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혈중 대사산물 정확하게 측정하는 바이오센서 개발
2019-06-12 09:00:03
김성은
▲혈중 대사산물을 정확하게 측정할 수 있는 바이오센서가 개발됐다(출처=픽사베이)

[메디컬리포트=김성은 기자] 혈중 대사산물을 정확하게 측정할 수 있는 신형 바이오센서가 개발됐다. 이 편리한 측정 도구는 선천성 대사이상 질환인 페닐케톤뇨증 같은 다양한 질환을 진단하기 위해 사용할 수 있다. 막스플랑크의료연구협회와 로잔공과대학 연구팀이 개발한 이 바이오센서는 손가락 끝에서 소량의 혈액을 채취해 대사산물을 측정하고 질병의 징후를 감지할 수 있는 것이 특징이다.

혈중 대사산물을 측정할 수 있는 새로운 바이오센서

대사산물은 신진대사의 최종 산물로 생성되는 작은 분자다. 세포 내 효소가 대사 반응을 하면 이 미세한 분자가 존재하게 된다. 혈액 속에 있는 여러 대사산물은 사람의 건강 상태와 현재 질병, 식단, 생활습관을 가르쳐주는 지표로 활용할 수 있다. 이러한 혈중 대사산물에는 항산화 물질과 카르노신, 류신 등이 있다.

독일과 스위스 합동 연구팀은 의료적 진단에 혈액 대사산물을 활용할 수 있는지 그 잠재력을 연구, 혈액 대사산물을 측정할 수 있는 신형 바이오센서를 개발했다. 신형 바이오센서와 기존에 사용하던 임상 모델을 비교한 결과, 신형 바이오센서는 소량의 혈액으로도 대사산물을 탐지할 수 있었고 단시간 내에 정확한 결과를 도출할 수 있었다.

“혈액 분석으로 대사산물을 측정할 수 있는 기본적으로 새로운 메커니즘을 도입했다. 즉, 새로운 분자형 도구를 개발한 것이다”라고 막스플랑크의료연구협회의 치우리양 유 박사는 말했다.

신형 바이오센서는 발광형 단백질이 들어있는 간단한 종이 기반의 순도 분석법을 사용해 만들었다. 연구팀은 이 단백질이 보조인자인 니코틴아미드 아데닌 디누우클레오티드(NADPH)와 접촉하면 색이 변하도록 조작했다. 

NADPH는 효소 촉매 반응이 일어나는 동안 생성되는 보효소다. 단백질이 NADPH로 인해 색이 바뀌면, 임상 전문가는 특정 대사산물의 농도를 알기 위해 빛의 색을 분석할 수 있게 되는 것이다.

연구팀은 여러 가지 다른 효소 촉매 반응을 처리할 수 있는 바이오센서를 개발할 수 있게 됐다. 그리고 이 바이오센서는 글루타민산염, 글루코스 및 페닐알라닌을 포함한 수많은 대사산물을 위한 정량적 현장 분석을 위해 사용할 수 있다.

신형 바이오센서는 어떻게 사용하는가?

임상적 환경에서 사용하는 경우 의사는 먼저 채혈기를 사용해 환자에게서 혈액 한 방울을 채취한다. 1초 이내에 혈액에 반응용 완충 용액을 추가한 후 바이오센서기에 적용한다. 대사산물과 NADPH가 접촉하면 대사산물 유형을 바탕으로 빛이 방출된다. 그리고 카메라나 스마트폰으로 이 방출된 빛을 탐지할 수 있다. 예를 들어, 바이오센서에 페닐알라닌을 넣으면 NADPH의 빛이 파란색에서 빨간색으로 변한다. 파란색과 빨간색의 비율은 혈액 샘플의 대사산물의 농도에 따라 달라진다.

전체 분석 과정은 10~15초 정도 소요되며 임상 실험실에서 현재의 분석법과 유사한 정도로 정확한 결과가 도출된다. 바이오센서가 상업적으로 이용 가능해지면, 환자들은 혈액 대사산물을 자가 검사해 증상을 확인할 수 있게 될 것이다. “테스트를 자동화하고 보다 간소화할 방법을 연구 중이다”고 유 박사는 추가했다.

질병 관찰에 적용 가능성

선천성 페닐케톤뇨증(PKU)은 희귀한 유전성 질환으로 페닐알라닌 대사산물의 비정상적인 축적과 관련이 있다. 이 대사산물이 비정상적으로 축적되는 원인에는 대사산물을 분해하는 데 사용되는 특정 유전자의 결함 때문이다.

메이오클리닉에 따르면, PKU의 증상은 신체적인 것부터 정신적인 것까지 매우 광범위하다. 신체적인 증상에는 피부가 하얗게 변하고 눈동자가 파랗게 되며 습진과 악취, 소두증 등이 있다. 정신적인 증상에는 지적 장애와 행동 및 정서적 장애 등이 있다.

PKU 환자들은 단백질이나 아스파탐이라는 인공 감미료가 함유된 음식을 섭취하면 심각한 건강상 문제가 나타날 수 있다. 이러한 종류의 식품을 섭취하면 체내에 페닐알라닌이 증가하고 영구적인 두뇌 손상과 다른 문제가 발생하게 된다. PKU 환자는 이번에 개발한 바이오센서가 상용화되면 가정에서 편하게 페닐알라닌 수치를 규칙적으로 검사할 수 있게 될 것이다.

▲선천성 페닐케톤뇨증은 페닐알라닌 대사산물이 비정상적으로 축적되는 것과 관련이 있는 유전성 질환이다(출처=123RF)

선천성 페닐케톤뇨증의 치료 

현재까지 선천성 페닐케톤뇨증에 대한 회복 방법은 개발되지 않았다. 성인에게 유일한 효과적인 치료법은 특별 식단이다. 이 식단은 페닐알라닌 섭취를 줄이기 위해 제한된 양의 단백질이 포함되어 있다.

영아 PKU 환자의 경우 특별하게 제조한 분유를 권장하고 있다. 이 특수 분유에는 대사산물을 제외하고 성장에 필요한 모든 영양소가 들어있다. 모유수유를 원할 경우 먼저 의사와 상의를 해야 한다. 의사는 특수 분유와 모유를 혼용하는 방법을 권할 수 있을 것이다.

[메디컬리포트=김성은 기자]


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