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- 신경퇴행성 질환에 대한 신속한 테스트
- 낮은 농도에서도 검출 가능한 바이오마커
- 진단기기 승인 곧 가능해질 듯

새로운 바이오센서로 알츠하이머병과 파킨슨병 진단이 더 쉬워졌다.
웨어러블 기기로 체액 내 신경퇴행성 질환 바이오마커 검출해

신경퇴행성 질환에 대한 신속한 테스트:
새로운 장치는 체액에서 알츠하이머병과 파킨슨병에 대한 바이오마커를 감지할 수 있다. 바이오센서는 휴대 가능하고 비침습적이므로 현재 기술보다 사용하기 쉽고, 정확한 결과를 제공한다. 앞으로는 병원, 요양원은 물론 집에서도 혈액, 타액, 소변 샘플을 이용한 신경퇴행성 질환의 조기 검사가 가능해질 것이다. 

▲ 바이오센서에는 그래핀 층과 3개의 전극으로 구성된 고감도 트랜지스터가 포함된 칩이 포함되어 있다. © David Bailott/캘리포니아 대학교 샌디에고

파킨슨병, 알츠하이머병 등 퇴행성 신경질환을 앓고 있는 노인들이 점점 더 많아지고 있다. 그러나 이러한 질병의 원인은 부분적으로만 알려져 있다. 유전적 요인 외에도 환경적 영향과 특정 바이러스에 의한 감염도 의심된다. 현재 이들 질병에 대한 치료법은 없지만, 조기에 발견할수록 증상을 지연시키기가 더 쉽다.

바이오마커는 신경퇴행성 질환을 나타낸다.

알츠하이머병과 파킨슨병의 조기 발견은 운동 장애, 건망증과 같은 전형적인 증상이 실제로 질병이 발병한 지 몇 년 후에 나타나는 경우가 많기 때문에 어렵다. 뇌 스캔, 척수관에서 신경액 제거와 같은 진단 절차는 복잡하고 침습적인 경우가 많다. 이것이 바로 과학자들이 오랫동안 혈액 내 바이오마커를 기반으로 한 조기 발견 방법을 연구해 온 이유다.

이는 잘못 접힌 단백질이 두 질병 모두에서 중요한 역할을 하기 때문에 가능하다. 알츠하이머병에서는 타우 원섬유와 아밀로이드 단백질이 뇌에 축적되어 뭉쳐진다. 이들 펩타이드는 혈액과 같은 체액에서도 검출될 수 있으므로 바이오마커로 적합하다. 파킨슨병에서는 알파-시누클레인 단백질이 서로 뭉쳐서 뇌세포가 죽게 만든다. 이는 또한 질병의 바이오마커 역할을 할 수도 있다.

병리학적 단백질용 DNA 프로브

샌디에고에 있는 캘리포니아 대학의 Tyler Andrew Bodily가 이끄는 연구 그룹은 이제 부드럽고 비침습적인 방식으로 알츠하이머병과 파킨슨병의 바이오마커를 감지할 수 있는 새로운 테스트를 개발했다. 또한 새로운 점은 이 센서가 휴대 가능하고 사용하기 쉽다는 것이다. 바이오센서의 경우 Bodily와 그의 동료들은 SARS-CoV-2 바이러스의 단백질을 감지하기 위해 원래 코로나19 대유행 기간 개발한 장치를 수정했다.

▲ 감지 플랫폼 및 감지 방법의 개략도. 논문 전반에 걸쳐 활용되는 바이오센서 테스트 프로세스의 개략도. 왼쪽 위: 아밀로이드 단백질은 부검된 AD 및 PD 환자의 균질화된 뇌 조직에서 면역침전되었다. 그런 다음 뇌 유래 단백질을 GFET 바이오센서 칩의 실리콘 웰에 적용했다(오른쪽 상단). 왼쪽 하단: 신경퇴행성 아밀로이드 단백질(Aβ, Tau 및 αS에 대한 PDB ID는 6cvj, 1xq8 및 2mxu)의 3D 모델이 ChimeraX 소프트웨어(19-22)를 사용하여 생성된 것으로 표시. 오른쪽 하단: GFET 칩의 그래핀 표면은 특정 분석물(Aβ 단량체로 표시됨)에 결합하는 앱타머(프로브)로 기능화되며 분석물-프로브 특정 상호 작용은 게이트 전압과 그래프의 플롯에서 Dirac 지점을 이동시킨다. 드레인-소스 전류. 기준선(분석물이 없는 대조 I-V 곡선)과 바이오마커 샘플 존재 시 I-V 곡선 사이의 Dirac 점 이동이 판독기에 의해 기록되고 분석된다. (출처:In pursuit of degenerative brain disease diagnosis: Dementia biomarkers detected by DNA aptamer-attached portable graphene biosensor / PNAS)

파킨슨병과 알츠하이머병을 위해 추가로 개발된 이 장치에는 탄소 소재 그래핀을 기반으로 한 특수 트랜지스터가 포함된 칩이 포함되어 있다. 이러한 민감한 그래핀 전계 효과 트랜지스터는 단원자 그래핀 층과 다중 전극으로 구성된다. 압타머라고 불리는 짧은 개별 DNA 가닥은 3개의 전극 중 하나에 연결되어 있으며, 이 전극은 프로브 역할을 하며 질병의 바이오마커(아밀로이드 베타, 타우 ​​또는 시누클레인 단백질)에 특이적으로 결합한다.

질병을 나타내는 단백질이 적절한 DNA 프로브에 결합하면 특정 바이오마커의 인식을 나타내는 전기 신호가 촉발된다. 연구원들이 설명하는 것처럼 바이오센서는 순수한 화학적 감지보다는 전기화학적 감지를 기반으로 한다. 결과는 무선으로 노트북이나 스마트폰으로 전송되어 의사, 환자, 간병인 및 가족에게 직접 전송될 수 있다.

낮은 농도에서도 검출 가능한 바이오마커

장치의 정확성과 효과를 테스트하기 위해 연구팀은 합성 아밀로이드 단백질과 사망한 알츠하이머병 및 파킨슨병 환자의 뇌에서 추출한 아밀로이드 단백질을 사용했다. 실험 결과 센서는 기존 테스트 방법뿐만 아니라 두 질병에 대한 특정 바이오마커를 감지하는 것으로 나타났다.

이 장치는 또한 매우 낮은 농도의 바이오마커도 감지할 수 있다. 이는 테스트에 소량의 샘플만 필요하며 바이오마커가 초기 단계에서 환자의 신체에서도 검출될 수 있음을 의미한다고 Bodily와 그의 동료들은 설명한다. 분석된 샘플에 바이오마커 외에도 테스트와 관련 없는 다른 단백질이 포함되어 있어도 장치는 안정적으로 작동했다고 팀은 말했다. 이렇게 하면 위양성 진단의 위험이 줄어든다.

▲ 그래핀 기반 트랜지스터를 갖춘 바이오센서의 실리콘 웰 클로즈업. © David Bailott/캘리포니아 대학교 샌디에고

그러나 알츠하이머병의 타우 단백질은 전하가 다르기 때문에 다른 바이오마커보다 바이오센서로 검출하기가 더 어려웠다. "그러나 이 장치는 세 가지 다른 바이오마커를 동시에 검사하기 때문에 세 가지 결과를 모두 결합하여 신뢰할 수 있는 전체 결과에 도달할 수 있다"고 샌디에이고 캘리포니아 대학의 수석 저자인 Ratnesh Lal이 말했다.

진단기기 승인 곧 가능해질 듯

캘리포니아 대학은 이미 생명공학 스타트업인 Ampera Life에 새로 개발된 탐지 기술을 사용할 수 있는 라이센스를 부여했다. 병원과 요양원에서의 추가 테스트에서 연구원과 회사는 이제 바이오센서가 환자의 혈장, 타액 및 소변에서 알츠하이머병 및 파킨슨병에 대한 바이오마커를 얼마나 안정적으로 감지하는지 알아내고자 한다.

이러한 테스트가 잘 진행된다면 암페라 라이프는 곧 미국 식품의약국(FDA)에 해당 기기에 대한 승인을 신청할 것이라고 밝혔다. 목표는 1년 안에 이 장치를 시장에 출시하는 것이다. 이론적으로 바이오센서는 다른 질병에 대한 바이오마커를 감지하도록 추가로 변형될 수도 있다고 연구진은 보고했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; doi: 10.1073/pnas.2311565120)
출처: University of California – San Diego

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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