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김환 교수·이원석 교수 공동연구팀 ‘CEA 및 Ki67 다중 검출용 미세유체 기반 전기화학 면역센서 플랫폼’ 개발
- 조회 : 544
- 등록일 : 2025-09-08
국립한국교통대학교(총장 윤승조)는 바이오메디컬융합학과 김환 교수와 전기공학전공 이원석 교수 공동연구팀이 3차원 종양 스페로이드 모델을 활용해 실제 암 조직의 생리적 특성을 정밀하게 모사하고, 대장암 관련 바이오마커 (CEA, Ki67)의 다중 검출이 가능한 ‘미세유체 기반 전기화학 면역센서 플랫폼’ 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구팀은 금 나노입자-탄소나노튜브(AuNP@MWCNT) 나노 복합체 전극과 3D 프린팅 기술을 통합한 미세유체 칩을 구현함으로써, 3D 종양 스페로이드에서 발현되는 다양한 대장암 관련 바이오마커의 동시 진단을 가능하게 하는 전기화학적 다중 면역센서 플랫폼을 구축했다.
미세유체칩(Microfluidics chip)은 미세한 채널 구조를 통해 극소량의 시료만으로도 다양한 분석이 가능하도록 설계되었다. 이 칩은 별도로 구성된 3차원 종양 스페로이드 배양액 보관용 챔버 등과 연동되어 시료의 처리 및 분석이 용이하며, 대장암 바이오마커의 정밀한 다중 검출을 가능하도록 하는 기술이다.
이번 연구결과는 첨단 바이오센서 분야 SCI 저널인 Materials Today Bio (IF: 8.7, 재료과학/생체재료 분야 상위 6.6%, 상위 5위권 이내)에 2025년 4월 12일 온라인 게재됐다.
공동연구팀은 ▲대장암에서 CEA와 Ki67이 중요한 진단/예후 바이오 마커로 활용된다는 점 ▲3차원 세포 스페로이드 모델이 실제 암 조직의 생리적 특성을 모사할 수 있다는 점에 주목하여, CEA와 Ki67을 고민감도/고선택성으로 다중 검출할 수 있는 센서 플랫폼 개발 연구를 수행했다.
센서 제작 과정에서는 3D 프린팅과 PCB 프린팅 기술을 활용하여 미세한 채널 구조의 미세유체칩과 금 나노입자-탄소나노튜브(AuNP@MWCNT) 나노 복합체 기반의 전극을 구현하였다. 이 나노복합체 전극은 높은 표면적과 우수한 전기전도도를 제공해 항체의 효과적인 고정화와 신호 증폭이 가능하며, 이를 통해 CEA와 Ki67와 같은 대장암 바이오마커의 미량 변화까지 정밀하게 감지할 수 있도록 설계되었다.
이 센서에 적용된 전기화학적 검출 기술은 금 나노입자-탄소나노튜브 복합체 전극 구조를 통해 항체-항원 결합에 따른 전기적 신호 변화를 정밀하게 측정하는 방식이다. 기존의 바이오센서가 단일 바이오마커 또는 복잡한 시료 환경에서 선택적 검출에 한계가 있었던 반면, 본 연구팀은 CEA와 Ki67에 특이적인 항체를 각각 전극 표면에 기능화하여, 서로 다른 대장암 바이오마커를 정량적으로 측정하였다.
또한, 센서의 성능 검증을 위해 인간 대장암 세포주(HT-29), 쥐 대장암 세포주(CT-26), 비암성 중간엽 줄기세포(MSC)로부터 3차원 스페로이드를 제작하고, 각 세포 조건에서 배출된 배양액 내 CEA 및 Ki67 농도를 정밀하게 검출하는 데 성공하였다.
추가적으로 유전자 발현 억제 RNA (siRNA)를 이용하여 HT-29 세포 내 CEA 유전자(CEACAM5)를 특이적으로 knockdown한 스페로이드 모델을 구현하여, 실제 유전자 발현 변화에 따라 센서가 CEA 농도 변화를 민감하게 검출할 수 있음을 입증했다.
본 연구팀은 이를 통해 개발된 센서가 실제 임상 환경이나 환자 유래 시료에서도 적용될 수 있는 충분한 실용성과 신뢰성을 갖췄음을 확인했다.
개발된 센서는 0.97 ng/mL 수준의 극미량 CEA 및 Ki67를 정밀하게 검출할 수 있으며, 3차원 종양 스페로이드에서 유래된 다양한 배양액 조건에서도 뛰어난 감도를 보였다. 또한, CA19-9와 같은 유사한 암 관련 단백질이나 비특이적 단백질(Bovine serum albumin)과 비교했을 때, CEA 및 Ki67에 대해 선택적으로 반응하여, 높은 특이성과 신뢰성을 동시에 확보했다.
국립한국교통대학교 바이오메디컬융합학과 김환 교수는 “이번 연구는 실제 암 조직의 생리적 특성을 모사한 3차원 세포 스페로이드 모델을 활용함으로써, 다양한 바이오마커의 정밀 진단 및 질병 미세환경 분석 분야로의 응용 가능성이 높다”라고 밝혔다.
전기공학전공 이원석 교수는 “미세유체칩과 나노복합체 전극을 융합한 전기화학 센서 시스템을 개발하여, 복잡한 생물학적 시료에서도 높은 진단 효율을 실현할 수 있었다”라고 전했다.
3차원 스페로이드 제작 및 생체 미세환경 구현실험을 담당한 김수진 연구원은 “다양한 세포주를 이용해 실제 암 조직과 유사한 3차원 종양 스페로이드를 성공적으로 구축했다”라며 “이를 통해 기존 2차원 세포 배양보다 더욱 현실적인 암 미세환경을 실험적으로 구현할 수 있었다”라고 설명했다.
미세유체 기반 전기화학센서 제작 및 바이오마커 검출 실험을 담당한 김선엽 연구원은 “센서 플랫폼의 구조 최적화와 다중 전기화학 신호 해석을 통해, 실제 임상 환경에 적용할 수 있는 정밀 진단의 가능성을 확인했다”라며, 앞으로도 센서 기술 고도화 연구를 이어갈 계획임을 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(글로벌 기초연구실, 면역원성 세포사멸 폴리펩타이드 항종양 성능 검증을 위한 췌장암 오가노이드 모델 기반 센싱 분석 시스템 개발)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구결과는 Impact factor 기준, 저널 인용 보고서 (JCR) 상위 6.6%에 해당하는 SCI급 저널인 Materials Today Bio (IF: 8.7, 재료과학/생체재료 분야 상위 6.6%, 5위권 이내)에 2025년 4월 12일 온라인 게재됐다. 김환 교수와 이원석 교수는 교신 저자로 참여하였다.
연구팀은 금 나노입자-탄소나노튜브(AuNP@MWCNT) 나노 복합체 전극과 3D 프린팅 기술을 통합한 미세유체 칩을 구현함으로써, 3D 종양 스페로이드에서 발현되는 다양한 대장암 관련 바이오마커의 동시 진단을 가능하게 하는 전기화학적 다중 면역센서 플랫폼을 구축했다.
미세유체칩(Microfluidics chip)은 미세한 채널 구조를 통해 극소량의 시료만으로도 다양한 분석이 가능하도록 설계되었다. 이 칩은 별도로 구성된 3차원 종양 스페로이드 배양액 보관용 챔버 등과 연동되어 시료의 처리 및 분석이 용이하며, 대장암 바이오마커의 정밀한 다중 검출을 가능하도록 하는 기술이다.
이번 연구결과는 첨단 바이오센서 분야 SCI 저널인 Materials Today Bio (IF: 8.7, 재료과학/생체재료 분야 상위 6.6%, 상위 5위권 이내)에 2025년 4월 12일 온라인 게재됐다.
공동연구팀은 ▲대장암에서 CEA와 Ki67이 중요한 진단/예후 바이오 마커로 활용된다는 점 ▲3차원 세포 스페로이드 모델이 실제 암 조직의 생리적 특성을 모사할 수 있다는 점에 주목하여, CEA와 Ki67을 고민감도/고선택성으로 다중 검출할 수 있는 센서 플랫폼 개발 연구를 수행했다.
센서 제작 과정에서는 3D 프린팅과 PCB 프린팅 기술을 활용하여 미세한 채널 구조의 미세유체칩과 금 나노입자-탄소나노튜브(AuNP@MWCNT) 나노 복합체 기반의 전극을 구현하였다. 이 나노복합체 전극은 높은 표면적과 우수한 전기전도도를 제공해 항체의 효과적인 고정화와 신호 증폭이 가능하며, 이를 통해 CEA와 Ki67와 같은 대장암 바이오마커의 미량 변화까지 정밀하게 감지할 수 있도록 설계되었다.
이 센서에 적용된 전기화학적 검출 기술은 금 나노입자-탄소나노튜브 복합체 전극 구조를 통해 항체-항원 결합에 따른 전기적 신호 변화를 정밀하게 측정하는 방식이다. 기존의 바이오센서가 단일 바이오마커 또는 복잡한 시료 환경에서 선택적 검출에 한계가 있었던 반면, 본 연구팀은 CEA와 Ki67에 특이적인 항체를 각각 전극 표면에 기능화하여, 서로 다른 대장암 바이오마커를 정량적으로 측정하였다.
또한, 센서의 성능 검증을 위해 인간 대장암 세포주(HT-29), 쥐 대장암 세포주(CT-26), 비암성 중간엽 줄기세포(MSC)로부터 3차원 스페로이드를 제작하고, 각 세포 조건에서 배출된 배양액 내 CEA 및 Ki67 농도를 정밀하게 검출하는 데 성공하였다.
추가적으로 유전자 발현 억제 RNA (siRNA)를 이용하여 HT-29 세포 내 CEA 유전자(CEACAM5)를 특이적으로 knockdown한 스페로이드 모델을 구현하여, 실제 유전자 발현 변화에 따라 센서가 CEA 농도 변화를 민감하게 검출할 수 있음을 입증했다.
본 연구팀은 이를 통해 개발된 센서가 실제 임상 환경이나 환자 유래 시료에서도 적용될 수 있는 충분한 실용성과 신뢰성을 갖췄음을 확인했다.
개발된 센서는 0.97 ng/mL 수준의 극미량 CEA 및 Ki67를 정밀하게 검출할 수 있으며, 3차원 종양 스페로이드에서 유래된 다양한 배양액 조건에서도 뛰어난 감도를 보였다. 또한, CA19-9와 같은 유사한 암 관련 단백질이나 비특이적 단백질(Bovine serum albumin)과 비교했을 때, CEA 및 Ki67에 대해 선택적으로 반응하여, 높은 특이성과 신뢰성을 동시에 확보했다.
국립한국교통대학교 바이오메디컬융합학과 김환 교수는 “이번 연구는 실제 암 조직의 생리적 특성을 모사한 3차원 세포 스페로이드 모델을 활용함으로써, 다양한 바이오마커의 정밀 진단 및 질병 미세환경 분석 분야로의 응용 가능성이 높다”라고 밝혔다.
전기공학전공 이원석 교수는 “미세유체칩과 나노복합체 전극을 융합한 전기화학 센서 시스템을 개발하여, 복잡한 생물학적 시료에서도 높은 진단 효율을 실현할 수 있었다”라고 전했다.
3차원 스페로이드 제작 및 생체 미세환경 구현실험을 담당한 김수진 연구원은 “다양한 세포주를 이용해 실제 암 조직과 유사한 3차원 종양 스페로이드를 성공적으로 구축했다”라며 “이를 통해 기존 2차원 세포 배양보다 더욱 현실적인 암 미세환경을 실험적으로 구현할 수 있었다”라고 설명했다.
미세유체 기반 전기화학센서 제작 및 바이오마커 검출 실험을 담당한 김선엽 연구원은 “센서 플랫폼의 구조 최적화와 다중 전기화학 신호 해석을 통해, 실제 임상 환경에 적용할 수 있는 정밀 진단의 가능성을 확인했다”라며, 앞으로도 센서 기술 고도화 연구를 이어갈 계획임을 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(글로벌 기초연구실, 면역원성 세포사멸 폴리펩타이드 항종양 성능 검증을 위한 췌장암 오가노이드 모델 기반 센싱 분석 시스템 개발)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구결과는 Impact factor 기준, 저널 인용 보고서 (JCR) 상위 6.6%에 해당하는 SCI급 저널인 Materials Today Bio (IF: 8.7, 재료과학/생체재료 분야 상위 6.6%, 5위권 이내)에 2025년 4월 12일 온라인 게재됐다. 김환 교수와 이원석 교수는 교신 저자로 참여하였다.
