연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 HER2 양성 유방암 유래 엑소좀을 포집할 수 있는 헤링본 패턴으로 배열된 3D 나노구조를 가지는 미세유체 칩을 개발했다. 이는 다양한 체액(혈장, 소변 등) 내에 존재하는 엑소좀을 높은 효율로 분리함으로써, HER2 과발현 유방암을 진단하고 모니터링 할 수 있는 기술을 구현했다.

엑소좀은 세포 내에서 생성되어 외부로 방출되는 세포밖 소포체로, 크기가 30-150 나노미터(nm)로 세포간 신호 전달에 참여하는 것으로 보고되고 있다. 엑소좀은 모세포의 단백질, 핵산, 지질 등 다양한 생물학적 정보를 포함하고 있으며 지질 이중층으로 구성되어 매우 안정적으로 장기간 보관이 가능한 특징이 있다. 그러므로 액체 생검의 바이오마커로 주목 받고 있지만, 크기가 작고 이질성을 나타내어 고순도/농도로 분리하기 어려워 활용에 제한점이 있다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세유체 칩은 패턴화된 3D 나노구조체를 가진 나노 칩 (Nano chip)으로, 패턴을 통해 미세유체 혼합을 유도하고 다공성 형태로 엑소좀과 구조체 표면 사이의 유체역학적 저항을 줄여 효과적으로 엑소좀을 포집한다. 이를 통해 혈장 및 소변에서 HER2 과발현 엑소좀을 선택적으로 포집하고 형광 신호로 검출함으로써 HER2 과발현 유방암 여부에 대해 파악할 수 있음을 확인하였다.

연구팀은 균일한 크기로 합성된 실리카 나노 입자를 헤링본 패턴으로 적층하여 3D나노구조체를 형성하고, 엑소좀과 선택적으로 결합가능한 항체를 구조체 표면에 부착하여 기능화한 후 미세유체 칩 형태로 제작하였다. 이는 기존 비구조, 구조체에 비해 분리 효율이 97.7%까지 향상됨을 확인하였고, 엑소좀을 농축하여 포집하거나 형광으로 검출가능하다는 점을 입증하였다. 또한, 서로 다른 항체가 기능화된 나노 칩을 연결하여 소변 시료에서 다종 엑소좀을 포집할 수 있음을 검증하였다.

이 연구를 통해 체액을 이용한 암 진단뿐만 아니라 예후, 치료 효과 및 재발에 대한 실시간 모니터링이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 효과적인 엑소좀 포집을 통해 엑소좀의 이질성 및 신호 전달에 관한 연구에 기여할 수 있으며, 다양한 난치성 질환에 적용 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 미래기술연구실, 나노소재기술개발사업, 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 문병걸 연구원(공동 제1저자), 정혜인 연구원(공동 제1저자), 한국생명공학연구원의 임은경 박사(공동 교신저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’에 2월 15일자(현지시간)로 게재됐다.

 Yonsei University’s (President Dong-seop Yoon) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seungjoo Haam's research team developed the Nano chip with 3D nanostructures arranged in a herringbone pattern, capable of capturing HER2-positive breast cancer-derived exosomes. This technology efficiently separated exosomes present in various body fluids such as plasma and urine, enabling the diagnosis and monitoring of HER2-overexpressing breast cancer.

Exosomes are extracellular vesicles, 30-150 nanometers (nm) in size, that are produced inside cells and released to the outside, and are reported to be participating in intercellular signaling. Exosomes contain various biological information such as proteins, nucleic acids and lipids from the parent cells and are composed of a lipid bilayer, which allows for very stable long-term storage.

The Nano chip developed by Professor Seungjoo Haam's team at Yonsei University is a microfluidic chip with a patterned 3D nanostructure. The microfluidic chip developed by Professor Ham Seung-ju's team at Yonsei University is a nanochip with a patterned 3D nanostructure. The nanochip effectively captures exosomes by inducing microfluidic mixing through the pattern and reducing hydrodynamic resistance between the exosomes and the surface of the structure in a porous form. It was confirmed that HER2-overexpressing breast cancer could be identified by selectively collecting HER2-overexpressing exosomes from plasma and urine and detecting them with fluorescence signals.

The research team formed a 3D nanostructure by stacking uniformly sized silica nanoparticles in a herringbone pattern, functionalized it by attaching an antibody that can selectively bind to exosomes to the surface of the structure, and fabricated it in the form of a microfluidic chip. It was confirmed that the separation efficiency was improved to 97.7% compared to existing unstructured and solid structured chip, and it was demonstrated that exosomes could be concentrated and captured or detected by fluorescence. In addition, it was verified that multiple types of exosomes could be captured from urine samples by connecting nanochips functionalized with different antibodies.

This study is expected to enable not only cancer diagnosis using body fluids, but also real-time monitoring of prognosis, treatment effectiveness and recurrence. In addition, effective exosome capture can contribute to research on exosome heterogeneity and signaling, and is expected to be applicable to various intractable diseases.

This research was conducted with Researcher Byeonggeol Mun (co-first author) and Researcher Hyein Jeong (co-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. The work was published in the prestigious journal of 'Chemical Engineering Journal’ on February 15 (local time).

Chemical Engineering Journal (2024) (IF: 15.1)
Published: February 15, 2024
https://doi.org/ 10.1016/j.cej.2024.148851