연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 자성 입자 활용, 유방암 특이적 엑소좀을 다중 분리할 수 있는 미세 유체 칩을 개발했다.

엑소좀은 세포 내에서 생성 되어 외부로 방출되는 소포체의 일종이다. 엑소좀은 세포간 정보 교환을 위해 분비되며 이에 따라 단백질, RNA, DNA 등의 생체물질이 담겨 있다. 엑소좀은 크기가 30nm~150nm로 형성 되어 있는 것을 특징적으로 언급하며 체내에서 매우 안정적이다. 환자 체액 내 엑소좀 분석은 체액 내 엑소좀 분석은 최근 혁신적이고 유망한 액체 생검 방법으로 최근 주목 받고 있다. 그러나 분석에 적합한 농도의 엑소좀을 불순물로부터 얻는 것은 기존 방식의 한계였다.

연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세 유체 칩은 자성체 크기에 따른 자화도 차이를 보이고 이를 활용하여 질환 특이적 엑소좀을 분리한다. 이에 따라, 기존의 엑소좀을 무작위르 분리하는 것과 달리 특정 마커가 노출되어 있는 엑소좀을 특이적으로 분리할 수 있다. 질환 특이적 엑소좀은 검진하고자 하는 질환의 특징적인 생체 분자 (단백질, RNA, DNA)를 함유 하고 있으며 정확한 질환 진단에 활용 가능하다.

연구팀은 자성체 차이에 의한 미세 유체칩을 개발하기 위해, 200nm 및 400nm 크기의 자성체를 제작하였으며 이를 실리카 개질하여 항체를 결합하였다. 여기서 항체는 유방암 특이적 마커인 HER2 단백질의 항체를 사용하여 진행하였다. 이를 통해 소변 내 HER 2가 발현된 엑소좀을 특이적으로 분리 및 검출함으로써 유방암 여부 및 치료약에 따른 유방암의 진행 정도를 파악 할 수 있음을 확인하였다.

특히, 이번 연구의 핵심은 기존에 복잡한 과정을 최소화 하여 진행할 수 있으며 비침습적으로 샘플을 분리 및 진단 할 수 있다는 점이다. 본 연구의 효과를 확인 하기 위해 실제 쥐 모델을 활용하여 암 세포 크기 및 진행 정도에 따른 소변을 채취하여 검증하였을 때 유방암 진행 정도에 따라 특이적으로 신호가 발현 되는 것을 확인하였다.

이 연구를 통해 소변을 활용한 암 진단이 가능해 질 뿐만 아니라 암의 진행 정도를 파악 할 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서 진행한 유방암 뿐만 아니라 항체를 변경하여 복수의 암 진단에 활용 할 수 있으며 암 뿐만 아니라 엑소좀을 활용해 진단 가능한 다양한 불치병에 적용 가능할 것으로 판단된다.  

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.

A research team led by Prof. Seungjoo Ham of the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University (President Seung-Hwan Seo) has developed a microfluidic chip that utilizes magnetic particles for multiple isolation of breast cancer-specific exosomes.

Exosomes are a type of endoplasmic reticulum that is produced inside the cell and released to the outside. Exosomes are secreted for information exchange between cells and contain biomaterials such as proteins, RNA, and DNA. Exosomes are characterized by a size of 30 nm to 150 nm and are very stable in the body. The analysis of exosomes in patient body fluids has recently gained attention as an innovative and promising liquid biopsy method. However, obtaining the right concentration of exosomes for analysis from impurities has been a limitation of existing methods.

The microfluidic chip developed by Seungjoo Ham and colleagues at Yonsei University shows differences in magnetization depending on the size of the magnet and uses this to isolate disease-specific exosomes. As a result, exosomes with specific markers can be specifically isolated, unlike the random isolation of existing exosomes. Disease-specific exosomes contain biomolecules (proteins, RNA, DNA) characteristic of the disease to be examined and can be used for accurate disease diagnosis.

In order to develop a microfluidic chip based on the difference in magnetic materials, the research team fabricated magnetic materials of 200 nm and 400 nm size and combined them with antibodies by modifying silica. In this case, the antibodies were directed against the HER2 protein, a specific marker for breast cancer. The results showed that by specifically isolating and detecting HER2-expressing exosomes in urine, it is possible to determine the presence of breast cancer and its progression in response to treatment.

In particular, the key point of this study is that it can be carried out by minimizing the complexity of the existing process, and the sample can be separated and diagnosed non-invasively. To verify the effectiveness of this study, we used a rat model to collect urine according to the size and progression of cancer cells, and found that the signal was expressed specifically according to the progression of breast cancer.

This study is expected to enable the diagnosis of cancer using urine, as well as to identify the extent of cancer progression. In addition to breast cancer, this study can be used to diagnose multiple cancers by changing antibodies, and it is believed that it can be applied to various incurable diseases that can be diagnosed using exosomes, not just cancer. 

The research was supported by the Nanomaterial Technology Development Project, Bio-Medical Technology Development Project, Emerging Infectious Disease Response Platform Core Technology Development Project, and Biological Risk Factor Management Technology Development Project promoted by the Ministry of Science and ICT, and was conducted by Dr. Byeonggeol Mun (first author) along with Professor Seungjoo Ham's research team and Dr. Eun-kyung Lim (co-corresponding author) of the Korea Biotechnology Research Institute and published on November 1 (local time) in world's leading scientific journal Biosensors & Bioelectronics.

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