혈액에서 분리해낸 혈청은 많은 생체정보를 가지고 있어 다양한 질병 진단을 할 수 있는 정보를 얻을 수 있다. 그러나 혈청은 높은 염** 농도와 약 20,000종류의 각각 다른 단백질들이 고농도로 함유되어 있어, 검출 신호의 오류가 빈번하고 측정 민감도가 낮다. 현재 의료기관에서는 전문 인력을 통해 혈청의 전처리(여과, 탈염, 희석) 또는 후처리(세척) 후에 진단기기를 이용하여 분석하고 있는 실정이다.

 스마트 기기를 활용한 헬스케어에 대한 관심이 높아지면서 혈청을 샘플로 하는 전자 기반의 바이오센서들이 속속 개발되고 있다. 그러나 혈청 내 혼합된 수만 종의 단백질들이 비특이적 신호를 일으켜 진단의 정밀성을 떨어뜨린다. 이런 이유로 전자기기 기반의 바이오센서는 검사 결과가 곧바로 확인되는 현장 진단 또는 자가진단용 기기로 개발하기가 어려웠다.

 KIST 연구진은 이 같은 문제점을 극복하기 위해 혈액에서 분리한 혈청에서 전·후처리 없이 직접 질병인자를 검출하여 질병을 진단할 수 있는 단백질 차단막을 개발, 전자기기 기반 바이오센서에 적용하였다. 

 KIST 정영도·이관희 박사 연구팀은 차단막을 형성하는 단백질 원료가 본래 가진 정전기적 속성을 활용하여, 차단막의 표면 전하를 중성으로 조절하였다. 이를 통해 질병 진단의 정확성을 떨어뜨리는 정전기적 특성에 의한 혈청 단백질의 비특이적 결합과 전하의 불필요한 축적을 방지하였다. 결과적으로 연구진은 개발한 단백질 차단막이 적용된 바이오센서로 전립선암 질병인자를 혈청에서 직접 검출하는데 성공하였다. 이는 기존의 전·후처리를 포함하는 측정결과와 동일한 검출 능력***이다.  

***KIST 연구진이 개발한 바이오센서의 측정 검지범위는 수 펨토그램(fg, 10 그램/밀리리터) ~ 수 백 나노그램(ng, 10 그램/밀리리터). 전·후처리 없는 방식은 백 펨토그램/밀리리터에서 수 나노그램/밀리리터으로 측정됨.

 KIST 정영도 박사는 “기존의 전자기기 기반의 바이오센서가 혈액에서 혈청을 분리하는 휴대용 기기와의 결합 등을 통해 현장 진단 또는 자가진단 센서로 발전할 것으로 기대한다.”라며, “단백질 차단막을 도입하면 향후, 스스로 정밀한 질병 진단이 가능한 스마트 헬스케어 기기가 개발되는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다. KIST 이관희 박사는 “이번 연구 성과는 국내 연구진이 개발한 전자공학, 재료공학과 화학 분야의 융합 원천 기술로, 향후 의료기관과의 공동연구를 통해 상용화 기술로의 전환을 기획하고 있다”라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 바이오의료기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF : 9.518, JCR 분야 상위 0.595%)에 최신호에 게재되었다.

    - (교신저자) 한국과학기술연구원 생체재료연구단 이관희 책임연구원, 한국과학기술연구원 생체재료연구단 정영도 선임연구원

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