빛 기반 센서, 혈액 속 암 바이오마커를 초저농도로 검출

연구진이 혈액 내 암 바이오마커를 극미량 농도에서도 검출할 수 있는 고감도 빛 기반 센서를 개발했다. 학술지 Optica에 게재된 연구에 따르면, 이 센서는 혈액 샘플에 분자가 몇 개만 존재하는 수준에서도 폐암 바이오마커를 포착할 수 있었으며, 기존 방법으로는 찾기 어려울 만큼 바이오마커 농도가 낮은 초기 단계에서의 암 조기 진단에 활용될 가능성을 보여줬다.

이 센서는 환자 샘플에서 폐암 바이오마커를 sub-attomolar 수준에서 검출했으며, 샘플에 분자가 몇 개만 있어도 선명한 신호를 생성했다. 단백질, DNA 또는 기타 분자와 같은 바이오마커는 암 및 다른 질환의 존재, 진행, 위험을 드러내는 데 사용될 수 있다. 그러나 조기 질환 진단에서 가장 큰 과제 중 하나는 발병 초기에는 바이오마커 농도가 극도로 낮다는 점이다.

중국 선전대학(Shenzhen University) 연구팀을 이끈 연구 책임자는 “우리 센서는 DNA로 만든 나노구조를 quantum dots 및 CRISPR 유전자 편집 기술과 결합하고, 2차 고조파 생성(second harmonic generation, SHG)으로 알려진 빛 기반 접근법을 통해 미약한 바이오마커 신호를 검출한다”고 말했다. 이어 “이 접근법이 성공한다면 질환 치료를 더 단순화하고, 생존율을 잠재적으로 높이며, 전반적인 의료비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있다”고 덧붙였다.

이 센서는 molybdenum disulfide로 이루어진 평평한 층으로 제작되며, 이는 SHG를 지지하기에 이상적인 특성을 가진 반도체 물질이다. SHG는 입사하는 빛의 파장을 절반으로 줄이는 광학 현상이다. 새 센서는 입사광이 파장의 절반인 빛으로 변환되는 비선형 광학 과정인 SHG에 기반한다.

과학자들은 피라미드 형태의 DNA 나노구조를 사용해 센서 표면의 정확한 위치에 quantum dots를 고정(tether)함으로써 생성되는 SHG 신호의 강도를 높였다. 연구진은 DNA로만 이루어진 자가 조립형 피라미드 유사 나노구조인 DNA tetrahedrons를 이용해, MoS₂ 표면으로부터 정밀한 거리에서 매우 작은 quantum dots를 고정했다. quantum dots는 국소 광학장을 강화해 SHG 신호를 더 강하게 만든다.

CRISPR를 이용하면 센서를 원하는 표적을 인식하도록 프로그래밍할 수 있다. 연구진은 특정 바이오마커를 검출하기 위해 CRISPR-Cas 유전자 편집을 적용했다. CRISPR에 사용되는 Cas12a 단백질이 표적 바이오마커를 인식하면, quantum dots를 제자리에 고정하고 있는 DNA를 절단하고, 그 결과 SHG 신호가 측정 가능한 수준으로 감소한다. SHG 신호는 배경 잡음이 매우 적기 때문에, 바이오마커 농도가 매우 낮아도 검출이 가능하다.

연구 책임자는 “DNA를 단순한 생물학적 물질로만 보지 않고, 프로그래밍 가능한 빌딩 블록으로 활용함으로써 나노미터 수준의 정밀도로 센서 구성요소를 조립할 수 있다”고 말했다. 이어 “배경 잡음을 효과적으로 최소화하는 광학 비선형 센싱과, 증폭이 필요 없는 설계를 결합함으로써 우리 방법은 속도와 정밀성의 뚜렷한 균형을 제공한다”고 설명했다.

충분히 강한 신호를 얻기 위해 DNA 또는 RNA 표적을 증폭해야 하는 기존의 검출 방법과 달리, 이러한 양자 센서는 초저농도에서도 표적을 직접 검출할 수 있다. 일반적으로 바이오마커 검출에는 극소량의 분자를 증폭하는 과정이 필요하며, 이는 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 이 기술은 작업 흐름을 훨씬 더 빠르고 저렴하게 만들 수 있을 뿐 아니라, 복잡한 증폭 작업 흐름에서 발생할 수 있는 잠재적 오류도 줄일 수 있다.

연구진은 폐암의 성장 및 전이와 관련된 microRNA 바이오마커인 miR-21을 검출하도록 센서를 프로그래밍해 설계를 시험했다. 단순한 buffer solution에서 이 마커를 검출할 수 있음을 확인한 뒤, 폐암 환자의 인체 혈청(human serum)에서도 바이오마커를 검출할 수 있음을 보여 실제 혈액검사를 모사했다.

연구 책임자는 “이 센서는 광학, 나노소재, 생물학을 통합하는 것이 기기를 최적화하는 효과적인 전략이 될 수 있음을 보여주며, 매우 뛰어난 성능을 보였다”고 말했다. 또한 “센서는 특이성도 매우 높아, 유사한 다른 RNA 가닥은 무시하고 폐암 표적만을 검출했다”고 덧붙였다.

이 센싱 기법은 프로그래밍 가능하도록 설계되어, 바이러스, 박테리아, 환경 독소뿐 아니라 Alzheimer's disease와 관련된 것과 같은 다양한 바이오마커도 검출할 수 있게 될 수 있다.

연구 책임자는 “조기 진단 측면에서 이 방법은 CT scan에서 종양이 보이기 전 단계에서도 폐암에 대한 간단한 혈액 스크리닝을 가능하게 할 잠재력이 있다”고 말했다. 이어 “또한 영상 결과를 위해 수개월을 기다리는 대신, 의사가 환자의 바이오마커 수준을 매일 또는 매주 모니터링해 약물 효능을 평가할 수 있게 함으로써 맞춤형 치료 옵션의 발전에도 도움이 될 수 있다”고 덧붙였다.

향후 연구진은 센서 설계를 지속적으로 개선하고 더 소형화할 계획이며, 궁극적으로 임상 환경과 원격 지역 모두에서 쉽게 사용할 수 있는 휴대형 장치를 개발해 암 조기 진단을 지원하는 것을 목표로 한다. 연구진은 광학 세팅을 소형화하는 데 집중할 예정이다. 목표는 병상 옆, 클리닉 또는 자원이 제한된 원격 지역에서도 사용할 수 있는 휴대형 장치로 만드는 것이다.