오늘은 5센트의 저렴한 비용으로 10분 만에 혈액의 35개 단백질 검사를 하여 어떤 병이든 분석 진단하는 마이크로유체칩(A microfluidic chip)에 관한 내용이다. 그 동안 많은 마이크로유체칩 또는 랩온어칩에 관련된 논문들이 발표되었지만, 이번 Caltech의 논문 만큼 그 과정과 결과가 확실하게 발표된 적이 없어 소개한다. 특히 항체와 단백질의 원리를 이용한 통합 바코드 칩(Integrated barcode chips)으로 학습에도 도움이 될 것으로 확신한다.
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[목차]

1. 항체와 단백질의 원리
2. 현재의 수준 및 문제점
3. Caltech의 5센트의 비용으로 10분 만에 혈액의 단백질을 검사하는 마이크로유체칩(A microfluidic chip)
4. 어떻게 작동되나
5. 활용과 기대
6. 한계와 극복
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1. 항체와 단백질의 원리

우리 몸에 항원(세균, 병원균, 바이러스, 증식 암세포 등)이 들어오거나 생기면 면역시스템이 가동되어 면역세포들인 백혈구, B-세포, T-세포, NK-세포 등이 동원되 항원들을 물리친다. 이 때 면역세포들은 항원을 제거하거나 없애는(이를 항생 작용(Antibiosis) 이라 함) 항체(Antibody)를 만들어 항원들을 물리친다. 그런데 암 등의 병들은 우리가 섭취하는 영양분 중 가장 중요한 포도당 등을 많이 빼앗아 이를 이용해 우리 정상 세포의 mRNA(전달 RNA)를 활용해 이를 타고 정상 세포의 DNA에 들어가 그들의 유전물질을 DNA에 전사(이를 역전사(Retro-transcription)라 하고 그 결과를 전염(Infection)이라 함)시키고 그 다음 다시 mRNA를 타고 우리 정상 세포의 공장인 리보솜(Ribosome)을 탈취해 그들이 원하는 단백질을 만들어 스스로를 복제(Copy)하여 정상 세포의 수용체를 빠져 다른 세포로 이동하고, 앞서 설명한 과정을 반복한다. 따라서 암 등의 병원균들은 그들만의 특정 단백질을 갖고 있으므로, 이를 인지하고 잡아내는 항체를 만들어, 이 항체를 칩에 코딩하고, 여기에 우리 혈액 중 암세포 등이 갖고 있는 특정 단백질이 풍부한 혈청(Protein-rich serum)을 분리하고, 이 혈청에 빨강색이나 초록색 등의 형광물질(Fluorescent)을 넣어, 이를 항체가 코딩한 칩에 떨어 뜨리거나(이를 항체 칩이라 함) 흘려 넣으면(이를 랩온어칩 또는 마이크로유체칩 이라 함), 항체가 특정 단백질을 잡아내므로, 특정 단백질들은 항체에 달라 붙어, 달라 붙은 형광색을 내는 단백질을 형광현미경(fluorescent microscope)이나 유전자 칩 판독기(a gene-chip scanne)로 읽어 내어 분석하면 다양한 병을 진단할 수 있다.

2. 현재의 수준 및 문제점

따라서 혈액의 단백질(proteins in the blood)을 측정하면 이는 의사들로 하여금 환자의 특정 암 위험을 진단하게 하고, 더 나아가 고령자의 건강을 수시로 모니터링 하게 하며, 만성병(chronic diseases)을 앓고 있는 사람들을 지속적으로 관리할 수 있게 한다.

그러나 현재 수준의 단백질 테스트는 500달러의 비용으로 너무나 비싸고, 테스트하는데 너무 많은 혈액이 필요하며, 이를 테스트하는데 수 시간 또는 몇 일이 걸린다. 그러므로 테스트가 진행되는 동안 플라스크가 용기에 들어 있는 in vitro 상황의 혈액 속의 단백질들은 부패하기(degrade) 쉽다. 따라서 과학자들이나 의사들은 수 시간이 걸리는 현재의 단백질 테스트기를 하나의 마이크로유체칩(A microfluidic chip)으로 대체하면 소량의 피 한 방울(a single drop of blood)을 갖고도, 침대나 집에서 편리하고 안전하게 혈액 테스트를 할 수 있어, 현재의 시간을 1/10(an order of magnitude)인 10분 만에 진단할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

* 생체 분자들의 상호작용이나 생명현상을 연구하는 방법에는 4가지가 있는데 그 용어는 모두 라틴어로, (1) 글라스나 테스트 튜브 등 실험실에서 세포를 배양하고 성장시켜 연구하는 in vitro, (2) 실제 살아있는 동물이나 사람의 세포분자에서 실험하는 방법인 in vivo, (3) in vivo 와 in vitro 의 중간 단계인 실제 조직기관에 인공혈액을 넣기 등의 in situ 방법, 그리고 (4) 실시간 또는 가상의 컴퓨터 시뮬레이션/모델링 및 실리콘 칩에 의한 가상분자 등을 활용하는 시스템 생물학(System biology)이나 생물정보학(Bioinformatics)으로 연구하는 in silico 방법이 있다. 소개되는 논문의 타이틀에 이러한 단어가 있으면 이를 참조로 이해하면 된다.

3. Caltech의 5센트의 비용으로 10분 만에 혈액의 단백질을 검사하는 마이크로유체칩(A microfluidic chip)

이에 도전하는 과학자들은 바로 미국 Caltech의 화학과 교수이며, 이번 연구를 위해 미국 시애틀에 세운 Institute for Systems Biology의 소장들이며, 이번에 개발된 마이크로유체칩(A microfluidic chip)을 상용화 하기 위해 창업한 Integrated Diagnostics의 공동 창업자들인 James Heath와 Leroy Hood이다.

"혈청에 있는 풍부한 단백질들은 믿을 수 없으리 만큼 넓은 병의 생물학적 데이터 윈도우를 제공합니다"라고 University of California, Los Angeles의 병리학자인 Paul Mischel은 말한다.

오늘날 하나의 혈액 단백질을 테스트하는데에만 500달러가 소요되고, 필요한 혈액만 10-15밀리미터가 필요하며, 의사들은 테스트하기 위해 수십 번을 왔다 갔다 해야 한다. "따라서 우리는 아주 값싼 무언가(things dirt cheap)에 도전하기로 결정했습니다. 그 것도 하나의 단백질 테스트에 5센트(a nickel)에 가능한..."이라고 현재 혈액 테스트(Blood test)를 개발한 Heath는 말한다. 이 혈액 테스트는 그저 피 한 방울이면 충분하고 기존의 테스트보다 더욱 정확하여 암 등의 질병 진단과 고령자들의 건강 모니터링에 적격이다.

이들의 연구 결과는 2008년 11월 16일자 Nature Biotechnology에 "Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood(마이크로리터 소량의 혈액으로 신속하고 다양한 단백질들을 분석할 수 있는 통합 바코드 칩에 관한 연구)"(Fan & Heath et al., 2008)1)라는 논문으로 발표되었다.

1) Fan, Rong, Ophir Vermesh, Alok Srivastava, Brian K H Yen, Lidong Qin, Habib Ahmad, Gabriel A Kwong, Chao-Chao Liu, Juliane Gould, Leroy Hood & James R Heath, "Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood(마이크로리터 소량의 혈액으로 신속하고 다양한 단백질들을 분석할 수 있는 통합 바코드 칩에 관한 연구)", Nature Biotechnology, Published online: 16 November 2008, doi:10.1038/nbt.1507.

[그림 : 피 한 방울에서 단백질까지(Finger prick to protein). 10분 만에 피 한 방울에서 35개의 단백질을 분석하는 마이크로유체칩의 통합 혈액 바코드 칩(Integrated blood barcode chips, IBBC). 우선 혈액에서 혈액세포(적혈구와 백혈구)들을 걸러 내고 단백질이 풍부한 혈청만 분리해 아주 작은 채널로 흘러 넣는다. 이 채널 안에는 단백질을 잡아 내는 항체가 코딩된 통합 바코드가 있어, 형광물질로 염색된 혈청의 단백질들은 이 바코드에 달라 붙게 되고, 뒤에서 빛을 비추면 발광하게 되어 이를 읽어 내어 분석 진단한다. Credit: James Heath]

4. 어떻게 작동되나

이들의 논문은 우선 아주 간단한 마이크로유체칩(microfluidics)에 의한 분석 과정부터 시작한다. 먼저 피 한 방울을 외부의 작은 압력 펌프(small external pressure)로 마이크로 채널 안으로 밀어 넣는다. 이 첫 번째 채널은 그 다음 더욱 작은 채널로 이어져, 여기에서 일반 혈액 세포들(blood cells, 적혈구와 백혈구)을 걸러 내고 오로지 단백질이 풍부한 혈청(protein-rich blood serum, Plazma proteins)만 흘러 들어가게 한다. 원래 전통적인 혈액 테스트에서는 이를 위해 원심분리기(centrifuge)를 사용하지만, 원심 분리기는 부피가 크고 별도의 공간을 차지하기 때문에 불편하다.

그 다음 혈청들은 혈청에 있는 특정 단백질만 잡아 내는 특정 항체(antibodies)가 코딩된 DNA의 라인들인 단백질 바코드(a protein bar code) 채널로 흘러 들어간다. 그러면 붉은 형광물질로 염색된 단백질들(red fluorescent proteins)은 보상성(Complementary)에 의해 항체에 달라 붙는다. 그 다음 뒤의 백 라이트에서 불을 비취면 단백질들의 형광물질이 빛을 발하게 된다. 그 다음 형광현미경(fluorescent microscope)이나 유전자 칩 판독기(a gene-chip scanner)로 읽어 내면 된다. 그 다음 바코드에 달라 붙은 붉은 색의 혈청 단백질들의 위치에 따라 그 속성이 분석된다. 예를 들어 달라 붙은 단백질의 집중도의 수를 세면 어느 병과 연관이 있는 단백질인지 알아 낼 수 있다.

[그림 : 통합 혈액 바코드 칩의 디자인(Design of an integrated blood barcode chip, IBBC). Zweifach-Fung 효과에 의해 피 한 방울의 혈액(적혈구와 백혈구)에서 혈청을 분리. 적혈구와 백혈구는 그대로 지나가고 혈청에 있는 단백질만 다양한 DNA와 조합된 항체가 코딩된 바코드 채널을 지나가면서 달라 붙게 된다(in situ). 사진 : (Fan & Heath et al., 2008)]

5. 활용과 기대

이번에 개발된 통합 바코드 칩(Integrated barcode chips)은 그 집중도가 아주 넓어 항체에 반응하는 풍부한 단백질 뿐 아니라 뇌에서 발견되는 희귀한 단백질까지 측정할 수 있다. 따라서 정확한 항체만 코딩하면 그 어떤 병까지 분석하고 진단할 수 있어 고객화 칩(custom chips)까지 가능하다. 다시 말해 우리 몸을 구성하는 217개 장기에 있는 특정 단백질을 원하는 대로 분석 진단할 수 있다는 얘기이다. 따라서 Heath와 Hood는 현재 대량 분광측정기(mass spectrometry)를 이용해 간이나 뇌에 있는 특정 단백질을 분석 진단하는 연구를 하고 있다.

현재 이들이 개발한 통합 바코드 칩은 하루에도 여러분 사용할 수 있어, 의사들은 다이어트 환자 등 혈액과 단백질의 조합에 따른 영향을 지속적으로 모니터링 할 수 있다.

6. 한계와 극복

이번 디바이스의 장점은 5센트의 저렴한 비용, 10분 만에 분석 진단하는 신속하고 정확한 품질이라고 University of Southern California's Keck School of Medicine의 병리학 교수인 Emil Kartalov는 말한다. 그러나 문제도 있다. 바로 형광 단백질(fluorescent proteins)을 사용하는 것이 단점인데, 이를 위한 형광 현미경들(Fluorescent microscopes)은 너무 비싸고 부피가 커서 전쟁터나 환자들의 집까지 이동시킬 수 없다는 단점이 있다.

Kartalov는 이에 대한 대안으로 형광 단백질 대신 전하 단백질(charged proteins)을 제안하고 있다. 전하 단백질은 전류의 변화를 측정하는 것으로 아주 간단하고 보다 실용적이기 때문이다.

7. 기타 마이크유체칩이나 랩온어칩에 도전하는 사례들

[BNT 융합기술, 미국 Caltech, 고작 10달러에 불과한 동전 크기 만한 1,000 나노 해상도의 온-칩 광학유체현미경(optofluidic microscope, OFM) 기술 발견, PDA로 통합할 경우 그 비용은 100달러에 불과해 시골 의사들도 이를 이용해 원격의료(telemedicine) 기술이나 u-Health 시스템의 구축이 훨씬 빨라질 것으로 기대, 미국과학원회보 2008년 7월 28일자 온라인(Early Edition)판에"Lensless high-resolution on-chip optofluidic microscopes for Caenorhabditis elegans and cell imaging(C-엘레강스와 세포 이미징을 위한 렌즈 없는 고해상 온-칩 광학유체현미경)"라는 논문으로 발표(Tiny $10 Microscope. A high-resolution, lens-free microscope fits on a dime-size chip(18/Aug/2008), 02519-NBIT]

[종이로 만든 랩온어칩(LOC, Lab-on-a-chip)이 온다. 미국 하버드 대학의 George Whitesides, 종이 마이크로유체(paper microfluidics) 기술 발견, 한번 사용하고 폐기처분할 수 있는 종이 진단기의 등장 예고, 저렴한 종이 진단기의 저개발국가 보급 확산 기대(Lab-on-a-Chip Made of Paper. Paper-based microfluidic devices could yield cheap, disposable diagnostic tests(31/May/2008), 02482-NBIT]

[BNT 융합기술, 랩온어팁(LOT, Lab on a tip)으로 종양들(tumors)이 방출하는 단일 분자 단백질 감지, 미국 Quanterix라는 한 벤처기업, 광섬유(optical fibers)를 이용해 혈액 속에 있는 단일 단백질 분자들(individual protein molecules)을 계량하여 암이나 각종 병을 사전에 진단하는 기술을 발견(Next-Generation Diagnostics. A startup can detect tiny traces of cancer markers in blood samples(27/May/2008), 02479-NBIT]

[3-5년 후이면 맞춤식 의료/의약 서비스 시대를 여는 100달러의 비용으로 본인의 게놈을 분석할 수 있는 게놈 분석기 개발, 멀티 게놈 분석의 나노어레이칩(Nanoarray chip)을 개발하고 있는 Complete Genomics, 그리고 랩온어칩으로서의 나노유체 디바이스(nanofluidics device)를 개발하고 있는 BioNanomatrix(The $100 Genome Forget the $1,000 genome. Some companies are looking far past that goal in the hope of creating a really inexpensive sequencing technology(30/Apr/2008), 02463-BIO]

[BINT 융합기술, 병을 분석/진단하는 랩온어튜브(LOT) 기술, 숨(Breath)에 숨어 있는 바이오표지(Biomarkers)를 고감도로 감지하여 병을 정확하게 진단할 수 있는 숨 분석기(breath analyzer), 숨-분석 진단기(breath-analysis diagnostics)에 도전, 미국 콜로라도 대학(University of Colorado) 및 표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology), 숨을 내쉴 때 실시간(real-time)으로 분석할 수 있는 레이저 빛을 이용한 고민감도의 광학기술(sensitive optical technique)인 광학 주파수 빗(optical frequency comb)의 고감도 광학 숨 분석기(sensitive optical breath analyzer)를 개발(New Breath-Based Diagnostic. An innovative technique for detecting different biomarkers could result in a precise, easy-to-use diagnostic tool(31/Mar/2008), 02448-NBIT]

[BNT 바이오칩기술, 미국 렌슬러공대 및 버클리대학, 고속처리검색(HTS, high-throughput screen)으로 신약이나 화장품의 독성을 사전에 진단 검색할 수 있는 MetaChip 및 DataChip의 바이오칩 개발, 쥐나 동물 테스트의 시간 및 비용 낭비를 획기적으로 줄일 수 있는 랩온어칩으로서의 마이크로반응진단기 개발, 2007년 12월 26일자 미국 PNAS에 초고속 독성 테스트를 위한 3차원 세포 마이크로어레이(Three-dimensional cellular microarray for high-throughput toxicology assays)"라는 논문으로 발표(A Faster Screen for Toxicity. Researchers have made a biochip that could help replace animal testing for new cosmetics and pharmaceuticals(13/Jan/2008), 02411-NBIT]

[BINT 융합기술, 혈액(bloodstream) 속의 혈중종양세포들(circulating tumour cells, CTCs)을 감지하고 암세포가 몇 개나 있는지 셀수(counting) 있는 비파괴방식으로(non-invasively) 진단하는 마이크로칩(microchip)인 CTC-Chip 베이스의 랩온어칩(LOC, Lab on a chip) 개발, 미국 하버드 의대의 매사추세츠 종합병원의 수술 및 바이오멤스 센터(Surgical Services and BioMEMS Resource Center)의 메메트 토너(Mehmet Toner) 박사와 암센터(Cancer Center)의 다니엘 하버(Daniel A. Haber) 박사는 수가 아주 적고(rare) 연약해 잡아 내기가 어려운 혈중종양세포들(circulating tumor cells)을 감지하여 분리하고(isolating) 그 수를 세고 분석까지 할 수 있는 고감도의 아주 효율적인 마이크로칩을 개발(Cancer diagnostics: One-stop shop, Isolation of rare circulating tumour cells in cancer patients by microchip technology(04/Jan/2007), 02404-NBIT]

[청주의 한 벤처기업인 시드바이오칩스(seedbiochips), 세계 최초로 휴대용 에이즈 진단 칩(Aids Chip) 개발, 2006년 06월 21일 SBS 보도, 2006년 10월에 마이크로 타스(Micro-TAS)학회에 논문 게재발표, 조만간 치매를 진단하는 바이오칩에 도전(Seedbiochips developed LOC(Lab on a chip) as Aids Chip to analyze AIDS virus, soon to develop Alzheimer chip(18/Jul/2006), 02182-BIO]

[소스]

[Technology Review-Ten-Minute Blood Test(17/Nov/2008)]