우울증 바이오마커 측정 가능한 바이오센서 개발
국내 연구진이 우울증 바이오마커를 손쉽게 확인할 수 있는 가능한 센서를 개발하였다.
한국생명공학연구원 감염병연구센터 권오석 박사팀은 세로토닌(serotonin)을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 바이오센서 개발에 성공하였다고 밝혔다.
향후 우울증 증상을 호소하는 환자들이 셀프 측정을 통해, 제때 치료를 받을 수 있도록 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
마음의 감기인 우울증 환자가 최근 5년(2017년~2021년)간 평균 7.8%씩 증가하며 그 수가 100만 명에 달하고 있어 93만 3,481명(최근 5년(2017~2021년) 우울증과 불안장애 진료현황 분석, 건강보험심사평가원, 2022.6.24.) 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.
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(springeropen.com) / 교신저자 : 권오석 박사 / 제1저자 : 서성은 박사과정생, 임성지 연구원)
국가과학기술연구회 창의형 융합사업, 농림축산식품부 스마트팜 다부처패키지 혁신기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 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
○ 본 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
- 본 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.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 우울증 바이오마커로 알려진 세로토닌의 고감도 검출이 가능한 바이오센서를 개발
2. 체액 내의 다양한 내분비 물질의 존재하에도 선택적으로 세로토닌만을 검출할 수 있는 센서를 개발
어디에 쓸 수 있나
높은 스트레스를 받는 국군 장병이나 실시간 모니터링이 필요한 정신 질환자들의 모니터링이나 우울증 조기 진단을 위한 방법으로 활용이 가능함
실용화까지 필요한 시간은
본 연구 결과는 고감도로 세로토닌을 체액 내에서도 선별적으로 검출한 기초연구로서, 휴대용 센서로 개발되기 위해서는 안정적인 신호 전달 플랫폼 개발 속도에 따라 실용화 소요 시간이 결정될 것
실용화를 위한 과제는
바이오마커의 상온 및 장기간 안정성 확보가 실용화를 위한 최우선 과제임. 압타머는 고온에서는 활성도 유지와 구조 확보가 쉽지 않으므로, 타겟 물질과의 결합력을 유지하면서 안정적으로 플랫폼에 고정화되어 있는 기술의 확보가 필요함.
연구를 시작한 계기는
현대 사회의 높은 자살률 및 정신 질환자 범죄의 증가 추세로 인해 이러한 정신 질환을 유발하는 바이오마커의 조기 진단과 치료가 병행된다면 발생률을 현저히 낮출 수 있을 것으로 가정하고 이러한 바이오센터 플랫폼을 만들기 위한 연구 수행을 시작하였음.
에피소드가 있다면
실제로 바이오센서에서의 타겟 물질과의 반응 메커니즘에 대해서 증명하고자 다른 연구 분야의 전문가와 공동연구를 위해 지속적으로 찾아본 결과 바이오시뮬레이션 전문가와 공동연구를 진행하게 되었고 이를 통해 추후에 진행되는 후속 연구 또한 함께 진행하게 되어 연구 분야를 더욱 확장시킬 수 있었습니다.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구에서는 우울증 바이오마커로 알려진 세로토닌에 대한 센서를 개발하였지만 추후에 다양한 정신질환 바이오마커를 모두 선별이 가능한 통합형 센서를 개발하여 우울증 모니터링이 가능한 통합형 센서를 개발하는 것이 목표임.
신진연구자를 위한 한마디
진행하는 연구를 통해서 실 생활에 유용한 결과들을 도출할 수 있다는 자부심을 가지고 연구했으면 합니다. 또한, 융복합 연구를 위한 다양한 분야의 연구진들과 교류를 통해 새로운 응용 분야 개발에 힘쓰기를 응원합니다.
그림1. 전도성 나노섬유 기반의 체내 분비 신경전달물질 실시간 검출 모식도
체내에서 신경전달물질로써 분비되는 세로토닌을 선택적으로 결합이 가능한 바이오 탐침이 고정화되어있는 전도성 나노섬유를 활용하여 모니터링 시스템 개발
그림 2. 전도성 나노섬유 제작 및 바이오 탐침 고정화 모식도
(a) 전도성 나노섬유 제작 모식도
(b) 전도성 나노섬유 섬유 표면 분석 이미지
(c) 바이오 탐침 고정화 모식도
(d) 바이오 탐침형광 검출 결과
그림 3. (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
그림 4. (a) 인공 체액(인공 혈청 및 뇌척수액)에서의 세로토닌 검출 결과
(b) 인공 체액(인공 혈청 및 뇌척수액)에서의 세로토닌 유사체 검출 결과
의학약학 한국생명공학연구원 (2022-08-18)