알츠하이머병 진단 센서 모식도 : 혈액 내에 존재하는 총 4종의 바이오마커 농도를 측정해 알츠하이머병 환자를 구별하는 고밀도로 정렬된 카본 나노튜브 기반 저항 센서의 모식도

국내 연구진이 혈액으로 알츠하이머병을 진단할 수 있는 센서를 개발했다.

KAIST 신소재공학과 박찬범 교수와 스티브 박 교수 공동 연구팀이 혈액 내에 존재하는 총 4종의 바이오마커 농도를 측정해 알츠하이머병 환자를 구별하는 카본 나노튜브 기반 저항 센서를 개발하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 진단 센서를 활용해 혈액 내에 존재하는 베타-아밀로이드 및 타우 단백질 등 알츠하이머병과 관련한 4종의 바이오마커 농도를 측정·비교하면 민감도는 90%, 정확도 88.6%로 중증 알츠하이머 환자를 구별해 낼 수 있다.

알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 대표적인 치매 질환이다. 현재 전 세계 65세 이상 인구 중 10% 이상이 이 질병으로 인해 고통을 받고 있다.

하지만 현재의 진단 방법은 고가의 양전자 단층촬영(PET) 또는 자기공명영상진단(MRI) 장비를 사용해야만 하기에 많은 환자를 진단하기 위해서는 저렴하면서도 정확한 진단 기술개발의 필요성이 제기돼 왔다.

알츠하이머병 (Alzheimer’s disease) : 퇴행성 뇌 질환 중의 하나로, 신경세포가 점진적으로 손상되면서 인지기능 감퇴 및 각종 정신적, 행동적 이상 증상을 나타낸다.

바이오마커 (Biomarker) : 정상이나 병적인 상태를 구분하거나, 객관적으로 측정할 수 있는 몸 안의 단백질, DNA, RNA, 각종 대사물질을 의미한다.

이번 연구에 앞서 박찬범 교수는 퇴행성 신경질환 치료에 효과적으로 활용할 수 있는 다양한 나노입자 관련 특허를 출원, 등록한 바 있다. 이 가운데 베타-아밀로이드 응집 억제용 업컨버젼 나노입자 특허는 업컨버젼 나노입자를 이용해 베타-아밀로이드의 응집을 효과적으로 억제하고, 독성을 감소시킬 수 있어 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌졸중, 헌팅턴병 등 다양한 퇴행성 신경질환 치료에 이용될 수 있다.

연구팀은 랑뮤어 블라젯(Langmuir-blodgett)이라는 기술을 이용해 고밀도로 정렬한 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)를 기반으로 한 고민감성의 저항 센서를 개발했다. 탄소 나노튜브를 고밀도로 정렬하게 되면 무작위의 방향성을 가질 때 생성되는 접합 저항(Tube-to-tube junction resistance)을 최소화할 수 있어 분석물을 더 민감하게 검출할 수 있다.

랑뮤어 블라젯 (Langmuir-blodgett) 기술 : 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때, 표면 압력을 조절하여 원하는 배열로 나노입자를 단층으로 제작하는 기법이다.

탄소 나노튜브 (Carbon nanotube) : 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체로서 반지름의 크기가 작고, 전기전도도가 높아 전기적 바이오센서에 주로 사용된다.

접합 저항 (Tube-to-tube junction resistance) : 탄소 나노튜브 간의 접합에 의해 발생하는 저항으로, 접합 부분이 많을수록 저항값이 커져 센서의 민감도는 낮아진다.

실제로 고밀도로 정렬된 탄소 나노튜브를 이용한 저항 센서는 기존에 개발된 탄소 나노튜브 기반의 바이오센서들 대비 100배 이상의 높은 민감도를 보였다.

진단 센서 성능: 탄소 나노튜브를 이용한 저항 센서는 기존에 개발된 탄소 나노튜브 기반의 바이오센서들 대비 100배 이상의 높은 민감도를 보였다.

연구팀은 고밀도로 정렬된 탄소 나노튜브를 이용해 혈액에 존재하는 알츠하이머병의 바이오마커 4종류를 동시에 측정할 수 있는 저항 센서 칩을 제작했다.

알츠하이머병의 대표적인 바이오마커인 베타-아밀로이드 42 (β-amyloid42,), 베타-아밀로이드 40 (β-amyloid40), 총-타우 단백질 (Total tau proteins) 및 과인산화된 타우 단백질 (Phosphorylated tau proteins)은 그 양이 알츠하이머병의 병리와 직접적인 상관관계를 가지기 때문에 알츠하이머병 환자를 구별해 내는 데 매우 유용하다.

베타 아밀로이드 (β-amyloid) 및 타우 단백질 (Tau proteins) : 알츠하이머병 환자의 뇌에 특이적으로 축적되는 이상 단백질로, 베타 아밀로이드 펩타이드 2종 (β-amyloid42, β-amyloid40) 및 타우 단백질 2종 (Total tau proteins, Phosphorylated tau proteins)은 알츠하이머병의 병리와 직접적 상관성이 높기 때문에 알츠하이머병의 진행 정도를 예측하고, 모니터링하는 데 유용하다.

고밀도로 정렬된 탄소 나노튜브 기반 센서 칩을 이용해 실제 알츠하이머 환자와 정상인의 혈액 샘플 내에 존재하는 4종의 바이오마커 농도를 측정 하고 비교한 결과, 민감도와 선택성은 각각 90%, 그리고 88.6%의 정확도를 지녀 중증 알츠하이머 환자를 상당히 정확하게 진단할 수 있음을 확인했다. 연구팀이 개발한 고밀도로 정렬된 탄소 나노튜브 센서는 측정방식이 간편하고, 제작비용도 저렴하다.

박찬범 교수는“본 연구는 알츠하이머병으로 이미 확정된 중증환자들을 대상으로 진행하였다. 향후 실제 진료 환경에 활용하기 위해서는 경도인지장애 (Mild cognitive impairment) 환자의 진단 가능성을 테스트하는 것이 필요하다”며“이를 위하여 경도인지장애 코호트, 치매 코호트 등의 범국가적인 인프라 구축이 필수적이며, 국가 공공기관의 적극적인 연구 네트워크 구축 및 지원의 장기성 보장이 요구된다”고 강조했다.

경도인지장애 (Mild cognitive impairment): 정상인지 단계에서 치매로 이행되는 중간 단계를 일컫는 용어로서, 일상생활 능력 및 일반적인 인지기능은 정상이나, 주관적인 또는 보호자에 의한 기억장애를 호소하는 단계이다. 즉, 퇴행성 뇌 질환에 의한 인지기능 장애는 있으나, 아직 치매라고 할 수는 없는 상태를 말한다.

코호트 (Cohort) : 특정기간 동안 공통된 특성이나 경험을 갖는 집단으로, 특정 인구집단을 일정 기간 추적해 약물 또는 진단 기기의 효과를 검증할 수 있다.

김가영 박사과정·김민지 석사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지‘네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)’1월 8일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Clinically accurate diagnosis of Alzheimer’s disease via multiplexed sensing of core biomarkers in human plasma)

이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자 지원사업과 충남대병원 및 충북대병원 인체자원은행의 지원을 받아 수행됐다.

주상돈    newsdjoo@gmail.com