소변이나 혈액 등 체액에서 '나노 소포체(Extracellular vesicile, EV)'를 효과적으로 분리하고 검출할 수 있는 기술이 개발됐다. 나노 소포체는 세포 활동 중 나오는 40~1000mm(1mm=10억분의 1m) 크기의 생체물질이다. 종양의 진행, 전이, 세포 신호 전달 등에 기여하는 바가 커 최근 중요성이 밝혀졌다. 이 물질을 분석하면 암 등 각종 질병 유무를 파악할 수 있어 새로운 질병 지표로 주목받고 있다.

지금까지는 나노 소포체를 효과적으로 걸러내는 마땅한 방법이 없었다. 나노 소포체는 밀도가 낮아 분리하려면 큰 원심력이 필요하다. 원심분리법을 사용할 경우, 기존보다 500배 이상 빠른 속도의 회전력을 가진 초고속원심분리기가 필요하다. 하지만 이 방식은 시료 준비 과정이 복잡하고 처리 시간이 오래 걸린다. 무엇보다 효율이 낮아 실제 임상에서는 널리 사용하기 어렵다는 한계가 있었다.

첨단연성물질 연구단(단장 Steve Granick) 조윤경 그룹리더 연구팀이 30분 안에 소변에서 나노 소포체를 채집할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 '엑소디스크(Exodisc)' 는 랩온어디스크(lab-on-a-disc)¹⁾를 활용해 체액 속 나노 소포체를 효율적으로 검출할 수 있다. 초고속원심분리법보다 300배 낮은 원심력(<500g)으로도 작동하며 단백질 오염이 적어 고순도 나노 소포체 분리가 가능하다.

▲ 엑소디스크(Exodisc)는 샘플 챔버, 필터 챔버(2개), 버림 챔버(2개), 세척용액 챔버(2개), 회수 챔버, 밸브와 함께 연결된 채널로 구성된다(A). 엑소디스크는 나노 소포체를 크기별로 분리할 수 있으며(B) 동시에 두 개의 샘플을 분석할 수 있다(C). 두 필터는 600㎚, 20㎚ 크기로 설치되어 있어 효율적으로 나노소포체를 분리할 수 있다.

엑소디스크는 원심력 기반의 디스크 모양 칩 안에 두 종류의 필터(20nm, 600nm)가 설치돼 크기별로 입자를 분리할 수 있다. 필터의 크기 값을 조절하면 세균이나 불필요한 단백질은 제외하고 나노 소포체만을 분리할 수 있다. 연구진은 소변을 엑소디스크에 넣고 구동시킨 결과, 20nm보다 크고 600nm보다 작은 입자들을 걸러내 농축시켰다. 농축된 물질에 효소면역분석을 진행한 결과, 방광암에 걸린 환자로부터 나노 소포체를 검출하는데 성공했다.

또한 연구진은 방광암 환자 소변에서 나온 나노 소포체에서 CD9 유전자와 CD81 유전자의 발현량이 높았음을 확인했다. 엑소디스크를 활용할 경우, 체액으로 각종 유전자 검사를 할 수 있을 뿐만 아니라 더 나아가 암 진단도 가능할 것으로 기대된다. 연구진은 현재 채집한 나노 소포체를 분석해 질병을 판단하는 연구를 추가적으로 진행하고 있다.

▲ 연구진은 방광암 환자의 소변을 엑소디스크를 활용해 효소면역분석을 실행했다. 그 결과, 방광암 환자 소변에서 나온 나노 소포체에서 CD9 유전자와 CD81 유전자의 발현량이 높았음을 확인했다.

조윤경 그룹리더는 "이번 연구로 조직검사 기반의 암 진단과 치료법의 한계를 넘는 액체 생검²⁾의 새로운 가능성을 제시했다"며 "체액으로 암 등의 질병을 간단히 진단할 수 있는 기술을 완성하기 위해 최선을 다하겠다"고 밝혔다.

이번 연구결과는 ACS 출판사에서 발행하는 재료과학 분야 세계적 학술지인 'ACS Nano(IF=13.334)'에 2월 28일자로 출판됐다.

▲ 첨단연성물질 연구단 조윤경 그룹리더(가운데)는 우현경 UNIST 생명과학부 석‧박사 통합과정(왼쪽)과 비자야 순카라(Vijaya Sunkara) UNIST 생명과학부 박사(오른쪽)와 함께 다양한 질병 진단의 지표로 활용할 수 있는 나노 소포체를 체액에서 효율적으로 걸러내는 방법을 개발하는데 성공했다.