연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 자성 입자 활용하여 다중 분리를 통해 HER2 과발현 유방암 유래 엑소좀을 분리 및 검출할 수 있는 미세 유체 칩을 개발했다.

엑소좀은 세포 내에서 생성 되어 외부로 방출되는 소포밖 소포체 중 하나이다. 엑소좀은 30-150 나노미터 (nm) 크기로 모세포의 단백질, RNA, DNA 등의 다양한 생체물질을 포함하고 있으며 매우 안정적으로 유지된다. 체액 속의 엑소좀 분석은 최근 혁신적이고 유망한 액체 생검 방법으로 최근 주목 받고 있으나, 기존 방식으로는 분석에 적합한 농도의 엑소좀을 체액 속의 다양한 불순물로부터 얻는 것이 어렵다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세 유체 칩은 자성 나노입자를 이용하여 다종 엑소좀을 서로 다른 자화도로 표지하고, 미세유체 칩 내부에서 자화도 차이에 따라 다중 분리한다. 이를 통해 체액 속에서 질환 유래 엑소좀과 비표적 엑소좀을 분리할 수 있어, 질환 유래 엑소좀을 통해 정확한 질환 진단이 가능하며 비표적 엑소좀을 내부통제군(internal control)으로 활용하여 효과적인 모니터링이 가능하다.

연구팀은 다양한 자화도를 나타내는 자성 나노입자를 합성하고, 이에 질환 유래 엑소좀과 비표적 엑소좀에 표지되도록 항체를 결합하였다. 미세유체 칩 내부에서 외부 자기장에 의한 자화 표지된 엑소좀의 거동을 최적화하고 분리 효율에 대해 확인하였다. 소변 내 HER2 과발현 엑소좀과 비표적 엑소좀을 동시에 분리하여 치료 효과에 대한 실시간 모니터링에 대해 입증하였다.

이 연구를 통해 체액으로부터 분리한 엑소좀으로 암 진단 및 약물 치료 효과 모니터링이 가능할 것으로 기대되며, 바이오마커 선정에 따라 암 뿐만 아니라 다양한 난치성 질환에 활용 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부에서 주관하는 나노소재기술개발사업, 바이오·의료기술개발사업, 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업, 환경부에서 추진하는 생물학적위해인자관리기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 문병걸 연구원(제1저자), 한국생명공학연구원의 임은경 박사(공동 교신저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘바이오 센서 앤 바이오 일렉트로닉스 (Biosensors & Bioelectronics)’에 11월 1일자(현지시간)로 게재됐다.

Yonsei University’s (President Seung-Hwan Seo) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seungjoo Haam's research team developed an immuno-magnetophoresis-based microfluidic chip to isolate and detect HER2-Positive cancer-derived exosomes via multiple separation.

Exosomes are extracellular vesicles produced inside cells and released to the outside.

Exosomes are a type of endoplasmic reticulum that is produced inside the cell and released to the outside. Exosomes are 30-150 nanometers (nm) in size and contain various biological substances from the parent cells, such as proteins, RNA and DNA, and are maintained in a very stable form. The analysis of exosomes in body fluids has recently attracted attention as an innovative and promising liquid biopsy method. However, obtaining exosomes of appropriate concentration for analysis from contaminants has been a limitation of existing methods.

The microfluidic chip developed by Professor Ham Seung-joo's team at Yonsei University uses magnetic nanoparticles to label multiple types of exosomes with different degrees of magnetization, and separates them multiple times according to the differences in magnetization within the microfluidic chip. This allows disease-derived exosomes and non-target exosomes to be separated in body fluids, enabling accurate disease diagnosis by disease-derived exosomes and effective monitoring by using non-target exosomes as an internal control group.

The research team synthesized magnetic nanoparticles with different degrees of magnetization and combined them with antibodies to label disease-derived exosomes and non-target exosomes. The behavior of the magnetically labeled exosomes was optimized by an external magnetic field inside the microfluidic chip and the separation efficiency was confirmed. Real-time monitoring of treatment effect was demonstrated by simultaneous separation of HER2-overexpressing exosomes and non-targeted exosomes in urine.

This study is expected to enable cancer diagnosis and monitoring of drug treatment effects using exosomes isolated from body fluids, and depending on the selection of biomarkers, it is expected to be used not only for cancer but also for various incurable diseases.

This research was conducted with Researcher Byeonggeol Mun (first author) of Professor Seungjoo Haam's research team, and Dr. Eun-Kyung Lim (co-corresponding author) with the support by the Ministry of Science and ICT and Ministry of Environment. The work was published in the prestigious journal of 'Biosensors & Bioelectronics’ on November 1 (local time).

Biosensors and Bioelectronics  (2023) (IF: 12.625)
Published: november 01, 2023
https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115592