고대 보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀이 그래핀 전계효과 트랜지스터를 이용해 혈액과 뇌척수액 내 존재하는 알츠하이머병의 주요 원인 물질(아밀로이드베타, 타우)을 펨토그램(femtogram, 10-15 g) 수준까지 한 번에 검출해낼 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다.
이번 연구에는 박동성 석박통합과정(제1저자, 고려대 바이오의공학과), 윤대성 교수(공동교신저자, 고려대 바이오의공학과), 황교선 교수(공동교신저자, 경희대 의과대학)가 주저자로 참여했다.
알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로, 신경퇴화 및 유전적 요인들에 의해 비정상적으로 응집된 베타아밀로이드와 과인산화된 타우단백질이 원인 물질로 알려져 있다.
현재의 알츠하이머병의 진단 방법으로는 신경심리학적 문답법 혹은 고가의 양전자 단층촬영(PET)/자기공명영상진단(MRI) 영상이 사용되고 있는데, 이들은 주관적일 수 있으며 고비용이라는 단점이 있다.
최근 미국 국립 노화 연구소 및 알츠하이머 협회 (NIA-AA)에서 최근 미국 국립 노화 연구소 및 알츠하이머 협회(NIA-AA)에서 정한 알츠하이머병 진단 가이드라인에 체액의 베타아밀로이드와 타우 단백질 검출 여부가 중요한 정보로 포함됨에 따라, 체액 내에 수 피코그램(picogram, 10-12 g)으로 존재하는 바이오마커를 정확하게 분석해낼 수 있는 센서에 대한 필요성이 크게 증가했다.
특히, 꿈의 소재로 알려진 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터는 고감도의 우수한 전기적 특성과 다양한 항체의 부착이 가능한 표면을 기반으로 활발히 연구되고 있다.
연구팀은 알츠하이머병의 주요 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우 단백질이 체액의 생리학적 환경(산도 pH 7.4)에 따라 서로 다른 표면 전하 특성을 가진다는 점에 착안하여 두 생체물질이 구별되는 검출 신호를 내는 그래핀 기반 전계효과트랜지스터 다중 검출 플랫폼을 개발했다.
세상에 존재하는 대부분의 단백질 혹은 펩타이드 구성물은 환경에 따라 양(+) 혹은 음(-)의 표면전하를 갖게 되는데, 그 기준이 되는 것이 등전점*(pI; isoelectric point)이다.
예를 들어, 아밀로이드베타는 5.1의 등전점을 가지므로 pH 7.4를 갖는 환경에서 음(-)의 성질을 띄게 되고, 타우 단백질은 8.24의 등전점을 가지므로 동일 환경에서 양(+)의 성질을 띄게 된다.
그래핀 전계효과트랜지스터는 표면에 부착된 생체물질의 표면전하가 양(+) 혹은 음(-)의 성질을 갖게 되면 이에 따라 그래핀의 전기적 성질이 변화하는 방향(양 혹은 음)이 결정되게 된다.
이를 이용해 연구팀은 뇌척수액과 혈액 내에서 수 펨토그램 수준의 검출 한계를 가지며 베타아밀로이드와 타우 단백질을 동시에 검출 해내는데 성공했다.
윤대성 고려대 교수는 “이번에 개발한 그래핀 기반 나노바이오센서는 플랫폼 기술로 다양한 질병 진단에 확장할 수 있는 장점을 갖고 있다. 즉, 알츠하이머병의 관련 인자 검출에 국한되지 않고, 다양한 질병의 원인 물질(단백질, 핵산)의 표면 전하 분석을 통한 정확한 질병 진단에 확장하여 관련 임상연구에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.
윤 교수팀은 연구 결과를 기반으로 경희대병원 신경과 이진산 교수와 임상시험를 통해 실제 환자/정상인의 임상 혈액 및 타액 샘플 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 농도를 분석하여 알츠하이머병의 위험도를 진단하는 연구를 진행 중이다.
<논문>Park D, Kim JH, Kim HJ, et al. Multiplexed femtomolar detection of Alzheimer's disease biomarkers in biofluids using a reduced graphene oxide field-effect transistor [published online ahead of print, 2020 Aug 15]. Biosens Bioelectron. 2020;167:112505. doi:10.1016/j.bios.2020.112505
