연세대학교 (총장 윤동섭) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 HER2 과발현 유방암 모델링 마우스 소변에서 비색변화를 통해 HER2 과발현 엑소좀을 선택적으로 검출하고 자석을 이용하여 성공적으로 분리했다.

Polydiacetylene (PDA)은 다양한 외부 자극 (온도, pH, chemical 등등)에 의해 파랑색에서 붉은 색으로 변하는 특징을 가지는 양친매성 고분자이다. 양친매성 고분자는 좀 형태로 만들기 용이하기 때문에 PDA에 인지질을 추가하여 좀 형태의 나노 입자를 합성한 후 외부에 자성 나노입자 (magnetic nanoparticle)를 부착하여 자기장으로 분리가 가능하도록 센서를 설계하였다. 최종적으로, 합성된 자성 나노입자-PDA 복합체에 HER2 과발현 엑소좀과 특이적으로 반응할 수 있는 antibody를 개질하였다.

설계된 나노 센서는 HER2 과발현 엑소좀과 선택적으로 반응하여 푸른색에서 붉은색으로 비색 변화가 가능함과 동시에 외부에 결합된 자성 나노입자의 존재로 기존의 검출 센서가 검출된 엑소좀을 분리하지 못했던 한계를 극복하였다. 본 연구팀이 개발한 나노 센서는 타겟 엑소좀의 검출과 동시에 분리를 진행할 수 있는 새로운 종류의 센서이다. 마지막으로 유방암 모델링 마우스 소변을 이용하여 센서의 성능을 평가하였다. 본 연구팀이 개발한 자성 나노입자-PDA 복합체는 HER2 과발현 유방암 마우스의 소변에서만 붉은색으로 변하였고, 이것을 눈으로 확인할 수 있었다. 대조적으로 건강한 마우스 소변에서는 변화하지 않았습니다. 또한, 자석을 이용하여 HRE2 과발현 유방암 유래 엑소좀을 분리할 수 있었다.

특히, 이번 연구의 핵심은 기존 엑소좀 검출 센서들 처럼 타겟을 검출하는 것에서 끝나는 것이 아니라 분리를 동시에 할 수 있다는 것에 있다. 간단하고 직관적인 색 변화를 통한 검출로 의료 인프라가 열악한 저소득 및 중간 소득 국가 (LMIC; low-and middle-income countries )에서 값비싼 장비와 복잡한 절차를 대체할 수 있는 진단 플랫폼이 될 수 있을 것이라 기대된다. 또한, 이 플랫폼의 임상적 적용성을 명확하게 검증하기 위해 환자 샘플에 대한 성능 평가를 수행할 계획에 있다. 그리고 이 플랫폼에 다양한 항체를 적용하면 액체생검을 기반으로 한 다른 암이나 질병 진단에도 센서 확장이 가능하다.

연세대 함승주 교수는 “엑소좀의 검출과 동시에 분리를 진행하는 것은 질병 진단 및 치료과정에 있어 시간을 매우 단축할 수 있고, HER2 과발현 유방암의 현장 진단을 위한 액체생검 센서로서의 잠재력을 갖고 있으며 비전문가와 LMIC에서 쉽게 사용할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 NRF를 통한 나노소재기술개발 사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 김륜형 연구원과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘스몰 (Small)’에 표지로 23년 11월 14일자 (현지시간)로 게재됐다.

 Yonsei University’s (President Yoon, Dong Sup) department of chemical and biomolecular engineering Professor Seungjoo Haam's research team developed the a magnetic-polydiacetylene nanoparticles for colorimetric detection of HER2-overexpressing-cancer-derived exosomes in mouse urine.

Polydiacetylene (PDA) is an amphiphilic polymer that changes color from blue to red in response to various external stimuli (temperature, pH, chemicals, etc.). Liposome-shaped nanoparticles were synthesized by adding lipids to PDA, an amphipathic polymer, and magnetic nanoparticles were attached to the outside to enable separation using a magnetic field. Finally, the synthesized magnetic nanoparticle-PDA complex was modified with an antibody that could specifically bind to exosomes overexpressing HER2.

The designed nanosensor can selectively react with HER2-overexpressing exosomes and change colorimetrically from blue to red. Due to the presence of externally bound magnetic nanoparticles, the detected exosomes could be separated, thereby overcoming the limitations of existing exosome detection sensors. The nanosensor developed by our research team is a new type of sensor that can detect and simultaneously separate target exosomes. Finally, the performance of the sensor was evaluated using mouse urine modeling breast cancer. The magnetic nanoparticle-PDA complex developed by our research team turned red only in the urine of HER2-overexpressing breast cancer mice, and this could be confirmed with the naked eye. In contrast, there was no change in healthy mouse urine. Additionally, exosomes derived from HRE2-overexpressing breast cancer could be separated using a magnet.

In particular, the key point of this research is that it can simultaneously perform target detection and separation, which existing exosome detection sensors were unable to do. We hope that detection through simple and intuitive color change can become a diagnostic platform that can replace expensive equipment and complicated procedures in low- and middle-income countries (LMIC) with poor medical infrastructure. Additionally, we plan to perform performance evaluations on patient samples to clearly validate the clinical applicability of this platform.

Professor Seungjoo Haam of Yonsei University replied, “Detecting and simultaneously isolating exosomes can significantly shorten the time of disease diagnosis and treatment processes, has potential as a liquid biopsy sensor for point-of-care diagnosis of HER2-overexpressing breast cancer, and can be easily used even by non-specialists and in LMICs. And by applying various antibodies to this platform, the sensor can be expanded to diagnose other cancers or diseases based on liquid biopsy.”

This research was conducted with Researcher Ryunhyung Kim (first author) of Professor Seungjoo Haam's research team with the support of the Nano-Material Technology Development Program through the NRF funded by the Ministry of Science and ICT. The work was published in cover the prestigious journal of ‘Small’ on 14 November 2023 (local time).

Small (2024) (IF: 13.)
Published: November 14 2023
https://doi.org/10.1002/smll.202307262