고려대학교 바이오의공학부

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학부 소식

2020.09.07 체액 한 방울로 알츠하이머병 진단 가능해진다, 윤대성 교수팀 논문 발표
체액 한 방울로 알츠하이머병 진단 가능해진다 주요 원인물질을 펨토그램 수준까지 한번에 검출하는 나노바이오센서 개발 윤대성 교수팀, 바이오센서분야 최고 권위지 Biosensors & Bioelectronics 논문 게재 ▲ 왼쪽부터 보건과학대학 박동성 석박사통합과정생, 윤대성 교수, 경희대 의대 황교선 교수 보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀과 경희대 의과대학 황교선 교수로 이뤄진 공동연구팀은 그래핀 전계효과 트랜지스터를 이용하여 혈액과 뇌척수액 내 존재하는 알츠하이머병의 주요 원인 물질(아밀로이드베타, 타우)을 펨토그램(femtogram, 10-15g) 수준까지 한 번에 검출해낼 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다. 이번 연구에는 박동성 석박통합과정(제1저자, 고려대 바이오의공학과), 윤대성 교수 (공동교신저자, 고려대 바이오의공학과), 황교선 교수(공동교신저자, 경희대 의과대학)가 주저자로 참여했고, 연구 결과는 올해 8월 15일 Elsevier社에서 발행하는 전기화학(Electrochemistry)및 분석화학(Analytical chemistry)분야 최고 권위지인 『Biosensors & Bioelectronics』(IF=10.257, JCR 분야 상위 0.581%)에 온라인 공개됐다. * 논문명 : Multiplexed femtomolar detection of Alzheimer's disease biomarkers in biofluids using a reduced graphene oxide field-effect transistor 알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로, 신경퇴화 및 유전적 요인들에 의해 비정상적으로 응집된 베타아밀로이드*와 과인산화*된 타우단백질*이 원인 물질로 알려져 있다. 현재의 알츠하이머병의 진단 방법으로는 신경심리학적 문답법 혹은 고가의 양전자 단층촬영(PET)/자기공명영상진단(MRI) 영상이 사용되고 있는데, 이들은 주관적일 수 있으며 고비용이라는 단점이 있다. 최근 미국 국립 노화 연구소 및 알츠하이머 협회 (NIA-AA)에서 정한 알츠하이머병 진단 가이드라인에 체액의 베타아밀로이드와 타우 단백질 검출 여부가 중요한 정보로 포함됨에 따라, 체액 내에 수 피코그램(picogram, 10-12g)으로 존재하는 바이오마커를 정확하게 분석해낼 수 있는 센서에 대한 필요성이 크게 증가했다. 특히, 꿈의 소재로 알려진 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터는 고감도의 우수한 전기적 특성과 다양한 항체의 부착이 가능한 표면을 기반으로 활발히 연구되고 있다. * 베타아밀로이드 : 베타아밀로이드 (Aβ 또는 A베타)는 알츠하이머 환자의 뇌에서 발견되는 아밀로이드 플라크의 주성분으로서 알츠하이머 병에 결정적으로 관여하는 36-43개의 아미노산 펩타이드를 의미한다. 베타아밀로이드는 체내에서 단량체, 올리고머, 섬유 형태 등 다양한 형태로 존재할 수 있으며, 잘못 접힌 올리고머 형태가 세포독성을 나타내며 알츠하이머 치매를 유발하는 것으로 알려져 있다. * 타우 단백질 : 세포내의 미세소관 결합단백질로서 건강한 경우에는 뉴런의 활동을 지지하지만 변형된 경우는 알츠하이머 질환과 같은 뇌병변에 기여한다. 알츠하이머환자의 경우는 뉴런에 타우가 과인산화되어 있는 경우가 많다. * 과인산화 : 타우단백질의 아미노산 서열 중 세린 이나 트레오닌 부분이 타우단백질인산화효소에 의해서 인산기가 첨가되는 생화학반응을 의미한다. 연구팀은 알츠하이머병의 주요 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우 단백질이 체액의 생리학적 환경(산도 pH 7.4)에 따라 서로 다른 표면 전하 특성을 가진다는 점에 착안하여 두 생체물질이 구별되는 검출 신호를 내는 그래핀 기반 전계효과트랜지스터* 다중 검출 플랫폼을 개발했다. 세상에 존재하는 대부분의 단백질 혹은 펩타이드 구성물은 환경에 따라 양(+) 혹은 음(-)의 표면전하를 갖게 되는데, 그 기준이 되는 것이 등전점*(pI; isoelectric point)이다. 예를 들어, 아밀로이드베타는 5.1의 등전점을 가지므로 pH 7.4를 갖는 환경에서 음(-)의 성질을 띄게 되고, 타우 단백질은 8.24의 등전점을 가지므로 동일 환경에서 양(+)의 성질을 띄게 된다. 그래핀 전계효과트랜지스터는 표면에 부착된 생체물질의 표면전하가 양(+) 혹은 음(-)의 성질을 갖게 되면 이에 따라 그래핀의 전기적 성질이 변화하는 방향 (양 혹은 음)이 결정되게 된다. 이를 이용하여 연구팀은 뇌척수액과 혈액 내에서 수 펨토그램 수준의 검출 한계를 가지며 베타아밀로이드와 타우 단백질을 동시에 검출 해내는데 성공했다. * 등전점 : 특정 분자가 전기적인 전하를 띠지 않고 중성 상태인 pH. 단백질의 경우 등전점보다 낮은 pH에서는 양전하를, 등전점보다 높은 pH에서는 음전하를 띰. * 그래핀 전계효과 트랜지스터 : 일반적인 반도체 소자인 전계효과 트랜지스터의 게이트 부분에 대표적인 나노물질인 판상형 탄소막 형태의 그래핀을 도포하여 제작된 소자를 의미한다. 그래핀 표면에 바이오마커를 붙잡을 수 있는 항체를 고정화하여 바이오센서로 이용할 수 있다. 윤대성 고려대 교수는 “이번 연구 결과를 기반으로 경희대학교병원 신경과 이진산 교수와 임상시험를 통하여 실제 환자/정상인의 임상 혈액 및 타액 샘플 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 농도를 분석하여 알츠하이머병의 위험도를 진단하는 연구를 진행 중”이라고 밝히며 “이번에 개발한 그래핀 기반 나노바이오센서는 플랫폼 기술로 다양한 질병 진단에 확장할 수 있는 장점을 갖고 있다. 즉, 알츠하이머병의 관련 인자 검출에 국한되지 않고, 다양한 질병의 원인 물질 (단백질, 핵산)의 표면 전하 분석을 통한 정확한 질병 진단에 확장하여 관련 임상연구에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다. ◈ 그 림 설 명 ◈ ▲ 그림 1. 그래핀 바이오센서의 작동 모식도 ▲ 그림 2. 완충용액, 뇌척수액, 혈장 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 검출 결과 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)
2020.09.03 고려대학교 보건과학대학 정밀보건과학 교육연구단(단장: 천홍구 교수)이 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 혁신인재양성 사업단 예비 선정
고려대학교 보건과학대학 정밀보건과학 교육연구단(단장: 천홍구 교수)이 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 혁신인재양성 사업단으로 예비 선정 되었다. [관련 내용 | 출처 = 뉴스핌 ] 교육부(부총리 겸 교육부장관 유은혜)와 한국연구재단(이사장 노정혜)은 BK21 사업에 68개 대학 총 562개 교육연구단(팀)(386개 교육연구단, 176개 교육연구팀)을 예비 선정했다고 6일 밝혔다. 3단계 BK21 플러스 사업 후속으로 오는 9월부터 7년간 진행되는 4단계 BK21 사업은 학문후속세대가 학업과 연구에 전념할 수 있도록 대학원생 연구장학금, 신진연구인력 인건비 등을 지원해 연간 약 1만9000명의 석/박사급 연구 인력을 양성한다. 선정된 교육연구단(팀)에 대해서는 연간 4080억원의 예산을 지원하며 이를 통해 석/박사급 인력을 양성하고 이들이 안정적으로 학업・연구에 전념할 수 있도록 지원할 계획이다. 최종 선정되는 교육연구단(팀)과 예산 배분액은 예비 선정 결과에 대한 이의신청 절차와 현장점검을 통한 제출 자료의 허위 여부 점검 후 9월 중 확정된다. 유은혜 장관은 "BK21 사업은 지난 20여년간 사회 변화에 선도적으로 대응하는 석・박사급 인재를 양성해 학술・연구 발전의 초석을 다져왔다"며 "이번 4단계 사업이 우수한 학문후속세대 양성을 통해 우리 대학들이 세계적 수준의 연구중심대학으로 도약하는 대전환이 되기를 기대한다"고 강조했다.
2020.08.31 구자현 교수, 필요한 약물 몸속에 전달하고, 스스로 사라지는 의료기기 개발
필요한 약물 몸속에 전달하고, 스스로 사라지는 의료기기 개발 출처 : https://news.naver.com/main/read.nhn?oid=018&aid=0004724550
2020.07.13 최연호 교수, 암세포 찾는 인공지능, 혈액으로 폐암 조기 진단한다(SBS뉴스)
https://news.sbs.co.kr//news/endPage.do?newsId=N1005878850&prog_cd=R1&service_dt=20200711&fbclid=IwAR0DFUXNKb4fG6VRYSJa-ob0NhO4YvG0DSOIkn57W9Rhmsl60OruCS0S_qE <앵커> 우리나라에서는 다른 암에 비해 폐암으로 인한 사망률이 가장 높습니다. 조기 진단이 어렵기 때문인데요, 그런데 인공지능 기술로 폐암을 조기에 발견할 수 있다는 연구 결과가 발표됐습니다. 조동찬 의학전문기자입니다. <기자> 80세 조두환 씨는 한 달 전 폐암 수술을 받았습니다. 항암이나 방사선 치료가 필요 없을 만큼 빠르게 회복 중인데 초기에 진단받은 덕분입니다. [조두환/폐암 수술 환자 : 아는 분도 병원 가니까 벌써 4기라고 해서 그분은 아마 수술도 불가능하다는 이야기를 들었거든요. 그 말을 듣고 나도 검사를 해봐야겠다(고 생각했습니다.)] 하지만 폐암 환자의 60% 정도는 수술할 수 없는 시기에 진단받고 이 경우 5년 생존율이 6%에 불과합니다. 담배를 30년 이상 피운 사람에게 해마다 저선량 폐 CT 검사를 해보도록 추천하고 있지만 제한점이 있습니다. [김현구/고대 구로병원 흉부외과 교수 : 무조건 CT를 통해서만 진단을 하게 되면 그 비용도 비용이고 방사능 피폭의 문제도 있고 또 제한된 분들만 그런 혜택을 받을 수 있습니다.] 국내 연구팀이 폐암 조기 진단에 도전하고 있습니다. 연구팀이 주목한 건 이 엑소좀이라고 하는 작은 알갱이인데, 이 알갱이에 빛을 발사하면 신호가 반사되는데 어떤 세포가 분비한 알갱이냐에 따라 달라집니다. 일반인 20명의 혈액 알갱이와 폐암 환자 43명의 혈액 알갱이를 알갱이 하나당 최대 100번씩 빛을 발사해 반사되는 신호를 모아 인공지능에게 분석시켜봤더니 정확성이 대략 85% 정도로 폐암을 조기에 진단할 수 있는 것으로 나타났습니다. [최연호/고려대 보건과학대학 연구부학장 : 엑소좀(세포 분비물)이 가지고 있는 신호 패턴을 통해서 분석을 함으로써 정상세포 혹은 암세포에 얼마나 가까운지를 분석을 하려고 딥러닝 기법(을 이용했습니다.)] 연구팀은 규모를 400명까지 확대하는 추가 임상 시험을 통해 더 확실한 근거를 마련할 계획입니다. (영상취재 : 한일상, 영상편집 : 황지영) 출처 : SBS 뉴스 원본 링크 : https://news.sbs.co.kr//news/endPage.do?newsId=N1005878850&prog_cd=R1&service_dt=20200711&fbclid=IwAR0DFUXNKb4fG6VRYSJa-ob0NhO4YvG0DSOIkn57W9Rhmsl60OruCS0S_qE&plink=COPYPASTE&cooper=SBSNEWSEND
2020.06.12 ‘빛을 통해 단백질 분자 지도 본다‘ 최연호 교수팀, 신개념 단백질 정량화 기술 개발
빛을 통해 단백질 분자 지도 본다‘ 최연호 교수팀, 신개념 단백질 정량화 기술 개발 세계적인 학술지 Advanced Science 표지 논문 선정 ▲ 최연호 교수 연구팀 (왼쪽부터 연구책임자 최연호 교수, 제1저자 신현구 석박통합과정) 보건과학대학 바이오의공학부 최연호 교수팀은 원심분리 기반의 나노입자 침전 기술과 분광학적인 해석 기법을 결합하여 생체 단백질의 분자 지문을 고감도로 빠르고 간편하게 검출할 수 있는 새로운 개념의 단백질 정량화 기술을 개발했다. 이 기술은 기존에 단백질 정량화를 위해 널리 사용되어온 기술에 비해 간편하며 전체 검출 과정을 약 4배 가량 획기적으로 단축시켰다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 Advanced Science(IF: 15.8) 온라인 게재됐고(4월 16일) 6월 10일 출판된 Issue 10의 표지(프론트 커버) 논문으로 소개됐다. ※ 논문명 : Protein Quantification and Imaging by Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and Similarity Analysis ※ 저널링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903638 ※ 저자 : 최연호 교수(교신저자, 고려대 보건과학대학 바이오의공학부), 신현구 (제1저자, 고려대 바이오융합공학과 석박통합과정), 오승현 (공동저자, 고려대 바이오의공학부 학부연구생), 강대현 (공동저자, 고려대 글로벌헬스협동과정 석사과정) 생체 단백질은 생화학적 활동의 부산물이자 매개체로, 단백질의 정량적인 양을 측정하는 것은 질병 바이오마커를 찾거나 이를 통해 질병을 진단하는 데 반드시 수행되는 과정이다. 기존에 단백질의 정량적인 양을 측정하기 위해서 효소결합면역흡착검사 (ELISA; enzyme-linked immunosorbent assay)이 널리 이용되어왔으나 세척 과정 등 번거로운 과정이 수반되며 4시간 이상의 실험 시간이 소요됐다. 이를 해결하기 위해 형광 물질이나 표면 플라즈몬 공명 (SPR; Surface plasmon resonance)을 이용한 기법 등이 개발됐지만, 분자에 부착된 염료나 분자 결합에 의해 생겨난 에너지 변화를 통해 간접적으로 단백질의 양을 유추하기 때문에 잘못된 검출 결과가 도출되는 문제점이 남아있었다. ▲ Advanced Science 저널 커버 이를 해결하기 위해 고려대 바이오의공학부 최연호 교수 연구팀은 표면증강라만분광학 (SERS; Surface enhanced Raman spectroscopy) 기술로 단백질의 상태를 직접적으로 나타낼 수 있는 분자 지문 신호를 고감도로 검출하여 단백질을 정량화할 수 있는 새로운 기법을 개발했다. 이 기법은 분석물질에 라벨링(Labeling)된 염료를 보는 간접적인 방식이 아닌, 분석물인 단백질 자체의 직접적인 분자 지문을 이용하여 기존 기법들의 단점을 해결했다. ▲ 연구팀이 개발한 단백질 검출 기법의 모식도 일반적으로 표면증강라만분광학 기술을 통해 단백질의 신호를 검출하기 위해서는 나노물질로 이루어진 검출 기판이 필수적이다. 이에 연구팀은 원심분리를 통해 나노입자를 쉽게 가라앉힐 수 있는 점에 착안, 단백질이 코팅된 기판 위에 금 나노입자를 침전시켜 손쉽게 균일한 기판을 제작하는 방법을 이용했다. 이 방법은 나노입자 기판을 10분 내로 빠르게 형성시킬 수 있으며 신호 균일도가 매우 높다는 장점이 있다. 또한, 다양한 단백질이 혼재해있는 생체 시료에서 특정 단백질을 포집하기 위해서는 표적 단백질에 결합하는 항체를 이용해야 하는데, 이때 항체 자체에서 나타나는 신호는 주요 장애물 중의 하나였다. 이에 연구팀은 원심분리를 통해 가라앉는 나노입자가 항체가 아닌 항체에 결합한 표적 단백질에 더 가깝게 위치하는 특성을 이용, 항체에 의한 간섭을 최소화시켰다. 더 나아가 연구팀은 기존에 데이터사이언스 분야에서 사용되던 기법을 단백질 신호 해석에 도입하여, 피코몰 (picomolar) 농도 수준의 단백질을 검출하는 데 성공했다. 이 단백질 검출 과정은 기존 기술에 비해 간편하고 4배 가량 검출 시간을 단축시킬 수 있었다. 또한, 연구팀은 기존 기술로는 불가능했던 부착된 단백질을 이미지화하는 데도 성공했다. 실험을 진행한 연구원들은 “본 검출 기법을 단백질뿐만 아니라 엑소좀, 바이러스 등 다양한 체내 바이오마커 검출에 응용하여 새로운 질병 진단 기법으로 발전시키고 싶다.”는 포부를 밝혔다. ▲ 연구 결과. (좌측) 피코몰 수준의 단백질 검출 결과. (우측) 부착된 단백질의 이미지화 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업(전략과제), 한국보건산업진흥원의 연구중심병원 육성 R&D 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과를 인정받아 과학기술 분야의 세계 최고 권위지인 Advanced science (Impact factor : 15.8)의 표지(프론트 커버) 논문으로 선정됐다. 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)
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