항생제 내성 슈퍼박테리아 신속검출키트 개발
전염성 감염 유발하는 장내 슈퍼박테리아‘C. 디피실’
종이 기반 고감도 다중 분석으로 10분 안에 진단 가능
▲ 사진1. KBSI 연구팀이 개발한 mPAD.
아래 키트는 실험 후 사진으로, 항원 1종(GDH)과 독소 2종(Toxin A, B)이 검출됐음을 붉은 선을 통해 확인할 수 있다.
한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 소재분석연구부 최종순 박사(현 부원장) 연구팀이 항생제 내성 슈퍼박테리아 ‘클로스트리디오이데스 디피실(이하 C.디피실)’*을 현장에서 바로 검출할 수 있는 신속검출키트를 개발했다고 3월 15일 밝혔다.
* 클로스트리디오이데스 디피실(Clostridioides Difficile): 항생제로는 치료가 불가능한 장내세균으로 감염되면 발열, 설사, 복통을 유발하며 심한 경우 전격성위막대장염, 독성거대결장, 패혈증 등을 동반해 사망에까지 이르게 할 수 있다. 미국질병통제예방센터(CDC)에서는 C.디피실을 최고위협단계 Urgent레벨로 그 위험성을 규정하고 있다.
KBSI 소재분석연구부 최종순·한도경 박사와 바이오화학분석팀 권요셉 박사는 전북대 의대 진단검사의학과 김달식 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 C.디피실을 빠르게 검출하는 고감도 다중 분석기술을 개발하고, 이를 적용한 종이 기반의 다중 검출키트(Paper-based multiplex analytical device, 이하 mPAD)를 개발했다.
C.디피실은 아직까지 뚜렷한 치료제가 없기 때문에 감염 확산을 차단하기 위해 빠르고 정확한 조기진단이 필요하다. 그러나 현재 사용되는 검사법은 환자 분변에 대한 C.디피실 항원 검사, 독소검사, 유전자 검사까지 3단계에 걸쳐 시행되기 때문에 많은 시간이 소요되고, 항원 검사와 독소검사의 민감도가 매우 낮아 정확하고 신속한 진단이 어려웠다.
▲ 사진2. mPAD를 활용한 실제 C.디피실 검출 실험 결과. (첫번째) 대조군, (두번째) GDH 항원, (세번째) 독소 A, B가 검출된 모습.
이번에 KBSI 연구팀이 개발한 mPAD는 단 1회 분석만으로도 10분 안에 검출이 가능하며, 미량의 저농도 C.디피실 시료 역시 고감도 신호 증폭을 통해 최대 1시간 안에 검출할 수 있다. C.디피실 감염 의심 환자의 분변 시료를 mPAD에 떨어뜨리면, C.디피실 바이오마커 항원 1종(GDH)과 독소 2종(Toxin A, B)의 검출 여부를 동시에 육안으로 확인 가능하다.
▲ 사진3. mPAD의 작동방법. 키트의 슬라이드를 열고 S홀에 분변 시료, B홀에 물을 각각 떨어뜨린 후 키트를 닫으면 C.디피실 검출 여부를 알 수 있다.
▲ 사진4. mPAD의 다층 구조. 시료가 먼저 양 채널에 흘러 들어간 다음 시약이 흘러 들어가 검출 신호가 증폭될 수 있도록 설계되었다.
KBSI 연구팀은 왁스프린팅을 통해 종이에 친수성/소수성 패턴을 만들고 5겹으로 쌓아 입체 유체통로가 있는 mPAD를 제작했다. mPAD의 홀에 환자의 분변 시료를 떨어뜨리고, 검출 신호 증폭을 위해 시약 건조 처리된 다른 홀에는 물을 떨어뜨리면, 시료는 유체통로를 따라 먼저 흘러 들어가고 그 후 시약이 흘러 들어간다. 용액들은 mPAD 종이 표면의 금나노 입자에 반응하게 되는데, 금속이 침전되는 원리로 인해 측정 감도가 증폭되어 뚜렷한 발색을 확인할 수 있다.
mPAD의 검출 민감도는 97%, 특이성은 88%, 정확도는 95%로, 종이로 만들어져 제작비용이 저렴하고 추가적인 장비가 필요하지 않아 이용자 친화적이라는 장점 또한 가지고 있다.
이번 공동연구에서 KBSI 연구팀은 mPAD의 설계, 제작, 특성분석 및 mPAD를 통한 환자의 실제 검체 분석을 수행하였고, 전북대 의대 연구팀은 현행 표준분석법을 통한 환자의 실제 검체 분석 및 mPAD 검출 분석 평가에 참여하였다.
본 연구결과는 KBSI 생물재난 분석기술개발 과제의 성과로, 분석화학 분야 최상위 학술지인 Biosensors and Bioelectronics誌[논문명: Paper-based multiplex analytical device for simultaneous detection of Clostridioides difficile toxins and glutamate dehydrogenase, IF=10.257, JCR 상위 1.16%, KBSI 한도경(제1저자), 최종순(공동교신저자), 권요셉(공동교신저자), 전북대 의대 김달식(공동교신저자)]에 3월 15일 지면 게재되었다.
▲ 연구자 사진. (왼쪽부터) KBSI 최종순 부원장, 바이오화학분석팀 권요셉 책임연구원, 소재분석연구부 한도경 선임연구원
KBSI 권요셉 박사는 “이번 연구는 C.디피실 진단 원천기술 확보 및 국산화의 가능성을 제시하는 사례”라며 “이번 연구성과를 통해 정확하고 저렴한 C.디피실 진단법을 제공하여 고비용의 유전자 검사가 포함된 기존의 검사법을 대체할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구를 총괄한 KBSI 최종순 부원장은 “KBSI 생물재난 분석기술개발 과제의 목적은 첨단 분석기술을 통해 국민의 생활 및 안전과 직결된 문제들을 해결하는 것으로, 최근 생물재난 분석기술개발 과제를 통해 다양한 연구성과들이 도출되고 있다”며, “향후 코로나19와 같은 신종 바이러스에 대한 대응책도 마련할 수 있는 연구사업으로 확대되기를 기대한다”고 밝혔다. <끝>