국내 연구진이 AI를 이용해서 1회 측정만으로도 패혈증의 진단이 가능한 신속감별진단 센서를 개발했다. 해당 센서를 이용하면 기존 혈액 배양 검사보다 빠르고 정확한 진단이 가능해, 패혈증 환자의 생존율을 높일 수 있다. 

고려대학교 (총장 김동원) 화공생명공학과 심상준 교수가 연세대 화학과 박성호 교수와의 공동 연구를 통해 패혈증의 신속감별진단을 위한 3차원 합금 나노 구조 기반 고감도 표면증강라만산란 바이오 센서를 개발했다. 

 * 표면증강라만산란: 특정 금속 표면에서 라만 신호를 강하게 증폭시키는 현상으로, 극미량의 생체분자를 감지하는 데 활용  

▲ (왼쪽부터)고려대 화공생명공학과 심상준 교수(교신저자),

    연세대 화학과 박성호 교수(교신저자), 삼성서울병원 의공학연구센터 김우현 박사 후 연구원(제1저자) 

이 연구 결과는 세계적인 과학 저널 ‘어드벤스드 사이언스(Advanced Science, 영향력 지수: 14.3)’에 지난 18일 게재됐다. 

*논문명:Rapid and Differential Diagnosis of Sepsis Stages Using an Advanced 3D Plasmonic Bimetallic Alloy Nanoarchitecture-Based SERS Biosensor Combined with Machine Learning for Multiple Analyte Identification

*DOI: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202414688

최근 전자, 화학, 의료 분야 등에서 폭넓게 연구되고 있는 나노기술은 크기와 형태에 따라 성질이 급격히 변하기 때문에, 원하는 특성을 가지는 나노구조를 설계하고 제작하는 방법이 중요하다. 

공동 연구팀은 양극 산화 알루미늄을 기반으로 전기화학적 증착법과 금속 스퍼터링을 이용해 3차원 금-은 합금 나노구조를 개발했다. 이를 활용해 혈액 내 면역 관련 단백질을 초고감도로 검출하고, 감염 여부 및 패혈증 진행 단계를 신속하게 감별하는 기술을 구현했다. 

* 양극 산화 알루미늄: 알루미늄 표면을 전기화학적으로 산화시켜 형성된 다공성 구조로, 균일한 나노 패턴을 가지며 센서 및 촉매 분야에서 활용 

이번에 개발된 센서는 기존의 단일 마커 분석 방식과 달리, CD123 (인터루킨-3 수용체 알파체인), PD-L1 (면역관문 단백질), HLA-DR (백혈구 항원), ChiT (키토트리오시다제) 4가지 바이오마커의 발현량을 동시에 분석할 수 있다. 

또한 개발된 센서는 신호 증폭 효과가 극대화되어 기존 기술 대비 6배 이상 높은 민감도를 보인다. 연구진은 여기서 더 나아가 전혈 및 혈청 시료를 3D 프린팅으로 구현한 칩으로 수분 내 분석을 가능케 하여 진단의 정확도와 효율성을 높였다. 

그리고 AI 머신러닝 알고리즘 중 하나인 서포트 벡터 머신 알고리즘을 이용하여 단순한 미생물 감염과 패혈증에 대한 분류와 진행 단계를 95% 이상의 정확도로 판별하고 질병 상태를 알 수 없는 미지 시료에서 정상인과 패혈증 환자를 구별할 수 있음을 증명하였다.

* 서포트 벡터 머신 알고리즘: 데이터 분류 및 예측을 위한 머신러닝 알고리즘으로, 고차원 공간에서 최적의 결정 경계를 찾아 분류 성능을 극대화하는 방식으로 동작 

심상준 교수는 “ 본 연구로 패혈증 중증도에 대한 신속 감별 진단을 위한 신속하고 신뢰할 수 있는 분석 기술을 제공하며, 향후 임상 적용을 통해 패혈증 환자의 치료 효과를 극대화할 것으로 기대된다” 라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(개인연구), 한국연구재단, 보건복지부 및 주식회사 씨씨유바이오의 지원으로 수행됐다. 

△ [그림 설명] 양극 산화 알루미늄 기반 3차원 플라즈모닉 금-은 합금 나노 구조 제작 과정

  양극 산화 알루미늄을 템플릿 구조로 전기화학적 증착을 통한 금-은 합금 나노 기둥구조를 합성하고 양극 산화 알루미늄이 3M 수산화나트륨(NaOH)로 용해시킨 후 금속 스퍼터를 이용하여 나노 기둥 상단에 다수의 그레놀라 모양의 나노 구조가 형성된다. 나노 구조 내에서 밀집되어 형성된 나노 틈들을 통해 표면증강라만산란 효과를 극대화하는 나노 구조체가 제작된다.