고감도 암표지자 검출을 위한 통합형 마이크로어레이 플렛폼과 광학 이미징 기술 개발

Abstract

면역분석법은 현재 대부분의 생체 표지자를 검출하는 방법으로 사용되고 있으며, 웰플레이트 기반의 효소결합면역흡착검사법(ELISA: Enzyme-Linked ImmunoSorbant Assay)이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 시료의 소모량이 많고 감도가 낮으며, 고속 분석이 어렵다는 한계성을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 평면 슬라이드 글래스 위에 항체나 항원을 어레이 형태로 고정하여 분석하는 마이크로어레이 기반의 면역분석법이 많은 연구자에 의해서 개발되어 사용되고 있다. 마이크로어레이칩은 각각의 어레이 스폿에 오직1마이크로리터 미만의 시료만으로도 고속 정량분석이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 이 또한 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 항체를 고정화시키기 위하여 고가의 어레이 스폿팅 장비가 필요하며, 영상 분석시 스폿 영역과 배경영역의 불분명한 차이로 인해 낮은 신호 대 잡음비를 나타낸다. 둘째, 작은 양의 분석 시료로 인하여 재현성과 측정감도가 낮아진다. 셋째, 여러 번 반복되는 시료분주 및 세척과정으로 인하여 많은 노동력이 요구되며, 이 과정에서 실험 오차가 자주 발생되고 있다. 본 논문에서는 이러한 마이크로어레이 기반의 면역분석법이 가지는 한계성을 극복하고, 보다 사용자 친화적이고 효율적인 정량분석이 가능한 신개념의 마이크로 어레이 플렛폼 기술을 개발하는 것을 최종 목표로 설정하였다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 다음과 같이 세 단계로 연구를 진행하였다. 첫 장에서는 손쉽고 경제적인 면역분석을 위한 소수성/친수성 혼성 마이크로어레이칩을 개발하였다. 친수성과 소수성을 갖는 서로 다른 자기조립박막을 동시에 도입하여, 반응이 진행되는 웰 영역과 배경 영역을 자동으로 구분할 수 있는 어레이 칩을 개발하였다. 특히, 소수성 배경 영역에는 정량분석에 영향을 미치는 배경신호를 최소화시키기 위하여 티타늄 금속박막을 코팅하였다. 이렇게 제작된 어레이칩을 이용하여 별도의 어레이 점적 장비의 사용 없이 소수성/친수성 구별이 명확한 혼성 패턴을 생성할 수 있으며, 손쉽게 미량의 시료만으로도 면역분석을 진행할 수 있다. 개발된 어레이 칩을 이용하여 선명한 어레이 형광영상을 얻을 수 있었으며, 높은 재현성을 갖는 암표지자 정량분석을 수행할 수 있었다. 두 번째 장에서는 첫 장에서 적용한 형광기반의 면역분석기술이 갖는 측정감도의 한계를 극복하기 위하여 표면증강라만영상기반의 면역분석기술을 개발하였다. 특히, 소수성의 금속막과 친수성의 금박막을 혼성 어레이 형태로 제작한 금어레이칩을 개발하여 매우 효율적으로 표면증강라만산란신호를 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 기존의 표면증강라만분광기반의 정량분석에서 가장 문제가 되고 있는 재현성 문제를 해결하기 위하여 각각의 금 어레이 영역을 평면 스캐닝하여 측정하는 라만 이미징 기법도 개발하였다. 이렇게 개발된 금어레이칩과 표면증강라만영상기법을 이용하여 고감도와 고재현성을 갖는 면역분석을 수행할 수 있었다. 세 번째 장에서는 마이크로어레이칩을 이용한 면역분석 과정에서 나타나는 반복적이고 복잡한 실험과정과 분석물질의 농도 희석 과정을 자동화 하기 위하여 미세유체칩 기술을 면역분석법에 적용하였다. 특히, 높은 선택성과 높은 감도의 면역분석을 위하여 금 어레이 패턴을 유체칩의 반응챔버 내부에 도입하고, 기능성 금 나노입자를 적용하여 표면증강라만분광 기반의 고감도 신호 측정이 가능하도록 하였다. 또한, 대상 암표지자에 대하여 한번에 다수의 농도를 분석할 수 있도록 다중 농도구배 유체기술을 도입하였다. 이렇게 개발된 금어레이 내장형 농도구배칩은 간단한 주사기펌프의 조작만으로도 매우 쉽고 정확하게 다중농도에 대한 면역분석을 수행할 수 있었다. 이렇게 개발된 마이크로 어레이 플렛폼 기반의 면역 분석 기술은 고감도의 생체표지자 진단에 아주 유용하게 사용될 수 있으리라 기대된다. 생체분석을 수행하기 위한 시간과 비용을 절감 할 수 있으며, 더욱 높은 감도의 정량분석이 가능할 것이다. 특히, 사용자 중심적인 소자를 이용함으로써 실험자 간의 오차가 적은 높은 재현성의 면역분석을 수행할 수 있을 것이다. 나아가서는 생체표지자의 진단 뿐만 아니라 환경오염과 식품 불순물 등의 다양한 분석 분야에도 효율적으로 적용될 수 있을 것이다.