, 이 용혈소는 7개의 단량체로 세포막에 모이고 조립되면서 구멍을 만들고 세포를 파괴시킨다. 이 물질은 체내 세포들 중에서도 적혈구의 막표면에 특이적으로 결합하는데, 세포막의 추출과 코팅 기술을 이용하여 혈액으로부터 추출한 적혈구의 세포막 부분을 용혈소의 결합 기전으로 적용했다.

(a) 용혈소의 3D 구조 (각각 위, 옆에서 본 모습) 및 (b) 용혈소의 적혈구 용혈 작용 모식도

 전기화학적 방식으로 측정하는 전극은 표면에 어떠한 물질들이 결합하여 있으면 결합한 양에 따라 전자의 이동이 원활하지 못하게 되어 임피던스가 증가하는 원리를 가지고 있다. 연구팀은 적혈구에서 추출한 적혈구막을 전극 표면 위에 코팅하여 1차적으로 임피던스가 증가하는 것을 확인했고, 여기에 2차적으로 용혈소를 농도별로 코팅하여 임피던스가 선형적으로 증가하는 것을 확인했다. 이러한 전기화학적 측정방식을 이용하여 혈액 내 용혈소의 농도, 즉 황색포도상구균의 농도를 측정하는 실험을 고안했다.

용혈소 검지 센서 개요도

 실제로 용혈소의 민감도를 보기 위해 농도별로 측정한 결과, 0.0001 – 1 mg/mL에서 선형적으로 증가하는 임피던스 값을 볼 수 있었다. 또한 혈액 내에 존재하는 여러 주요한 물질인 피브리노겐 (Fib), 감마글로불린 (GG), 알부민 (HSA)을 측정할 때 임피던스가 변화하지 않는다는 점을 착안하여, 적혈구막이 용혈소의 결합 역할만 가지고 있을 뿐만 아니라 방해 물질이 달라붙지 못하게 하는 방어벽 역할도 수행한다는 것을 확인했다.

(a) 농도별 용혈소 측정 및 (b) 선택성 검증 실험 결과
(a) 농도별 용혈소 측정 및 (b) 선택성 검증 실험 결과

 최종적으로 연구팀은 실제 혈액검사로 확인한 환자와 정상인의 혈액을 이용하여, 본 연구의 임상실험을 진행했다. 이를 통해 해당 연구가 실제 균혈증 환자 여부를 판별할 수 있는 진단 방법으로써 효용성이 있으며, 측정 방식 또한 기존의 혈액 배양 검사보다 빠르고 간단하게 진행됐음을 확인했다.

 윤대성 고려대 교수는 “연구팀이 고안한 적혈구 세포막 코팅과 전기화학적 방식을 이용하는 해당 플랫폼은 다른 균이나 바이러스에 특이적인 세포막을 매칭시켜 전극에 코팅하여 여러 다양한 질병을 진단하는 센서로 확장할 수 있는 장점이 있다.”고 언급했다. 또한 황색포도상구균의 용혈소 인자 검출에 국한되지 않고 다른 질병들의 원인이 되는 물질의 결합 메커니즘을 통해 질병 진단을 확장하여 관련 임상연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

 이번 연구결과는 Elsevier에서 발행하는 전기화학(Electrochemistry) 및 분석화학 (Analytical chemistry)분야의 최고 권위지인 「Biosensors & Bioelectronics」 (IF=10.618, JCR 분야 상위 3.01%) 인쇄본으로 출판(현지시간 8월 1일)됐으며 김인수 석박통합과정, 김용환 석박통합과정(고려대 바이오의공학부, 이상 공동 1저자), 윤영경 교수(고려대 안암병원, 교신저자), 이규도 교수(고려대 생명정보공학과, 교신저자), 윤대성 교수(고려대 바이오의공학부, 교신저자)가 주저자로 참여했다.
* 논문명 : Erythrocyte-camouflaged biosensor for α-hemolysin detection


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