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체액 한 방울로 알츠하이머병 진단 가능해진다, 윤대성 교수팀 논문 발표
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1926
  • 일 자 : 2020-08-31


체액 한 방울로 알츠하이머병 진단 가능해진다
주요 원인물질을 펨토그램 수준까지 한번에 검출하는 나노바이오센서 개발
윤대성 교수팀, 바이오센서분야 최고 권위지 Biosensors & Bioelectronics 논문 게재

 

 

윤대성 교수팀

▲ 왼쪽부터 보건과학대학 박동성 석박사통합과정생, 윤대성 교수, 경희대 의대 황교선 교수

 


보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀과 경희대 의과대학 황교선 교수로 이뤄진 공동연구팀은 그래핀 전계효과 트랜지스터를 이용하여 혈액과 뇌척수액 내 존재하는 알츠하이머병의 주요 원인 물질(아밀로이드베타, 타우)을 펨토그램(femtogram, 10-15g) 수준까지 한 번에 검출해낼 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다.

 

이번 연구에는 박동성 석박통합과정(제1저자, 고려대 바이오의공학과), 윤대성 교수 (공동교신저자, 고려대 바이오의공학과), 황교선 교수(공동교신저자, 경희대 의과대학)가 주저자로 참여했고, 연구 결과는 올해 8월 15일 Elsevier社에서 발행하는 전기화학(Electrochemistry)및 분석화학(Analytical chemistry)분야 최고 권위지인 『Biosensors & Bioelectronics』(IF=10.257, JCR 분야 상위 0.581%)에 온라인 공개됐다.
* 논문명 : Multiplexed femtomolar detection of Alzheimer's disease biomarkers in biofluids using a reduced graphene oxide field-effect transistor


알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로, 신경퇴화 및 유전적 요인들에 의해 비정상적으로 응집된 베타아밀로이드*와 과인산화*된 타우단백질*이 원인 물질로 알려져 있다. 현재의 알츠하이머병의 진단 방법으로는 신경심리학적 문답법 혹은 고가의 양전자 단층촬영(PET)/자기공명영상진단(MRI) 영상이 사용되고 있는데, 이들은 주관적일 수 있으며 고비용이라는 단점이 있다.  최근 미국 국립 노화 연구소 및 알츠하이머 협회 (NIA-AA)에서 정한 알츠하이머병 진단 가이드라인에 체액의 베타아밀로이드와 타우 단백질 검출 여부가 중요한 정보로 포함됨에 따라, 체액 내에 수 피코그램(picogram, 10-12g)으로 존재하는 바이오마커를 정확하게 분석해낼 수 있는 센서에 대한 필요성이 크게 증가했다.  특히, 꿈의 소재로 알려진 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터는 고감도의 우수한 전기적 특성과 다양한 항체의 부착이 가능한 표면을 기반으로 활발히 연구되고 있다.

* 베타아밀로이드 : 베타아밀로이드 (Aβ 또는 A베타)는 알츠하이머 환자의 뇌에서 발견되는 아밀로이드 플라크의 주성분으로서 알츠하이머 병에 결정적으로 관여하는 36-43개의 아미노산 펩타이드를 의미한다. 베타아밀로이드는 체내에서 단량체, 올리고머, 섬유 형태 등 다양한 형태로 존재할 수 있으며, 잘못 접힌 올리고머 형태가 세포독성을 나타내며 알츠하이머 치매를 유발하는 것으로 알려져 있다.
* 타우 단백질 : 세포내의 미세소관 결합단백질로서 건강한 경우에는 뉴런의 활동을 지지하지만 변형된 경우는 알츠하이머 질환과 같은 뇌병변에 기여한다. 알츠하이머환자의 경우는 뉴런에 타우가 과인산화되어 있는 경우가 많다.

* 과인산화 : 타우단백질의 아미노산 서열 중 세린 이나 트레오닌 부분이 타우단백질인산화효소에 의해서 인산기가 첨가되는 생화학반응을 의미한다.

 

연구팀은 알츠하이머병의 주요 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우 단백질이 체액의 생리학적 환경(산도 pH 7.4)에 따라 서로 다른 표면 전하 특성을 가진다는 점에 착안하여 두 생체물질이 구별되는 검출 신호를 내는 그래핀 기반 전계효과트랜지스터* 다중 검출 플랫폼을 개발했다. 세상에 존재하는 대부분의 단백질 혹은 펩타이드 구성물은 환경에 따라 양(+) 혹은 음(-)의 표면전하를 갖게 되는데, 그 기준이 되는 것이 등전점*(pI; isoelectric point)이다. 예를 들어, 아밀로이드베타는 5.1의 등전점을 가지므로 pH 7.4를 갖는 환경에서 음(-)의 성질을 띄게 되고, 타우 단백질은 8.24의 등전점을 가지므로 동일 환경에서 양(+)의 성질을 띄게 된다. 그래핀 전계효과트랜지스터는 표면에 부착된 생체물질의 표면전하가 양(+) 혹은 음(-)의 성질을 갖게 되면 이에 따라 그래핀의 전기적 성질이 변화하는 방향 (양 혹은 음)이 결정되게 된다. 이를 이용하여 연구팀은 뇌척수액과 혈액 내에서 수 펨토그램 수준의 검출 한계를 가지며 베타아밀로이드와 타우 단백질을 동시에 검출 해내는데 성공했다.
* 등전점 : 특정 분자가 전기적인 전하를 띠지 않고 중성 상태인 pH. 단백질의 경우 등전점보다 낮은 pH에서는 양전하를, 등전점보다 높은 pH에서는 음전하를 띰.

* 그래핀 전계효과 트랜지스터 : 일반적인 반도체 소자인 전계효과 트랜지스터의 게이트 부분에 대표적인 나노물질인 판상형 탄소막 형태의 그래핀을 도포하여 제작된 소자를 의미한다. 그래핀 표면에 바이오마커를 붙잡을 수 있는 항체를 고정화하여 바이오센서로 이용할 수 있다.


윤대성 고려대 교수는 “이번 연구 결과를 기반으로 경희대학교병원 신경과 이진산 교수와 임상시험를 통하여 실제 환자/정상인의 임상 혈액 및 타액 샘플 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 농도를 분석하여 알츠하이머병의 위험도를 진단하는 연구를 진행 중”이라고 밝히며 “이번에 개발한 그래핀 기반 나노바이오센서는 플랫폼 기술로 다양한 질병 진단에 확장할 수 있는 장점을 갖고 있다. 즉, 알츠하이머병의 관련 인자 검출에 국한되지 않고, 다양한 질병의 원인 물질 (단백질, 핵산)의 표면 전하 분석을 통한 정확한 질병 진단에 확장하여 관련 임상연구에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

 

 

◈ 그 림 설 명 ◈


그림1

▲ 그림 1. 그래핀 바이오센서의 작동 모식도

 

 

 

그림2

▲ 그림 2. 완충용액, 뇌척수액, 혈장 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 검출 결과

 

 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)