이택 교수(화학공학과) 연구팀, 암 진단을 위한 전기화학적 cell-SELEX 모니터링 분석 기술 및 바이오센서 개발

- 전기화학적 검출 원리를 cell-SELEX 모니터링에 적용한 새로운 분석 기술 개발 -

- 개발한 분석 기술로 선별한 앱타머, 대장암세포 검출 바이오센서에 적용하여 성능 입증 -

- 국제 저명 학술지 Chemical engineering journal (IF : 13.4, JCR: 3.8%) 게재 -

모교 이택 교수 연구팀(화학공학과) 권예인 석사과정생이 암 진단용 체외진단 의료기기 및 표적 치료제에 적용할 수 있는 간단하고 비용이 효율적인 전기화학적 cell-SELEX 모니터링 기술을 개발했다.

본 연구에서는 개발한 모니터링 기술을 활용해 대장암세포에 높은 친화도를 가진 앱타머를 선별하고 이를 활용한 앱타머 친화성 매개 단백질 정제로 바이오마커를 발굴하였으며 대장암 진단 앱타센서를 제작하였다. 이러한 연구 결과를 기반으로 암 진단 장치를 위한 포괄적인 개발 프레임워크를 구축했다.

앱타머는 3차원 구조의 단일 가닥 올리고 뉴클레오타이드로, 항체와 같이 단백질, 지질, 이온 및 세포와 같은 표적 물질에 높은 특이성으로 결합한다는 특징을 갖고 있다. 앱타머는 지수 농축 프로세스에 의한 리간드의 체계적인 진화 (SELEX)를 통해 선별된다.

또한 높은 선택성과 특이성, 안정성, 낮은 생산 비용 및 낮은 면역원성으로 인해 항체의 대안으로 활발히 연구되고 있으며 암을 진단하는 액체 생검 또는 암 표적 치료를 위한 약물 전달 시스템에 적합하다.

특히 전체 세포를 대상으로 선별하는 cell-SELEX는 세포 표면에 사전 지식이 필요하지 않으며 결합 표적이 정제되지 않은 기본 형태를 유지한 상태에서 결합하는 앱타머를 선별하여 생체 내 이용률이 우수한 앱타머를 얻을 수 있다. 그러나 기존의 cell-SELEX 모니터링에 사용되는 fluorescence-activated cell sorting(FACS) 분석은 장비의 부피가 크고 고비용이며 복잡하다는 단점으로 인해 잦은 오류와 샘플 오염을 발생시키며 연속적으로 진행되는 cell-SELEX의 과정을 지연시킬 수 있다.

이에 이택 교수 연구팀은 기존의 분석 방식의 단점을 대체한 비용 효율적이며, 간단하고 신속한 전기화학적 cell-SELEX 모니터링 기법을 개발하였다. 전기화학적 모니터링 방식은 타깃-프로브의 결합에 의해 유도되는 전기 신호를 이용한 전기화학적 바이오센서의 기본 원리를 이용한다. 앱타머 풀이 강한 친화도를 가질수록 높은 신호를 생성하는 것을 활용하여 cell-SELEX 라운드의 증가에 따른 표적 세포에 대한 결합 친화도의 향상을 모니터링하는 것이다.

전기화학적 분석 방식인 EIS를 활용한 실험 결과, 대장암세포를 대상으로 한 cell-SELEX 15회 라운드 동안 결합 신호가 점차 증가했으며, 15번째 라운드에서 수렴하는 경향을 보였다. 이는 기존 FACS 분석 결과와 일치하여, 전기화학적 모니터링 방법의 신뢰성을 입증하였다. 15번째 라운드에서 선별된 앱타머를 이용해 대장암세포 막단백질을 정제하였으며 앱타머가 결합하는 표적 단백질 HSP60을 확보하였다. HSP60은 종양 형성 및 전이에 관여하여 대장암 발병 시 과발현 되는 단백질이다. 앱타머는 109.2 nM의 로 HSP60에 대한 우수한 친화성을 보였으며, 이는 HSP60이 유망한 바이오마커로서 잠재력이 있음을 확인했다. 또한 선택된 앱타머의 성능을 평가하기 위해 앱타머를 프로브로 사용하여 대장암세포 검출 바이오센서를 제작하였다. 개발된 센서는 102 cell/mL에서 106 cell/mL의 농도 범위에서 88.7 cell/mL의 LOD를 나타내어 민감한 검출을 입증했다.

결론적으로, 본 연구에서는 새로운 전기화학적 SELEX 모니터링 기법을 개발하여 대장암 세포에 특이적으로 결합하는 앱타머를 선별하였다. 이를 기반으로 바이오마커를 발견하고, 고감도 대장암 검출 바이오센서를 제작함으로써 암 진단 기술 발전에 기여할 수 있음을 확인하였다.

본 연구는 한국 환경부(MOE)의 수생태계 건강 관리 프로그램을 통한 한국환경산업기술원 (2020003030001)의 지원과 한국연구재단 (2021R1C1C1005583), 국가과학기술연구회(CRC22021-200) 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지인 Chemical engineering journal (IF : 13.3, JIF ranking : 96.2 %)에 ‘Electrochemical cell-SELEX monitoring and its application to electrochemical aptasensor for colorectal cancer detection’ 라는 제목으로 게재되었다.(DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159935)   

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)