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우울증 바이오마커 측정 가능한 바이오센서 개발

실시간으로 세로토닌 농도 확인 기능성 나노섬유 개발

 생명공학연, 향후 우울증 자가 진단 및 관리에 기여 기대

 

왼쪽부터 권오석 박사, 서성은 연구원

국내 연구진이 우울증 바이오마커를 손쉽게 확인할 수 있는 가능한 센서를 개발하였다. 향후 우울증 증상을 호소하는 환자들이 셀프 측정을 통해, 제때 치료를 받을 수 있도록 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

한국생명공학연구원 감염병연구센터 권오석 박사팀은 세로토닌(serotonin)을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 바이오센서 개발에 성공하였다고 밝혔다.

마음의 감기인 우울증 환자가 최근 5년(2017년~2021년)간 평균 7.8%씩 증가하며 그 수가 100만 명에 달하고 있어 그 자체로 이미 하나의 사회적 문제가 되고 있다.

우울증의 원인으로는 유전적 소인, 내분비 이상, 스트레스, 성격적 특성, 대인관계의 문제 등과 함께 체내 신경전달물질의 불균형이 관련 있는 것으로 밝혀져 있다.

 

우울증 바이오마커 측정 가능한 바이오센서

신경전달물질은 신경의 끝에서 분비되어 연결된 다른 신경에 정보를 전달하는 미세한 물질로, 우울증 환자는 신경전달 물질이 다음 신경으로 전달되기 전에 신호가 감소하거나 혼란이 생긴다는 것이다.

여러 신경전달물질 중 우울증에 영향을 미치는 주된 신경전달물질로는 세로토닌, 노르아드레날린, 도파민이 손꼽힌다. 이 중 세로토닌은 사람의 감정과 식욕, 수면 등의 조절에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 특히 행복을 느끼게 하고 우울, 불안을 줄이는 데 관여하는 것으로 알려져 항우울제와 불안장애 개선제에 많이 사용되고 있다.

현재 세로토닌은 혈액 샘플에서 질량 분석을 하는 방법이 일반적으로 이용되고 있으나, 분석 시간이 오래 걸리고 전문 장비나 인력이 필요하여 일반인이 스스로 측정하기에는 많은 어려움이 있다.

이에 연구팀은 세로토닌에 선별적으로 반응하는 바이오 탐침(probe)을 제작하고 이를 전도성 높은 나노섬유와 결합해 극미량의 세로토닌 농도도 검출할 수 있는 바이오나노 센서를 개발하였다.

센서가 세로토닌과 반응하며 발생한 전기적 신호를 실시간으로 모니터에서 확인하여 간편하게 체내 세로토닌의 농도를 측정할 수 있도록 하였다. 개발한 센서는 세로토닌이 포함된 인공 체액에서 유효성 평가에서도 높은 수준의 신뢰성을 나타내어 임상시험에서의 적용 가능성을 확인하였다.

연구책임자인 권오석 박사는 “세로토닌의 실시간 모니터링으로 세로토닌의 체내 기능에 미치는 영향뿐만 아니라, 외부의 유해한 자극에 대한 분비 변화량을 관찰할 수 있게 되었다”라며, “현장 진단용 센서 원천기술로써 질병의 자가 진단과 환경 분야 등 다양한 분야로 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

이번 연구는 나노과학 분야의 세계적인 저널인 Nano Convergence(IF 10.038) 7월 12일자 온라인 판에 게재되었으며, 논문명 : Real-time monitoring of serotonin with highly selective aptamer-functionalized conducting polymer nanohybrids / 교신저자 : 권오석 박사 / 제1저자 : 서성은 박사과정생, 임성지 연구원이다.  국가과학기술연구회 창의형 융합사업, 농림축산식품부 스마트팜 다부처패키지 혁신기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

□ 연구배경

○ 세로토닌은 주요 신경전달물질의 일종으로 정신 및 신체 기능의 조절에 중요한 역할을 하는 생체 분비 물질이며, 체내 분비 농도 불균형의 경우 자살의 큰 원인인 우울증 및 조현병과 같은 정신 질환 발생에 관여하는 것으로 알려져 있다.

○ 신경전달물질의 불균형을 조기에 개인 스스로 인식하는 게 가장 중요하지만, 지금까지 우울증/조현병 휴대용 자각 진단 기술 개발 연구는 진행된 적이 없다. 주요 체내 분비 물질의 존재하에 선택적으로 세로토닌만을 고감도로 검출하는 진단 기술에는 한계가 존재함에 따라 이를 모니터링 할 수 있는 센서의 필요성이 대두되었다.

□ 연구내용

○ 연구팀은 전기방사를 통해 만들어진 나노섬유 기반의 지지체에 전도성 고분자 및 압타머를 고정화함으로써, 체액 내 미량 존재하는 세로토닌을 모니터링 할 수 있는 시스템을 개발함

○ 인공 체액 및 체내 다양한 내분비 물질의 존재하에 본 연구에서 개발된 모니터링 시스템의 세로토닌 검출 유효성을 확인함

○ 소형으로 제작된 전극과 측정 방법의 단순화를 통해 일반인이 손쉽게 측정할 수 있어 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 개발됨

□ 연구성과의 의미

○ 전도성 나노섬유 기반의 신경전달물질 검출 플랫폼 활용성: 체내 신경전달물질의 극미량 구별 검출 센서 개발

이번  연구의 표면적이 넓은 전도성 나노섬유를 제작하여 이에 선택성이 높은 압타머를 고정화한 뒤, 체내 분비되는 주요 신경전달물질을 특이적으로 검출할 수 있으며, 극미량 구별 검출할 수 있는 바이오센서이다. 또한, 인공 체액에서 다른 체내 분비 물질의 존재하에도 높은 민감도로 세로토닌의 농도를 안정적으로 검출하였기에, 호르몬 측정의 임상적 효용성을 규명하였으며, 더욱 다양한 체내 분비 물질을 모니터링할 수 있는 원천기술로써, 정신 질환의 객관적인 조기 진단뿐만 아니라 향후 다양한 질병의 조기 징후 예측이 가능한 기술로 활용이 가능하다.

 

□용어해설 1. 세로토닌(serotonin)

◦ 체내 모노아민 신경전달물질의 일종으로 주로 동물의 위장관, 혈소판 및 중추신경계에서 존재함. 감정과 식욕 및 수면 등에 영향을 주며 특히 행복을 느끼는 데에 주요 기여 요인이다.

2. 압타머(Aptamer)

◦ 짧은 유전자 서열로 이루어진 DNA 혹은 RNA이며, 타겟 물질에만 선택적으로 결합하는 특성이 있음. 이에 바이오 기술에서 약제로 사용되기도 한다.

3. 전기방사(Electro spinning)

◦ 전기장 내에서 용해된 고분자 용액을 분사함으로써 수 나노(㎚)에서 수 마이크로(㎛)의 직경을 갖는 섬유를 제조할 수 있는 공정이다.

 

□그 림 설 명

전도성 나노섬유 기반의 체내 분비 신경전달물질 실시간 검출 모식도체내에서 신경전달물질로써 분비되는 세로토닌을 선택적으로 결합이 가능한 바이오 탐침이 고정화되어있는 전도성 나노섬유를 활용하여 모니터링 시스템 개발
전도성 나노섬유 제작 및 바이오 탐침 고정화 모식. (a) 전도성 나노섬유 제작 모식도 (b) 전도성 나노섬유 섬유 표면 분석 이미지 (c) 바이오 탐침 고정화 모식도 (d) 바이오 탐침형광 검출 결과
(a) 세로토닌 검출 전후 압타머 구조 변화 모식도, (b) 농도별 세로토닌 주입 시, 전도성 나노 섬유 전류 변화 그래프, (c) 세로토닌 및 유사 구조체와 압타머 결합 시뮬레이션 결과
(a) 인공 체액(인공 혈청 및 뇌척수액)에서의 세로토닌 검출 결과, (b) 인공 체액(인공 혈청 및 뇌척수액)에서의 세로토닌 유사체 검출 결과

 

◇권오석 박사 이력사항

  • 1. 인적사항
  • o 소 속 : 한국생명공학연구원 감염병연구센터
  • 2. 학 력
  • o 1998 - 2007 영남대학교 화학전공 학사
  • o 2008 - 2010 서울대학교 화학공학전공 석사
  • o 2010 - 2013 서울대학교 화학공학전공 박사
  • 3. 경력사항
  • o 2006 – 2008 KCC 전착도장연구소 연구원
  • o 2013 – 2013 MIT 박사후연구원
  • o 2013 – 2015 예일대학교 박사후연구원
  • o 2015 – 현재 한국생명공학연구원 책임연구원
  • o 2015 – 현재 UST 과학기술연합대학원대학교 부교수
  • 4. 전문 분야 정보
  • o 화학 공학
  •  
  • ◇서성은 연구원 이력사항
  • 1. 인적사항
  • o 소 속 : 한국생명공학연구원 감염병연구센터
  • 2. 학 력
  • o 2012 - 2017 동덕여자대학교 화학전공 학사
  • o 2018 - 2020 연세대학교 건설환경공학전공 석사
  • 3. 경력사항
  • o 2017 - 2018 한국생명공학연구원 인턴연구원
  • o 2018 - 현재 한국생명공학연구원 학생연구원
  • 4. 전문 분야 정보
  • o 환경 공학
  •  
  • ◇임성지 연구원 이력사항
  • 1. 인적사항
  • o 소 속 : 한국생명공학연구원 감염병연구센터
  • 2. 학 력
  • o 2014 - 2018 이화여자대학교 화학·나노과학 전공 학사
  • o 2018 - 2020 이화여자대학교 화학·나노과학 전공 석사
  • 3. 경력사항
  •     0 2021 - 2022 한국생명공학연구원 인턴연구원
  • 4. 전문 분야 정보
  • o 화학 전공

한국생명공학연구원 홍보실 제공 

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