형광 공명 에너지 전이를 이용한 Metalloproteinase 7 검출 마이크로바이오칩 개발

Abstract

오늘날 암은 우리나라에서 사망원인 1위 자리를 굳건히 지키고 있다. 2009년 국립암센터의 발표에 따르면, 전체 암 환자 중 대장암으로 사망하는 비율은 폐암, 간암, 위암에 이어 네 번째를 기록하였고 2009년 한 해에만 7,105명이 대장암으로 사망하였다. 대장암의 경우, 보통 암으로 발전하기 전 단계에서 문제를 발견하여 해결할 수 있다. 시기를 놓치면 치료할 수 있는 병이 불치의 병으로 바뀌게 되니 다른 암과 마찬가지로 대장암에서도 조기검진이 무엇보다 중요하다. 단백질 분해효소 (Protease)는 아미노산으로 이루어진 단백질 사슬을 분해시켜 새로운 생리적 활성을 부여하는 효소의 일종이다. Protease 중에서 특히 matrix metalloproteinases (MMPs) family는 zinc-dependent endopeptidase로써 모든 종류의 extracellular matrix protein을 가수분해하며, 정상적인 생물학적 과정인 배 발생, 기관형성, 뼈 형성, 혈관신생 및 세포사멸뿐만 아니라 암, 심혈관 질환 등의 다양한 병적인 과정에도 관여한다. 특히 최근에 MMP-7과 MMP-9은 각각 대장암과 위암의 효과적인 바이오마커 (biomarker)로써 유용하게 쓰일 수 있다는 연구가 발표되었다. 현재 MMPs family을 이용한 조기 암 진단은 형광, 효소 또는 동위원소를 이용한 면역분석법 (immunoassay)과 질량분석법 (mass spectrometry) 등이 있다. 하지만 고혈압이나 암 치료는 장기적이고 꾸준한 진단이 필요하기 때문에 위의 방법들은 시간과 비용이 많이 소모되고, 많은 시료와 시약이 필요하다는 단점이 있다. 또한 검출장비가 비교적 크고 복잡하기 때문에 Point of care testing (POCT)에 적합하지 않다. 본 연구에서는 기존 방법들의 단점을 보완하기 위해서 Bio-MEMS (micro electro mechanical system) 기술을 이용하여 microbiochip을 제작하였고, 이 chip에서 직접 Fluorescence resonance energy transfer (FRET) 반응을 수행함으로써, 시간과 시료의 양을 감소시켰다. 강한 형광 세기와 지속력을 가진 Quantum Dots (QDs)을 이용하여 형광 신호를 안정적으로 검출하였고, protease를 처리하기 전과 후의 형광세기의 변화를 이용하여 protease를 정량적으로 검출하였다. FRET 반응을 이용한 protease의 검출 원리는 다음과 같다. QDs는 energy donor로써 사용되었고, 이 QDs는 avidin-biotin interaction에 의해서 microbeads에 고정되어있다. 또한 energy acceptor로써 작용하는 형광물질인 TAMRA가 결합되어있는 MMP-7의 substrate이 QDs과 결합하게 된다. 따라서 QDs의 형광은 TAMRA에 의해서 억제가 된다. 이렇게 만들어진 MMP-7 probe는 제작된 microbiochip으로 주입되고 micropillar에 의해 고정화된다. 그 후 protease를 주입하여 일정시간 반응을 시키면 peptide의 중간 부분을 protease가 끊어주게 되고 그 결과 QDs와 TAMRA의 거리는 멀어지게 되면서 QDs는 형광을 나타낸다. 이 때 형광의 세기는 protease의 농도와 비례적인 함수관계가 있으며, 이를 통해 혈액 내 protease의 농도를 정량적으로 측정할 수 있다. 결과적으로, Bio-MEMS 기반의 microbiochip이 성공적으로 제작되었으며 micropillar에 의해 MMP-7 probe를 효과적으로 고정 할 수 있었다. 또한 본 연구를 통해 microbiochip 상에서 검출 범위 내에서 FRET을 통해 MMP-7을 정량 할 수 있었다. 제작된 microbiochip은 매우 단순한 구조이기 때문에 제작이 쉽고 대량생산이 가능하다는 이점이 있다. 본 연구에 사용된 기술은 MMP-7에만 국한되지 않고 다른 protease activity를 관찰할 수 있을 것으로 예상되고, 형광 신호 검출을 위한 형광 측정장비와, 시료 주입과 이동을 위한 펌프 (pump)등이 집적화된다면 현장현시검사를 위한 휴대용 검출 기기의 플랫폼 개발에 도움이 될 수 있을 것이라 생각된다.