조직검사 대신 소량의 혈액으로 '간섬유화' 조기 발견 … 성균관대 박진성 교수팀, 정확도 95% 센서 개발

성균관대학교는 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 간이 딱딱하게 굳어가는 ‘초기 간섬유화’ 질환을 조직검사 없이 소량의 혈액만으로 찾아낼 수 있는 초고감도 전기화학 바이오센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

이번 연구는 가톨릭대 의과대학 성필수 교수, 배시현 교수(은평성모병원장)팀과 함께 진행했다. 공학 기술과 의학 연구를 결합한 ‘의공학 융합’ 성과다.

간섬유화는 만성 간질환으로 인해 간 조직이 굳은살처럼 딱딱하게 변하는 질환이다. 초기에 발견하면 생활습관을 바꾸거나 약을 먹어 건강한 상태로 되돌릴 수 있지만, 겉으로 드러나는 증상이 없어 조기 발견이 어렵다. 그동안 간에 직접 바늘을 찔러 조직을 떼어내는 ‘간 조직검사’나 비싼 영상검사를 주로 사용해 왔으나, 환자에게 통증을 유발하고 자주 검사하기 어렵다는 단점이 있었다.

공동 연구팀은 간이 딱딱해질 때 혈액으로 방출되는 ‘제1형 프로콜라겐 C-말단 프로펩타이드(PICP)’라는 단백질에 주목했다. 간섬유화는 간 조직에 굳은살과 같은 제1형 콜라겐이 과도하게 쌓이는 질환으로, PICP는 먼저 생성된 제1형 프로콜라겐이 제1형 콜라겐으로 전환될 때 효소에 의해 잘려 나오는 단백질 조각이다. 간섬유화가 얼마나 활발하게 진행되고 있는지를 알려주는 ‘바이오마커(몸 안의 변화를 나타내는 지표)’ 역할을 한다.

연구팀이 진단을 위해 개발한 섬유화 전기화학적 임피던스 분광 플랫폼(FIB-EIS)은 미세한 금 나노입자가 붙은 탄소 전극 위에 PICP 단백질과 결합하는 항체를 붙인 형태다. 혈액 속에 있는 PICP가 이 항체와 결합하면 센서 표면의 전기적 성질(임피던스)이 변하게 되는데 이 변화를 측정하는 원리다. 특수한 염색이나 복잡한 과정 없이 전기의 흐름만으로 물질을 바로 읽어내기에 분석이 매우 간단하다. 향후 스마트폰처럼 들고 다닐 수 있는 휴대용 진단 기기로도 만들 수 있다.

특히 혈액 속에는 진단을 방해하는 다른 수많은 단백질이 섞여 있는데, 연구팀은 이런 방해 물질이 센서에 달라붙지 못하게 차단하는 기술을 적용했다. 그 결과 아주 적은 양의 바이오마커까지 검출할 수 있는 높은 민감도를 확보했다. 최적화된 조건에서 ㎖당 0.81피코그램(pg, 1pg=1조분의 1g)의 농도까지 측정할 수 있었다.

환자 혈액을 이용한 실험에서 간섬유화 환자의 95.24%를 찾아내는 민감도와 정상인을 정상으로 판별하는 100% 특이도를 기록했다.

성균관대 박진성 교수는 “이번 연구는 환자에게 고통을 주는 조직검사를 하지 않고도, 단순한 혈액검사를 통해 간질환을 조기 발견할 수 있음을 증명한 것”이라며 “이 기술이 동네 병원에서도 쉽게 쓸 수 있는 소형 진단 기기로 발전한다면 많은 사람이 간질환을 미리 예방하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal·화학공학 저널)’에 지난 6일 온라인 게재됐다. 성균관대 박주형 박사, 장다영 연구원, 김치현 박사가 공동 제1저자, 성균관대 박진성 교수, 가톨릭대 의대 성필수, 배시현 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 보건복지부의 다양한 연구지원 사업(바이오의료기술개발사업, 중견연구, 성장형 Post-Doc, 세종과학펠로우십, 의사과학자 육성사업)을 통해 이뤄졌다.