분자 수준에서 구강 염증 감지하는 웨어러블 바이오센서 개발

텍사스 A&M 대학교 연구진이 입안의 염증 바이오마커를 분자 수준의 정밀도로 감지할 수 있는 웨어러블 조직 유착형 바이오센서를 설계했다. 현재 잇몸 질환을 발견하려면 치과 의자에 앉아 시각적 검사를 받아야 하며, 대개 조직 손상이 이미 시작된 후에야 문제를 발견하는 경우가 많다.

토목 환경 공학부의 한 부교수는 습한 구강 환경에서도 작동하고 대화나 식사 중에도 부착을 유지할 수 있는 다층 센서를 개발하고 테스트했다. 이 패치의 특수 감지 층은 염증의 핵심 바이오마커인 종양 괴사 인자-알파(TNF-α) 단백질을 표적으로 한다. 이 연구는 Science Advances지에 실렸다.

Graphene-MXene 감지 층은 표적 단백질에만 달라붙는 특정 프로브와 결합할 수 있다. 이 층은 고유한 전도성을 가지고 있으며, 표적 단백질과 같은 분자가 결합할 때 발생하는 전하의 변화를 측정할 수 있다. 이를 통해 밀리리터당 펨토그램(fg/mL) 수준의 초고감도 감지가 가능하다.

연구에 따르면 감지 한도는 불과 18.2 fg/mL다. 이해를 돕기 위해 설명하자면, 1,000조 펨토그램(1 뒤에 0이 15개 붙는 수)이 단 1그램에 해당한다. 이 센서는 밀리리터당 100~150개의 분자를 감지할 수 있는 반면, 참고로 바이러스 감염 환자는 밀리리터당 1,000만 개 또는 10억 개의 바이러스 복제본이 있어야 증상을 보일 수 있다. 이러한 감도를 달성하는 것은 원치 않는 바이오마커까지 감지될 수 있어 어려울 수 있지만, 센서의 외부 층들이 패치의 선택성을 높여준다.

조직 유착형 하이드로젤은 원치 않는 분자를 걸러내는 데 도움을 주는 선택적 투과성 하이드로젤 층을 포함한다. 미시간 주립 대학교의 기계공학 조교수가 이 조직 유착형 및 선택적 투과성 하이드로젤 개발을 도왔다. 강력한 조직 유착력은 감지 층의 정확도 향상에도 기여한다.

감지 측정값은 조직의 역동적인 움직임에 큰 영향을 받을 수 있다. 조직과의 결합력이 강할수록 변형에 관계없이 더 신뢰할 수 있는 감지 성능을 발휘한다. 선택적 투과층은 마치 격자망처럼 작동하여 특정 크기의 분자만 통과시킨다. 이 층과 바이오마커 사이의 화학적 상호작용 또한 선택성을 높이는 데 기여할 수 있다.

연구진은 비슷한 크기의 몇 가지 생체 분자들을 체계적으로 테스트했다. 생체 분자와 주변 고분자 네트워크 사이의 상호작용 덕분에 서로 다른 생체 분자의 이동을 구별하는 선택성이 강화되었다. 향후 연구에서는 이러한 다양한 상호작용을 연구하여, 특정 생체 분자와 상호작용하여 다양한 바이오마커를 표적으로 삼을 수 있는 전용 하이드로젤을 설계할 예정이다.

연구진은 텍사스 A&M 의과대학 미생물 병인학 및 면역학과의 평의원 교수(Regents' Professor)의 도움을 받아 비침습적 패치를 테스트했다. 이번 사례에서 연구진은 다루기가 비교적 쉽고 인간과 유사한 특성, 특히 구강 염증 측면에서 유사점을 공유하는 기니피그를 실험 대상으로 선택했다.

TNF-α 단백질은 연조직 감염과 관련된 염증에 거의 항상 관여하는 사이토카인이다. 연구의 목표는 이러한 유형의 시스템이 신속한 현장 진단(point-of-care)을 가능하게 하는지 확인하는 것이었다. 미시간 대학교의 치의학 부교수는 구강 내 TNF-α 감지의 중요성을 인식하고 바이오마커와 치과 질환에 대한 가치 있는 통찰력을 제공했다.

구강 감염은 잇몸 질환 및 치아 상실과 같은 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있으며, 치료하지 않고 방치하면 더 악화될 수 있다. 증상이 나타나기 전에 감염을 신속하게 진단하는 능력은 구강 건강 관리를 사후 반응적 대응에서 선제적 예방 조치로 전환시킬 수 있다.

이 연구에 사용된 동물들은 순전히 개념 증명(PoC)을 위해 활용되었다. 향후 동물 및 최종적으로 인간을 대상으로 하는 임상 시험이 이 시스템의 다음 단계가 될 것이다. 또한 사용된 재료의 다재다능함을 고려할 때, 향후 연구에서는 이러한 유형의 바이오센서를 신체의 다른 부위나 다른 바이오마커에 맞게 조정할 수도 있을 것이다.