나노생명공학으로 질병 조기 발견 가속화

다음 시나리오를 상상해 보세요. 연간 신체 검사에 저렴한 가정용 진단 칩이 추가되어 간단한 소변 샘플로 기본 건강을 정기적으로 모니터링할 수 있습니다. 겉보기에는 건강해 보이지만 기기는 생체 지표 프로필의 변동을 보여 초기 단계의 암 발병 또는 바이러스 존재의 가능성을 나타냅니다.

가정용 임신 테스트기와 같은 진단 장치는 1970년대부터 사용되었습니다. 그것은 의심을 확인하기 위해 의사의 약속을 기다릴 필요 없이 임신 여부를 알아낼 수 있는 여성의 능력에 혁명을 일으켰습니다. 이 검사는 소변에 존재하는 인간 융모막 성선 자극 호르몬(human chorionic gonadotropin)을 감지하는 데 의존합니다. 그러나 유사한 종류의 샘플과 장치에서 암이나 치명적인 바이러스를 탐지하는 것이 그렇게 간단하고 비침습적일 수 있습니까?

마이크로플루이딕 지그에 탑재된 IBM Research의 2cmx2cm nanoDLD 칩

지난 몇 년 동안 연구 과학자이자 마스터 발명가인 Joshua Smith 박사와 IBM Translational Systems Biology 및 Nanobiotechnology의 프로그램 책임자인 Dr. Gustavo Stolovitzky가 이끄는 IBM Research의 학제 간 팀은 다음과 같은 방법으로 이 아이디어를 탐구해 왔습니다. 실리콘 기술을 재구성하고 이를 사용하여 바이러스 및 암의 요소와 같은 나노 크기의 입자를 분리합니다.

그 해답은 인간 생물학과 나노기술의 교차점에 있습니다. 첫째, 소변이나 타액 샘플에서 얻을 수 있는 "액체 생검"이 필요합니다. 그런 다음 질병의 존재를 물리적으로 감지할 수 없는 경우에도 질병의 다운스트림 감지를 위해 나노미터 크기의 작은 생체 분자를 분리해야 합니다. 오늘날의 분리 기술은 값비싼 장비, 생화학 실험실 및 숙련된 기술자를 필요로 하므로 정기적인 검사가 불가능합니다. 그러나 칩 기반 나노기술 접근 ​​방식은 의사가 가장 초기 단계에서도 신체적 증상이 나타나기 훨씬 전과 치료 옵션에 대한 예후가 가장 긍정적일 때 잠재적으로 질병을 감지하고 모니터링할 수 있도록 하는 간단하고 저렴한 옵션을 제공할 수 있습니다. 의료 전문가를 위한 성배:전 치료 그들은 만성적으로 아프다.

이 팀의 가장 큰 장점은 최첨단 나노기술 및 제조 기술과 컴퓨터 생물학 전문 지식을 결합한 것입니다. 이 강력한 시너지 효과는 다른 연구실에서는 찾아보기 어렵습니다.

생체 입자 알아보기

생체 입자를 분리하는 것은 결코 새로운 개념은 아니지만 최신 실험에서 Smith와 Stolovitzky의 팀은 나노 규모의 생체 분자, 특히 엑소좀(모세포에서 방출된 유전적 화물을 포함하는 체액에서 발견되는 세포 유래 소포)을 최초로 성공적으로 분리했습니다. 사람 머리카락의 약 1/5,000인 직경 20nm에 불과합니다. 이 규모에서 앞서 언급한 엑소좀, DNA, 바이러스 및 단백질 복합체를 포함하여 다수의 중요한 생체 입자를 분리할 수 있으며, 이는 잠재적으로 질병 상태의 초기 발병, 노출 직후 바이러스의 존재를 알리거나 질병 진행을 모니터링하십시오.

나노 규모의 결정론적 측면 변위(nanoDLD)라는 기술을 사용하여 액체 샘플을 비대칭 기둥 어레이로 특별히 설계된 실리콘 칩을 통해 연속적인 흐름으로 통과시킬 수 있습니다. 이 배열을 통해 시스템은 입자의 미세한 폭포수를 분류하여 입자를 수십 나노미터 분해능까지 크기별로 분리할 수 있습니다. 분리는 더 작은 입자가 유체 방향으로 지그재그 운동으로 움직이면서 발생하는 반면, 더 큰 입자는 고속도로에서 트럭 운전사를 강제로 트럭 차선으로 몰아넣는 것처럼 기둥 비대칭 방향을 따라 어레이를 통해 충돌하여 다양한 크기의 재료를 허용합니다. 다운스트림 탐지 또는 분석을 위해 격리됩니다.

Stolovitzky는 "이 연구의 사회적 영향은 의사가 암을 조기에 발견할 수 있다는 것입니다. 치료 가능성이 더 높을 때"라고 Stolovitzky는 말했습니다. “우리는 이 연구가 암의 영역뿐만 아니라 지카와 같은 DNA와 바이러스를 검출하는 영역이 되기를 원했습니다. 모든 것이 똑같은 것으로 귀결됩니다. 의사에게 사람의 건강에 대해 알려주는 미세한 양의 바이오마커 입자를 감지할 수 있는 작고 저렴한 진단 도구를 가질 수 있다는 것입니다."

인간에서 원자에 이르는 생물학의 규모와 IBM Research의 nanoDLD 장치가 도달할 수 있는 새로운 나노 규모 범위[전체 인포그래픽]

Smith는 다음과 같이 덧붙였습니다. “의사가 개인의 생물학적 프로필을 정기적으로 저렴하고 비침습적인 방식으로 스크리닝할 수 있는 능력은 예방의 새로운 시대를 여는 잠재력을 가지고 있습니다. 건강 관리 및 질병 진행에 기여하는 요인에 대한 이해를 심화합니다.”

엑소좀을 사용하여 예방 의학의 개척

이 기술에 대한 지속적인 개발의 일환으로 IBM Research는 Mount Sinai Health System의 병리과장이자 교수인 Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD가 이끄는 Mount Sinai Health System 팀과 협력하고 있습니다. Icahn 의과대학에서 병리학, 유전학 및 유전체 과학, 종양학 박사 학위를 취득했습니다. 이 협력은 Mount Sinai의 암 및 병리학 분야 전문 지식을 결합하는 반면 IBM Research는 생물정보학 경험과 최신 나노규모 분리 기술을 제공합니다.

암과의 전쟁에서 엑소좀은 악성 종양의 진단 및 예후를 위한 유용한 바이오마커로 점점 더 많이 인식되고 있습니다. 엑소좀은 혈액, 소변과 같이 쉽게 접근할 수 있는 체액으로 방출되며 암의 기원을 밝힐 수 있어 귀중한 생물의학 도구입니다.

“우리는 세포가 메신저를 보내 스스로에게 말을 한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 메신저 중 일부는 다양한 작은 소포 또는 엑소좀 내부에 저장 및 전달됩니다. 우리는 이러한 봉투 내부에서 단백질에 의해 암호화된 정보 또는 심지어 DNA-유전자 단편 및 RNA 분자 형태의 우리 세포의 메신저를 포함하여 많은 중요한 정보가 발견될 수 있다는 것을 배웠습니다.”라고 Cordon-Cardo가 말했습니다.>

Cordon-Cardo는 엑소좀에 포함된 정보를 사용하여 질병을 미리 예방할 수 있는 기회에 동기를 부여받았습니다.

“오늘날 우리는 철저한 정의의 맥락에서 '헬스케어'를 추구하지 않습니다. 오늘날 우리는 본질적으로 '병'이라고 정의할 수 있는 일을 하고 있습니다. 건강한 개인, 의료 전문가, 사회 전반에 걸쳐 '헬스케어'를 수용하고 구현하기 위해서는 교육이 필요합니다. 우리는 연례 검사를 위해 차를 가지고 갈 시간을 찾습니다. 하지만 우리 자신은 아닙니다. 종종 우리는 무언가 잘못될까 두려워하기 때문입니다. 엑소좀은 질병의 조기 발견에 도움이 될 수 있습니다. 어떤 일이 일어날지 예측하기 위해 어떤 메시지가 장기 간에 전송되기 시작하는지 질문하고 질문하는 것은 의료를 바라보는 가장 흥미로운 새로운 방법 중 하나가 될 것입니다.”

Cordon-Cardo는 IBM nanoDLD 기술을 사용하여 전문가가 비침습적인 방식으로 세포와 기관 간에 전송되는 메시지를 보다 효과적으로 도청할 수 있다고 믿습니다. 이 세포 간 대화를 더 정기적으로 모니터링하면 전문가가 가상 보호자 역할을 하여 상태가 바뀌고 환자가 건강한 상태로 돌아올 때까지 주의 깊게 관찰하거나 의사가 더 침습적인 것이 정당하게 필요하다고 결정할 수 있습니다. .

표면에 있는 엑소좀의 전자 현미경 사진.

“우리가 질병에 앞서 있을 때 우리는 일반적으로 그것을 잘 다룰 수 있습니다. 그러나 질병이 우리보다 앞서 있다면 여행은 일반적으로 훨씬 더 어렵습니다. 이 협력에서 우리가 시도하는 중요한 개발 중 하나는 매우 초기에 거기에 있을 수 있는 분자 서명을 식별할 수 있는 기본 기반을 갖는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

전립선암 검사

IBM Research와 Mount Sinai는 미국 남성에게 가장 흔한 암인 전립선암에 nanoDLD 기술을 테스트할 계획입니다. 전립선암에서 의사는 50세 이상의 남성이 혈액 검체에서 채취한 전립선 특이 항원(PSA)에 대한 매년 검사를 받을 것을 권장합니다. 그러나 PSA 수치가 높다고 반드시 전립선암이 있거나 발병할 것이라는 의미는 아닙니다. 반대로, PSA에 대해 양성 반응을 나타내지 않는다고 해서 개인이 전립선암을 형성하는 것을 막을 수는 없습니다.

희망은 구체적이고 민감한 바이오마커를 찾는 것이며 오늘날 엑소좀은 암에 걸렸는지 여부에 대한 답을 제시할 수 있는 단서를 제공하는 새로운 개척지입니다.

“엑소솜을 사용하면 암세포가 처리하는 것을 엿볼 수 있습니다. 세포는 항상 엑소좀을 흘립니다. 우리가 그것들을 감지하면 암을 건드리지 않고도 내부를 볼 수 있습니다.”라고 Stolovitzky는 말했습니다.

현재 연구는 아직 초기 단계에 있습니다. IBM Research 팀의 최신 과학적 결과가 오늘 Nature Nanotechnology*에 게재되었습니다. 다음 단계의 일환으로 팀은 장치가 처리할 수 있는 양과 처리량을 늘리고 장치를 엔지니어링하여 20나노미터보다 작은 생체 입자를 분리하여 개별 단백질 영역으로 가져갈 수 있기를 희망합니다.

그들은 또한 그들의 장치가 전립선암 환자의 엑소좀에서 볼 것으로 예상되는 종류의 바이오마커를 선택할 수 있는지 확인할 계획이며 임상 등급의 프로토타입 장치를 구축하기 위해 계속 노력할 것입니다. 기기가 시장에 출시되기 전에 임상 시험이 필요합니다. 그러나 임신 테스트기가 임산부의 판도를 바꿔 놓았듯이, 우리도 언젠가는 증상을 알아채기도 전에 건강의 징후를 알려주는 간단한 현장 진료 장치를 사용할 수 있게 될 것입니다.

각주:

*자연 나노기술: 20n 이하의 엑소좀 및 콜로이드 분리를 위한 나노스케일 측면 변위 어레이, DOI:10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch(IBM Research), Joshua T. Smith(IBM Research), Stacey M. Gifford(IBM Research), Chao Wang(현재 소속:Arizona State University), Markus Brink(IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin(Princeton University), Gustavo Stolovitzky(IBM Research), Yann Astier(현재 소속:Roche Molecular Systems)