사진=3ACS NANO LOGO

심혈관질환은 생명을 위협할 수 있는 위험한 질병이며 심부전, 심근 경색, 뇌졸중 등의 질병이 속해있다. 심혈관질환 발생 후 바로 병원에서 치료를 받지 않으면 생존률이 극도로 낮아지는 무서운 질병이다. 이러한 질병은 발생할 경우 일회성으로 발병하고 치료하면 해결되는 질병이 아니며, 당뇨병과 같이 지속적으로 환자의 상태를 관찰하고 위험성을 확인해야 한다. 심혈관질환의 위험성과 관련있는 체내 바이오마커들이 연구되어 왔고, 한가지 바이오마커로는 정밀한 진단이 어려움이 밝혀졌다. 기존의 질병의 위험성을 확인하기 위한 기술들에 더하여 심혈관질환의 발생 전후로 체내에 농도가 크게 증가하는 단백질인 피브리노겐을 측정했다. 기존의 피브리노겐 측정 기술의 경우 효소를 사용하는 방식으로 정확도가 낮고 오차 범위가 커서 정확한 측정이 불가능했다.

고려대학교(총장 정진택) 윤대성 교수와 이규도 교수, 광운대 이정훈 교수 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 적혈구 세포막에 존재하는 피브리노겐 수용체 (인테그린 αIIbβ3)를 이용했다. 이를 위해 적혈구에서 세포막과 막단백질을 추출하여 70nm 직경의 금 나노입자에 코팅하여 나노 크기의 적혈구 모방체를 만들었다. 이 모방체를 이용할 경우 일반 적혈구와 동일하게 상처가 났을 때 발생하는 혈액응고과정을 모방할 수 있다. 구체적으로 피브리노겐에 반응하여 적혈구 모방체가 응집하며, 피브리노겐의 농도가 높을수록 응집도가 증가했다. 이와 같은 피브리노겐의 농도에 따른 응집도의 정도에 따라 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상이 변화하여 이를 관측할 수 있게 했다.

이번에 개발된 바이오센서 기술은 기존의 병원에서 사용하는 피브리노겐의 분석법에 비해서 다양한 이점을 갖는다. 기존 방법은 피브리노겐의 중합체인 불용성 피브린을 분석하는 간접적인 방식이나 개발된 센서의 경우는 수용성의 단량체 피브리노겐을 직접 검지하는 방식이다. 뿐만 아니라 혈액응고과정에서 발생하는 다양한 간섭물질들에 영향을 받지 않고 오로지 프브리노겐에 만 반응하는 등 민감도와 특이도가 대폭 개선된 결과를 나타냈다.

심혈관질환 위험군 환자들은 언제 심혈관질환이 재발할지 걱정하며 삶을 살아가고 있다. 이러한 위험군 환자들이 스스로 자신의 상태를 모니터링하여 심혈관질환 발생 위험성을 확인한다면 환자들의 불안감을 줄일 수 있을 것이다. 더욱이 발생할 심혈관질환을 예방하여 보다 많은 생명을 살릴 수 있을 것으로 기대된다. 이와 관련하여 영국 케임브릿지 대학교 공중보건학과 선임연구원 Stephen Kaptoge는 피브리노겐과 CRP의 농도를 측정하여 기존 심혈관질환 위험성 평가할경우 심혈관질환이 발생하기 전 약물치료만으로 위험 요소를 제거하여 질병 발생 건당 23,000 달러의 절약효과가 있다고 언급했다. 이는 심혈관질환이 발생한 후 드는 입원비, 수술비, 간호비가 경감되기 때문에 가능한 수치이다.

(https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmoa1107477)

윤대성 교수는 “이번에 개발된 센서의 경우는 혈액응고과정이라는 인체의 생체현상을 자연모사하여 개발된 세포막기반 바이오센서로, 이러한 세포막 생체모방의 개념은 다양하게 확장될 수 있다. 예를 들면 다양한 질병의 발병과정을 자연모사하여 질병에 원인이 되는 세포막을 코팅한 바이오센서를 개발할 수 있고, 암 혹은 자가면역질환, 감염성질환과 같은 질병을 진단할 수 있는 다양한 생체모방형 바이오센서를 구현할 수 있다.” 고 말했다.

이번 연구는 자연모사혁신기술개발사업(한국연구재단) 연구과제의 일환으로 진행됐으며 김인수 박사과정생 (고려대 바이오의공학과, 제 1저자), 윤대성 교수 (고려대 바이오의공학과, 교신저자), 이규도 교수 (고려대 생명정보공학과, 교신저자), 이정훈교수 (광운대 전기공학과, 교신저자)가 주저자로 참여했고, 나노기술 및 다학제간 재료의 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ACS Nano (IF 14.588, 상위 5.3%) 1월 30일 온라인판 커버로 발표됐다.