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바이오통신원   
초기 알츠하이머병 진단 플랫폼 개발
의학약학 한국생명공학연구원 (2022-05-12)

국내 연구진이 초기 알츠하이머병 진단 플랫폼을 개발하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오나노연구센터 임은경 박사 연구팀과 건양대학교(총장 이철성) 의과대학 문민호 교수 공동연구팀은 혈액 검사를 통해 초기 알츠하이머병을 조기에 진단할 수 있는 플랫폼을 개발하였다고 밝혔다.

이를 통해 향후 효율적인 치매 환자의 관리 및 치료 전략 개발에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

알츠하이머병은 기억 상실과 인지 장애를 동반하는 노인성 치매로, 오늘날까지 효과적인 치료 방법이 없어 조기의 정확한 진단을 통해 병환의 진행을 늦추는 것이 치료의 핵심이다.

일반적으로 알츠하이머병을 진단하기 위해 아밀로이드-베타(amyloid-beta) 펩타이드(peptide)와 인산화-타우(phosphorylated tau) 단백질을 바이오마커로 사용하고 있으나, 이를 위해서는 뇌척수액이 있어야 하는 등 환자의 부담이 큰 것이 사실이다.

이를 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 중 혈액 내 치매에 대한 정보를 담은 바이오마커를 발굴하는 연구가 각광받고 있다.

특히 마이크로RNA(miRNA)는 크기가 매우 작아 엑소좀 등의 전달체를 통해 뇌혈관 장벽(Brain blood barrier, BBB)을 통과할 수 있어, 이를 분석하면 간접적으로 뇌 질환의 진행 정도를 파악할 수 있다.

연구팀은 알츠하이머병 환자의 혈액에서 miRNA의 일종인 miR-574가 크게 증가함을 확인하고, 이를 검출할 수 있는 진단시스템을 개발하였다.

하이드로겔 구조체로 된 진단시스템은 내부에 CHA(Catalytic Hairpin Assembly) 기반의 형광 신호 증폭 프로브(probe)를 장착하여 추가적인 첨가물이나 별도 과정 없이도 고감도로 유전자를 검출할 수 있도록 하였으며,
    * CHA 이론 : 두 가지 준안정성을 갖는 DNA 구조체를 이용하여 효소 또는 열 조절 없이 실온에서 자가 신호 증폭을 통해 고감도의 유전자 검출이 가능한 기술

해당 바이오마커 검출 시 형광 현상이 발생하여 알츠하이머 치매의 발병 여부를 진단할 수 있도록 설계하였다.

공동 연구책임자인 임은경 박사는 “혈액만으로 알츠하이머병의 바이오마커를 고감도로 검출할 수 있는 것이 우수한 점”이라며, “차후 노인성 치매의 초기 진단과 예후 모니터링 분야에 활용하여 고령화 시대의 국민건강과 복지 증진에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 바이오센서 분야의 세계적인 저널인 Biosensors and Bioelectronics(IF 10.257) 4월 12일자 온라인 판에 게재되었으며, 
(논문명 : miRNA sensing hydrogels capable of self-signal amplification for early diagnosis of Alzheimer’s disease / 교신저자 : 생명연 임은경 박사‧건양대 문민호 교수 / 제1저자 : UST 생명연캠퍼스 임재우 박사과정)

과기정통부 원천기술개발사업, 이공분야기초연구사업, 뇌과학원천기술개발사업, 기초의과학선도연구센터, 환경부 환경기술개발사업, UST Young Scientist사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.


연구결과개요

□ 연구배경

 ○ 알츠하이머병은 가장 많이 발병하는 노인성 치매의 일종으로 인지 장애와 기억 상실이 대표적 증상이다.

 ○ 오늘날에는 PET(positron emission tomography scan)와 같은 검사 장비나 아밀로이드 베타(amyloid beta)와 같은 치매 관련 바이오마커 검사를 통해 알츠하이머병을 진단할 수 있으나, 이러한 방법들은 이미 질병이 악화된 상황에서 명확한 확인이 가능하기 때문에 완전한 치료제가 개발되지 않은 현 상황에서 초기에 알츠하이머병을 정밀 검사할 수 있는 방법이 필요하다. 

 ○ 혈액 검사는 최소 침습적 방법으로 혈액 내 인자를 검사하여 질병의 유무 또는 진행 정도를 확인할 수 있는 검사법이다. 이러한 검사법은 환자의 고통을 최소화할 수 있고 비용적으로도 저렴하다.

 ○ 혈액 순환 유전자는 우리 몸의 모든 정보를 담고 있으며, 특히 microRNA는 RNA의 번역을 조절하는 인자이며 비정상적인 발현량의 증가 또는 감소는 질병에 대한 정보를 제공할 수 있기에 치매 진행에 관련된 microRNA를 정밀하게 검출할 수 있는 새로운 전략을 제안하였다.

□ 연구내용

 ○ 연구팀은 전임상과 임상 시료에서 miR-574가 알츠하이머 질환을 앓는 모델 마우스와 환자에게서 공통으로 증가 발현되는 것을 확인하였으며, 이를 검출 할 수 있는 비효소 방식의 유전자 증폭 기술 기반의 새로운 검출 시스템을 개발하였다.

 ○ 이 연구에서 유전자 검출 프로브를 물리적 방법을 통해 하이드로겔 내부에 고정화했고, 하이드로겔은 가장 보편적으로 사용되는 1.5 mL 튜브에 맞는 모양으로 제작하였다. 또한 형광 측정이 가능한 휴대용 측정기를 함께 개발하여, 별도의 고가 장비 없이도 빠르게 신호의 측정이 가능하다.

 ○ 즉, 본 연구의 성과는 초기 알츠하이머병의 진단을 위해 혈액 내 microRNA를 검출할 수 있는 장점이 있다. 또한 이 시스템은 기존의 증폭 효소와 고가 장비의 도움 없이 실온에서 작동할 수 있어 시간적, 경제적 이점이 있다.

□ 연구성과의 의미

 ○ 혈액 내 유전자 검출 기술 : 알츠하이머 치매의 조기 진단 및 치료 모니터링에 활용

  - 본 연구는 알츠하이머 치매의 조기 진단을 위해 치매 관련 유전자를 고감도 검출하는 것이다. 이미 치매의 진행이 이뤄진 상태에서 확인 가능한 기존 검사법과 달리, 본 연구의 결과는 혈액 검사를 통해 빠르게 이상 징후를 확인하여 효과적 치료와 환자 케어에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.


연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

비효소 방식의 유전자 증폭을 통한 신속 정확한 알츠하이머병 연관 유전자의 검출 가능

어디에 쓸 수 있나

1. 알츠하이머병의 조기 진단에 활용
2. 휴대용 형광 신호 검출 시스템으로 활용

실용화까지 필요한 시간은

본 연구는 실용화를 위해 개발된 시스템으로 추가적인 임상 결과를 확보할 수 있다면 바로 사용 가능할 것으로 기대함

실용화를 위한 과제는

알츠하이머병 초기 환자의 시료 확보를 통해 유의성 검증이 필요함

꼭 이루고 싶은 목표는

본 연구에서는 단일 유전자를 통해 알츠하이머병을 진단하는 기술임. 다중 유전자 검출을 통해 더 다양한 질병을 동시에 검출하는 시스템을 개발하고자 함.

 

초기 알츠하이머병 진단 플랫폼 개발

그림1. 혈액 내 알츠하이머병 유래 mircoRNA 검출시스템 개략도
a. 유전자 검출 프로브의 하이드로젤 내부 고정화
b. 자외선을 이용한 하이드로젤의 제작
c. 하이드로젤 형태에 따른 다양한 활용 가능성
d. 광 리더기 또는 휴대용 리더기를 이용한 하이드로젤의 형광 측정

 

초기 알츠하이머병 진단 플랫폼 개발

그림 2. 유전자 검출 프로브의 연쇄 작용 검증
a. CHA 기반 유전자 증폭 프로브의 작동 개요도
b. 전기영동을 통한 프로브의 연쇄 반응 확인
c. 유전자 검출 프로브의 지질구조체 봉입 및 해리
d. 단일 프로브 대비 연쇄 작용을 통한 형광 신호 증폭을 나타냄

 

초기 알츠하이머병 진단 플랫폼 개발

그림 3. 임상 시료를 통한 유전자 검출 시스템 검증
a., b. 일반인과 알츠하이머병 환자의 혈액에서 추출한 miR-574와 miR-1187의 발현량 비교
c., d. 일반인과 알츠하이머병 환자의 뇌척수액에서 추출한 miR-574와 miR-1187의 발현량 비교
e., f. 유전자 검출 시스템의 시료별 형광 신호의 강도를 나타냄

 

초기 알츠하이머병 진단 플랫폼 개발

그림 4. 휴대용 형광 측정기의 구조 및 측정 결과
a. 휴대용 형광 측정기의 내부 구조
b. 휴대용 형광 측정기의 형광 신호 측정 모식도
c. 표적 유전자의 농도별 형광 신호
d. 휴대용 형광 측정기의 표적 유전자 농도별 신호의 강도와 양성 기준선을 나타냄

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