Recent Advances in Nanozyme Research for Disease Diagnostics

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질병진단을 위한 나노자임 연구의 최근 동향

신호연, 윤태영, 김문일*

Recent Advances in Nanozyme Research for Disease Diagnostics

Ho Yun Shin, Tae Young Yoon, and Moon Il Kim*

Received: 8 December 2014 / Accepted: 13 January 2015

Abstract: Nanomaterial-based artificial enzymes (Nanozy- mes) have attracted recent attention because of their unique advantageous characteristics such as excellent robustness and stability, low-cost production by facile scale-up, and long- term preservation capability that are critically required as an alternative to natural enzymes. These nanozymes exhibit natural enzyme-like activity, and they have been applied to div- erse kinds of detection methods for disease-associated biomolecules such as DNAs, proteins, cells, and small molecules including glucose. To highlight the progress in the field of disease diagnostics using nanozyme, this review discusses many nanozyme-based detection methods categorized by the types of target biomolecules. Finally, we address the current chal- lenges and perspectives for the widespread utilization of nanozyme-based disease diagnostics.

Keywords: Nanozyme, Disease diagnostics, Biosensing, Imm- unoassay, Magnetic nanoparticle

1. INTRODUCTION

무병장수의 꿈은 인류가 지구상에 나타난 이래 꿈꿔왔던 염 원 중 가장 오래된 것이다. 과거에는 실제 증상으로 나타난 질병의 치료기술 향상에 집중하였지만 최근 의학기술의 비 약적인 발전은 실제 치료에 앞서, 질병의 조기진단이 더욱 중

요한 사회를 만들어가고 있다. 앞으로의 사회에서는 조기 질 병진단기술의 발전에 힘입어 대부분의 질병이 미리 예방되 어 조기에 진단되어 제거될 수 있을 것이고, 이를 가능하게 하기 위해 각종 질병 및 질환의 마커가 되는 생체물질의 효과 적인 검출 및 진단기술 연구가 활발히 이루어지고 있다.

그 중 체외진단 (In vitro diagnostic)은 현재 질병진단을 위 해 사용되는 대표적인 기술로서, 혈액, 뇨, 타액 등 인체에서 유래하는 시료를 검체로 사용하여 특정 지표 물질을 검출하 거나 정량 분석하는 검사이다. 전 세계 체외진단 시장 가치는 매년 크게 증가하고 있으며, 세부 분야 중 면역화학적 진단 (Immunochemistry)과 자가혈당측정 (Self-monitoring blood glucose)이 시장 점유율의 50%를 넘게 차지하고 있다 (2012 년 기준) [1]. 면역화학적 진단은 주로 ELISA (효소결합 면역 흡수진단법) 방식을 사용하는데 그 원리는 검출하고자 하는 항원 물질과 결합하는 일차 항체와 이와 결합하는 이차 항체 와 효소 결합체를 이용하여 특정 기질과 효소간의 반응을 일 으켜 고감도로 검출하는 방식이다. 자가혈당측정 센서로 대 표되는 바이오센서는 검출하고자 하는 대상물질이 시료에 존재할 때, 대상물질을 기질로 이용하는 산화효소의 반응을 통해 과산화수소가 발생하고, 유기 과산화효소가 이를 환원 시키면서 동시에 특정 기질을 산화시켜 발색 혹은 전기 신호 를 유도함으로써 대상물질을 검출한다. 상기한 진단법의 공 통점은 대상물질 검출 과정 중에 유기 효소가 사용되었다는 것인데, 유기 효소는 제한된 효소 활성 때문에 민감도가 충분 히 높지 않을 뿐만 아니라, 주변 환경이나 반응 조건 (pH 및 온도) 및 보관 시간에 따라 효소 활성이 크게 변하여 결과적 으로 진단의 신뢰성에 문제를 야기할 수 있는 단점이 있다.

유기 효소 기반의 진단법의 민감도가 효소 활성 및 안정성 에 의해 한계에 직면하자 과학자들은 그 대안이 될 수 있는 다양한 진단법을 제시하고 있다 [2-7]. 특히 최근 나노자임에 가천대학교 바이오나노학과

Department of BioNano Technology, Gachon University, Gyeonggi 461-701, Korea

Tel: +82-31-750-8563, Fax: +82-31-750-8774 e-mail: [email protected]

총설

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기반한 신호검출 및 증폭을 이용한 생체물질 진단법이 각광 을 받고 있다. 나노자임이란 유기 효소의 활성을 보이는 나노 구조체를 일컫는 용어로서, 이들은 유기 효소에 비해 pH 및 온도 등 외부 환경에 보다 안정한 활성을 보이며 화학적인 합 성법으로 대량생산될 수 있기 때문에 생산 가격이 크게 저렴 하다는 장점이 있다 [8]. 나노자임이 효소로서의 활성을 보이 는 이유는 아직까지 명확하게 규명되지는 않았지만, 나노구 조체 표면에 존재하는 원소의 산화환원 활성 때문이라고 알 려져 있다 [8]. 2007년 Yan 연구팀에 의해서 자성나노입자 (magnetic nanoparticles, MNPs)의 과산화효소 활성이 보고되 면서 효소활성을 지닌 새로운 나노자임을 발견하려는 노력 과 함께, 나노자임의 활성에 기반한 면역진단 및 바이오센서 를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다 [9,10].

본 총설에서는 기존의 유기 효소를 대체할 수 있는 다양한 나노자임의 특성과 이를 응용해 면역진단 및 바이오센서 등 의 질병진단에 응용한 최근의 연구들을 검출대상 (DNA, 단 백질, 세포, 및 포도당 등 작은 생체분자) 중심으로 나누어 소 개하겠다.

2. DNA Detection

질병을 일으키는 생체 물질의 DNA를 진단하는 연구는 오랜 기간 동안 다양한 방식을 통하여 진행되었다 [11-21]. 특히 나 노자임의 특이적인 효소활성에 기반한 DNA 진단은 대부분 ssDNA와 dsDNA의 나노자임에 대한 친화력 차이를 이용하 는 방법을 통해 이루어졌다. Hemin-modified graphene은 he- min의 수식에 의해 과산화효소 활성을 갖는데 ssDNA는 ds

DNA에 비해 hemin-modified graphene에 훨씬 강한 친화도를 갖는다. 또한 ssDNA-hemin-modified graphene은 salt-induced aggregation되는 효과가 적기 때문에 원심분리 후에도 super- natant에 주로 남게 된다. 이후 supernatant를 이용해 과산화효 소 반응을 진행하게 되면 dsDNA를 추가한 경우에 비해 ss DNA가 가해진 경우 훨씬 큰 발색반응이 이루어지게 된다.

이와 같은 원리로 ssDNA와 dsDNA를 hemin-modified graph- ene의 과산화효소 활성을 이용해 발색 진단하였다 (Fig. 1) [22]. 또한 Liu 연구팀은 ssDNA가 금 나노입자-그래핀(gold nanoparticle-modified graphene)에 흡착하면 과산화효소 활성 을 억제한다는 사실을 발견 및 이용하여 새로운 DNA 센싱 메커니즘을 발표하였다 [23,24]. ssDNA가 그와 상보적인 DNA가닥과 결합하거나 S1 nuclease 등의 핵산절단 효소에 의해 잘려 그래핀으로부터 떨어지게 되면 금 나노입자-그래 핀이 과산화효소 활성을 회복하여 발색 시그널이 나타났다.

Yang 연구팀은 과산화효소 활성을 가지는 copper-creatinine complex를 이용한 새로운 DNA 진단법을 제안하였다 [25].

Target DNA를 사이에 두고 detection probe와 capture probe가 sandwich구조를 형성하고 나면, 금 나노입자 주위에 구리 박 막이 형성된다. 이후 구리박막이 자유 이온으로 금 나노입자 로부터 떨어지게 되면서 creatinine과 결합하여 copper-creatinine complex를 형성하게 되는데, 이 물질이 특이적인 과산 화효소 활성을 보이므로, 발색반응을 통해 target DNA의 유 무 및 그 농도를 분석할 수 있다. Yang에 의해 제안된 진단법 은 horseradish peroxidase (HRP)를 사용한 진단법보다 더 낮 은 검출한계 (detection limit)를 보였다 (0.1 pM vs. 1nM (HRP)). 이 외에도 이중가닥 DNA의 shielding 효과를 이용한 새로운 방식의 DNA 검출 방식이 보고되었다. 이 기술은 PCR

Fig. 1. Functionalized graphene with hemin as peroxidase mimic. The hybrid nanosheets were synthesized through π-π interactions between graphene and hemin. The nanosheets had intrinsic peroxidase-like activity, originating from the hemin. Based on the unique capability of differentiating ssDNA and dsDNA, the nanosheets were further used for colorimetric detection of single-nucleotide poly- morphisms in disease-associated DNA. Reprinted with permission from [22]. Copyright (2011) American Chemical Society.

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에 의해서 증폭된 target DNA가 나노자임 역할을 하는 자성 나노입자 주위를 둘러싸게 되어 나노자임이 기질에 대해 원 활한 효소작용을 하지 못하게 유도함으로써 target DNA가 없 는 경우에 비해 약한 발색 신호가 생성되는 원리를 이용하였 다 (Fig. 2) [26]. 특히 발색 기질을 신속하게 산화시킬 수 있 는 산화세륨 나노입자를 나노자임으로 사용하면 초고속의 발색진단이 가능하였다 [27].

3. Protein Detection

단백질 진단을 위한 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) 면역진단에 주로 사용되는 유기 효소인 HRP 대신 비슷한 과산화효소 활성을 지닌 나노자임에 항체를 수식하 는 전략을 통해 표적 단백질을 진단하는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 그 예로, B형간염 표적항원 (preS1)과 심근경색증 의 바이오마커인 troponin I을 검출하는 면역진단법이 Yan 연구팀에 의해서 개발되었다 (Fig. 3) [9]. B형간염 표적항원 (preS1) 검출에는 antigen-down 방식의 면역진단법이 사용되 었다. 항원을 플레이트에 흡착시킨 뒤 preS1 항체가 항원과 결합하고, 항체에 결합할 수 있는 protein A가 수식된 자성나 노입자가 추가적으로 더해지면, 과산화효소 반응에 의해 발 색 신호가 나타난다. Troponin I의 진단에는 자성나노입자의 자성을 이용한 간편한 분리에 이은 샌드위치 방식의 면역진 단법이 이용되었다. 혈액 샘플에 항체가 수식된 자성나노입 자 나노자임을 넣으면 troponin I이 항체에 결합되며, 이 복합 체는 외부자력에 의해 간편하게 분리 및 회수된 후, 또 다른 capture 항체가 결합되어 있는 well에 가해지게 된다. 결과적 으로 target troponin I의 농도에 비례한 만큼의 발색 신호가 나노자임의 활성에 의해 나타났다. 과산화효소 활성을 보이 는 자성나노입자에 기반한 나노자임 복합체에 항체를 수식

하여 유방암세포 표면에 과발현하는 human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) 단백질과 영유아 설사 유발 바이러스인 Rotavirus를 발색 진단하는 기술도 개발되었다 [28]. 특히, 이 기술에서는 다공성 탄소의 기공 안에 자성나 노입자와 백금나노입자 (platinum nanoparticles, Pt NPs)를 집적한 나노복합체를 이용하여 free 자성나노입자에 비해 50 배의 효소효율을 보이는 것을 확인했다. 이 고감도 나노자임 복합체에 항체를 수식하는 전략을 통해 target 물질인 HER2 단백질이 RT 조건에서 3분 안에 빠르게 정량 분석되는 것이 확인되었다.

항원-항체 반응을 이용한 면역진단 뿐만 아니라, 항체의 역 할을 대신할 수 있는 aptamer를 이용한 단백질 진단 기술이 보고되었다 [29]. Thrombin에 대해 선택적인 결합을 하는 aptamer를 이용한 압타센싱 기술은 2개의 thrombin aptamer 를 이용해 thrombin을 선택적으로 검출한다. Detection apta- mer는 키토산으로 수식된 Fe3O₄ 자성나노입자에 표지되어 있는데 detection aptamer가 thrombin과 결합하면 자성나노입 자의 과산화효소 활성에 의해서 TMB가 산화되면서 발색 시 그널을 유도한다. Kong 연구팀은 기존의 small molecule electrochemical probe 대신 aptamer-MNPs를 이용해 높은 감도로 thrombin을 검출하는 전기화학 센서를 구현했다 (Fig. 4). 또 한 Chang 연구팀은 과산화효소 활성을 보이는 비스무트-금 나노입자를 이용하여 thrombin을 검출하기 위한 fluorescent signal-off assay를 보고하였다 [30]. 이 검출법은 thrombin에 의해 fibrinogen이 나노입자 주위에 응집하게 되어 형광 발생 정도가 약해지는 원리를 이용한다.

Qu 연구팀은 과산화효소의 활성을 가진 산화 그래핀으로 암 바이오마커인 전립선 특이항원 (prostate specific antigen, PSA)을 전기화학적 신호와 발색신호의 두 가지 방법을 통해 검출하는 플랫폼을 보고하였다 [31]. 이 플랫폼에서는 PSA를 사이에 두고 PSA 항체 (1)과 결합한 magnetic bead와 또 다른

Fig. 2. Schematic illustration of a label-free colorimetric platform for DNA sensing based on target-induced shielding of nanozyme's activity.

Reprinted with permission from [26]. Copyright (2011) John Wiley and Sons.

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항체 (2)와 결합한 산화 그래핀이 샌드위치 구조를 형성하며 hydroquinone이 산화 그래핀의 과산화효소 활성에 의해 발 색되는 현상을 통해 PSA를 검출한다. 또한 hydroquinone은 square wave voltammogram 방법으로 전기화학적 검출이 가 능하였다.

4. Cell Detection

단백질 진단과 같이 나노자임에 항체를 수식하여 샌드위치

방식의 면역진단에 응용하는 전략을 통해 특정 세포를 진단 및 처리하는 연구가 다양하게 보고되었다. 일례로 산화세륨 나노입자 (cerium oxide nanoparticles, nanoceria)의 효소활성 에 기반한 연구가 보고되었다. Cerium complex는 superoxide 이온의 함유량을 줄임으로써 벼 종자의 성장을 촉진시키는 등 일찍부터 superoxide dismutase (SOD)로서의 가능성을 보 여왔으며 [32], 최근 나노 크기의 산화세륨 입자의 SOD 활성 이 활발히 연구되고 있다. Seal 연구팀은 SOD 활성을 가지는 vacancy-engineered nanoceria를 응용하여 종양세포를 특이 적으로 공격하는 방법을 제시하였다 [33]. 정상세포에서는 Fig. 3. Fe₃O₄ MNPs as nanozymes for immunoassay: (a) antigen-down immunoassay format; (b) capture-detection sandwich immunoassay format; (a) and (b) reprinted with permission from [9]. Copyright (2007) Nature Publishing Group.

Fig. 4. An electrochemical aptasensor for reagentless protein detection. Reprinted with permission from [29]. Copyright (2011) Elsevier.

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SOD 활성을 지닌 nanoceria가 방사선에 의해 생기는 free radical을 제거하여 세포가 손상을 입지 않았지만, 종양세포 는 비정상적인 chromatin 배열로 인해 nanoceria의 보호를 받 지 못하고 free radical의 공격을 받게 된다. 결과적으로 nanoceria는 정상세포를 방사선이 유발하는 손상으로부터 보호해주는 반면 종양세포는 보호하지 않았다 (Fig. 5).

Nanoceria가 SOD 활성 외에도 산화효소 (oxidase) 활성이 있 다는 사실이 밝혀지면서, 이를 응용하는 새로운 방식의 암세 포 진단기술이 개발되었다 [34,35]. 이 기술에는 Poly(acrylic acid)-coated nanoceria가 이용되었는데, 나노입자 표면에 수 식된 엽산이 암세포 표면에 존재하는 엽산 수용체와 특이적 으로 결합되는 원리를 이용해, 암세포 표면과 결합한 나노입 자의 산화효소 활성에 의해 무색의 기질이 산화되어 발색하 는 원리를 통해 암세포를 검출한다. 이 연구에서는 정상적인 조직에는 없지만 폐암세포 등의 다양한 암세포에서 엽산 수 용체 (folate receptor)가 과발현하는 현상을 이용하였다 [36].

위 기술을 이용하여 ampliflu를 기질로 이용한 형광 기반 진 단기술이 보고되었는데 [35], 이 기술은 대부분의 나노자임 기반 진단이 산성의 pH에서 이루어지는 것과 달리 중성의 산도 (pH 7)에서의 형광 기반 진단을 가능하게 하였다는 사 실에 의의가 있다.

최근에는 암 조직을 표적화하여 영상화하는 분야에도 과산 화효소 활성을 가진 magnetoferritin (Fe2O₃ in ferritin)이 사용 되었으며 (Fig. 6) [37], 같은 효소 활성을 보이는 Fe3O₄ 자성 나노입자를 이용하여 암세포 (carcinoma cell, A549 cells)와 정상 세포 (H9C2)를 구별하는 기술이 보고되었다 [38]. Yan 연구팀은 ultra-small Fe3O₄ 자성나노입자에 Nimotuzumab

(humanized monoclonal antibody for EGFR)을 수식하여 식도 암 세포에 과발현된 epidermal growth factor receptor (EGFR) 을 표적화하여 영상화하는 면역염색법 (immunostaining)을 개발하였다 [39]. 또한, 자성나노입자 고유의 활성에 비해 비 약적으로 향상된 효소활성을 보이는 자성나노입자-백금 나 노입자-산화 그래핀 복합체에 항체를 수식하는 전략을 통해 목적 암세포를 고속으로 진단하는 기술이 보고되었다 (Fig.

7) [40]. 이 기술에서는 백금 나노입자와 자성나노입자 사이 의 전자전달이 향상된 효소활성의 이유인 것을 밝혔으며, 이 에 기반한 성공적인 면역진단 및 면역염색법을 보고하였다.

또한 새로운 종류의 과산화효소 나노자임으로 Fe-aminoclay 를 개발하고, 이에 기반한 암세포 진단 기술도 보고되었다.

이 기술에서는 Fe-aminoclay의 표면에 풍부하게 존재하는 아 민기에 의해 엽산 수용체와의 결합이 촉진되어 기존의 ELISA 보다 빠르게 암세포를 진단하고 정량화할 수 있었다 [41].

5. Small Molecule Detection

포도당 검출은 의료 및 식품 분야에서 삶의 질 향상의 중요한 역할을 하고 있다 [42]. 바이오센서 기술이 발달하면서 보다 간편한 포도당 측정법이 많이 보고되었으며, 이들 중 포도당 산화효소와 과산화효소의 연계반응을 이용한 colorimetric signal readout strategy가 사용 및 측정의 편이성 때문에 많이 연구되고 있다. 이 진단 방법은 신호측정에 특정한 기계가 필 요하지 않기 때문에, Point-of-care testing (POCT)에 적용될 수 있는 장점이 있다.

Fig. 5. Nanoceria with SOD mimicking activity could prevent normal human breast cell line (CRL8798) but not a human breast tumor cell line (MCF-7) from radiation induced damage. Reprinted with permission from [33]. Copyright (2005) American Chemical Society.

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Fig. 6. Magnetoferritin nanoparticles as peroxidase mimic to target and visualize tumor tissues. Reprinted with permission from [37].

Copyright (2012) Nature Publishing Group.

Fig. 7. Colorimetric detection of target cancer cells based on the nanohybrid entrapping both MNPs and Pt NPs on carboxyl-modified graphene oxide. Reprinted with permission from [40]. Copyright (2014) Royal Society of Chemistry.

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Yan 연구팀에 의해 밝혀진 Fe3O₄ NPs (MNPs)가 과산화효 소 활성을 보인다는 보고 [9,10]를 시작으로, 보다 다양한 과 산화효소 나노자임을 기반으로 한 small molecule 진단에 대 한 많은 연구가 보고되고 있다 [37,43-49]. 특히 Wei와 Wang 은 MNPs가 가지는 과산화효소 활성과 포도당 산화효소의 활성을 동시에 이용해 포도당을 검출할 수 있는 새로운 센싱 플랫폼을 개발하였다 [43]. 나노자임을 이용한 포도당 진단 에는 포도당에 대한 높은 기질특이성을 보이는 포도당 산화 효소 (glucose oxidase (GOx))가 사용된다. GOx는 포도당을 산화시키면서 H2O₂ 발생을 유도한다. 생성된 H2O₂의 농도에 따라 Fe3O₄ MNPs와 반응한 기질 (2,2’-azino-bis(3-ethylbenzo- thiazoline-6-sulphonic acid), ABTS)의 발색 강도가 다르게 나 타나는데, 이를 통해 포도당의 농도를 정량 분석할 수 있다 (Fig. 8) [43]. 위 진단 방법을 기반으로 하여, Fe3O₄ MNPs 외 에도 다양한 종류의 나노자임과 기질을 이용한 연구들이 이 뤄졌다. Chen과 그의 동료들은 3,3’,5,5’-Tetramethylbenzidine (TMB)를 기질로 사용될 때, water-soluble CuO 나노입자가 기존의 HRP보다 100배 높은 과산화효소 활성을 보인다는 결 과를 보고하기도 했다 [50]. 몇몇의 연구에서는 실제 혈청샘 플에서의 포도당 농도를 측정하는 새로운 방법이 보고되었 다. 예를 들면, glucose oxidase에 정전기적으로 PDDA-coated iron oxide nanoparticles을 붙여 만든 복합체가 혈청샘플에서 포도당 검출에 이용되었는데, 이는 시중에 판매되고 있는 혈 당측정기보다 재사용성과 민감성에서 더 우수한 성능을 나 타냈다 [51].

과산화효소 활성을 보이는 나노자임 뿐만 아니라 산화효소 활성을 보이는 나노자임을 응용한 포도당 진단법 또한 보고 되었다. 이 기술에서는 oxidase의 활성을 가지는 Fe2O₃ nano-

wire array를 이용한 non-enzymatic glucose sensor를 제작하 여 혈청 샘플의 포도당 농도를 성공적으로 측정하였다 [52].

Fan 연구팀은 산화효소 활성을 가지는 금 나노자임을 이용 하여 새로운 방식의 포도당 검출 방법을 보고하였다 [53]. 포 도당이 금 나노입자의 산화효소 활성에 의해 산화되면서 H₂O₂가 생성되면, H2O₂는 HAuCl4를 환원시켜 gold seed의 성장을 촉진시킨다. 이와 같은 금 나노입자의 성장과 더불어 포도당의 산화 결과물인 gluconic acid의 금 나노입자 표면에 의 흡착은 금 나노입자의 산화효소 활성을 줄이게 되기 때문 에, 결과적으로 샘플안의 포도당의 양이 증가하게 되면 금 나노입자의 크기성장이 멈추게 된다.

포도당 산화효소를 과산화효소 나노자임과 접목함으로써 포도당을 간편하게 진단하는 것처럼, 다른 종류의 산화효소 와 과산화효소 나노자임과의 연계반응을 통해, 포도당 뿐만 아니라 다른 종류의 small molecule을 진단하는 기술이 보고 되었다. 다공성 실리카에 과산화효소 활성을 보이는 자성나 노입자를 고집적하고, 더불어 갈락토스 산화효소를 고정화 하여 갈락토스를 기존 방식보다 간편하게 진단할 수 있는 기 술이 보고 되었다 [54]. 나노자임-갈락토스 산화효소-다공성 실리카 복합체가 이용된 바이오센서를 신생아 대사질환 중 하나인 갈락토스혈증 (galactosemia) 진단에 응용하여 임상 샘플을 사용한 임상 유용성 검증에 성공하였다. 위와 같은 방법으로 나노자임-다공성 실리카에 포도당 산화효소 혹은 콜레스테롤 산화효소를 고정화하여 혈중 포도당과 콜레스 테롤 농도를 분석 및 진단할 수 있었다 [55]. 알코올 산화효 소와 과산화효소 활성을 보이는 자성나노입자를 함께 집적 한 형태의 one-pot nanocomposite을 개발 및 이용하여 알코 올을 검출하는 진단방법이 개발되었다 [56]. Mesocellular silica의 기공 안에 알코올 산화효소와 자성나노입자를 동시 에 고정화한 방법으로서 알코올 산화효소의 대상물질인 메 탄올과 에탄올을 발색진단을 통해 성공적으로 검출하였다.

특히 이들 나노복합체는 효소활성을 보다 오래 안정적으로 유지하고 재사용이 가능하다는 장점이 있다. 위 선행연구를 확장시켜 진행하면 acethylcholinesterase를 측정함으로서 알 츠하이머를 진단할 수 있고 aspartate aminotransferase와 ala- nine aminotransferase의 활성을 측정하여 간 기능인자를 진 단할 수 있다.

6. CONCLUSION

기존의 ELISA 및 바이오센서에서 사용되는 유기 과산화효 소를 대체할 수 있는, 새로운 질병진단 원천기술 개발을 위한 유력한 대안으로서, 유기 효소의 단점을 효과적으로 보완할 수 있는 나노자임을 개발 및 응용하는 기술이 각광을 받고 있 다. 나노자임은 유기 효소에 비해 안정한 활성을 보이며 화학 합성법을 이용한 간편한 대량 생산이 가능해 가격적으로 매 우 저렴한 장점이 있기 때문에 질병진단의 지표 물질인 DNA, 단백질, cell 및 small molecule 진단에 광범위하게 연구되고 Fig. 8. (a) Nanozyme as peroxidase mimic for colorimetric sensing

of H₂O₂ and glucose when combined with glucose oxidase. (b) The sensing format in (a) could be extended to other targets (substrate 1 here) when combined with an appropriate oxidase. Reprinted with permission from [43]. Copyright (2008) American Chemical Society.

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있다. (Table 1) 하지만 나노자임은 본질적으로 active site가 특징적으로 존재하지 않는 나노 구조체이기 때문에 유기 효 소와 같은 기질 선택성이 부족하며, 그 활성이 유기 효소에 비해 아직까지는 현저히 낮다는 단점이 있다. 상기한 단점을 효과적으로 극복할 수 있는 나노자임 기술이 개발된다면, 기 존 유기효소에 기반한 체외진단 기술의 한계를 극복하여 고 감도로 간편하게 질병 원인이 되는 생체물질을 진단하는 원 천기술로 자리매김함으로써, 효소반응을 통해 신호를 검출 및 증폭하는 분야에 있어 새로운 패러다임을 일으킬 것으로 기대한다.

나노자임의 활성에 기반한 생체물질 진단 연구가 실제 질 병진단 기술로 발돋움하기 위해서는 다음과 같은 방향의 연 구가 필요하리라 생각된다. 먼저 현재까지 개발된 나노자임 의 활성을 뛰어넘는, 효소로서의 보다 우수한 활성 및 특성 을 지닌 새로운 종류의 나노자임을 개발하는 것이다. 특히 나노자임을 개발하기 위한 기존의 연구들이 나노입자를 대 상으로 한 무작위적인 효소활성 검증을 통한 데 반해, 앞으 로의 연구는 산화환원 활성을 지니고 있을 것으로 알려진 금 속원소를 선택하여, 이를 기반으로 다양한 형태의 나노입자 를 합성하고 그 활성을 스크리닝하는 합리적인 전략을 통해 연구가 진행될 것이다. 다음으로 서로 다른 종류의 나노자임 을 동시에 포집하는 나노복합체 형태의 나노자임을 개발하 는 연구가 진행될 것이다. 나노복합체에서는 나노자임들 간 의 전자전달 등의 시너지효과를 이용하여 크게 향샹된 효소 활성을 얻을 수 있어 나노자임의 가장 큰 기술적 제한점인 낮은 효소활성을 극복할 수 있으리라 기대된다. 마지막으로 나노자임 표면에 항체나 압타머 등을 효과적으로 수식하는 surface engineering 기술을 통하여 나노자임에 기질 선택성 을 부여하는 연구가 진행될 것이다. 이와 같은 연구를 통해

나노자임의 안정적인 효소활성에 기반한 기술이 질병진단 의 많은 부분에 응용되리라 기대한다.

Acknowledgements

이 논문은 2014년도 정부 (미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단-나노·소재기술개발사업과 한국연구재단의 지원 을 받아 수행된 기초연구사업임 (2009-0082580, NRF-2014 R1A1A1006016).

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Table 1. 나노자임을 이용한 질병진단 연구

나노자임 재료의 종류 표적 효소 사용 기질 검출 한계 응용 분야 Ref.

Fe₃O₄ NPs Peroxidase TMB *N/D Immunoassay 9, 10

Copper-creatinine complex Peroxidase TMB 0.1 pM DNA sensor 25

CeO₂ NPs SOD N/D N/D Radioprotection 33

Fe₂O₃in ferritin Peroxidase TMB, *DAB N/D Immunoassay and cell imaging 37

Ultra-small Fe₃O₄with Nimotuzumab Peroxidase TMB N/D Immunoassay 39

Graphene oxide-Fe₃O₄ NPs-Pt NPs nanohybrids Peroxidase TMB 100 cells Immunoassay and cell imaging 40

Fe-aminoclay Peroxidase TMB 500 cells Immunoassay 41

CuO NPs Peroxidase TMB, ABTS, DAB N/D H₂O₂ and glucose Biosensor 50

Fe₃O₄ NPs with PDDA coating Peroxidase ABTS 30 µM Glucose biosensor 51

Fe₂O₃nanowire array Oxidase N/D 6 µM Glucose biosensor 52

Fe₃O₄ NPs (with galactose oxidase

in mesoporous silica) Peroxidase ABTS 5 mg L¹ Galactose biosensor 54

Fe₃O₄ NPs (with glucose oxidase

in mesoporous silica) Peroxidase ABTS, TMB 3 µM Glucose biosensor 55

Fe₃O₄ NPs (with cholesterol oxidase

in mesoporous silica) Peroxidase ABTS, TMB 5 µM Cholesterol biosensor 55

Fe₃O₄ NPs (with alcohol oxidase

in mesoporous silica) Peroxidase ABTS 25 µM Alcohol biosensor 56

*DAB : 3,3’-Diaminobenzidine, N/D : Not determined.

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