고령화 사회와 나노-바이오센서
김민곤 GIST 물리화학부 교수
1. 서론
바이오센서는 바이오리셉터와 신호변환기로 구성된 것으로, 바이오리셉터(효소, 항체, 압타머 등)의 선택적인 결합 및 반응을 신호변환 값으로 전환하여 주어, 특정 물질을 간편하게 측정할 수 있는 바이오소자를 의미한다(그림 1).
그림 1. 바이오센서의 개념도
바이오리셉터는 효소, 항체, DNA, 압타머, 세포 등이 있는데, 크게 생물촉매와 친화적 결합을 가지는 것으로 나눌 수 있다. 효소로 대변되는 생물촉매는, 개개의 효소마다 특정 물질이 반응하여 전자이동, pH 변화, 색 변화 등을 측정할 수 있다. 이를 측정하는 신호변환 방법은 전기화학, FET, 흡광 등 다양한 방법이 있다. 친화적 결합을 가지는 바이오리셉터는 항체, DNA, 압타머, PNA 등 매우 다양한 종류가 있으며, 친화적 결합을 측정하는 방법은 SPR, QCM, 흡광, 형광, 전기화학, 캔틸레버 등 거의 모든 방식의 바이오센서 신호변환 방법이 사용되고 있다.
기존 센서와 비교하여 바이오센서가 가지는 특징은 바이오리셉터의 특징에 의해 매우 선택적인 반응 또는 결합을 유도하여, 특정 물질에 대하여 선택적인 감지가 가능하다. 예를 들어 혈액 내 포도당을 측정하고자 할 경우, 바이오리셉터로 포도당 산화효소를 사용하여 선택적인 산화반응을 전기화학적으로 측정이 가능하다. 바이오센서는 신속하게 특정물질을 감지하므로 간편성, 신속성, 편리성, 정확성이 높은 소자라 할 수 있다.
바이오센서의 응용분야는 질병진단, 감염진단, 환경모니터링 등 다양하며, 이 중 특히 병원에서의 현장진단 (poit-of-care) 및 가정에서의 혈당진단이 가장 많이 활용되고 있다(그림 2). 고령화 사회가 가속화 되면서 의료비 절감, 간편한 재택진단 등의 필요성이 크게 고조되고 있으므로, 이에 적합한 기술개발전략 수립이 중요하다 할 수 있다. 고령화 사회에 적합한 바이오센서 형태로서 나노-바이오센서의 개발방향에 대해서 본고에서 논의하고자 한다.
나노-바이오센서란 나노물질, 나노소자를 바이오센서에 활용한 것으로 기존 바이오센서의 성능 즉 측정감도, 시료양, 측정시간, 측정범위 등을 향상시킨 것이라 할 수 있다.
그림 2. 바이오센서 응용분야
2. 바이오센서 상용화 동향
혈당, 콜레스테롤, 요산 등을 포함한 대사물질, 단백질, 핵산, 화학유해물질, 바이러스, 세균, 미생물 대사물질 등 바이오센싱 대상으로 하는 다양한 마커가 있다. 대표적인 상용화 제품은 혈당센서와 측면흐름분석(LFA: lateral flow assay) 센서를 들 수 있다.
혈당 센서는 전체 바이오센서 시장의 80%를 차지하고 있으며, POC 및 가정진단에서 모두 활용되고 있다. 혈당센서는 포도당을 산화시키는 포도당 산화효소(GOx)를 폴리아크릴아미드 겔 막에 포괄 고정화시켜 이 막을 격막 센서 전극 위에 부착시켜서 만든 최초의 센서를 바탕으로 현재까지 끊임없이 발전하여 왔다. 포도당을 측정하기 위해 GOx가 반응과 관련하여 소모된 산소, 글루코닉산(gluconic acid) 생성에 의한 pH 변화, H2O2를 측정하는 방식이 있다. 혈당센서에 사용되는 효소인 GOx는 쉽고 값싸게 구할 수 있으며, 다른
효소에 비하여 pH, 이온강도, 온도에 대해 안정하며, 포도당을 산화시키는 최적조건이 사람 혈액속의 포도당 농도와 일치한다는 이유 때문에 이를 이용한 혈당센서가 산업적으로 크게 성공하였다. 혈당측정기술은 혈구와 혈장을 분리하여 측정해야 했던 1세대 기술에서 발전하여 혈액을 닦아내거나 혈구를 제거할 필요가 없는 2세대 기술로 발전해 왔다. 2세대 혈당측정기술은 크게 전기화학법(electrochemical method)과 광도법(photometric method)으로 나눌 수 있다. 전기화학법과 광도법 모두 기본적으로 포도당과 반응하여 포도당을 산화시킬 수 있는 산화효소를 사용하고 있다(그림 3).
Roche의 Glucotrend Abott의 Precision QID 그림 3. 혈당 바이오센서 제품 예
LFA 센서는 항원-항체 반응을 측정하는 면역센서의 일종이다(그림 4).
효소를 이용한 혈당센서와 비교하여 면역센서는 혈액시료를 전처리할 수 있는 기능이 부가되어야 하여 복잡한 형태를 이룬다. LFA 센서는 아래 그림과 같이 측정 대상 물질인 항원에 대해 선택적으로 결합하는 2개의 항체 중 하나를 test line에 고정하고, 다른 하나는 금 나노입자와 결합한 conjugate를 conjugate pad에 도포하도록 하였다. Control line에는 conjugate에 결합된 항체와 선택적으로 결합하는 2차 항체를 고정하였다. 혈액, 뇨와 같은 시료가 sample pad에 주입되면 멤브레인 및 패드의 모세관 현상에 의해 absorption pad가
전체적으로 적셔질 때 까지 흐름이 형성되며, test line에는 항원의 농도에 비례하여 금 나노입자 색깔이 진해지게 된다. 이와 같은 LFA 센서는 시료주입 후 보통 10분 이내에 별도의 조작 없이 항원 측정이 가능하므로 POC 진단에서는 매우 유용한 방법이다. LFA 면역센서의 성공에 힘입어 형광나노입자 이용, 마이크로플루이딕스 도입, 효소반응 등 다양한 면역센서 제품들이 나오고 있다 (그림 5).
그림 4. LFA 센서의 개념도
그림 5. Emerging co㎜ercial POC 센서
바이오센서 세계시장 규모는 2008년 약 62억 달러로서 2003-2008년 연 평균성장률은 9.5%를 기록하고 있다. 바이오센서의 응용 분야별 시장은 가정진단(home diagnostics), POC 등 진단 분야가 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 단일 품목으로 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것은 혈당 바이오센서이다 (그림 6).
자료 : "World Biosensors Market", Frost & Sullivan, 2007 그림 6. 응용별 바이오센서 세계시장 비율 (2007년)
3. 고령화 사회와 바이오센서
우리나라가 고령화 사회로 접어들면서, 치매, 심혈관질환, 고혈압, 관절염, 암 등 다양한 급만성 질환이 사회적 이슈로 대두되고 있으며, 건강한 노후 생활을 위한 의료진단의 새로운 환경 마련이 필요하다. 현재 바이오센서는 당뇨병, 고혈압과 같은 만성질환을 관리하는데 폭넓게 활용되고 있으며, 이 보다 더 다양한 곳에 활용될 필요성이 제기되고 있다. 치매는 현재 효과적인 치료제가 없어서, 조기진단에 의해 진행속도를 늦추는 것이 최선의 방법으로 알려져 있다. 한 개인이 치매를 앓게 될 경우, 그 개인의 고통뿐만 아니라 가족 및 친척에게도 심적인, 경제적인 손실은 매우 크다. 따라서 치매 조기진단은 고령화 사회에서 그
중요성이 가장 높다고 할 수 있다. 치매의 조기진단은 가정에서 그 진행정도를 측정할 수 있는 바이오센서가 최선의 도구가 될 수 있을 것으로 예상된다.
심근경색, 뇌경색과 같은 심뇌혈관질환의 경우 집에서 예측할 수 있는 바이오센서 개발에 대한 연구가 필요하며, 이에 적합한 바이오마커 및 측정센서 신기술이 개발 되어야 할 것으로 예상된다. 암의 경우 다중 측정능과 정확성이 우수하면서, 가정에서도 측정 가능한 고성능, 휴대형 면역 바이오센서 구현이 되어야 하며, 의료법적인 문제도 해결되어야 한다. 인체 질환뿐만 아니라, 환경유해물질, 식품안전과 관련된 다양한 범위의 바이오센서 개발이 중요할 것이다.
하지만 현재 대부분의 바이오센서는 전문적으로 훈련된 사람이 사용가능하며, 노년층이 손쉽게 측정할 수 있는 기술개발은 미미한 상황이다. 주사기 채혈 없이 극미량의 모세관 혈액으로도 면역 센싱이 가능한 바이오센서 기술 구현이 매우 중요하다. 이러한 기술의 구현은 극미량 시료로 혈구 분리 및 면역 센싱이 가능한 초소형 바이오소자가 개발되어야 할 것이다. 또한 혈액 뿐만 아니라 뇨, 타액을 시료로 측정할 수 있는 바이오마커 및 바이오센서 개발이 필요할 것이다.
2012년 KISTEP에서는 신종질병·정보격차·고령화 등에 대처할 10대 미래유망기술로 전기자동차 급속충전기술, 양자암호기술, 2달러 LED 램프, 100달러 롤러블 태블릿PC, 원터치 건강진단 서비스, 리튬에어전지, CO2 흡수·저장 소재, 전염성 병원체 검지 로봇시스템, 광범위 작용 항미생물제제, 현장 진단 유전자 증폭기술이 선정됐다. 이 중 고령화 사회에 대처할 기술로 원터치 건강진단 서비스 시스템이라 할 수 있다. 이러한 시스템이 가능하기 위해서는 기존 바이오센서 기술에 더하여 나노기술 및 IT의 접목이 중요할 것이다.
4. 나노-바이오센서의 개발 동향 및 방향
원터치 건강진단 서비스 시스템에 적용 가능한 바이오센서는 극미량의 시료에 존재하는 극미량의 타겟 물질을 측정하는 기술이 필요하다. 이를 위해 나노입자, 나노소자를 결합한 나노-바이오센서 개발 필요성이 높다 할 수 있다.
하버드 대학 Lieber 그룹에서는 실리콘 나노와이어(SiNWs)를 이용하여 고감도, 실시간 전기적 바이오센서 구현하였다(그림 7). FET(field-effect transistor)형 바이오센서에서 source와 drain을 나노와이어로 연결하여 준 나노 FET 센서는 기존 FET형 센서와 비교하여 고감도의 표면 전하변화 측정 가능하였다. 기존 FET 바이오센서는 효소를 바이오리셉터로 사용하여 효소반응에 의해 표면전하의 큰 변화가 있어야 측정이 가능한 정도에서 나노 FET는 단백질-단백질 결합에 의한 미세한 표면 전하 변화를 측정할 수 있는 정도로 민감도 증가하였다. 나노 FET를 이용하여 비오틴화 표면에서 streptavidin을 picomolar 농도 측정이 가능하며 Lieber 그룹의 최근 보고에 따르면 전립선 특이항원(PSA)을 비롯한 암진단에 사용되는 마커 분자들을 0.9pg/㎖의 농도까지 측정할 수 있는 실리콘 나노 와이어 어레이 바이오센서를 보고한 상황이다(Zheng 등, 2005).
그림 7. 나노와이어 어레이 이미지 및 두 개의 다른 항체가 결합된 두 개의 나노와이어가 개별적으로 형성된 나노 FET 도식도(Zheng 등, 2005)
금속 나노구조의 플라즈모닉스를 이용한 바이오센서 개발이 활발하다.
금속나노패턴의 LSPR(localized surface plasmon resonance) 효과를 이용하여 비표지 방식의 바이오센서 구현이 가능하다. 노스웨스턴 대학 Van Duyne 연구팀은 소위 bead lithography 기술을 이용하여 일정한 금속 패턴을 만들었으며(Haes & Van Duyne, 2002, 그림 7), 이것을 이용하여 알츠하이머 진단용 바이오센서 활용에 대한 연구결과를 발표하고 있다(Haes 등, 2004).
LSPR 바이오센서는 많은 연구자들이 지속적으로 연구하고 있는 분야로서, 향후 상용화가 가능한 유용한 결과가 도출될 것으로 기대를 모으고 있다(Sepulveda 등, 2009; Hall 등, 2011).
그림 8. Bead lithography를 이용한 은(Ag) 나노패턴 및 streptavidin 측정 방법(Haes & Van Duyne, 2002)
이 외에도 나노소자 및 나노소재를 활용한 바이오센서는 분석감도가 획기적으로 향상되고 있다. 최근 나노-바이오센서의 예로 전술한 나노선, CNT (Carbon Nanotube), 나노-광섬유, LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance), 나노갭 바이오센서 등이 있다.
국내에서도 나노-바이오센서의 개발이 매우 활발하다. 한국전자통신연구원 (ETRI)에서는 CMOS 공정을 이용하여 동시 다종 암 센싱이 가능한 Si FET 소자를 제작하여 1 fg/㎖의 감도의 소자를 제작하였으며, 희석이나 탈염분 과정 없이 직접 혈청/혈장에서 단백질을 분석해 내는 비희석 분석법 개발하였다.
한국과학기술연구원(KIST)에서는 MEMS 기술을 이용하여 집적광학을 이용한 고감도 멀티어레이 바이오센서 개발 중이다. 박막 캔틸레버 압전 물질로 구동하도록 MEMS 공정을 통해 제작하여 혈액 내에 존재하는 1pg/mL~
100ng/mL의 극미량 생체 물질을 감지하였으며, 전립선암과 심혈관계 질환의 빠른 진단이 요구되는 급성심근경색의 표지 단백질 감지에 적용할 수 있음을
증명하였다. 한국화학연구원(KRICT)에서는 Bottom-up방식의 CNT-FET 바이오센서를 제조하여 압타머를 바이오리셉터로 이용하여 250pM의 IgE와 10nM의 thrombin을 검출하여 고감도 센서의 가능성 제시하였다.
전자부품연구원(KETI)에서는 Top-down의 나노선 전이 방법으로 Si FET 소자를 제작하였고, 30pM의 streptavidin, 1pM의 CEA 및 single mismatch DNA를 검출할 수 있음을 증명하였다. 나노갭 바이오센서 소자는 KAIST, KRIBB, KRISS 등에서 포토리소그래피 공정을 활용한 대량생산 및 고감도 바이오센싱 연구가 활발하다. SPR 바이오센서는 KRIBB, 강원대 등에서 개발 중이며, KRIBB 연구소기업인 미코바이오, 반도체 측정장비 회사인 케이맥에서 최근 소령 SPR 센서를 개발. SPR 센서는 비표지 측정 센서로 재현성이 매우 높아 연구용 센서로 상용화 되었으며, 최근 소형화 기술의 발달로 진단용 센서로도 가능할 것으로 기대되고 있다. 자기나노입자를 측정하는 GMR 바이오센서는 ETRI, 충남대, LG 이노텍 등에서 개발 중에 있음. 자기나노입자는 시료로부터 특정물질을 분리에 사용되기 때문에, 이와 결합된 센서로 활용할 수 있는 장점이 있다.
국내외적으로 다양한 나노-바이오센서 기술이 활발한 반면, 혈액 시료를 측정할 수 있는 시료 전처리 기술과의 결합이 취약한 상태이다. 시료 전처리와 나노-바이오센서의 결합이 가능하기 위해선, 마이크로플루이딕스, 페이퍼 칩 등의 활용이 필요하다. 특히 페이퍼 칩은 분리 기능이 우수한 멤브레인에 유체흐름을 조절할 수 있도록 소수성이 높은 물질을 프린팅 한 것으로 제작 비용이 매우 저렴한 장점이 있다.
단백질 뿐만 아니라 핵산, 대사물질의 측정도 매우 중요하다. 핵산은 PCR 증폭이 필요하므로 이를 소형 소자로 신속하게 측정할 수 기술의 개발이 필요하다. 또한 대사물질은 대응하는 효소가 없을 경우 항체를 이용해야 하는데, 기존의 competitive 반응으로는 정량성이 떨어지므로 새로운 원리의 바이오센싱 기술이 필요할 것이다. 예를 들어 LSPR을 이용한 비표지 바이오센서가 해답이 될 수 있을 것이다.
5. 결론
고령화 사회에서 요구되는 바이오센서의 시장은 home diagnostics 분야가 가장 큰 비중을 차지 할 것이며, 이를 충족하기 위해 간편한 측정 방법, 최소침습형 측정기술, 모바일 기술 연동 등이 중요할 것이다. 이를 통하여 U-헬스케어형 바이오센서 개발이 가능할 경우, 기존 시장대비 10배 이상의 시장 파급력이 있을 것으로 기대된다. 이와 같은 home diagnosis 바이오센서 기술에서 요구하는 바이오센싱 민감도 향상, 비표지 측정기술, 생체적합성, 비특이 결합의 최소화, 극소 크기 등을 만족하기 위하여 나노-바이오센서의 개발이 중요할 것이다. 보다 정밀하고 고성능의 나노-바이오센서가 실제 현장에서 사용되고 상용화가 가능하기 위해서는 샘플전처리기술, 바이오리셉터 설계, 비특이 결합이 없는 센서 표면기술, 고안성/고선택성 바이오리셉터 고정화 기술, 재현성이 높은 나노소재 기반 센서소자 제작 등의 융복합 연구가 중요할 것으로 사료된다.
참고문헌
1. Frost & Sullivan, "World Biosensors Market", 2007
2. Haes, A. J., Hall, W. P., Chang, L., Klein, W. L., Van Duyne, R. P. A Localized Surface Plasmon Resonance Biosensor: First Steps toward an Assay for Alzheimer's Disease, Nano Lett. 4, 1029-1034 (2004)
3. Haes, A. J., Van Duyne, R. P. A Nanoscale Optical Biosensor:
Sensitivity and Selectivity of an Approach Based on the Localized Surface Plasmon Resonance Spectroscopy of Triangular Silver Nanoparticles, J. Am. Chem. Soc. 124, 10596-10604 (2002).
4. Hall, W. P., Ngatia, S. N., Van Duyne, R. P. LSPR Biosensor Signal Enhancement Using Nanoparticle-Antibody Conjugates, J Phys Chem C Nanomater Interfaces. 115, 1410-1414 (2011)
5. Sepulvedaa, B., Angelomeb, P. C., Lechugaa, L. M., Liz-Marzanb, L. M.
LSPR-based nanobiosensors, Nano Today, 4, 244-251 (2009)
6. Zheng, G., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays.
Nat Biotechnol. 23, 1294-1301 (2005)
Bioin 스페셜웹진 2013년 제32호
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