이택 교수 연구팀(화학공학과), 엑소좀 고감도 검출 바이오센서 개발

암은 전 세계적으로 두 번째로 높은 사망률을 나타내는 질병으로 암을 조기에 진단하는 것은 환자의 생존율을 향상시키고, 질병의 예후를 결정하기 때문에 암을 조기 진단하고자 하는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 엑소좀은 암의 종양 초기 활발하게 분비되는 세포외 소포로 모세포인 암세포의 유전 정보를 저장하고, 종양의 형성과 악성 종양으로의 유도에 관여한다고 알려져 있다. 이로 인해 엑소좀은 암의 바이오 마커로서 기존의 외과적인 절개를 수반하는 생검을 대체하는 환자의 혈액으로 간편하게 암을 진단하는 액체 생검으로의 가능성이 주목받고 있다.

지금까지의 엑소좀 검출 방법은 분리 및 정제를 통한 질량분석법과 전기화학 측정을 사용한 센서가 제안되어 왔으나 질량 분석법은 엑소좀과 결합하는 항체의 양산이 제한되며, 전기화학 측정법은 고감도의 검출이 가능하지만 긴 측정시간이 단점으로 지적되어 왔다.

광운대 화학공학과 이택 교수 연구팀은 DNA 압타머를 이용하여 전처리가 전혀 필요없이도 엑소좀의 고감도 검출이 가능한 전기기반 바이오센서를 개발하였다. 엑소좀 표면의 CD63 펩타이드 단백질을 표적으로 삼는 앱타머는 항체와 유사한 높은 결합력을 나타내며, 화학적 합성으로 대량생산이 용이하고 항체에 비해 온도의 영향을 최소화한다는 장점이 있어 체외진단 시장에서 주목받는 소재로 본 연구진은 압타머를 활용한 다양한 플랫폼의 센서를 개발한 바 있다. 센서의 구성요소인 맞물린 마이크로 갭 전극은 캐패시턴스로 전달되는 전기 신호를 증폭시키는 것으로 알려져 있으며, 셀프 어셈블리를 바탕으로 전극 표면에 고정되는 MoS2는 바이오 프로브인 압타머의 적용 면적을 3차원으로 향상시키고 위상부도체의 특성으로 신호 민감도를 향상시킬 수 있었다.

제작된 엑소좀 특이적 바이오센서는 인간 혈청 원엑에 혼합된 엑소좀 시료에 대해 10초의 짧은 검출시간으로 2192.6 입자/ml 농도까지 검출이 가능하였으며, 혈액 속 주요 단백질인 IgG, 미오글로빈, 항 엑소좀 마커인 칼넥신과 Bcl-2 단백질과의 선택성 실험에서 CD63 단백질과의 높은 선택성을 확인하였다. 또한, 엑소좀 시료의 블라인드 테스트를 수행하여 4% 미만의 높은 민감도를 보여주었다. 본 연구팀이 제작한 센서는 암진단을 위한 강력한 검출 플렛폼으로서 코로나 바이러스와 열대 지카 바이러스와 같은 신속한 진단을 요구하는 질병의 진단을 위한 센서로서 적용될 수 있을 것이다.

<엑소좀 검출을 위한 압타머/MoS2 이중층 기반 맞물린 전극 센서의 모식도>

논문 게재 사이트 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095656632100909X