주요 연구성과

병원체 농축 및 핵산 정제 칩 자동화 시스템 개발
박성수(성균관대학교)

성과개요


성과개요	혈액 및 객담과 같은 환자의 검체(임상시료) 내에는 분자진단 저해인자들이 많아 저농도의 병원체 검출이 매우 어려움. 따라서 검출 민감도 개선을 위해 저해인자를 제거하고 순수 병원체 핵산 추출이 가능한 시료 전처리 과정이 필수적임. 하지만 현재 상용 제품의 전처리 키트는 수작업으로 진행되며 원심분리, 버퍼 교체, 가열 등 복잡한 과정으로 매우 번거로우며 핵산 정제 기능만 제공함.
성과개요	이에 병원체 농축 및 핵산 정제가 동시에 가능한 칩 및 칩의 기능을 자동화하는 시스템을 개발하여 위 문제점을 해결함. 약 85% 이상의 농축 효율 성능을 보이는 농축기능의 추가로 분자진단 저해인자 제거 및 전체 시료 내 병원체를 검출단에서 적용할 수 있어 검출 민감도를 크게 개선하였음. 본 개발된 칩 및 시스템을 통해 25% 혈액으로부터 1시간 내 순수 핵산 추출이 가능하며, 상용 제품(Qiagen blood mini kit)과의 비교를 통해 성능의 우수함을 검증함.

▲전처리 자동화 시스템 및 농축-핵산정제 칩 이미지(위) 상용 제품과의 성능비교 결과(아래)

성과내용

본 연구에서는 병원체 농축-핵산 정제 기능을 포함하는 미세유체 칩 및 칩의 기능을 자동화하는 시스템을 개발함. 혈액 및 객담 내 병원체를 특이적으로 농축에는 면역자성나노입자를 사용하였고, 그 결과, 병원체는 25% 혈액 내 원시료 대비 85%이상 농축됨을 확인함. 미세유체 칩 제작은 향후 양산에 적합하도록 플라스틱 재질이 기반이며, 시스템의 경우 table top 수준의 소형 시스템임. 본 시스템의 전처리 성능을 상용 제품(Qiagne blood mini kit)과의 비교를 통해 우수함을 검증하며, 모든 과정은 1시간 이내에 진행 개발된 제품을 기반으로 창업할 예정이며, 2018년도 중기부에서 지원하는 사업화 진행 사업(세대융합 창업캠퍼스)에 선정됨. (규모: 최대 연 1억원)

기존 지식/기술 대비 성과의 차별성

기존 판매되는 상용 제품들은 대부분 핵산 정제 kit 혹은 핵산 정제만을 진행하는 전처리 시스템임. 따라서 농축 후 핵산 정제가 진행되는 본 시스템은 기존 장비에 비해 진보된 2세대 시스템으로 볼 수 있으며, 전처리 성능이 타 시스템과 비교를 통해 우수함을 검증함.

세계최고 수준의 성과와 비교

QIAGEN사의 EZ1^®AdvancedXL 시스템의 경우 유전자 추출 자동화 시스템이지만, 시료 내 병원체 농축 기술이 없음. 농축 배수의 경우 2.5-10배 수준임. Cepheid 사의 Gene X pert system의 경우 핵산 정제 후 PCR이 결합된 시스템이며 농축 기능이 없음. 본 시스템의 경우 병원체 농축 및 핵산 정제 후 약 50 µL 수준으로 추출하여 약 450배의 농축 배수를 가짐. 따라서 두 제품에 비해 전처리 성능이 우수하지만, 현재 시스템은 1개의 시료 처리만 가능하여 다중 시료 처리가 가능하도록 개선이 필요함.

주요 기능/사양


주요기능/사양	내용
자동화 시스템을 이용한 시료 전처리 (병원체 특이적 농축 및 핵산 정제)	자동화 전처리 시스템을 이용하여 혈액 및 객담에서 병원체 특이적 농축 및 핵산 정제를 통해 1시간 이내로 순수 핵산 추출 가능함.

기대효과 및 향후계획


학술적/기술적 기대효과	본 시료 전처리 자동화 시스템은 병원체 농축 및 핵산 정제를 통해 기존 검출 민감도를 개선하여 병원체 조기 진단 플랫폼 구축에 큰 도움이 될 것으로 기대함.
경제적 기대효과	메르스 사태 이후 바이러스 조기 진단 플랫폼 구축이 시급하며 정확하고 신속한 시료 전처리 시스템 개발을 통해 본 문제 해결에 도움이 될 수 있음. 본 연구는 적은 양의 시료로 병원체를 신속하게 전처리하여 분자진단 민감도 개선을 통한 조기 진단을 가능하게 하며, 이는 사회적 비용을 감소시킬 수 있을 것으로 기대함. 사업화 측면에서도 기존 PCR 장비와 연동하여 사용할 수 있어, 빠르게 변화하는 분자진단-전처리 시장에 진입할 수 있을 것으로 기대함.
향후 계획	5-10개의 시료를 동시에 처리할 수 있는 다중 시료 전처리 시스템으로 구출할 예정.

3D 프린팅을 이용한 3차원 종이기반 현장진단키트 개발
박성수(성균관대학교)

성과개요


성과개요	기존 2차원 종이기반 현장진단(point-of-care)키트는 시료 저장부와 같은 3차원 구조물 제작의 어려움이 존재. 따라서 이송 채널만 종이 상에 제작한 후, 플라스틱 사출 및 조립공정을 통해 제품을 제작하여 공정의 불편함과 검출 민감도가 낮은 단점이 있음. 이에 3D프린터를 통해 종이 위에 시료 저장부, 이송 채널 및 3차원 플라스틱 외장까지 일체형으로 현장진단키트를 제작하여 제작의 편리성 및 검출 민감도를 획기적으로 개선함. 본 키트는 사람의 혈청에서 신진대사질환의 바이오마커인 당, 콜레스테롤, 중성지방의 혈중 농도를 정량적으로 수 분 내 확인이 가능하며, 향후 수십 가지의 질환 마커들을 동시에 진단 가능함을 시사함. 본 연구결과는 Lab on a Chip 저널 내부표지 논문으로 발표함. (Lab on a chip 18 (2018): 1533-1538)

▲3차원 종이기반 현장진단키트 이미지(위) 및 검출 성능 (혈청에서의 당, 콜레스테롤, 중성지방의 농도 측정 결과, 아래)

성과내용

본 연구에서는 2차원 종이기반 현장진단키트의 기술적 어려움을 획기적으로 개선한 3차원 종이기반 현장진단키트를 개발함. 키트 내에서 수 분 내에 신진대사질환 바이오마커인 당, 콜레스테롤, 중성지방의 농도를 정량적으로 동시 다중 측정이 가능하며, 각각 0.3, 0.2, 0.3 mM까지 검출이 가능함. 또한 혈청 내에서도 각 바이오마커들이 10분 내 정량적으로 동시에 검출 가능함을 확인함.

기존 지식/기술 대비 성과의 차별성

본 연구팀에서 개발한 3차원 종이기반 현장진단키트의 경우 간단히 일체형 제작이 가능하여 기존 사용제품에 비해 제품 공정 및 양산이 훨씬 더 수월해짐. 또한, 검출 민감도 측면에서도 기존 2차원 현장진단키트에 비해 획기적으로 성능을 개선함.

세계최고 수준의 성과와 비교

3D 프린팅을 이용한 3차원 종이기반 현장진단키트 일체형 제작 기술은 세계 최초이며, 기존 2차원 종이기반 현장진단키트의 제작의 어려움 및 낮은 검출 민감도의 기술적 문제점을 획기적으로 개선함.

주요 기능/사양


주요기능/사양	내용
신진대사 질환 마커들을 동시 다중 정량적 검출	3차원 종이기반의 미세유체 기기를 이용하여 3 종의 바이오 마커를 10 분 이내로 신속 다중 검출이 가능.

기대효과 및 향후계획


학술적/기술적 기대효과	본 연구의 종이 기반의 미세 유체기기 제작 방법은 3D 프린터를 이용함으로써, 기존의 종이기반의 현장진단키트의 단점을 해결. 이를 통해, 바이오센서 관련 학술 및 제조 공정에 대한 산업화 분야에 기여.
경제적 기대효과	3D 프린팅을 통한 종이기반의 현장진단키트의 일체형 제작 방식의 개발로 인해 더 간단한 제조 공정 및 양산 설비 구축 및 생산 단가 비용 절감 효과가 기대.
향후 계획	다중 검출할 수 있는 바이오 마커를 20 종으로 확대하고, 환자 검체에서 바로 검출이 가능한 종이 기반의 미세유체 기기를 구축 예정.

성과근거자료

주요연구실적 : 특허출원/등록, 학술지, 언론보도 등 기재

국내특허출원(3건) : 10-2017-0184325, 10-2018-0001511, 10-2018-0001512
국내특허등록(1건) : 10-1799153-0000
학술지 게재(4건) :
Lab on a chip 18 (2018): 1533-1538 (inside front cover).
Biochip Journal 11(4) (2017): 287-293.
Journal of Microbiological Methods 132 (2017): 128-133.
Biomedical Microdevices 18.6 (2016): 116.
정부창업지원사업 선정 :
세대융합 창업캠퍼스(중기부 주관), 2018년 지원규모: 최대 연 1억원
공공기술기반 시장연계 창업탐색팀(과기부 주관), 2017년 지원규모: 최대 4천만원