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부산대 연구팀, 호흡가스로 폐암 발병 진단 전자코 개발

등록 2021.12.01 08:46:18

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기사내용 요약

정상/폐암 최대 86% 구분

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[부산=뉴시스] 부산대 연구팀이 공동연구를 통해 포집된 호흡가스를 실시간으로 분석해 폐암을 진단하는 나노-바이오 전자코 시스템을 만들어냈다고 1일 밝혔다. 왼쪽부터 김윤성, 권상모, 장철훈, 오진우 교수. (사진=부산대 제공) *재판매 및 DB 금지

[부산=뉴시스] 하경민 기자 = 부산대 연구진이 사람의 호흡 가스 성분만으로 폐암 발병 여부를 진단하는 휴대용 나노-바이오 전자코 시스템 개발에 성공했다.

부산대학교는 나노과학기술대학 나노에너지공학과 오진우 교수팀과 의과대학 의학과 장철훈 교수팀, 융합의과학과 권상모 교수팀, 의학과 김윤성 교수팀 등이 공동연구를 통해 포집된 호흡가스를 실시간으로 분석해 폐암을 진단하는 나노-바이오 전자코 시스템을 만들어냈다고 1일 밝혔다.

차세대 바이오전자 분야의 주요 소재로 주목 받고 있는 M13 박테리오파지를 사용해 호흡만으로 폐암을 진단할 수 있는 휴대용 바이오-나노 전자코를 개발한 것이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 미래소자디스커버리과제 및 중견연구자과제를 통해 수행한 이번 연구 논문은 네덜란드 엘스비어(Elsevier)사에서 발행하는 바이오 센서 분야의 세계적 학술지인 '바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스'(Biosensors and Bioelectronics) 12월 15일자에 게재될 예정이다.

이번 연구에는 부산대 오진우·장철훈·김윤성·권상모 교수 등 4명의 교신저자를 포함해 부산대·양산부산대병원 소속 연구자들이 참여했다. 논문 제1저자인 부산대 나노에너지공학과 이종민 박사는 이번 연구와 관련된 성과를 바탕으로 올해 2학기 한림대 나노융합스쿨 조교수로 임용되기도 했다.

호흡에 기반한 질병 진단은 비침습으로 이뤄져 진단과정에 대한 수검자의 거부감이 거의 없고 비접촉 검사가 가능해 대규모 모니터링에 적합하기 때문에 코로나19 등 호흡기 질환 대유행 상황에서 특히 주목받고 있다.

질병이 있는 경우 대사과정에 영향을 줘 호흡 성분에 변화가 있음이 호흡에 대한 초정밀 질량분석 연구를 통해 증명됐는데, 특히 냄새에 기반해 물질을 검출하는 '전자코'가 가장 적합한 것으로 알려져 있으며 관련 연구가 활발하게 진행 중이다.

부산대 연구팀은 동물의 후각 인지 기능의 해부학적 형태(교차반응성 다중 수용체 사용)를 모방한 기존 전자코를 넘어 인지 과정에서 신경망이 동작하는 원리를 적용하는 것이 필요하다는 가설을 세우고, M13 박테리오파지를 유전공학 방법으로 DNA를 조작해 그에 상응하는 화학 특성을 탑재했다.

연구팀은 자연의 모든 반응성을 대표하도록 설계된 20종의 M13 박테리오파지를 유전자 조작 기법을 사용해 개발했다. 20종의 M13 박테리오파지는 DNA 조작으로 변경 가능한 표면 화학 특성 전체 범위를 포함한다.

자기 조립 기술을 이용해 M13 박테리오파지 색 필름을 제작했으며, 기초 외부물질(VOCs)에 대한 반응성이 실험적으로 측정됐다. VOCs에 대한 계층분석을 통해 나노-바이오 전자코가 구별 능력이 뛰어남을 확인했다고 대학은 전했다.

연구팀에 따르면 1차적으로 바이오-나노 전자코에 이미지 처리에 사용되는 딥러닝을 적용해 정상인 31명, 폐암환자 31명의 호흡가스를 분석했을 때 75% 이상 성공적으로 진단한 것을 확인했다.

최종적으로는 패턴분리를 적용해 바이오-나노 전자코에서 발생한 신호를 분석했으며, 폐암환자와 정상인의 호흡을 유의미하게 분리하는 수용체 조합을 탐색해 이를 학습하고 분류에 적용해 86% 이상 분류 성공률을 높였다.

이번 연구를 통해 개발한 유전자 조작된 M13 파지 기반 나노-바이오 전자코 및 그 개발 방법론은 폐암 진단뿐 아니라 질병에 의해 호흡 성분에 변화가 있다고 알려진 여러 호흡기 질환, 당뇨와 같은 대사질환 진단에 사용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.

오진우 부산대 교수는 "이번 연구가 나노-바이오 전자코의 실용적 응용의 기틀을 마련했다"면서 "전자코가 호흡 기반 진단처럼 복잡하고 복합적인 가스 분석에 적용될 수 있음을 입증했으며, 이를 바탕으로 체계적인 전자코 개발 방법론을 제시할 수 있었다"고 밝혔다.

또 "실험실 수준의 검증을 넘어 실제 환자 호흡을 사용해 검증했기 때문에 현장에 바로 적용할 수 있는 시스템에 더 가까워졌다"고 덧붙였다.


◎공감언론 뉴시스 yulnetphoto@newsis.com

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