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혈액 한 방울로 즉석 현장 진단 기술 개발...복잡한 검사기 필요없어
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혈액 한 방울로 즉석 현장 진단 기술 개발...복잡한 검사기 필요없어
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.09.23 16:28
  • 댓글 0
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혈관 내피 단백질을 미세 유체 칩에 코팅해 감염여부 진단 가능 장치 개발
혈액배양·PCR 검사같은 기존 방법보다 더 빨라...스마트폰에 장착 가능수준
중환자실같은 빠른 진단이 필요한 곳에서 활용...정밀한 전염병 방역시스템 구축 기여 기대
상용화 가능성 높아 병원과의 공동연구를 통해 임상 연구 계획 중
연구진사진: (우측부터) 강주헌 교수, 이민석 연구원,  권세용 연구조교수 /UNIST 제공

현장에서 혈액 한 방울로 바이러스나 세균 감염 여부를 즉석에서 진단하는 기술이 개발됐다. 

울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 강주헌 교수팀은 세균이나 바이러스 등의 병원균 감염 여부를 진단할 수 있는 미세 유체 칩을 개발했다고 23일 밝혔다. 

연구진에 따르면 인체의 면역반응을 모방한 이 '인공 혈관 칩'은 머리카락 수준의 얇은 관으로 이루어졌으며, 감염된 유체인 혈액을 넣으면 백혈구가 인공 혈관(유체 관) 벽면에 달라붙게 된다. 

감염자는 벽에 달라붙는 백혈구 숫자가 건강한 사람에 비해 눈에 띄게 많기 때문에 저배율 광확현미경만으로도 감염 여부를 손쉽게 진단할 수 있다. 

소요되는 검사 시간은 10분 내외이며 감염된지 1시간 경과 정도인 극초기에도 감염여부를 알 수 있다고 한다. 

미세 유체 칩의 구조와 유체 관에 부착된 백혈구 (A) 개발된 미세 유체 칩(좌)과 유체 칩을 측면에서 본 구조(우) (B) 미세 유체 칩의 사진과 백혈구의 부착(rolling)현상을 관찰한 사진. 건강한 사람의 경우 부착된 백혈구 숫자가 적다. /UNIST 제공

연구진은 증상이 없는 잠복기 환자를 조기 선별할 수 있어 효과적으로 현장에서 쓰일 수 있고, 현재 문진이나 체온 검진에 의존하고 있는 코로나19 환자 선별방식을 획기적으로 바꿀 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.

면역세포인 백혈구가 감염이 발생된 부위로 이동하기 위해 혈관 내벽을 통과하는 과정에서 혈관 내벽에 붙는 현상을 모방해 개발한 칩의 유체관 벽면에는 감염 시 혈과 내피세포가 발현하는 단백질이 코팅되어 있다. 

미세 유체 칩의 원리. 감염된 사람은 백혈구 표면에 발현되는 특정 단백질의 양과 이 단백질을 발현하는 백혈구 숫자(비율) 자체가 증가한다. 혈관 내피에서는 백혈구가 부착 할 수 있는 단백질이 발현된다. 연구진은 혈관 내피 단백질을 미세 유체 칩에 코팅해 감염여부를 진단 할 수 있는 진단 장치를 개발했다. /UNIST 제공

이 단백질이 혈액 속을 떠다니는 백혈구를 붙잡는 역할을 하는 것이다. 또한 환자의 백혈구 표면에 단백질 발현이 증가하고 백혈구의 비율이 높아져 미세 유체 관에 환자의 혈액을 흘리게 되면 관 벽면에 달라붙는 백혈구 수가 건강한 사람에 비해 많은 것이라고 연구진은 설명했다. 

UNIST 바이오메디컬공학과 권세용(제1저자) 연구교수는 "백혈구 표면의 단백질 발현량 증가와 그 단백질을 발현하는 백혈구 비율의 증가는 이번 연구로 새롭게 밝혀진 사실"이라고 말했다. 

백혈구 미세 유체 칩에 부착되는 현상 (10배속) 영상 캡쳐 /UNIST 제공

항생제 저항성 세균에 감염된 쥐로 개발된 미세 유체 칩의 성능을 테스트한 연구진은 감염된 쥐의 혈액 한 방울을 미세유체 소자에 흘려주었을 때 감염되지 않는 쥐보다 더 많은 양의 백혈구가 유체 관 벽면에 붙어 있는 것을 확인했다. 

또한 감염 된지 1시간 정도 지난 초기에도 정상쥐와 비료해 더 많은 양의 백혈구가 붙어 있었다고 한다. 

강주헌 교수는 "혈액배양이나 PCR 검사같은 기존의 방법보다 더 빠른 시간 안에 진단 결과를 알수 있고, 광학현미경도 저배율로도 가능해 스마트폰에 장착이 가능한 수준"이라고 말했다. 

그는 "궁극적으로 5~10분 내에 감염여부를 진단하는 저렴한 휴대용 진단 시스템을 완성하는 것이 목표"라고 밝혔다. 

이어 강 교수는 인체에도 동일한 면역 시스템이 있고, 인간의 백혈구는 실험에 사용된 쥐보다 수천 배 민감한 반응을 보이기 때문에 상용화 가능성이 높아 병원과의 공동연구를 통해 임상 연구를 계획 중이라고도 했다. 

현재 감염병 진단에 주로 쓰이는 혈액배양법은 수일의 시간이 소요되고, 사이토카인 농도 측정법과 PCR 진단법은 환자의 상태나 감염이 경과한 시간에 따라 거짓음성결과가 나올 수 있다. 감염이 됐지만 검사 결과가 무감염으로 나오는 경우가 있다. 

 미세 유체 칩을 이용한 실험 장면 연출 /UNIST 제공

또한 현장 진단에 적합하려면 응급실이나 중환자실과 같이 즉각적 현장 검사가 이루어져야 하는 공간에서 사용이 가능한 기술개발이 필요했다. 

이번 UNIST 강주헌 교수 연구팀의 기술 개발로 현장 진단에 최적화되어 초기 환자 감염 여부를 빠르게 판별할 수 있고, 중환자실 처럼 감염환자의 빠른 진단이 필요한 곳에서 활용되면 생존율을 높이거나 정밀한 전염병 방역시스템을 구축하는데 기여할 수 있을 것으로 보인다. 

이번 연구 결과는 세계적 학술지 '바이오센서스 & 바이오일렉트로닉스'에 8월 29일자로 논문명 'An inflammatory vascular endothelium-mimicking microfluidic device to enable leukocyte rolling and adhesion for rapid infection diagnosis'로 온라인 공개되어 출판을 앞두고 있다. 


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