내 용
(요 약) | □ 고려대학교(총장 정진택) 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀과 경희대학교 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.
= 이하 내용 첨부파일 참조 =
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20200831[고려대]체액 한 방울로 알츠하이머병 진단 가능해진다.hwp