고등과학원 천진우 교수팀, 코로나19 현장진단용 ‘나노PCR’ 기술 개발

나노물질 활용해 고속 유전자증폭-검출

[사진: IBS관에서 천진우 교수와 정지용 연구원이 현장중심형 코로나 바이러스 감염증 진단을 위한 나노 유전자 증폭 과정을 시연하고 있다.]

고등과학원 천진우 원장(기초과학연구원 나노의학연구단장), 이재현 교수(기초과학연구원 나노의학연구단 연구위원) 연구팀은 하버드 의과대학 이학호 교수 연구팀과 공동으로 나노물질을 이용해 코로나 바이러스를 17분 내에 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다.

현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 ‘역전사 유전자 증폭방법(RT PCR)’이다. RT PCR은 RNA 유전자를 DNA로 변경한 후 DNA를 증폭해 양을 측정하는 검사로, 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수 시간 이상이 소요된다. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야 하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 든다. 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있다.

연구진은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질과 자성물질을 결합한 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, 이하 MPN)’를 개발했다. 이를 PCR에 적용해 고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 ‘나노PCR (nanoPCR)’을 개발했다.

MPN은 특정 파장의 빛에 감응해 빛을 열에너지로 바꾸는 ‘플라스모닉 효과’를 띔과 동시에 샘플 분리를 가능하게 하는 자기력을 가지고 있다. 그렇기 때문에 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있다. 나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다.

나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 ‘페리스휠(Ferris wheel) 시스템’을 적용해 분석 처리량을 향상시켰다. 개발한 진단 장비 ‘나노PCR’은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.

연구진은 나노PCR로 실제 코로나19를 진단하는 환자 검체 시험을 진행했다. 그 결과 환자 1명의 샘플분석을 약 17분 만에 마쳤으며, 150명의 감염여부를 정확히 판정했다(75명 양성, 75명 음성 샘플). RT PCR 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 것이다.

천진우 원장은 “PCR 구동 방법을 개량하고 소형화해 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다.”며 “코로나19뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다.”고 전했다. 이번 연구는 실험실 수준의 연구 성과로서, 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요하다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering, IF 17.149)’에 12월 3일 19시(한국시간) 게재됐다.

한편, 고등과학원은 나노과학 및 나노의학분야에 중점을 두고 세계적 연구소를 목표로 하는 우리 대학교 내 기초과학연구소다. 우수한 연구시설, 실험장비, 글로벌 네트워킹을 기반으로 세계적 수준의 연구 실적을 산출해 고등과학원을 포함한 우리 대학교의 연구력 및 학문적 위상을 높이는 데 지속적으로 기여할 예정이다.

용어설명

● RT-PCR (역전사-유전자증폭) 검사: RNA 유전자를 DNA로 변경한 후 DNA를 증폭해 양을 측정하는 검사. RNA의 경우 바로 유전자 증폭이 되지 않으므로, 역전사 과정을 통해 DNA로 변환하는 과정이 필요하다. 유전자 검사는 극소량의 바이러스만 존재하더라도 증폭돼 검출하므로 민감도와 특이도가 높으나 유전자 증폭에 시간이 걸리고 비교적 고가의 추가 장비들이 필요해 대부분 전문 시설에서 검사가 이루어진다.

● 플라즈모닉 효과: 금속 나노입자 표면에 특정파장의 빛이 조사되면 흡수 또는 산란돼 금속의 유도전자의 강한 진동을 일으키고 결국 열에너지로 방출하는 현상

● 마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, MPN): 자석과 금속의 복합체로 자기력 및 광학적 특성을 동시에 가지고 있는 나노물질

● Point-of-care (현장중심형) 진단: 병원이나 의료기관을 내방할 필요 없이 장소와 시간을 가리지 않고 현장에서 바로 실시할 수 있는 의료 진단 검사

● 페리스휠(Ferris wheel) 시스템: 관람차(Ferris Wheel)처럼 회전하면서 여러 샘플을 순차적으로 레이저 빛에 가열하는 시스템

● 민감도, 특이도, 정확도

- 민감도: 양성 환자 중 검사법이 진단한 양성의 수(질병이 있는 사람을 얼마나 잘 찾아내는가에 대한 기준)

- 특이도: 음성 환자 중 검사법이 진단한 음성의 수(정상인 경우를 얼마나 잘 찾아내는가에 대한 기준)

- 정확도: 전체 환자 중에서 양성과 음성을 맞춘 수(민감도와 특이도를 같이 고려한 것으로 양성, 음성을 얼마나 잘 선별해 내는가에 대한 기준)

● 위양성, 위음성

- 위음성(False-negative): 실제로는 양성이지만 검사 상 음성으로 나오는 것

- 위양성(False-positive): 실제로는 음성이지만 검사 상 양성으로 나오는 것

특히 위음성이 위험한데, 검사의 민감도가 낮을수록 위음성율이 올라간다.