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액체 생검을 위한 바이오마커 전처리 기술개발
신세현 센터장(나노 생체유체 검사 연구센터) / lexerdshin at korea.ac.kr / 서면 인터뷰

사업명: 나노 생체유체검사 연구센터 

연구기관: 고려대학교 기계공학부

유형: ERC 선도연구센터

연구책임자: 신세현 센터장 / lexerdshin at korea.ac.kr

 

기존의 혈중 순환 DNA를 추출하기 위해서는 번거로운 원심분리기를 통한 다수의 공정을 거쳐야만 했습니다. 오염의 위험과 공정의 복잡함으로 임상현상에서 사용하기 까다로운 면이 있었다고 하는데요.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 신세현 교수(고려대학교 기계공학과)는 최근 음압만으로 구동되는 단 15분 만에 DNA를 추출하는 미세유동 키트(kit)를 개발하는데 성공했다고 합니다. 암진단을 위한 맞춤형 나노프로브 및 진단 센서와 표적 타켓 선정을 위한 암 유전체 빅데이터 분석 시스템, 나노소재 기반 현장 실시간 모니터링용 환경센서 등과 관련된 연구도 진행하고 있습니다.

또한 ERC 선도연구센터 나노 생체유체 검사 연구센터(Nano-Biofluignostic Research Center:NBRC) 센터장을 맡아 암 질환과 감염성 바이러스를 임상 현장에서 정밀하고 신속하게 검출 할 수 있는 액체 생검을 위한 바이오마커 전처리 기술들을 연구 중이십니다.
연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.



1. ERC 선도연구센터 나노 생체유체 검사 연구센터(Nano-Biofluignostic Research Center:NBRC)에 대한 소개 부탁드립니다.

액체생검 선도연구센터는 ICT 및 융복합 분야에서 2015년도에 선정된 센터로서, 기계공학, 화학공학, 생물학, 화학, 진단검사의학, 종양 및 감염내과학의 전공의 교수님들이 모여 액체생검에 대한 주제로 모여 상호 멘토링을 통해서 학제간의 cross-over를 도우면서 타전공자의 시각에서 새로운 혁신적인 기술개발을 도모하는 집단연구를 추진해오고 있습니다.

센터의 연구주제의 선정은 정말 우연한 기회를 통해서 기획되었는데요. 토요일 아침마다 가서 커피를 마시며 책을 읽거나 웹서핑을 하던 북카페에서 우연히 찾은 한편의 논문으로부터 시작되었습니다. 즉, 몸속에 순환되는 혈액속에 암세포에서 유래된 종양성 DNA나 엑소좀이 발견되었으며, 기존의 조직생검을 바꿀수 있을 것이라는 희망에 찬 실험논문이었는데, 저는 이 논문에서 영감을 받아 현재의 센터가 추진하게된 연구를 기획하게 되었습니다.





사실 저의 전공은 기계공학 중에서 유체역학분야로서 박사학위과정부터 혈액과 혈유변학에 대한 연구를 오랫동안 하면서 혈액점도계, 혈소판 기능 및 혈전 진단검사 칩을 연구개발하여 임상용 제품기술까지 성공시켜본 경험이 있긴 하여도 암이나 바이러스 분야는 어려운 분야라고 여기며 감히 생각조차도 하지 못하고 있었습니다.

그러나, 액체생검 분야의 전문가를 소개받기 위하여 병원의 연구부 총장에게 건 전화 한통은, 바로 그동안 액체생검을 꾸준히 준비해온 교수님을 소개 받게되고 이후 멘토링을 통해서 관련 임상 현황과 미충족기술에 대한 소개를 받게되면서 새로운 연구가 펼쳐졌다고 볼 수 있습니다.


2. 최근 음압만으로 구동되는 단 15분 만에 DNA를 추출하는 미세유동 키트(kit)를 개발하셨는데요. 기존의 방식과 어떻게 다른지 자세한 설명 부탁드립니다.

우리 연구센터는, 액체생검 분야가 빠르게 개발되는 상황에서 우리식 인천상륙작전에 해당하는 새로운 돌파구를 찾던 중에 임상적 수요는 큰 반면 기술적으로 해결되지 못하는 기술 분야에 대한 종합적인 분석을 시행한 결과, ‘샘플 전처리 (SAMPLE PREPARATION)’ 공정이었습니다. 즉, 시료로부터 타겟 샘플만을 「추출-정제-농축」의 전 과정을 거쳐 목표 시료만을 얻어내는 공정입니다.





앞서 말씀드린대로, 혈액속에는 핵산을 포함한 수많은 혈구들과 단백질 및 전해질 물질이 존재하는데, 정밀의료에서 요구하는 종양성 DNA를 포함한 핵산(cell-free DNA)만을 정밀하게 등의 목표 시료만을 추출하는 것은 액체생검의 주요 난제라고 할 수 있습니다.

기존의 DNA 추출 방법은, ‘스핀컬럼’ 방식으로 알려진 실리카 멤브레인에 DNA를 흡착후, 단백질들을 세척한 후, 이를 회수하는 기술인데 여러번에 걸친 원심분리 공정과 피펫팅 등을 필요로 하고 있어, 오랜 시간과 기술숙련되에 의존적인 기술이라 할 수 있습니다.

기존 기술의 공정중에 “왜 원심력이 필요할까” 살펴본 결과, 최종 용리(Elutiuon) 공정에 소량의 용리액으로 DNA를 용출시키는데 이 때 멤브레인 내부 구조에 갖힌 용리액을 회수하기 위해서는 최소 15,000 –g force를 필요로 하고 있음을 확인하였습니다.





이런 기존 기술의 한계를 해결하기 위해서는, 멤브레인의 용리액이 마이크로 구조물에서 생긴 엄청난 크기의 표면장력이 원심력과 싸우는 모습이 기계공학 전공자에게 보였고, 이를 해결하기위해 용리액과 이극성인 미네랄 오일을 투입하면 그렇게 강력하던 용리액의 표면장력은 바로 힘을 잃게되어 낮은 음압만으로도 완전히 추출되는 실험 결과를 얻게되었습니다.

개발된 기술은 ‘PIBEX’ 라는 이름으로 실험실 창업회사에 이전되어 대량의 혈액 샘플을 빠르고 고품질의 DNA를 추출하는 임상현장용 기술과 제품으로 변모하고 있습니다.


4. 최근 들어 유전정보 전달체로서 알려진 엑소좀에 대한 연구가 활발히 진행되는데요. 이를 이용한 관련 연구에 대해서 소개시켜 주시고 현재 진행하는 연구에 대해서 소개를 부탁드립니다.

엑소좀(Exosome)은 세포외소포체(Extracellular vesicle)의 한 종류로서 60-150 nm 크기에 다량의 핵산을 포함하며 세포 사이를 오가며 살아있는 생생한 유전정보 전달하는 매개체로 알려져 있다. 유전정보의 보고인 엑소좀은 그 자체로서 암 진단 바이오마커로서의 가능성이 점차 확증되고 있습니다.

이웃 세포를 손쉽게 드나드는 엑소좀의 또 다른 특성을 이용하여 특정 stem cell에서 유래한 엑소좀을 이용하여 특정 질환을 치료하는데 활용되기도 하고, 엑소좀 내부의 약물을 탑재하여 체내 종양세포에 약물을 전달시키는 매개체로 활용되는 연구가 빠르게 진행되고 있습니다.



 

 


 

 


우리 연구센터에서 진행하는 연구로는, 혈장이나 세포배양액에서 엑소좀을 가장 효과적으로 추출하고 정제하여 농축하는 기술을 개발하였습니다. 핵심 기술은 엑소좀의 제타포텐셜이 강한 음하전 특성임을 이용하여 자성비드에 양전하 물질을 결합시켜 추출하는 기술과 함께 세정 및 용리에 적합한 시약을 개발하는데 성공하여 현존 기술 중 가장 높은 수율과 순도를 갖는 것으로 발표하였으며 관련 기술은 상업화 단계에 들어가 ExoCAS-2라는 제품명으로 국내외 대학 및 연구소에서 제품을 판매하고 있는 상황입니다.


5. 현재 암 진단의 표준 방법은 조직 생검입니다. 진단분야 신기술 액체 생검, 어디까지 왔는지 궁금합니다.

우리 연구센터가 출발하던 2016년만 해도 액체생검에 대한 임상현장의 반응은 반신반의하던 때였는데, 6년이 지난 지금은 미래 정밀의학의 총아로서 액체생검이 대두되며 기존의 조직생검과의 자리를 교체하고 있습니다. 즉, 거의 수술에 가까울 정도의 침습적인 방법으로 조직을 떼어내는 조직생검과 대비하여 액체생검은 간단한 채혈을 통해서 대등한 수준 이상의 암을 진단하고 치료하는 기술로까지 발전해가고 있습니다. 특별히, 혈중에 포함된 종양성 순환 세포, DNA, 엑소좀 등을 이용한 진단과 함께 치료를 동시에 수행하는 동반진단의 기술로 발전해 가고 있습니다.





일례로, 엑소좀 내부에 포함된 RNA를 기반으로 전립선 암에 대한 진단서비스를 미국 FDA의 인가를 받아 시행 중에 있을 뿐 아니라, 항암 치료제 약을 엑소좀 내부에 탑재하여 환부에만 정확히 약을 전달하는 기술이 제약업체와 함께 협업하며 국내외 기술이 빠르게 발전되고 있습니다.


6. 나노바이오 검출 연구는 다학제 연구 뿐 아니라 임상연구도 필요하셨을 것이라 생각됩니다. 이러한 문제를 어떻게 해결해 오셨는지 궁금합니다.

전통적인 기계공학 연구의 범위를 뛰어 넘어 바이오 및 의학의 경계로 진입하기 위해서는, 마치 우주선이 중력을 이기며 대기권을 벗어나기 위한 엄청난 추진력이 필요하지만 그 다음부터는 마치 조그마한 추진력만 있으면 우주를 자유로이 유영할 수 있다고 보시면 됩니다. 이러한 학제간 Cross-field에 대한 연구의 핵심은 타분야 연구자들과의 공동연구인데, 핵심은 사람과의 만남과 관계유지라고 할 수 있습니다. 그래서, 제 경우에서는 그 분들을 발굴해내는 단계가 늘 스릴 넘치는 순간들로 기억되고 합니다.

한번은 액체생검에 대한 임상교수님을 찾고 싶어서 친분이 있는 같은 대학병원의 연구부원장에게 전화를 드렸더니 바로 그 분야의 교수님을 소개받고 약속을 정해서 진료시간을 피해 면담을 하던 일은 아직도 기억에 생생합니다. 또 다른 철학은, 제가 모신 공동연구자 분들을 최고의 대우로 모신다는 느낌을 드리며 배려와 신뢰의 관계를 구축해 나가는 것이 필수입니다. 그런 신뢰의 관계에후에는 어떤 연구든 서로 지원하며 자연스런 교류를 할 수 있게되는 것 같습니다.


7. 코로나 바이러스로 지금도 감염자와 사상자가 늘려나고 있습니다. 제2, 제3의 코로나 바이러스가 나타나지 않으리라 단언할 수 있는 사람을 없을 것 같습니다. 포스트 코로나 시대 바이러스 검출용 바이오센서에 대한 기술전망을 해주신다면?

맞습니다. 이번 판데믹의 원인은 인수공통 감염이 일어나는 코로나 바이러스(SARS-CoV-2) 이어서, 다음번 판데믹 원인의 바이러스는 동물에서 유래하며, 긴 잠복기와 더욱 가공할 만한 전파력을 지닌 바이러스가 출현할 가능성이 높다고 예측되고 있습니다. 이를 미리 대비하기 위해서는 잠복기에 있는 무증상 감염자를 신속하게 검출할 수 있는 자가진단 바이오센서를 구축하는 것이라 할 수 있습니다.

현재 개발된 자가진단키트의 대부분이 신속면역진단검사 방법을 채용함에 따라서 검사시간은 1-2분 정도의 매우 짧은 시간이지만, 민감도는 90% 내외이어서 PCR 검사 성능(99% 이상) 대비 많이 열등한 상황입니다. 따라서, 향후 포스트 코로나시대의 바이오센서는 현장에서 실시간으로 검사되면 99% 이상의 민감도를 지닌 기술이어야 할 것입니다. 특별히 호흡기관련 바이러스는 호기(exhaled breath)에서 직접 바이러스를 검출하며 자가진단할 수 있는 기술이 관련기술을 석권할 것입니다.

일례로 마스크에서 센싱기술을 탑재하여 착용자 스스로 자가진단하는 기술입니다. 센싱기술은 다양한 나노기술이 접목될 수 있는데, 그중에 하나가 흡습성 폴리머 물질을 이용하여 호기에서 포함된 비말을 흡수하면서 그 중에 포함된 바이러스를 포집하고 이를 lysis 후 증폭하는 방법 등이 제시되고 있습니다.


8. 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

위에서 말씀드린 마스크 기반의 바이러스 포집 및 검출에 대한 연구가 현재 진행 중입니다. 이를 통해 마스크를 이용하여 사람들이 분자진단의 정확도를 가지고 손쉽게 자가진단을 할 수 있는 기술을 개발하는 것이 목표가 되겠습니다. 이런 연구를 하다보면, 의도치 않은 연구가 파생하기도 하는데, 그 중의 하나가 바로 Breath Biopsy라는 개념기술입니다.

현재 선도연구센터에서 수행하는 과제가 액체생검(Liquid BIopsy) 였다면, 미래의 생검은 호흡을 통한 생검이 또 다른 암을 포함한 각종 질병의 진단방법이 될 수 있을 것입니다. 물론, 오래전부터 개의 후각세포를 인조 배양하여 이에 대한 시그널을 분석한다는 개념과 전자센싱기반의 전자코 기술을 개발한다는 시도가 있어왔지만 대부분의 타겟이 단백질이상의 크기일 뿐 아니라 유기화합물에 대한 분석연구가 대부분이었습니다. 본 센터에서는 호기에서 다양한 종류의 DNA, RNA 및 엑소좀 등이 얻어진다는 점을 발견하였으며 이를 통한 특정 환자군에서 진단 바이오마커를 발굴하는 연구를 수행 중에 있어 미래의 호기생검 연구를 개척해 나가고 있습니다.


9. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

본인은 기계공학분야에서 세포병리학 분야를 거쳐 분자진단학 분야까지 오게되어습니다. 문득 책장에 꽂힌 연구보고서의 제목을 보고있노라면 깜짝 놀랄정도로 생경한 느낌이 들기도 합니다. 그러나, 여기까지 들어오게 된 것은 단 한가지의 철학이 있었는데, 그것은 논문속에 있는 기술로는 세상을 바꿀수 없다는 것이며 이를 실제 임상에 적용할 수 있는 기술로 만들어 내는 연구를 하겠다는 일념이었습니다.

더 이상 논문을 쓰기 위한 연구가 아니라 실제 현장에서 해결되지 못하고 고민하는 문제를 연구현장으로 끌고 들어와 해결하라는 것입니다. 그러기 위해서는 임상현장과 같은 현실의 문제가 무엇인지 파악하고 이에 대한 전공기술로 접근할 수 있을지에 대한 전망과 자문, 기획 등의 치밀한 탐색이 필요하다고 봅니다.

물론, 한번 시작한 연구는 꿈에서도 나타나 연구자인 자신이 분자 크기로 변신하여서 그 세계에서의 환경을 간접적으로 체험해보는 집중력이 필요하기도 합니다. 일례로, 한때 연구하였던 혈소판 연구에서 반복재현성이 문제가 될 때, 상상의 나래를 펴서 나 자신이 혈소판이 되어 유동환경을 돌아다녀보니 왜 반복성이 없을지 애해가 되어 유동구조를 바꾸는 아이디어를 얻기도 하였습니다. 그리고, 아이디어 발굴과 교환을 시도하면 창의적이면서 협동적인 연구개발을 시도하라고 당부드리고 싶습니다.



 

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