경희대학교 의과대학 황교선 교수와 고려대학교 바이오의공학과 윤대성 교수 공동연구팀이 그래핀 전계효과 트랜지스터를 이용해 혈액과 뇌척수액 내 존재하는 알츠하이머병의 주요 원인 물질을 펨토그램 수준까지 한번에 검출할 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다.

경희대학교(총장 한균태) 의과대학 황교선 교수 연구팀과 고려대학교 바이오의공학과 윤대성 교수 공동연구팀이 그래핀 전계효과 트랜지스터를 이용해 혈액과 뇌척수액 내 존재하는 알츠하이머병의 주요 원인 물질(아밀로이드베타, 타우)을 펨토그램(Femtogram, 10-15 g)수준까지 한번에 검출할 수 있는 고감도 나노바이오센서를 개발했다. 이번 연구 결과는 ‘Multiplexed femtomolar detection of Alzheimer's disease biomarkers in biofluids using a reduced graphene oxide field-effect transistor’라는 논문으로 바이오센서분야 최고 권위지인 <Biosensors & Bioelectronics>(IF=10.257, JCR 분야 상위 0.581%) 온라인판에 지난 8월 15일 게재됐다.

알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로, 신경퇴화 및 유전적 요인에 의해 비정상적으로 응집된 베타아밀로이드와 과인산화된 타우 단백질이 원인 물질로 알려져 있다. 알츠하이머병의 진단 방법은 신경심리학적 문답법 혹은 고가의 양전자 단층촬영(PET)와 자기공명영상진단(MRI) 영상이 사용되고 있는데, 이는 판단이 주관적이거나 비용이 비싸다는 단점이 있다.

최근에는 ‘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) 혹은 그 이하로 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.

연구팀은 알츠하이머병의 주요 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우 단백질이 체액의 생리학적 환경(산도 PH 7.4)에 따라 서로 다른 표면 전하 특성을 가진다는 점에 착안해 두 생체물질이 구별되는 검출 신호를 내는 ‘그래핀 기반 전계효과 트랜지스터 다중 검출 플랫폼’을 개발했다.

세상에 존재하는 대부분의 단백질이나 펩타이드 구성물은 환경에 따라 양(+)과 음(-)의 표면전하를 갖는데, 그 기준이 되는 것이 등전점(PL, isoelectric point)이다. 예를 들면 아밀로이드베타는 5.1의 등전점을 가지므로 PH 7.4를 갖는 환경에서 음(-)의 성질을 띄고, 타우 단백질은 8.24의 등전점을 가져 동일 환경에서 양(+)의 성질을 띈다.

그래핀 전계효과 트랜지스터는 표면에 부착된 생체물질의 표면전하가 양(+) 또는 음(-)의 성질을 갖게 되면 이에 따라 그래핀의 전기적 성질이 변화하는 방향(양 혹은 음)이 결정된다. 연구팀은 이를 이용해 뇌척수핵과 혈액 내에서 수 펨토그램 수준의 검출 한계를 가지며 베타아밀로이드와 타우 단백질을 동시에 검출해내는데에 성공했다.

황교선 교수는 “이번 연구 결과를 기반으로 경희대학교병원 이진산 교수와 임상시험을 통해 실제 환자와 정상인의 임상 혈액 및 타액 샘플 내에서의 베타아밀로이드와 타우 단백질의 농도를 분석해 알츠하이머병의 위험도를 진단하는 임상연구를 진행 중이다”라며 “개발한 그래핀 기반 나노바이오센서는 플랫폼 기술로 다양한 질병 진단에 적용할 수 있는 장점을 갖고 있다”라고 설명했다.

이어 “알츠하이머 관련 인자 검출만이 아니라 다양한 질병의 원인 물질(단백질, 핵산)의 표면 전하 분석을 통한 정확한 질병 진단에 확장해 관련 임상 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망하고 있다”라고 기대감을 전했다.