박재영 교수 연구팀,

‘저가형 암 진단 바이오마커 검출 센서 플랫폼 기술’ 개발 성공

- 극미량의 혈청에서 면역글로불린 G(IgG)을 쉽게 검출하여 조기 암 진단 가능 -

- 국제 유수 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 저널 (IF: 15.621) 표지 선정 -

박재영 교수(좌)와 Sharat Chandra Barman 박사과정(우)

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀(사진)은 ¹폴리이미드 필름 위에 CO2 레이저 조사를 통해 만들어지는 그래핀 소재 전극에 양이온성 ²폴리알리아민을 코팅하여 ³면역글로불린 G(Immunoglobulin G)와 특이적으로 결합하는 항체의 수를 월등히 높임으로써 검출범위 및 검출감도 등의 성능이 탁월한 저가형 암 진단용 ⁴바이오마커 검출 센서 플랫폼 기술을 개발하는데 성공했다(*용어 설명 하단 기재)

세계 암연구기금(World Cancer Research Fund)에 따르면 암 예방 및 조기 진단은 21세기 개인의 건강 관리에 있어서 가장 중요한 과제 중에 하나가 될 것이라고 한다. 전 세계적으로, 다양한 종류의 암(폐, 대장암, 자궁경부, 방광암, 난소암, 간암, 전립선암, 유방암 등) 환자의 수는 매년 증가하고 있기 때문에 암을 조기 진단하는 것은 삶의 질을 높이고, 스마트하게 건강을 관리하는 데 있어서 매우 중요하다.

정상인의 혈청에 존재하는 면역글로불린 G(IgG)은 이러한 질병을 발견하는 데 중요한 역할을 한다. 면역글로불린 G의 농도가 불균형할 경우, 류마티스 관절염을 유발하고 간, 대사, 폐, 유방 등의 기능에 영향을 줄 수 있으며 외부로부터의 감염을 예방하지 못하는 원인이 될 수 있다. 따라서 미량의 혈청에서 면역글로불린 G(IgG)를 쉽고 정확하게 검출하는 것은 암의 조기 진단 및 생물의학 연구 발전에 크게 기여할 수 있다.

현재, 의료 센터 및 병원에서는 색도 분석, 형광 분석, 전기화학 발광, 전기화학 분석 등과 같은 다양한 암 진단 기법이 사용되고 있으며 이러한 방법 중 전기화학 기술은 단순성, 단시간 검출, 생산비용을 낮추거나 소형의 진단시스템을 구현 할 수 있는 장점뿐만 아니라 소량의 바이오마커 시료를 필요로 하기 때문에 널리 사용되고 있으며, 바이오마커 검출을 위한 효소, 항체, 등의 고정화 기술 또한 센서의 성능 향상에 있어서 중요한 역할을 한다.

본 연구에서 사용된 폴리알리아민은 양이온성 고분자 전해질로 전극 상에 효소 및 항체와 같은 단백질 고정화에 필요한 ？아민그룹을 풍부하게 만들어줄 뿐만 아니라, 정전기적 흡착을 통한 안정성 및 전극의 전하전달속도를 크게 향상시키게 된다. 박재영 교수 연구팀은 이러한 특징을 활용하여 폴리알리아민을 ？LAG 전극에 증착한 뒤, 백금나노입자를 증착하고 항체를 고정화하여 면역글로불린 검출 센서플랫폼을 개발하는데 성공하였으며, 다양한 분석장비 및 방법을 활용하여, 물질적, 구조적, 전기화학적 성능을 상세하게 측정 및 분석하였다. 제작된 면역센서 플랫폼을 이용하여 0.012 ~ 352 ng/mL 농도 범위의 면역글로불린 G를 검출하였으며, 검출한계는 6pg/mL로 계산되었다. 또한, 전립선 특이항원, 도파민, 아스코르브산, 글루타르산, 트롬빈 등의 방해요소에도 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 시연한 면역글로불린 G 검출 항체가 아닌 다른 종류의 다양한 효소 또는 항체를 고정화 해서 폭넓게 사용할 수 있기 때문에, 활용성이 매우 높은 기술로 평가되고 있다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 (2017M3A9F1031270)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 재료 연구 전문 저널인 WILEY 출판의 Advanced Functional Materials (IF: 15.621) 2020년 4월 6일자에 게재되었으며 저널 커버 이미지로 선정되었다.

* Web link : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202070093

<저널 커버 이미지(왼쪽) 및 PAAMI가 처리된 그래핀 전극 기반의 면역글로불린 G 검출 센서의 제조공정 및 모식도(오른쪽)>

<용어 설명>

1. 폴리이미드 : 내열성, 내화학성, 전기절연성, 내마모성이 뛰어난 고분자 소재로 전기전자부품에 광범위하게 사용됨

2. 폴리알리아민 : 양이온성 고분자 전해질로 전극 상에 효소 및 항체와 같은 단백질 고정화에 필요한 아민 그룹을 풍부하게 만들어줄 뿐만 아니라, 정전기적 흡착을 통한 안정성 및 전극의 전하전달속도를 크게 향상시키는 소재

3. 면역글로불린 G(Immunoglobulin G)3 : 항체 개별형 중 하나로 혈류에 가장 많은 항체, 사람의 경우 혈청에 있는 면역글로불린 총량 중 75%를 차지함

4. 바이오마커 : 단백질이나 DNA, RNA(리복핵산), 대사물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표를 말하며, 본 글에서는 암을 진단할 수 있는 체내 표적 물질

5. 아민그룹 : 효소와 항체의 주성분인 단백질에 존재하는 아민그룹(-NH2)은 LAG 전극 상에 존재하는 카르복실그룹(-COOH)과 아미드결합을 생성하여 단단하게 고정화하는 데 매우 중요한 역할 수행

6. LAG (Laser Assisted Graphene) : 레이저 조사를 통해 만들어지는 그래핀 소재