나노스케일 바이오테크로 조기 질병 검출 혁신

연례 검진이 비용 효율적인 가정용 진단 칩으로 보완되는 미래를 상상해 보세요. 단일 소변 샘플 분석으로 환자는 지속적으로 기초 건강을 모니터링할 수 있으며, 미세한 바이오마커 변화(잠재적 초기 암 신호나 바이러스 감염)를 신속히 감지할 수 있습니다.

1970년대 등장한 가정용 임신 테스트 같은 현장 진단(POC) 테스트는 개인 건강 모니터링을 변화시켰습니다. 이 테스트는 소변 내 인간 융모성 성선자극호르몬을 간단한 스트립으로 검출해 병원 방문 없이 즉각적 결과를 제공합니다. 같은 원리를 훨씬 복잡한 상태 검출로 확장할 수 있습니다. 단, 체액에서 관련 나노스케일 입자를 분리할 수 있다면 말입니다.

IBM 리서치의 2cm × 2cm 나노DLD 칩이 마이크로플루이딕 지그에 장착된 모습

현장 진단 재창조

IBM 리서치에서 마스터 인벤터 겸 연구원 조슈아 스미스 박사와 IBM 트랜슬레이셔널 시스템 생물학 및 나노바이오테크놀로지 프로그램 디렉터 구스타보 스톨로비츠키 박사가 이끄는 학제간 팀이 실리콘 기술을 생의학적 용도로 재구상하고 있습니다. 목표: 바이러스 성분과 종양 유래 소포 같은 나노스케일 입자를 소변이나 타액 같은 쉽게 구할 수 있는 체액에서 분리하는 것입니다.

현재 분리 방법은 고가 장비, 풀랩, 숙련 기술자가 필요해 빈번한 선별이 비현실적입니다. 칩 기반 나노기술 솔루션은 임상의가 증상 발생 전 질병을 감지할 수 있게 하는 단순하고 저렴하며 신속한 대안을 제공할 수 있습니다.

나노DLD: 혁신 뒤의 엔진

나노스케일 결정론적 측면 변위(nanoDLD)를 사용해 액체 샘플이 비대칭 기둥 어레이로 패턴된 실리콘 칩을 통과합니다. 이 설계는 크기별로 입자를 분류합니다: 작은 입자는 흐름을 따라 지그재그로 이동하고, 큰 입자는 측면으로 변위됩니다. 이는 차량이 고속도로에서 올바른 차선으로 강제되는 것과 유사합니다. 결과는 수십 나노미터까지 연속적인 크기 분해 분리를 제공합니다.

스미스와 스톨로비츠키 팀은 인간 머리카락 1/5,000 크기인 20nm 엑소좀을 DNA, 바이러스, 단백질 복합체와 함께 성공적으로 분리했습니다. 이 미세 생체입자는 초기 질병 발병, 바이러스 노출, 질병 진행에 대한 중요한 정보를 담을 수 있습니다.

"이 연구의 사회적 영향은 의사가 암을 조기에 발견할 수 있게 할 수 있다는 점입니다... 치료 가능성이 더 높을 때."라고 스톨로비츠키는 말했습니다. "우리는 임상의에게 환자 건강을 알리는 미세 바이오마커 양을 감지할 수 있는 작고 저렴한 진단 도구를 만드는 것을 목표로 합니다."

인간부터 원자까지 생물학 스케일과 IBM 리서치 나노DLD 장치가 도달하는 새로운 나노스케일 범위 [전체 인포그래픽]

엑소좀: 작은 메신저, 큰 통찰

카를로스 코르돈-카르도 박사가 이끄는 마운트 시나이 헬스 시스템과 협력하여, 마운트 시나이의 암 병리학 전문성과 IBM의 바이오인포매틱스 및 나노플루이딕 기술을 결합했습니다. 혈액과 소변에서 발견되는 세포 유래 소포인 엑소좀은 단백질, DNA 조각, RNA의 풍부한 저장소로 세포 간 통신의 비침습적 스냅샷을 제공합니다.

"세포는 엑소좀을 통해 메시지를 보내며 단백질, DNA, RNA를 캡슐화합니다. 이 봉투를 해독하면 질병의 조기 경고 신호를 얻을 수 있습니다."라고 코르돈-카르도는 설명했습니다. "엑소좀은 예방 의료의 초석이 될 수 있어 임상적으로 발현되기 전 문제를 식별할 수 있게 합니다."

나노DLD 칩으로 임상의는 세포 간 대화를 '엿듣고', 명백한 병리에 선행하는 엑소좀 내용물 변화를 모니터링할 수 있습니다. 정기적 모니터링은 질병 관리를 수동적에서 능동적 노력으로 변화시킬 수 있습니다.

표면의 엑소좀 전자 현미경 사진.

전립선암: 조기 검출 사례 연구

전립선암은 미국 남성 중 가장 흔한 암입니다. 현재 선별은 전립선 특이 항원(PSA) 테스트에 의존하는데, 위양성·위음성을 낳을 수 있습니다. 엑소좀 바이오마커 분석으로 IBM-마운트 시나이 파트너십은 더 높은 민감도와 특이도로 질병을 식별하길 희망합니다.

"엑소좀은 종양을 건드리지 않고 암세포가 처리하는 것을 드러냅니다. 이들의 존재와 내용을 감지함으로써 종양 생물학을 초기에 파악할 수 있습니다."라고 스톨로비츠키는 말했습니다.

벤치에서 베드사이드로

팀의 최근 Nature Nanotechnology 게재 논문(DOI: 10.1038/NNANO.2016.134)은 나노DLD 칩의 20nm까지 엑소좀 분리 능력을 상세히 기술합니다. 다음 단계는 처리량 증대, 20nm 미만 입자 포착을 위한 칩 개선, 임상 샘플에서 바이오마커 검증입니다. 입증되면 플랫폼은 임상 등급 현장 진단 기기로 진화하여 임신 테스트가 여성 건강에 미친 영향을 반영할 수 있습니다.

각주:

*Nature Nanotechnology: Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20 nm, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134

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