혈액·침만으로 암진단…저비용·단순공정·재사용·초고감도 센서 개발

UNIST-KAIST-연세대 공동, 이황화몰리브덴 활용 5회이상 재사용 가능

간단한 진단으로 암 전이를 잡아내는 고감도 센서가 개발됐다. 기술성숙도(TRL)는 연구실을 벗어나기 직전인 3~4단계 정도다.

혈액이나 침, 오줌 등 액체 생검 만으로 쉽게 검사가 가능한데다, 제작 공정도 쉽고 저렴해 상용화 가능성에 기대를 모았다.

UNIST(울산과학기술원)는 김명수 전기전자공학과 교수 연구팀이 KAIST 신우정 교수팀, 연세대학교 강주훈 교수팀과 공동으로 이황화몰리브덴과 고주파(RF)를 이용해 재사용 가능한 고감도 액체 생검 센서를 개발했다고 12일 밝혔다.

왼쪽 그림은 단일 가닥 DNA가 이황화몰리브덴 표면에 붙는 과정을 나타냈다. 오른쪽 그림은 고주파 신호 분석 결과 그래프. 단일 가닥 DNA가 표면에 흡착되면 공진 주파수가 이동하고, 이후 상보적 DNA 용액으로 세척해 재생 과정을 거치면 신호가 다시 초기 상태로 돌아온다. 세척액 속 상보적 DNA와 결합해 이중가닥 DNA가 완성되면서 이황화몰리브덴 표면과 결합력이 약해진 DNA가 표면으로부터 떨어져 나가는 모습이 오른쪽 아래그림이다. 이를 통해 센서가 재생된다.(그림=UNIST)

김명수 교수는 전화 통화에서 "이 센서 특징은 간단한 제작 공정, 저비용, 재사용, 초고성능 등 4가지"라며 "다만, 상용화까지는 안전성 등에 관한 필드 테스트 등 많은 절차를 거쳐야 한다"고 말했다.

액체 생검은 실제 조직을 떼내지 않고도 혈액이나 침, 오줌 등에 체액 속에 떠다니는 DNA 조각을 감지해 암을 찾아내는 기술이다. 기존 방식은 감지 센서가 일회용이거나 센서 제작 비용이 부담스러울만큼 비싸다.

연구팀은 이 고감도 센서 제작에 이황화몰리브덴을 이용했다. 이 센서는 특수 용액에 씻어내기만 하면, 5회 재사용도 가능하다. 제작도 쉬워 공정 비용도 저렴하다. 이황화몰리브덴 잉크를 기판에 발라 회전시킨 뒤 잉크 속 용매를 날려버리기만 하면 된다.

진단은 센서에 환자 체액을 떨어뜨린 뒤 고주파(RF)로 반응을 살피는 방식으로 한다. 표적 DNA가 센서에 달라붙을 때 발생하는 유전율과 저항 변화가 고주파 신호의 공진 주파수를 이동시키는 원리다.

특히, 기존 유전자 분석 기술이 놓치기 쉬웠던 '단일 가닥 DNA'만을 검출하는 것이 이 센서만의 특징이다. 단일 가닥 DNA는 말기 암이나 림프절 전이 환자에게서 고농도로 발견되는 바이오마커다.

연구팀은 암 전이와 밀접한 단일 가닥 DNA를 저비용으로 검출할 수 있게 돼, 향후 실제 임상에서 암전이 조기 진단과 예후 모니터링 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 예측했다.

연구진. 왼쪽부터 김명수 UNIST 교수, 신우정 KAIST 교수, 이승찬 UNIST 연구원, 이은호 KAIST 연구원. (사진=UNIST)

김명수 교수는 "실험에서 이 센서는 암 진단 지표인 'AluSx1' 유전자 DNA 조각을 154.67nM (나노몰)의 매우 낮은 농도까지 정확하게 검출했다"며 "병원을 넘어 가정에서도 손쉽게 암 예후를 관리할 수 있는 자가 진단 기기와 스마트 헬스케어 시스템으로 발전시켜 나갈 계획”이라고 덧붙였다.

연구는 한국연구재단의 △ 개인기초연구(신진연구) △국가아젠다 기초연구 △기초연구실지원사업 △BRIDGE융합연구개발사업과 정보통신기획평가원(IITP)의 △ 지역지능화혁신인재양성사업 일환으로 수행됐다.

김명수 교수와 신우정 교수가 교신저자, UNIST 이승찬 연구원과 KAIST 최은호 연구원이 논문 제1저자로 등록됐다.

성과는 센서 분야 국제학술지 ‘센서 앤 액추에이터 B: 케미컬(Sensors and Actuators B: Chemical, IF 7.7)’에 온라인으로 게재됐다.