PCR 수준 진단정확도 갖는 신속현장진단 시스템 개발
선택적 샘플농축을 가능하게 하는 세포막융합-나노다공성소재

윤대성 교수팀 연구결과, Nature Communications 게재돼

▲ 이승민 (바이오의공학과, 석박통합과정, 제1저자), 이동택 (바이오의공학과, 연구교수, 현 하버드의대 박사후과정, 제1저자),
윤대성 (바이오의공학과, 교신저자), 이정훈 (광운대 전기공학과, 교신저자)

보건과학대학 바이오의공학부 윤대성 교수팀은 광운대 전기공학과 이정훈 교수팀과 공동연구를 통해 바이오-나노 하이브리드 소재 및 진단시스템 (BEETLES) 개발에 성공했으며, 상용 래피드 키트를 사용하는 현장진단에 있어서 매우 저렴하고 빠른 방법으로 PCR 수준의 민감도를 확보했다. 이번 연구에는 서울성모병원 조성연 교수팀과 카톨릭관동대 유용경 교수팀도 참여했다.

COVID-19에 대한 진단/스크리닝은 특히 증상이 나타나기 전이나 무증상인 경우 중요하며, 이 단계의 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 래피드키트는 값싸고 빠른 진단이 가능함에도 불구하고, 그 민감도가 크게 떨어지는 단점 때문에 응용에 한계를 가지고 있다. 특히 상용 래피드키트는 초기감염 (저역가) 환자에 대해서 50% 미만의 민감도를 보이며 실제 감염된 환자를 분별하는 능력이 크게 떨어지는 한계를 가지고 있다.

공동연구팀은 선택적 샘플전처리를 위한 세포막융합-나노다공성 필터 형태의 바이오-나노 하이브리드 필터를 개발했다. 개발된 필터를 기존의 신속검사와 결합한 진단시스템을 개발했다. 채취된 환자시료로부터 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 (BEETLES: 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 검증했다. 이번 기술은 델타변이 (Delta variants), 오미크론 변이 (Omicron variants) 등 변이에 상관없이 현장 진단 가능하며, 무증상 환자 또한 높은 민감도로 진단 가능하다. 또다른 장점으로 PCR검사와는 달리 본 기술은 전염성이 낮은 회복기 환자를 별도로 구별 가능함으로서 사회적 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한 인플루엔자 A/B 적용 가능함을 입증했으며,  빠른 전처리 시간 (<3분) 및 가격경쟁력 (수백원이내), 그리고 바이러스 및 항원/항체 단백질 모두 농축 가능한 특징으로 인해 가까운 미래에 출현가능한 신/변종 바이러스에 빠른 적용이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 바이오 의료기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구이며  (No.2021M3E5E3080743), Nature Portfolio에서 발간하는 저명한 저널인 네이쳐 커뮤니테이션즈 (Nature Communications IF: 17.69)에 온라인 게재됐다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)