연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 눈물 내 표적 단백질을 검출함으로서 알츠하이머 병 진단 뿐만 아니라 진행 단계를 모니터링 할 수 있는 유/무기 나노입자 기반의 면역분석법 (SNAFIA)을 개발했다.

알츠하이머병은 가장 흔한 신경 퇴행성 질환으로 뚜렷한 치료제가 없기 때문에 증상의 발병과 진행을 늦추는 효과를 극대화하는 조기 진단이 더욱 중요하다. 알츠하이머병 진단은 임상 징후와 증상의 관찰, 신경 인지 기능 검사, 초기 단계를 반영할 수 있는 알츠하이머병 촉진 바이오마커의 변화를 검사하는 것을 기반으로 한다. 뇌 기능 영상과 뇌척수액 분석 방법 등이 있으나 시간과 비용이 많이 들고 침습적 개입이 필요하며 부작용이 발생할 수 있기에 저비용, 저침습 진단법이 요구되고 있다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 센싱 플랫폼은 선정된 표적 단백질만을 선택적으로 검출할 수 있는 유/무기 나노 구조체 기반의 면역분석법으로, 자성 나노입자를 활용하여 표적 단백질을 분리 및 농축할 수 있는 시스템과 고분자 나노입자를 활용하여 일대다 염료 방출을 통한 신호 증폭 시스템의 통합으로 설계 되었다 .

연구팀은 고민감 신호 증폭 시스템 설계를 위해 친수성 내부와 소수성 막을 갖는 고분자 나노구조체를 합성하였으며 소수성 막 내부에 FRET 염료 분자를 담지하여 형광 표지제로 적용하였다. FRET 염료 분자들은 표적 단백질이 존재 하는 조건에서 방출되어 증폭된 형광 신호를 발생시키고 이외의 경우에는 소수성 막 내부에 갇혀 비특이 신호가 감소하도록 설계되었다. 실제로 상용화된 형광 표지제와 그 성능을 비교했을 때, 약 10 배 이상의 향상된 검출 수준을 보였으며 유/무기 나노입자 기반의 시스템 통합으로 높은 신호 대 잡음비 성능을 달성했다. 나아가 다양한 표적 단백질에 적용을 위해 맞춤형 항체로 표면 개질된 나노 구조체를 적용한 SNAFIA 테스트는, 실험실 플레이트 판독기를 사용하여 1 시간 이내에 아토몰 농도로 질병 관련 단백질을 검출할 수 있었으며, 액체 인간 생검에서 우수한 민감도와 선택도를 확보하였다.

특히, 이번 연구의 핵심은 39개의 임상 눈물 샘플을 대상으로 SNAFIA를 수행했을 때, 경도 인지 장애 집단과 알츠하이머 환자 집단이 건강한 집단에 비해 유의미한 신호 증가를 보인점에 있다. 아직 개념 증명 역할을 하는 수준이나, SNAFIA의 임상적 잠재력을 종합적으로 검증하기 위해서는 보다 광범위한 임상 조사가 필요하며 향후 대규모 임상 연구를 통해 견고한 결과를 얻어낸다면, SNAFIA는 간편하고 빠르며 눈물을 이용한 다양한 단백질 마커에 대해 높은 진단 정확도를 제공하므로 알츠하이머병 조기 진단을 위한 유망한 도구가 될 것으로 기대할 수 있다.

이번 연구는 보건복지부에서 주관한 보건의료기술연구개발 사업을 시작으로 과학기술정보통신부에서 주관하는 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업, 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 함승주 교수 연구팀의 이소정 연구원(제 1저자), 용인 세브란스병원의 지용우 교수(공동 교신저자), 강남 세브란스병원의 조한나 교수(공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 (IF=16.6) ‘Nature Communications’에 23년 12월 9일(현지시간) 게재됐다.

 A research team led by Prof. Seungjoo Haam of the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University (President Dong-seop Yoon) has developed an amplified fluorogenic immunoassay for early detection and monitoring of Alzheimer’s disease from tear fluid.

Alzheimer's disease stands as the prevailing neurodegenerative disease with an absence of definitive remedies, accentuating the imperative for early detection to optimize therapeutic efficacy in mitigating symptom onset and progression. Diagnosis of Alzheimer's hinges upon meticulous clinical observation, neurocognitive assessment, and scrutiny of biomarkers implicated in its pathogenesis, offering insights into incipient stages. While conventional diagnostic modalities encompass brain imaging and cerebrospinal fluid analysis, their application is marred by protracted procedures, substantial costs, invasiveness, and potential adverse effects, underscoring the exigency for a cost-effective, minimally invasive diagnostic tools.

The sensing platform developed by the team of Professor Seungjoo Haam at Yonsei University is an immunoassay based on organic and inorganic nanostructures that can selectively detect only selected target proteins, and is designed by integrating a system that can separate and concentrate target proteins using magnetic nanoparticles and a signal amplification system through one-to-many dye release using polymeric nanoparticles.

To design the signal amplification system, the research team synthesized polymeric nanostructures with hydrophilic interior and hydrophobic membrane, and applied FRET dye molecules inside the hydrophobic membrane as fluorescent labels. The FRET dye molecules were designed to be released in the presence of the target protein, resulting in an amplified fluorescence signal, and to be confined inside the hydrophobic membrane in other cases, reducing the non-specific signal. In fact, when comparing its performance with commercially available fluorescent labeling agents, an improved detection level of about 10 times or more was obtained, and high signal-to-noise ratio performance was achieved by system integration based on organic and inorganic nanoparticles. Furthermore, the SNAFIA test using nanostructures surface-modified with antibodies for application to various target proteins was able to detect disease-related proteins at attomolar concentrations within 1 hour using a laboratory plate reader, and achieved excellent sensitivity and selectivity in liquid human biopsies.

A key finding of the study was that when SNAFIA was performed on 39 clinical tear samples, the mild cognitive impairment group and the Alzheimer's patient group showed a significant increase in signal compared to the healthy group. While still serving as a proof of concept, more extensive clinical investigations are needed to comprehensively validate the clinical potential of SNAFIA, and if robust results are obtained in future large-scale clinical studies, SNAFIA could be a promising tool for early diagnosis of AD as it is simple, fast, and provides high diagnostic accuracy for a variety of protein markers using tears.

This research was conducted by Dr. Sojeong Lee (first author) along with Prof. Seungjoo Haam’s research team, Prof. Yong Woo Ji (co-corresponding author), and Prof. Hanna Cho (co-corresponding author) with the support of the Korea Healthcare Technology Research and Development Project funded by the Ministry of Health and Welfare, the Nanomaterial Technology Development Project and Emerging Infectious Disease Response Platform Core Technology Development Project promoted by the Ministry of Science and ICT. The work was published on December 9, 2023 (local time) in the prestigious journal of ‘Nature communications’.

Nat. Commun. (2023) (IF: 16.6)
Published: December 09, 2023
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43995-5