고려대학교 바이오의공학부

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  • Where Engineering Meets Medical Science!바이오의공학부 School of Biomedical Engineering

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학부 소식

2021.03.16 윤대성 교수팀, “인공나노적혈구 이용한 심혈관질환바이오마커 검지”
“인공나노적혈구 이용한 심혈관질환바이오마커 검지” 고려대-광운대 공동연구팀, 고정밀 피브리노겐 검출 센서 개발 나노기술과 바이오기술을 접목, ACS Nano 온라인 커버로 게재돼 ▲ 왼쪽부터 보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수(교신저자), 과학기술대학 생명정보공학과 이규도 교수(공동교신저자), 광운대 정기공학과 이정훈 교수(공동교신저자), 고려대 바이오의공학과 김인수 대학원생, 제1저자) 심혈관질환은 생명을 위협할 수 있는 위험한 질병이며 심부전, 심근 경색, 뇌졸중 등의 질병이 속해있다. 심혈관질환 발생 후 바로 병원에서 치료를 받지 않으면 생존률이 극도로 낮아지는 무서운 질병이다. 이러한 질병은 발생할 경우 일회성으로 발병하고 치료하면 해결되는 질병이 아니며, 당뇨병과 같이 지속적으로 환자의 상태를 관찰하고 위험성을 확인해야 한다. 심혈관질환의 위험성과 관련있는 체내 바이오마커들이 연구되어 왔고, 한가지 바이오마커로는 정밀한 진단이 어려움이 밝혀졌다. 기존의 질병의 위험성을 확인하기 위한 기술들에 더하여 심혈관질환의 발생 전후로 체내에 농도가 크게 증가하는 단백질인 피브리노겐을 측정했다. 기존의 피브리노겐 측정 기술의 경우 효소를 사용하는 방식으로 정확도가 낮고 오차 범위가 커서 정확한 측정이 불가능했다. 고려대학교(총장 정진택) 윤대성 교수와 이규도 교수, 광운대 이정훈 교수 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 적혈구 세포막에 존재하는 피브리노겐 수용체 (인테그린 αIIbβ3)를 이용했다. 이를 위해 적혈구에서 세포막과 막단백질을 추출하여 70nm 직경의 금 나노입자에 코팅하여 나노 크기의 적혈구 모방체를 만들었다. 이 모방체를 이용할 경우 일반 적혈구와 동일하게 상처가 났을 때 발생하는 혈액응고과정을 모방할 수 있다. 구체적으로 피브리노겐에 반응하여 적혈구 모방체가 응집하며, 피브리노겐의 농도가 높을수록 응집도가 증가했다. 이와 같은 피브리노겐의 농도에 따른 응집도의 정도에 따라 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상이 변화하여 이를 관측할 수 있게 했다. 이번에 개발된 바이오센서 기술은 기존의 병원에서 사용하는 피브리노겐의 분석법에 비해서 다양한 이점을 갖는다. 기존 방법은 피브리노겐의 중합체인 불용성 피브린을 분석하는 간접적인 방식이나 개발된 센서의 경우는 수용성의 단량체 피브리노겐을 직접 검지하는 방식이다. 뿐만 아니라 혈액응고과정에서 발생하는 다양한 간섭물질들에 영향을 받지 않고 오로지 프브리노겐에 만 반응하는 등 민감도와 특이도가 대폭 개선된 결과를 나타냈다. 심혈관질환 위험군 환자들은 언제 심혈관질환이 재발할지 걱정하며 삶을 살아가고 있다. 이러한 위험군 환자들이 스스로 자신의 상태를 모니터링하여 심혈관질환 발생 위험성을 확인한다면 환자들의 불안감을 줄일 수 있을 것이다. 더욱이 발생할 심혈관질환을 예방하여 보다 많은 생명을 살릴 수 있을 것으로 기대된다. 이와 관련하여 영국 케임브릿지 대학교 공중보건학과 선임연구원 Stephen Kaptoge는 피브리노겐과 CRP의 농도를 측정하여 기존 심혈관질환 위험성 평가할경우 심혈관질환이 발생하기 전 약물치료만으로 위험 요소를 제거하여 질병 발생 건당 23,000 달러의 절약효과가 있다고 언급했다. 이는 심혈관질환이 발생한 후 드는 입원비, 수술비, 간호비가 경감되기 때문에 가능한 수치이다. (https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmoa1107477) 윤대성 교수는 “이번에 개발된 센서의 경우는 혈액응고과정이라는 인체의 생체현상을 자연모사하여 개발된 세포막기반 바이오센서로, 이러한 세포막 생체모방의 개념은 다양하게 확장될 수 있다. 예를 들면 다양한 질병의 발병과정을 자연모사하여 질병에 원인이 되는 세포막을 코팅한 바이오센서를 개발할 수 있고, 암 혹은 자가면역질환, 감염성질환과 같은 질병을 진단할 수 있는 다양한 생체모방형 바이오센서를 구현할 수 있다.” 고 말했다. 이번 연구성과에는 김인수 박사과정생 (고려대 바이오의공학과, 제 1저자), 윤대성 교수 (고려대 바이오의공학과, 교신저자), 이규도 교수 (고려대 생명정보공학과, 교신저자), 이정훈교수 (광운대 전기공학과, 교신저자)가 주저자로 참여했다. 이번 연구는 자연모사혁신기술개발사업(한국연구재단) 연구과제의 일환으로 진행됐고, 나노기술 및 다학제간 재료의 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ACS Nano (IF 14.588, 상위 5.3%) 1월 30일 온라인판 커버로 발표됐다. 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr) 출처 : http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=3&search=&column=&boardType=02&listType=&id=university_060108000000&parent=&boardSeq=489621&command=albumView&chkBoxSeq=&chkBoxId=&chkBoxPos=&chkBoxDepth=&chkBoxFamSeq=&warningYn=N&categoryId=&categoryDepth=&totalYn=&searchDate1=&searchDate2=
2021.03.16 윤대성 교수팀, 단백질 코로나, 알츠하이머 치료제 개발 도울 실마리
단백질 코로나, 알츠하이머 치료제 개발 도울 실마리 아밀로이드 올리고머 표적 고효율 약물 스크리닝 기술 개발 윤대성-이규도 교수 공동연구팀, 네이처 커뮤니케이션즈 논문 게재 ▲ 왼쪽부터 이동택 고려대 바이오의공과 석박사 통합과정(제1저자) , 이정훈 교수(교신저자), 이규도 교수(교신저자), 윤대성 교수(교신저자) 알츠하이머병의 원인으로 밝혀진 아밀로이드 베타(Amyloid-β, Aβ) 올리고머를 나노입자 표면에 합성하고 이를 이용해 아밀로이드 베타 올리고머를 분해하는 화합물이나 생체단백질을 빠르게 발굴할 수 있는 길이 열렸다. 보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀은 생명과학대학 생명정보공학과 이규도 교수, 광운대 이정훈 교수, 경희대 황교선 교수와 공동으로 나노입자 표면에 단백질 코로나 형태로 아밀로이드 베타 올리고머를 합성, 수많은 화합물 가운데 올리고머만 선택적으로 분해하는 화합물을 탐색(스크리닝)할 수 있는 플랫폼을 개발했다. * 단백질 코로나(protein corona) : 마치 태양의 코로나처럼 단백질들이 나노입자 표면에 응집해 이룬 응집체를 뜻함. 태양의 상층부 대기를 뜻하는 코로나는 태양 주변으로 뻗어 나오는 형상이 왕관(corona)을 닮았다 하여 붙여진 이름. 이번 성과로 인해 화합물을 탐색하는 데 걸리는 시간을 기존 수 일에서 하루 이내(예: 3~6 시간)로 단축, 알츠하이머 치료제 후보물질 발굴에 새로운 활기가 될 것으로 기대된다. 고가인 아밀로이드 베타를 아주 조금(기존 대비 50배 이하)만 사용해도 되는 것도 장점이다. 현재 알츠하이머병의 주요 원인물질로 아밀로이드 베타 플라크에서 아밀로이드 베타 올리고머로 초점이 맞춰지고 있다. 그러나 순수한 올리고머 합성과 정제가 어려운데다 올리고머를 표지할 수 있는 형광물질도 없어 이를 표적으로 하는 약물 후보물질을 대량으로 탐색하기가 쉽지 않았다. 연구팀은 플라즈모닉 나노입자 표면에 단백질 코로나 형태로 순수한 아밀로이드 베타 올리고머 만을 코팅하는데 성공하였으며, 후보화합물에 의해 단백질 코로나가 분해될 시 나노입자 표면이 노출, 나노입자가 서로 응집하여 흡광도 변화를 유도, 용액이 적색으로 변하는 원리를 이용하여 약물탐색 플랫폼을 개발했다. * 플라즈모닉 나노입자 : 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 띄는 금속나노입자 * 국소화 표면 플라즈모닉 현상 : 금속 나노입자와 빛이 반응하여 일어나는 광학적 특성. 나노입자의 크기 및 구조에 따라서 독특한 흡광특성을 나타냄 형광물질이나 추적을 위한 추가적인 처리 없이 용액 색 변화로 올리고머를 선택적으로 분해하는 화합물이나 생체단백질을 선별할 수 있도록 한 것이다. 실제 알츠하이머 완화에 도움이 된다고 알려진 저분자 화학물질 6종 및 생체 내 아밀로이드 베타를 제거하는 생체단백질 2종을 이용해 이 플랫폼을 검증했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원천기술개발사업 및 4단계 BK21 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 27일 게재됐다. * 논문명 : Plasmonic nanoparticle amyloid corona for screening Aβ oligomeric aggregate-degrading drugs * 저널명 : Nature Communications * 저 자 : 윤대성 교수 (고려대, 교신저자), 이규도 교수 (고려대, 교신저자) 이정훈 교수 (고려대, 교신저자, 이동택 박사과정 (고려대, 1저자), 박동성 박사과정 (고려대), 이상원 박사 (고려대), 이원석 박사 (고려대), 황교선 교수 (경희대) [ 그 림 설 명 ] (그림 1) 플라즈모닉 나노입자 아밀로이드 코로나 (PNAC)을 이용한 비색법 약물 스크리닝. (a) PNAC의 복합체 형성 과정. (b, c) 형성과정의 TEM 이미지. (d) 약물 처리에 따른 아밀로이드 코로나의 분해 양상 Cryo-TEM 이미지. (e) PNAC을 이용한 비색법 약물 스크리닝. 플라즈모닉 나노입자를 기반으로 하여, 아밀로이드 베타 (Amyloid-β, Aβ)를 증착시켜 단백질 코로나 형태로 플라즈모닉 나노입자 아밀로이드 코로나 (PNAC)을 합성함. 이 기술은 나노입자 응집에 의한 국소 플라즈몬 공명 (Localized surface plasmon resonance, LSPR) 현상을 기반으로 하여 용액의 색 변화를 통해 (비색법) 약물의 효능을 정량적으로 평가하는 기술임. (그림 2) PNAC 표면의 아밀로이드 코로나 형태분석. (a, b) 그래핀-항체 바이오센서를 이용한 아밀로이드 코로나 구성 검증. (c) PNAC의 표면전하 및 크기 분석. (d) XPS를 이용한 PNAC의 성분 분석. (e) PNAC의 동결-건조 테스트 결과 PNAC 표면에 존재하는 아밀로이드 코로나의 형태적 특성을 파악하기 위해 그래핀-항체 바이오센서를 이용함. Aβ 특이적 6E10 항체, 올리고머 특이적 A11 항체 및 피브릴 특이적 항체 OC를 통해서 아밀로이드 코로나의 형태적 특성을 알츠하이머의 주 원인 물질로 알려진 Aβ 올리고머임을 검증함. 또한, 다양한 생화학적 검증 방식을 통해 균일한 아밀로이드 코로나가 PNAC 표면에 형성됨을 확인함. (그림 3) PNAC을 이용한 다양한 단백질 분해 효소의 Aβ 분해기작 검증 Aβ를 분해할 수 있는 단백질 효소로 알려진 Protease XIV와 Metrix metallopeptidase 9 (MMP-9)을 통해 Aβ 올리고머 분해 효능을 정량적으로 분석함. 특히, MMP-9의 경우는 Aβ의 구성의 종류 (Aβ(1-42) 또는 Aβ (1-40)에 따라 분해 활성이 극명히 다름을 규명함. 또한, 효소 활성을 극저농도 (10 fg/ml) 수준에서 검출이 가능함을 확인함. (그림 4) 비색법 약물 스크리닝 기술을 이용한 다양한 저분자 물질들을 이용한 검증 (a-e) EGCG, curcumin, glutathione, rutin 그리고 tramiprosate 처리에 따른 PNAC의 흡광도 변화, (f) 용량-반응 관계 (dose-response relationship)로 모델링한 각각의 약물의 분해효과 정량화 (g) 이에 따른 파라미터 (Hillslope, ECG50, Maximal Efficacy), (h) Max efficacy/EC50으로 나타낸 각각의 약물의 아밀로이드 분해 효능 PNAC을 이용하여 알츠하이머 치료에 도움이 된다고 알려진 저분자 물질들의 Aβ 올리고머 분해효과를 정량적으로 분석함. 이런 분석결과들을 바탕으로 본 연구팀이 개발한 약물 스크리닝 플랫폼은 알츠하이머 주 원인물질로 알려진 Aβ 올리고머 제거할 수 있는 약물을 발굴하는데 활용할 수 있음을 검증함 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr) 출처: http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=2&search=&column=&boardType=02&listType=&id=university_060108000000&parent=&boardSeq=489636&command=albumView&chkBoxSeq=&chkBoxId=&chkBoxPos=&chkBoxDepth=&chkBoxFamSeq=&warningYn=N&categoryId=&categoryDepth=&totalYn=&searchDate1=&searchDate2=
2020.12.01 구자현 교수팀, 韓-美 공동연구로 신경치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 전자의료기기 개발
韓-美 공동연구로 신경재생 및 재활을 위한 새로운 전기치료법 개발 신경치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 전자의료기기 개발 고려대 구자현 교수팀, 국제 저명 학술지 Nature Communications 논문 게재 중증 신경손상 환자의 전기자극 치료기간을 늘림으로써 빠른 신경재생 및 재활 기대 ▲ 왼쪽부터 구자현 고려대 교수(공동 1저자), 최연식 노스웨스턴대 박사(공동 1저자), John A. Rogers 노스웨스턴대 교수(교신저자), Song Li UCLA 교수(교신저자) 한국과 미국의 공동연구를 통해 손상된 신경을 전기치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 생분해성 전자의료기기가 개발됐다. 보건과학대학 바이오의공학부 구자현 교수연구팀과 미국 노스웨스턴 대학 (Northwestern University) 최연식 박사의 공동연구를 통해 절단된 말초신경을 전기치료하고 사용이 끝난 후에 몸에서 스스로 분해되어 사라지는 새로운 전기치료법을 개발했다. 이번 연구결과는 11월 25일 국제 저명 학술지 Nature Communications, IF=12.121)에 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 기본연구 (NRF-2020R1F1A1068083) 지원으로 성과를 이루었다. 말초신경 손상 우리 주변에서 교통사고, 산업재해 등 일상 중에 흔히 발생하는 말초 신경손상은 미국에서는 연간 20만 건, 국내에서는 연간 만건 이상 보고되는 흔한 부상이다. 말초신경이 손상되면 자연적으로 어느 정도 회복이 가능하지만, 재생속도가 느려 신경재생이 불가능해지거나 부상 정도에 따라 영구적인 근육장애를 유발하게 된다. 재생 및 재활중에 신경재생속도가 근육회복률 및 후유증을 결정하는 중요한 요소이며, 신경재생을 가속하기 위한 연구 노력이 진행되고 있다. 특히, 최근에는 전기자극을 통해 신경재생을 촉진 시키는 생분해성 전자약의 효능이 주목받고 있다. 전자약이란 전기신호를 통해 체내의 장기, 조직, 신경 등을 자극하여 세포의 활성도를 향상시켜 재생속도를 향상시키거나 생체반응이 활발히 이뤄지도록 치료하는 기술을 포함한다. 전자약을 통해 손상된 신경을 전기자극하면 신경세포가 활성화되며 축색돌기의 분화가 가속되어 신경재생의 속도가 빨라져 치료효과를 극대화할 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 생분해성 전자약은 체내에서 삽입되어 무선으로 작동할 뿐만 아니라 치료후에 신경을 감싼 전극이 주변 조직에 의해 안전하게 분해되어 흡수되기 때문에, 사용 후 전자약을 제거하는 과정에서 발생하는 신경의 2차 손상을 근본적으로 해결하는 획기적인 기술로, 본 연구팀이 2018년 세계 최초로 개발한 기술이다. 연구진은 생분해성 전자약의 전극을 생체조직과 유사하게 늘어나는 구조로 설계 및 제작하여, 전자약의 수명을 기존 6일에서 2주 이상 향상시켜, 새로운 전기자극 치료법을 가능하게 하였다. 기존에는 척수에 가까운 근부위(proximal) 신경에만 전기자극 효과가 있다고 알려져 왔으나, 획기적인 전자약 수명연장으로 원부위(distal) 신경에 전기자극이 가능해졌으며, 원부위에도 효과가 있음을 세계 최초로 검증하여, 신경재생 분야의 주목을 받고 있다. 연구진은 생분해성 무선 전자약 기술이 말초신경의 치료뿐만 아니라 외상성 뇌손상 및 척추손상 등 중추신경의 재활과 부정맥 치료 등을 위한 단기 심장박동기에도 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다. 구자현 교수는 세계 최초로 생분해성 전자약을 개발하여 2018년 Nature Medicine 지에 논문을 게재한 뒤 약 2년 만에 신경 전기치료기술로서의 의료소자를 성공적으로 제시함으로써 생분해성 전자소자의 시장에서 한국 연구진이 중추적인 역할을 수행할 것이라고 기대하고 있다. 구자현 고려대 교수는 “생분해성 전자의료기술과 무선통신이 결합된 의료기기를 개발함으로써, 환자 맞춤형 신경치료 시대가 도래할 것”이라며 “특히, 기존의 획일화된 전기치료법에서 벗어나 복합 전기치료가 가능해져 전기치료의 효과를 극대화 할 수 있다.”고 말했다. 개발된 디바이스의 특징 이번 연구개발한 생분해성 전기자극 의료기기는 모든 구성성분이 체내에서 안전하게 분해되고 흡수되어 체내에 축적되지 않고, 신장을 통해 몸밖으로 배출되는 생체적합한 의료기기이다. 그 크기는 약 1cm X 1cm의 동전 크기정도이다. 특히, 전기신호를 손상된 신경에 전달함으로써, 신경재생 효과가 탁월한 디바이스다. 이번 연구에서 기존에 수일밖에 사용하지 못한 디바이스의 수명을 2배 이상 늘림으로써, 중증 신경손상 환자에게도 전기자극을 지속적으로 전달할 수 있는 길이 열렸다. 기술의 핵심은 신경주변의 근육조직과 매우 유사한 신축성을 지닌 전극 구조와 폴리머의 적층구조에서 찾을 수 있는데, 움직임이 많은 쥐의 다리신경에서 2주 이상 그 효능을 검증함으로써, 새로운 신경 전기치료 시대가 열릴 것이라 기대한다. 새롭게 시도된 전기치료의 특징 기존에는 근위부(proximal) 신경에 짧게 1시간 전기자극을 가함으로써, 신경재생을 유도해왔으나, 장수명 생분해성 무선전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 신경에도 전기자극이 가능해졌다. 원위부(distal) 신경자극의 효과를 보기 위해서는 지속적인 원위부(distal) 전기자극이 필요한데, 이번에 개발된 장수명 전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 전기자극 치료법이 신경재생 및 근육 재활에 도움이 된다는 새로운 결과를 제시했다. 이번 연구에서 제시한 원위부(distal) 전기치료 효과는 한국 연구진이 세계 최초로 제시한 것에 그 의의가 있다. [ 용 어 설 명 ] ∘ 생분해성 물질 - 체내에서 분해되어 몸의 영양소로 흡수되거나 체외로 배출되어 몸에 잔존하지 않는 생체친화 물질. ∘ 전자약 - 전기적인 자극을 통해 세포 및 조직을 활성화하거나 활동을 제어하여 치료효과를 유도하는 의료전자소자. ∘ 슈반세포 - 말초신경섬유를 살아있도록 하는 신경교세포. 슈반세포가 사멸하면 정상적으로 자연신경재생이 이뤄지지 않으며 평생장애를 유발할 수 있음. ∘ 축색돌기 - 뉴런에 존재하는 기관으로 수상돌기에 받은 신호를 전달하고 보내는 역할을 수행. ∘ 근위부(proximal) 신경 – 해부학적으로 손상된 신경을 중심으로 척수쪽에 가까운 신경을 가리킴. ∘ 원위부(distal) 신경 - 해부학적으로 손상된 신경을 중심으로 근육쪽에 가까운 신경을 가리킴 (척수 반대편). [ 그 림 설 명 ] ▲ 그림 1. (1) 말초신경 전기자극 개념도 (왼쪽). (2) 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조 (가운데). 모든 전자회로 구성성분은 생분해성 소재로 이루어져 있음. (3) 신경에 적용한 전극계면 모식도 (오른쪽). ▲ 그림 2. 확대된 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조와 신경에 적용한 전극 계면 모식도. ▲ 그림 3. 생분해성 전기자극 의료기기는 생체모사 유체에서 녹는 것을 확인함. 생체모사 유체에서 온도(pH=7.4; 90°C)를 높여 가속화 실험을 할 경우, 약 40일에 걸쳐 녹는 것을 확인함. 체내온도인 37도에서 녹일 경우, 1년 이내에 녹을 것으로 계산함. ▲ 그림 4. 신경에 전기자극 후, 6주 후 향상된 근육 조직 사진. 빨간색은 근육 조직의 경계를 나타냄으로써, 전기자극을 인해 근육세포가 큰 면적을 가지고 있는 것으로 보아 성장한 것을 확인할 수 있음. ▲ 그림 5. (1) 생분해성 금속과 폴리머로 설계된 신축성 전극 시연 (왼쪽). (2) 신축성이 있는 디바이스를 쥐의 왼쪽 다리 신경에 임플란트 한 후, 마이크로 CT를 이용하여 찍은 이미지 (오른쪽). 출처 : 고대소식ㅣ 고대뉴스ㅣ 연구 http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&command=albumView&page=1&boardSeq=489285&id=university_060108000000
2020.11.30 한국바이오칩학회 추계학술대회 우수 구두 발표상 수상
지난 2020년 11월 신회월드 랜딩호텔에서 개최된 한국바이오칩학회 추계학술대회에서 주병석 석사과정생(지도교수: 정아람)이 우수 구두 발표상을 수상하였습니다. 축하드립니다.
2020.11.05 산기평 의료용로봇 아이디어공모전 최우수상 수상
산기평에서 주최하는 "의료용로봇 아이디어공모전"에서 저희 바이오의공학부 학생인 강희석, 곽태민 학생이 최우수상을 수상하였습니다. 축하드립니다.
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