이정훈 교수팀, 팬데믹(Pandemic), 엔데믹(Endemic), 그리고 향후 신·변종 감염병 적용 가능한 고민감도 현장진단기술 개발

- 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications IF: 17.69) 게재 -

- 바이오-나노 하이브리드 소재 개발을 통해 3분 이내 바이러스 샘플 전처리 기술 확보-

- 전처리 결합된 래피드키트 사용을 통해 PCR 수준 고감도 현장진단기술 개발-

- COVID-19 팬데믹, 엔데믹 뿐만 아니라 신·변종 바이러스 고감도 모니터링 가능 -

본교 이정훈 교수팀(전기공학과)은 고려대학교 윤대성 교수팀, 서울성모병원 조성연 교수팀, 가톨릭 관동대 유용경 교수팀, ㈜켈스와의 공동연구를 통해 바이오-나노 하이브리드 소재 및 진단시스템 (BEETLES2) 개발에 성공하였으며, 상용 래피드 키트를 사용하는 현장진단에 있어서 매우 싸고 빠른 방법으로 PCR 수준의 민감도를 확보하였다.

COVID-19에 대한 진단/스크리닝은 특히 증상이 나타나기 전이나 무증상인 경우 중요하며, 이단계의 진단이 바이러스 전파를 최소화하는 데 필수적이다. COVID-19 펜데믹 진단 및 스크리닝 기술로서 RT-PCR은 높은 정확성/민감도로 인해 표준기술로 자리 잡았으나, 높은 가격, 긴 분석시간, 그리고 접근성에 있어서 한계를 가지고 있다. 또한 숙련된 인력이 필요하고, 값비싼 장비가 요구되는 등 빠른 현장 진단에 있어 한계를 가지고 있다. 특히 시편의 운송/분석/결과 통보에 걸리는 긴 시간 (turnaround times: 6시간~3일) 동안 제대로 된 격리 및 치료를 못하는 등의 사회적 문제가 발생되었으며, 이에 따라 현장진단 필요성이 절실히 요구되고 있다. 현장진단기술로서의 래피드 키트는 값싸고 빠른 진단이 가능함에도 불구하고, 그 민감도가 크게 떨어지는 단점 때문에 응용에 한계를 가지고 있다. 특히 래피드키트는 초기감염 (저역가) 환자에 대해서 50% 미만의 민감도를 보이며 실제 감염된 환자를 분별하는 능력이 크게 떨어지는 한계를 가지고 있다.

본 연구팀은 바이오-나노 하이브리드 필터 기술 및 진단 시스템 개발을 통해 복잡한 채취 시료로부터 바이러스 (SARS-CoV-2 viruses) 및 타겟 단백질(nucleocapsid (N) proteins)만을 농축/분리함으로서 감염성 질환의 고민감도 현장진단시스템을 제안하였다. 실제 COVID-19 임상샘플 (n=62) 테스트를 통해 바이오-나노 하이브리드 필터 및 시스템 (BEETLES2: bioengineered enrichment tools for lateral flow assays (LFAs) with enhanced sensitivity and specificity) 사용 전/후 정확도가 41.94%에서 91.9%로 크게 증가함을 검증하였다. 본 기술은 1) 델타변이 (Delta variants), 오미크론 변이 (Omicron variants) 등 변이에 상관없이 현장 진단 가능하며, 2) 무증상 환자 또한 높은 민감도로 진단 가능하고, 3) 스마트폰과 결합하여 질병의 완화/악화/회복기에 대한 분석 정보 제공이 가능하다. 또다른 장점으로 4) PCR검사의 경우 감염력이 적은 회복기 환자를 양성 분류함으로써 불필요한 격리 및 사회적 비용을 야기시키지만, 본 기술은 회복기 환자 구별이 가능한 장점이 있다. 또한 본 기술은 5) 인플루엔자 A/B 적용 가능함을 입증했으며, 5) 빠른 전처리 시간 (<3분) 및 가격경쟁력 (수백원이내), 그리고 (6) 바이러스 및 타겟 단백질 모두 농축 가능한 특징으로 인해 가까운 미래에 출현가능한 신/변종 바이러스에 빠른 적용이 가능할 것으로 기대된다.

본 기술은 코넥스 상장사인 ㈜켈스와 기술이전 및 사업화를 진행중이며, 이후 미국 식품의약국(FDA), 한국 식약처 (KFDA)등의 승인/인증 프로세스등을 통해 사업화를 계획중이다. 본 기술과 관련하여 ㈜켈스의 이동호 대표는 “진단 시장의 측면에서 본 기술은 감염병/신변종 바이러스 진단 래피드키트 활용 뿐 만 아니라, 현장형 분자진단 (molecular POCT) 전처리 소자로써 그 시장이 매우 클 것으로 기대되며, 이 기술을 발전시켜 다양한 질병의 현장진단이 가능하도록 사업화를 진행 예정이다”라고 언급하였다.

이번 연구는 한국연구재단 바이오 의료기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구이며 (No.2021M3E5E3080743), Nature Portfolio에서 발간하는 세계 탑티어 논문인 네이쳐 커뮤니테이션즈 (Nature Communications IF: 17.69)에 게재되었다.

Web link: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37018-6

<왼쪽부터 연구책임자 이정훈 교수(광운대), 핵심연구를 공동 수행한 박성준(석사과정), 이승민(박사과정), 이동택(박사후과정:하버드 의대), 윤대성 교수(고려대), 유용경 교수(가톨릭관동대)>

기술설명

본 연구팀이 개발한 하이브리드 필터 시스템 (BEETLES2)는 나노 소재인 Anodized Aluminium Oxide (AAO)와 바이오소재인 적혈구 추출 세포막을 융합한 나노-바이오 하이브리드 소재이며, 세포막에 존재하는 아쿠아포린(Aquaporin) 및 인지질의 특성에 의해, 복잡한 생체 분자를 크기 및 전하로 분리/농축함으로서 복잡성을 낮추고 민감도를 높일 수 있도록 하였다.

최적화된 소재 제작을 위한 공정 최적화 및 분석을 통해 나노-바이오 하이브리드 필터를 제작하였으며, 이를 통해 제작한 프로토타입을 통해, 펌프 및 전기 외부 동력을 사용하지 않고 단순히 손압력을 활용함으로 PCR 수준 (Ct 기준 35이상)의 민감도를 확보하였다.

본 소자는 첫째, 인가되는 압력에 따라서 tunability를 보이며, 특정 압력이상에서 세포의 스퀴징 특성으로 인해 생체 분자의 크기별 분리/농축이 가능하다. 이러한 원리로 인해 상대적으로 크기가 큰 바이러스, 항체의 농축이 가능하고, 반면 상대적으로 크기가 작은 불필요한 단백질(알부민) 및 방해물질(inhibitor)의 제거가 가능하다. 둘째, 세포막의 음전하 특성으로 인해 생체분자의 전하에 따라서 농축/분리가 가능하다 (permselectivity). 이를 통해 COVID-19의 현장 진단에 있어서 타겟 단백질인 N 단백질을 선택적으로 농축 가능하다.

이러한 필터 시스템의 선택적 농축/분리 특성을 이용해 SARS-CoV-2 바이러스 및 타겟 단백질(N proteins), 그리고 항체 진단에 사용되는 면역글로불린 G (IgG)를 농축/분리할 수 있었으며, 기존 상용화된 래피드키트에 적용한 결과, COVID-19 항원진단, 항체진단, 그리고 타액진단 모두 가능함을 입증하였다 (검출한계 기준 >20배이상).

COVID-19 임상샘플 (n=62: 양성 n = 42명, 건강한 대조군 n = 20명), 특히 중간(35%) 및 낮은 바이러스 부하(48%)가 83% 포함된 임상 샘플을 통한 실험 결과, 그 민감도, 특이도 및 정확도가 기존 상용화 래피드키트 값 14.29%, 100% 및 41.94%에서 각각 88.1%, 100% 및 91.9%로 크게 증가하였다. 본 연구팀이 개발한 하이브리드 필터 (BEETLES2)는 비인두/구인두 면봉, 타액, 혈청에서 SARS-CoV-2 바이러스, N 단백질, IgG를 농축할 수 있어 신뢰할 수 있고 민감한 현장 검사를 가능하게 하여 빠른 조기 진단을 가능하게 한다.

요약하면, 본 시스템은 강력한 시료 전처리 특성을 보이며, 3분 전처리를 통해 고감도 현장 스크리닝 특성을 제공한다. 무엇보다 기존 상용화 래피트 키트와 쉽게 결합할 수 있으며, 델타 및 오미크론 변종을 포함한 저역가 임상 샘플에 대한 임상 감도(>88%) 및 정확도(>91%)를 보였으며, 사용 편의성, 저렴한 비용, 정확성 등 세계보건기구(WHO)가 명시한 POCT에 대한 모든 요건을 충족하기 때문에 POCT 검출에 획기적인 발전을 가져올 수 있을것으로 기대된다.

향후 AI 지원 스마트폰 애플리케이션과 하이브리드 필터 시스템 (BEETLES2)을 결합하면 바이러스 양음성을 정확하게 예측하고 정량적 분류를 수행할 수 있다. 또한 디지털 연결의 새로운 기준 (REASSURED), 즉 실시간 연결성 및 검체 채취 용이성에 대한 큰 잠재력을 보여주고 있어, 향후 RT-qPCR 검사로는 어려운 빠른 현장진단을 통하 무증상 전파 차단이 가능할 것으로 기대된다.

<그림설명> 하이브리드 필터 (BEETLES2)를 활용한 분리 및 농축 시스템과 동작원리. 본 시스템을 적용함으로서 면역진단, 분자진단, 현장진단이 가능하며 신/변종바이러스에 대한 빠른 대응이 가능. 단순히 손압력을 활용함으로 PCR 수준 (Ct 기준 35이상)의 민감도를 확보. 현장에서 3분의 전처리 과정을 통해 저역가/초기 환자 진단의 민감도 및 정확도가 14.29% 및 41.94% (기존 상용화 래피드키트)에서 88.1% 및 91.9% (BEETLES2적용)로 크게 증가되었으며, 향후 신변종 감염병 적용 가능성이 매우 높음.