코로나19 등 신‧변종 감염병 진단기술 개발
국내 연구진이 기존의 PCR 검사와 항원 항체 검사의 단점을 보완한 새로운 감염병 진단기술을 개발하였다.
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 임은경‧김명희 박사 공동 연구팀은 병원균이 체내로 침투 시 감염통로로 이용하는 단백질(Angiotensin-converting enzyme 2, 이하 ACE2)을 활용한 바이러스 간편 검출 센서를 개발하였다고 밝혔다.
이를 통해 코로나19를 비롯한 감염병 진단 기기 및 치료제 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
코로나19를 통해 경험한 바와 같이, 감염병 대응에는 신속하고 정확한 진단으로 추가 확산을 방지하는 것이 매우 중요하다.
현재 감염병 진단은 PCR(polymerase chain reaction, 중합효소 연쇄 반응)을 통한 분자진단법을 표준으로 하고 있지만 많은 시간과 고가의 장비가 있어야 하는 등의 단점이 있다.
보완책으로 항원항체반응을 이용한 진단검사가 이용되고 있으나 정확성이 높지 않은 단점이 있어, 간편하면서 신뢰성 높은 진단기술에 대한 수요가 높은 실정이다.
현재 다양한 방법의 진단기술에 관한 연구가 진행되고 있으며, 그중 하나가 ACE2 수용체를 검출 매개체로 하는 방법이다.
코로나19는 SARS-CoV-2 바이러스의 스파이크 단백질이 우리 몸의 ACE2 수용체를 통해 침투하여 감염되게 하는데, 이런 기전을 활용하는 것이다.
연구팀은 ACE2를 모방한 화합물(peptide)을 만들고, 감염병 바이러스와 결합하면 형광 현상이 나타나는 진단 센서를 개발하였다.
센서는 형광 공명에너지 전이 현상(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET)을 적용한 ACE2 모방 나노 프로브가 바이러스에 반응하면 형광 정도가 증가하도록 설계되었으며, 이를 일반 형광측정기를 통해 확인하면 감염 여부를 확인할 수 있는 것이다.
실제로 연구팀은 코로나 바이러스를 대상으로 한 테스트에서, 50분 경과 시부터 진단에 성공했으며, 3시간 지난 후엔 PCR 수준의 진단이 가능하였다.
연구책임자인 임은경 박사는 “현재 바이러스 감염환자를 선별할 때 사용하는 분자진단법(PCR 검사)과 면역학적 방법(항원 항체 검사)의 단점을 보완하여 간단한 방법으로 정확성을 높인 형광 검출을 가능하게 한 것이 우수하다”라며, “이번 연구는 코로나19 바이러스와 반응하는 수용체를 사용하였지만 이를 응용하면 다른 감염병 진단과 치료제 개발에도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 화학공학 분야의 세계적인 저널인 Chemical engineering journal(IF 13.273) 3월 31일자 온라인 판에 게재되었으며,
(논문명 : FRET-based hACE2 receptor mimic peptide conjugated nanoprobe for simple detection of SARS-CoV-2, ScienceDirect / 교신저자 : 임은경‧김명희 박사 / 제1저자 : 박병훈 박사)
과기정통부(한국연구재단) 원천기술개발사업, 이공분야기초연구사업, 글로벌프론티어 연구개발사업, 반도체공정기반나노메디컬디바이스 개발사업, 산자부 알키미스트 프로젝트, NST 창의형 융합연구사업, 환경부 환경기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)는 코로나바이러스 질환(COVID-19)으로 알려진 급성 호흡기 질환의 대유행을 일으켰다.
○ COVID-19는 특히 기저 질환이 있는 고령자에게 심각한 경우 호흡기 장애 및 중증 폐렴을 유발할 수 있어 바이러스의 추가 확산을 막기 위해서는 선별적이고 신속한 검사가 필요하다.
○ 현재 바이러스 진단 테스트의 표준은 정량적 실시간 중합효소 연쇄 반응(qRT-PCR)을 사용한 분자 진단이며 이 방법은 높은 감도(낮은 검출 한계)와 특이성을 나타낸다. 그러나 시간이 많이 걸리고(검체 수집, 실험실로의 운송 및 프로세스 최적화에 따라 몇 시간에서 며칠) 정교한 실험실 인프라와 잘 훈련된 인력이 필요하다. 이러한 검사의 복잡한 특성으로 인해 신속한 대규모 진단에 적합하지 않아 가용성과 분포가 더욱 제한된다.
○ 현재 위의 단점을 보완하고자 항원항체반응을 이용한 신속진단검사를 실행하고 있으며 이 방법은 사용이 간단하며 시간이 빠른 장점이 있으나 진단 정확성이 높지 않고 감도가 좋지 않은 단점이 있다.
○ 이러한 단점을 보완하여 사용이 편리하고 바이러스 검출 정확성을 높인 안지오텐신 전환효소 2 모방 펩타이드 기반 형광 나노 프로브를 개발하였다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 안지오텐신 전환효소 2(ACE2) 모방 펩타이트를 중간으로 형광체-올리고머A, 소광체-올리고머B(올리고머A와 상보적인 올리고머)를 결합하고 어닐링(annealing)하여 형광체와 소광체의 거리가 가까워져 형광 공명에너지 전달 형상을 이루는 형태로 구성된 나노 프로브를 개발하여 신속 정확한 SARS-CoV-2 바이러스 검출이 가능하게 하였다.
○ 안지오텐신 전환효소 2(ACE2) 모방 펩타이트가 SARS-CoV-2 바이러스의 스파이크 단백질에 반응하여 나노 프로브가 풀어지면 형광체와 소광체의 거리가 멀어져 형광 공명에너지 전달 현상이 일어나지 않아 형광 정도가 증가하는 형태로 검출이 가능한 원리이다.
○ 본 연구의 성과는 유전적 돌연변이로 인해 감염력이 증가된 SARS-CoV-2 변이체에도 검출이 가능하며 다중 형광단과 hACE2 모방 펩티드 서열이 특정 S 단백질 RBD와의 상호 작용을 감지할 수 있는 SARS-CoV-2의 다중 분석에 사용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다.
○ 또한 이 플랫폼은 다양한 모방 펩타이드 서열에 적용하여 다양한 검체의 검출 기술에도 적용될 것으로 예상된다.
□ 연구성과의 의미
○ 형광 공명에너지 전달 현상을 이용한 바이러스 검출 기술 : 바이러스 검출 기술에 활용
- 본 연구는 바이러스 감염된 환자 선별검사인 검출정량적 실시간 중합효소 연쇄 반응(qRT-PCR)과 신속항원검사의 단점을 보완하여 편리한 사용과 검출 정확도를 높여 감염 환자 판별에 도움을 줄 수 있는 장점이 있다.
연 구 결 과 문 답
* 이번 성과 뭐가 다른가
사용이 편리하고 바이러스 검출 정확도를 높인 검출 방법임
* 어디에 쓸 수 있나
1. 바이러스 검출 키트에 활용 가능
2. 바이러스와 호스트 세포의 감염통로 수용체 결합 부위에 따른 다양한 펩타이드를 발굴하여, 다양한 감염병 진단 기술 개발에 응용 가능
3. 발굴된 펩타이드는 감염병 치료제 개발에 활용 가능
* 실용화까지 필요한 시간은
본 연구결과는 임상 시료를 이용한 검증이 완료되어 조속한 시일 내에 실용화가 가능할 것으로 예상
* 실용화를 위한 과제는
좀 더 많은 환자 시료 확보 및 평가로 검출 정확성을 높일 필요가 있음
* 꼭 이루고 싶은 목표는
모방 펩타이드 서열을 활용한 백신 및 치료제 개발에 적용
그림1. 감염병(코로나19) 판별 모식도
ACE2 모방 펩타이드 기반 나노 프로브를 통한 코로나19 양성 환자의 개략적 판별 과정
그림 2. 나노 프로브가 SARS-CoV-2 바이러스 표면의 스파이크 단백질과 상호작용한 후 형광 방출 개념도
그림 3. 감염자-미감염자 간 형광 발현량 비교
그림 4. 코로나 바이러스를 대상으로 진단 시스템 검증
SARS-CoV-2 바이러스 양성(n=30) 및 음성(n=30) 인체 체액 시료의 형광 검출 강도 히트 맵(a) 및 이에 따른 형광 분포(b)
의학약학 한국생명공학연구원 (2022-05-04)