에이즈·에볼라 진단, 더 쉽고 빠르게 !

시약 없이 백혈구 분리·용해하는 통합 키트 개발

- 마이크로 구조물 이용해 백혈구 분리~용해까지 시약 없이 가능

- 의료현장서 빠른 질병 진단에 기여…양성 교수팀, Scientific Reports 논문

(그림 1) 연구팀이 개발한 백혈구 자동 분리 및 용해 통합 키트의 실제 모습과실시간 추출된 단백질 및 유전물질을담기 위한 튜브(사진 오른쪽)의 모습

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 신용카드 4분의 1 크기의 키트(kit)로 혈액 내 백혈구를 자동으로 분리용해할 수 있는 세포 전처리 기술을 개발했다. 이번 성과는 에이즈(AIDS)·에볼라·뎅기열 같은 바이러스 감염성 질환 진단을 보다 쉽고 빠르게 진행하는 데 기여할 것으로 기대된다.

  ∘ GIST 양성 교수(교신저자)가 주도하고 최종찬 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 GIST 의료시스템공학연구소의 지원을 받아 진행됐고, 연구 결과는 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 14일자 온라인판에 게재됐다. (*논문명 : On-chip Extraction of Intracellular Molecules in White Blood Cells from Whole Blood)

□ 일반적으로 바이러스 감염성 질환(에이즈‧에볼라‧뎅기열 등)은 의심 환자의 타액‧소변‧혈액(특히 혈장)에 존재하는 항체, 바이러스 항원이나 유전물질을 검출하는 방법으로 진단할 수 있다.

  ∘ 감염성 바이러스는 혈액 내 백혈구를 숙주 세포로 삼아 바이러스를 복제 생산하기 때문에, 혈액으로부터 감염 백혈구를 분리하고 그 안에 바이러스 DNA나 RNA 유전물질이 있는지 판별하는 것이 중요하다.

  ∘ 현재 질병 진단을 위해 혈액에서 백혈구를 분리하고 용해하기 위해서는 특수한 시약과 원심분리기 같은 장비가 반드시 필요하기 때문에, 아프리카처럼 시급한 의료 현장에서 손쉽게 사용할 수 있는 백혈구 분리-용해 장비가 필요한 상황이다.

(그림 2) 백혈구 자동 분리 및 용해 통합 키트의 작동 원리를 보여주는 모식도(A). (원리 순서: ① 혈액 주입 ② 혈액에서 백혈구 분리 및 농축 ③ 백혈구 기계적 용해 ④ 단백질 및 유전물질 자동 추출 ⑤ 백혈구 제외 혈액 성분) (B) 마이크로포스트 어레이를 이용한 혈구 세포 간 크기 차이에 기반을 둔 백혈구 분리 기술. (C) 유체역학적 설계를 통한 백혈구 농축 기술. (D) 실리콘 습식 식각을 통해 제작된 nano-scale의 날카로운 tip을 갖는 백혈구 용해 구조물에 의한 세포 내부 물질 추출 기술.

□ GIST 연구팀은 별도의 시약이나 전문 기술, 원심분리기 등의 장비 없이도 미세유체역학 기술을 이용해 백혈구를 자동으로 분리하고 용해시켜 백혈구 내부 단백질과 유전 물질을 추출하는 통합 키트를 개발했다.

  ∘ 연구팀은 백혈구 내부 단백질과 유전물질을 추출하기 위해  백혈구 분리용 소자와 기계적 용해 소자를 각각 제작하고 이를 미세유체역학 설계를 통해 하나의 통합 칩으로 제작하였다.

  ∘ 신용카드 4분의 1 크기(가로 5㎝ x 세로 2㎝)의 키트 주입구에 의심환자의 혈액 0.5㎖를 주입하면, 혈액이 키트 내 마이크로 채널*(구조물)을 따라 흐르면서 사이즈가 큰 백혈구만이 자동으로 분리된다.

* 백혈구 분리용 소자는 마이크로 채널과 마이크로 구조물 패턴이 있는 폴리디메틸실록산(PDMS․실리콘 고무의 일종) 재질로 제작

(영상 1) 백혈구 분리 과정을 초고속 카메라로 촬영한 영상. 아래쪽 검은 물질들이 적혈구이며 사선 방향으로 흐르는 하얀색 (동그란)이 백혈구

  ∘ 이어 분리된 백혈구는 나노 단위의 날카로운 실리콘 구조물*에 의해 세포막이 파쇄되면서 용해된다. 따라서 혈액으로부터 백혈구 내부 단백질과 유전 물질이 자동으로 추출되는 것이다.

* 기계적 용해 소자는 실리콘 습식 식각을 통해 나노 사이즈의 날카로운 구조물을 포함하는 칩으로 제작했다.

  ∘ 실험 결과, 혈액에 있는 백혈구의 99%를 분리할 수 있었으며, 시약과 원심분리기를 사용하는 기존 기술에 비해 단백질 추출 성능은 약 120% 개선되었다. 또 유전 물질 추출 성능은 기존 방법의 약 90% 정도로 비슷한 수준의 성능을 유지할 수 있었다.

  ∘ 더불어 임상학적 응용을 위해 인체 면역결핍 바이러스(HIV) DNA를 지닌 감염 혈액을 키트에 떨어뜨려 HIV 감염 유무를 판별할 수 있는 중합효소연쇄반응(PCR) 실험을 한 결과, 감염 세포의 HIV-DNA를 102/μL까지 진단 가능함을 확인하였다.

□ 양성 교수는 “이번에 개발한 키트를 이용하면 혈액 내 숙주 세포 DNA에 결합되어 있는 바이러스 항원이나 유전물질 추출이 보다 간편해져 감염성 질환의 조기 진단과 잠복기 판별, 모체-신생아간의 감염 여부 판별 등이 보다 손쉽고 정확하게 이뤄질 것으로 기대한다”고 말했다.     <끝>