Glassy Carbon Electrode-Integrated Microfluidic CD Platform for Point-of-Care Detection of SARS-CoV-2 Spike Protein and Prostate-Specific Antigen

현대 의학의 세계에서 병원 외부에서 질병을 빠르고 정확하게 진단하는 능력은 매우 중요한 목표입니다. 수십 년 동안 의사들은 혈액 샘을 분석하기 위해 크고 고정된 기계에 의존해 왔으며, 이 과정은 종종 검체를 중앙 실험실로 보내 결과를 기다리는 데 며칠이 소요되기도 합니다. 이러한 지연은 바이러스 유행 상황이나 서서히 진행되는 질병을 모니터링할 때처럼 시간이 매우 긴박한 경우 위험할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 작은 칩 위에서 미세한 양의 유체를 조작하는 데 전념하는 분야인 미세유체 기술(microfluidics)로 눈을 돌렸습니다. 펌프, 혼합기, 센서가 표면에 직접 구축된, 동전 크기로 축소된 실험실을 상상해 보십시오. 레코드 플레이어가 작동하는 방식과 유사한 회전 운동과 결합될 때, 이 칩들은 외부 튜브나 전기 펌프 없이도 원심력을 사용하여 혈액 성분을 분리할 수 있습니다. "랩온어디스크(lab-on-a-disc)"라고 알려진 이 접근 방식은 내부의 센서가 질병의 희미한 신호를 감지할 수 있을 만큼 충분히 민감하다면, 의사의 진료실이나 외딴 마을에 전체 실험실의 기능을 가져다줄 것을 약고합니다.

이 개념을 바탕으로, 연구자 나레쉬 만달(Naresh Mandal)과 비단 프라마닉(Bidhan Pramanick)은 이 회전하는 미세유체 기술을 매우 민감한 유형의 전기 센서와 결합한 새로운 진단 도구를 개발했습니다. 최근 연구에 통해 상세히 밝혀진 이들의 연구는 두 가지 매우 다른 건강 위협, 즉 코로나19를 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 스파이크 단백질과 전립선암의 표지자인 전립선 특이 항원(PSA)을 동시에 감지할 수 있는 장치를 만드는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이 발명품의 핵심은 안정성과 효율적인 전기 전도 능력을 갖춘 것으로 알려진 재료인 유리질 탄소(glassy carbon)로 만들어진 아주 작은 전극입니다. 빛을 내거나 색이 변하는 복잡한 화학적 라벨을 필요로 할 수 있는 기존 센서와 달리, 이 장치는 표면을 통해 전기가 얼마나 쉽게 흐르는지를 측정함으로써 작동합니다. 특정 질병 표지자가 센서에 결-결합하면, 그것은 마치 작은 장벽처럼 작용하여 전류의 흐름을 늦춥니다. 이 변화를 측정함으로써, 장치는 극도로 정밀하게 바이러스나 암 표지자의 존재를 식별할 수 있습니다.

연구진은 산소가 통제된 환경에서 특수 플라스틱 필름을 태우는 과정을 포함하는 공정을 통해 이 센서들을 제작했습니다. 열분해(pyrolysis)라고 불리는 이 기술은 플라스틱을 질병 표지자를 포착하기에 완벽한 미세한 질감을 가진 고체 형태의 유리질 탄소 구조로 변형시킵니다. 그 후 그들은 이 탄소 표면에 분자 자석처럼 작용하여 찾고자 하는 특정 대상에만 달라붙도록 설계된 단백질인 항체를 코팅했습니다. 한 세트의 센서에는 SARS-CoV-2 스파이크 단백질에 결합하는 항체를 사용했고, 다른 세트에는 전립선 특이 항원에 결합하는 항체를 사용했습니다. 장치가 신뢰성 있게 작동하도록 하기 위해, 그들은 또한 잘못된 것을 포착할 수 있는 센서의 끈적한 지점들을 차단하여 의도한 표적만을 감지하도록 보장하는 일반적인 단백질인 소 혈청 알부민(bovine serum albumin) 층을 추가했습니다.

진정한 혁신은 이 센서들이 투명한 플라스틱으로 된 회전 디스크에 어떻게 통합되는지에 있습니다. 연구팀은 혈액 한 방울을 디스크 위에 놓을 수 있는 미세유체 채널 시스템을 설계했습니다. 디스크가 회전함에 따라 원심력은 더 무거운 적혈구를 바깥쪽 가장자리로 밀어내고, 질병 표지자가 포함된 더 가벼운 혈장은 중심부에 가깝게 머물게 합니다. 이 분리는 인간의 개입이나 외부 펌프 없이 자동으로 일s어납니다. 분리된 혈장은 디스크에 내장된 유리질 탄소 센서 위로 흐릅니다. 센서가 매우 민감하기 때문에, 이들은 SARS-CoV-2 스파이크 단백질을 0.9844 fg/mL, 전립선 특이 항원을 0.9682 pg/mL만큼 낮은 농도에서도 감지할 수 있습니다. 이 수치들은 많은 표준 검사가 볼 수 있는 수준보다 훨씬 낮은 매우 작은 양을 나타내며, 질병을 매우 초기 단계에서 감지할 수 있게 해줍니다.

이 연구는 이 시스템이 혈장 위로 센서가 흐를 때 센서의 전기적 반응을 측정할 수 있음을 보여주며, 표적 단백질이 존재할 때 명확한 신호를 제공한다는 점을 입증합니다. 연구진은 아주 미세한 흔적부터 훨씬 높은 수준까지 넓은 범위의 농도에 걸쳐 장치를 테스트했으며, 반응이 일관되고 선형적이라는 것을 발견했습니다. 이는 장치가 단순히 표지자의 존재를 감지하는 것뿐만 아니라, 얼마나 많은 양이 있는지 정량화할 수 있음을 의미하며, 이는 감염의 진행 상황이나 암을 모니터링하는 데 필수적입니다. 전체 설정은 유체 이동을 위한 외부 전원을 필요로 하지 않는 자립형 구조로, 전기나 고급 실험 장비가 부족한 곳에서 현장 진단용으로 사용하기에 이상적입니다.

현재의 작업은 준비된 샘플을 이용한 장치의 제작 및 테스트에 집중되어 있지만, 결과는 분산형 의료를 향한 강력한 경로를 제시합니다. 견고한 탄소 센서와 단순한 회전 디스크의 결합은 저비용, 휴대 가능성, 그리고 다중 테스트 수행 능력을 갖춘 플랫폼을 생성합니다. 연구진은 다음 단계로 임상 환경에서의 성능을 확인하기 위해 실제 환자의 혈액 샘플로 장치를 테스트할 것이라고 언급했습니다. 이처럼 정밀한 이중 목적 검출기를 작은 디스크에 구축하고 운영할 수 있음을 증명함으로써, 이 연구는 세계에서 가장 멀고 자원이 제한된 지역에 고급 진단 역량을 가져다줄 수 있는 실질적인 해결책을 제공합니다.