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코로나19 현장진단용 나노PCR 기술 개발

기사승인 2020.12.04  11:29:26

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- 나노물질 활용해 고속 유전자증폭-검출하는 나노 PCR 기술 개발

   
▲ nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정
환자 시료에서 추출된 코로나바이러스의 RNA는 nanoPCR을 통해 역전사 및 유전자증폭, 검출 과정을 거쳐 최종 코로나19 감염 여부를 진단하게 된다.
빠른 유전자증폭 및 검출을 위해 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)을 사용해 기존 RT-PCR의 온도변화 사이클을 고속으로 구현했으며, 이후 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리돼 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출되게 했다.
   
▲ nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치
nanoPCR은 MPN의 플라스모닉 효과를 이용해 코로나바이러스 유전자 증폭을 위한 RT-PCR 과정을 11분에 수행하며, 이후 자기장을 이용해 증폭된 유전자를 3분 내 검출한다. 
연구에서는 이 원리를 현장중심형 장비(point-of-care, POC)로 구현하기 위해 장치의 소형 경량화를 이끌어냈다. nanoPCR 장비는 기존 RT-PCR 수준의 민감도 및 특이도를 가지고 있다.
   
▲ 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN) 개발 : PCR 가열과 분리 검출이 동시에 가능
MPN은 금과 자석의 복합나노물질로서 코어-셸 구조를 갖고 있다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응해 플라스모닉 효과를 유발시켜 열에너지로 전환된다. 또한 자성을 이용해 반응이 끝난후 분리 및 검출을 가능하게 한다.
   

▲ 통상적 PCR과 nanoPCR의 PCR 수행 시 온도 변화 사이클 속도 비교
통상 PCR은 유전자 증폭을 위해 필요한 약 60 – 90°C 온도 변화 사이클 40회를 약 1.5 - 2시간에 걸쳐 수행하나, MPN을 사용한 nanoPCR은 같은 사이클을 수행하는데 걸리는 시간을 6분으로 단축시켰다.
이는 나노물질인 MPN이 혼합된 용액은 플라스모닉 효과에 의해 균일계 가열 방식이 적용돼 외벽을 직접 가열하는 종래의 PCR과 비교해 더 빠른 속도로 균일한 온도 조절이 가능하기 때문이다.

   
▲ nanoPCR의 자성 분리 및 증폭 유전자 형광 진단
자성을 띠는 MPN들은 자기장을 이용해 선택적으로 분리될 수 있다. 이 자성 분리 과정을 통해 nanoPCR로 증폭된 유전자들이 형광으로 검출된다.
   
▲ 여러 샘플의 동시 처리를 위한 페리스휠(Ferris Wheel) 시스템
여러 샘플을 동시에 PCR을 수행하기 위해 페리스휠 시스템을 접목했다. 페리스휠이 회전하면서 샘플 #1, #2, #3이 순차적으로 레이저 빛에 의해 가열된다.
   
▲ nanoPCR의 민감도 및 검출 한계
nanoPCR의 코로나19 유전자 검출 민감도는 3.2copies / µl로 기존의 RT-PCR 진단 수준이다.
   
▲ 환자 시험을 통한 nanoPCR의 코로나19 진단 성능 및 표준기술과의 비교
nanoPCR을 이용해 150명의 코로나19 환자(양성 75명, 음성 75명) 검체를 테스트한 결과 정확하게 양성군과 음성군을 구분했다(위양성·위음성률 0%). 이 결과는 현재 표준적으로 쓰이는 RT-PCR과 통계적 유사성이 매우 높고(Pearson r 0.5 이상의 경우 밀접관계성 입증), 매우 유사한 정확도를 가지고 있음이 확인됐다.
   
▲ 역전사 유전자증폭기기(RT-PCR)과 nanoPCR 비교

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수), 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 하버드 의과대학 이학호 교수 연구팀과 공동으로 나노물질을 이용해 코로나 바이러스를 17분 내에 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다.

현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)이다. RT PCR은 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수시간 이상이 소요된다. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야 하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 든다. 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있다.

연구진은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질과 자성물질을 결합한 마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, 이하 MPN)를 개발했다. 이를 PCR에 적용해 고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 nanoPCR을 개발했다.

MPN은 특정 파장의 빛에 감응해 빛을 열에너지로 바꾸는 플라스모닉 효과를 띔과 동시에 샘플 분리를 가능하게 하는 자기력을 갖고 있다. 때문에 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있다. 나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다.

나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 페리스휠(Ferris wheel) 시스템을 적용해 분석 처리량을 향상시켰다. 개발한 nanoPCR은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.

연구진은 nanoPCR로 실제 코로나19를 진단하는 환자검체시험을 진행했다. 그 결과 환자 1명의 샘플 분석을 약 17분만에 마쳤으며, 150명의 감염 여부를 정확히 판정했다(75명 양성, 75명 음성 샘플). RT PCR 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 것이다.

천진우 단장은 “PCR 구동 방법을 개량하고 소형화해 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다”며 “코로나19뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병 진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구는 실험실 수준의 연구 성과로서 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요하다.

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering, IF 17.149)에 12월 3일 19시(한국시간) 게재됐다.

조충연 기자 dw@doctorw.co.kr

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