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보도자료

체액 속에 숨겨진 정신질환의 비밀

등록일 : 23-02-14
생체분자인식연구센터 정영도 책임연구원
조회수 : 6846

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- 고감도 정량검출이 가능한 바이오센서로 신경전달물질의 불균형을 측정

- 조현병, 우울증, 치매 등 다양한 정신 질환의 정확한 진단법으로 활용기대

과도한 스트레스와 평균수명의 증가로 현대인은 과거와 비교해 현저히 높은 비율로 조현병, 우울증, 불면증, 공황장애, 치매 등 다양한 형태의 정신질환을 앓고 있다. 그런데, 정신질환은 다른 질병과 달리 환자 행동과 판단에 기반해 의료진이 진단을 내리는 간접적인 진단법만을 활용하고 있어서 환자의 행동이상이 나타날 정도로 병이 진행된 상황에서만 진단이 가능했다. 또한 정밀한 진단을 위해 시행하는 MRI, CT, PET 검사 등은 비용이 비싸고 영상을 판독하는 과정에서 의사의 주관적인 판단이 개입된다는 문제가 있었다.

이에 뇌와 관련된 생체활동에 중요한 역할을 하는 체액 내 신경전달물질의 불균형을 정신질환의 지표로 활용하는 연구가 진행되었으나, 신경전달물질은 대부분 분자량이 매우 작고 유사한 화학구조를 가지고 있어 이를 선택적으로 검출하기 위해서는 액체 크로마토그래피 등 고가의 대형 장비와 전문인력이 필요했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체분자인식연구센터 정영도, 이관희 박사팀은 체액에서 신경 전달물질들을 구분하고 정확한 양을 측정할 수 있는 바이오센서를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 신경전달물질이 선택적으로 흡착될 수 있는 다공성 재료인 전도성 MOF를 필름 형태로 제작해 현장형 전기신호 센서에 적용했다. 각 신경전달물질들은 그 크기, 전하세기, 화학결합 친화도의 차이에 따라 MOF에 흡착되는 정도가 다르기 때문에 신경전달물질의 종류와 양에 따라 특이적인 전기 신호의 패턴을 만드는 바이오센서를 만들 수 있었다. 이 바이오센서는 화학구조가 유사한 여러 종의 신경전달물질을 정확하게 구분했고, 고감도 정량검출이 가능하다. 예를들어 우울증 환자에게서는 세로토닌이, 파킨슨 병 환자에서는 도파민이 낮은 농도로 관찰되는데 본 시스템을 활용하면 다종의 바이오센서 없이 한번에 여러 신경전달 물질의 불균형을 측정할 수 있다.

연구진은 “개발된 기술은 신경전달물질의 정량적 분석결과를 기반으로 정신질환을 조기에 진단할 수 있다는 장점이 있다. 추후 임상중개 연구로 확장해 MRI, CT 등 추가의 정밀검사가 필요한 대상을 스크리닝 할 수 있는 검진기술로 개발할 예정이다.”라며 향후 계획을 밝혔다.

본 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 전주기의료기기연구개발사업단 KIST 출연금사업, KU-KIST, HY-KIST, 나노종합기술원 나노메디컬 디바이스 개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 결과는 화학공학 권위지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신 호에 게재되었다.

* (논문명) Modular conductive MOF-gated field-effect biosensor for sensitive discrimination on the small molecular scale

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 금창준 박사후연구원

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성욱 박사후연구원

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김현노 연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 정영도 선임연구원

※ 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141079

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[그림 1] (좌) MOF가 도입된 반도체 기반 바이오센서의 구조 (우) 바이오센서를 활용하여 신경전달물질을 전기적 신호 패턴을 통해 구분한 결과. 구조가 매우 비슷한 다종의 신경전달물질은 MOF에 선택적으로 흡착되며, 이에 따라 다른 전기신호 패턴을 나타냄. 패턴 분석을 통해 각 신경전달물질을 구분하고 정량적으로 검출함.