일반 스피너와 IBS 첨단연성물질 연구단이 개발한 세균 진단용 스피너(위) 진단용 스피너의 작동원리 (기초과학연구원 제공) 2020.05.19 / 뉴스1

기초과학연구원(IBS)은 첨단연성물질 연구단 조윤경 교수 연구진이 장난감 '피젯 스피너’를 닮은 수동 진단 기구를 발명했다고 19일 밝혔다. 세균성 감염질환은 복통·유산·뇌졸중 등 다양한 증상으로 나타난다. 세균에 감염됐는지 알아보기 위해서는 배양 검사가 필요한데 보통 하루 이상 걸린다. 의료 인프라가 부족한 개발도상국에서는 시설이 부족해 배양 검사에 일주일까지 걸리기도 한다. 

연구진의 이번 발명품은 세균 감염성 질환 진단을 1시간 이내로 줄이면서 100%에 가까운 진단 정확도를 보여 의료 인프라가 부족한 오지에서 항생제 오남용을 줄일 것으로 기대된다.

개발도상국의 작은 의원에서는 긴 기간이 걸리는 배양 검사를 하지 않고 증상만으로 항생제를 처방하는 경우가 있다. 실제 감염균에 맞지 않는 항생제를 사용하면 세균이 내성을 가지면서 점점 더 높은 단계의 항생제가 필요해진다. 이러한 상황이 반복되면 항생제로 해결할 수 없는 다제내성균(슈퍼 박테리아)까지 출현할 수 있다. 정확한 진단 결과에 따른 적절한 처방을 통해 내성 문제를 줄일 수 있다. 

이런 상황에서는 '칩 위의 실험실'(lab on a chip)이라고 불리는 기술이 이용되기도 한다. 이 기술은 말 그대로 조그만 칩 위에 각종 기계와 시약 등을 장치해 실험실에서 이뤄지는 각종 처리 과정이 소규모로 일어나게 만드는 기술이다. 이 기술을 활용하면 적은 양의 시료로도 분석할 수 있을뿐더러 장비·시간·인력을 아낄 수 있다. 다양한 종류의 칩 위의 실험실 중 하나인 미세유체칩은 100만 분의 1미터 규모의 구조물에 시료를 흘려 여러 실험을 한 번에 처리한다. 문제는 일반적으로 조그만 칩 안에서 시료를 이동시키기 위해서는 복잡한 펌프나 회전 장치 등 제어 장비가 필요해 개발도상국이나 오지에서 사용하기 어려울 수 있다는 것이다.

연구진은 적은 힘으로도 빠르게 오랫동안 회전하는 '피젯 스피너' 장난감에 착안해 손으로 돌리는 미세유체칩을 구상했다. 피젯 스피너는 마찰이 작은 축(베어링)을 중심으로 돌아가게 설계된 간단한 장난감으로 한 번 돌리면 수 분까지 돌아간다.

이번 발명품을 이용하면 진단용 스피너에 소변 1밀리리터(mℓ)를 넣고 1,2회 돌리면 회전으로 인해 5분 후 병원균이 100배 이상 농축된다. 필터 위에 농축된 세균에 검출 시약을 넣고 기다리면 살아있는 세균의 농도와 종류를 알아낼 수 있다.

세균이 특정 항생제에 내성을 가졌는지도 확인할 수 있다. 내성을 확인할 항생제와 소변을 섞어 진단용 스피너에 넣고 농축시킨 뒤, 세균이 살아있는지 여부를 시약 반응으로 확인한다. 이 과정은 농축에 5분, 반응에 각각 45분이 걸려 2시간 내에 감염과 내성 여부를 모두 진단할 수 있다.

기존의 회전형 미세유체칩은 물질이 가장자리로 몰려, 유체를 처리하기 위해 더 큰 압력이 필요하지만, 진단용 스피너는 유체의 압력 및 저항성을 맞추어 유체 처리 효율을 높였다(a) 기존 방식과 진단용 스피너의 유체 처리 후 필터 비교 사진(b) 진단용 스피너의 유체 처리에는 기존 미세유체칩보다 매우 적은 원심력으로 유체처리가 가능하므로 1~2번의 작동만으로 1mℓ 의 유체를 처리할 수 있다는 그래프(c-e) (한국기초연구원 제공) 2020.05.18 / 뉴스1

회전을 이용해 혼합물 액체 중 필요한 물질만 농축하고 필요없는 액체를 처리하는 데는 공기가 문제가 된다. 시료를 거르는 필터 아래쪽에 공기가 있으면 액체를 통과시키는 데 막힘 현상이 일어나 큰 압력이 필요하기 때문이다. 연구진은 이 문제를 교신저자인 조윤경 교수가 2014년 개발한 'FAST'(액체 보조 분리 기술, fluid-assisted separation technology)를 응용해 돌파했다. 필터 아래쪽에 적절한 액체를 채우면 마중물처럼 작용해 거름 현상이 필터 골고루 일어난다. 그 결과 손힘과 같이 상대적으로 적은 압력을 가지고 충분히 시료를 농축할 수 있다.

진단 스피너 검사의 신뢰도를 파악하기 위해 인도 티루치라팔리 시립 병원에서 자원자 39명을 대상으로 병원의 배양 검사와 비교하는 실험이 행해졌다. 연구진은 "실험 결과 진단스피너로 검사 결과를 1시간 이내에 확인했고 병원에서 배양에 실패한 경우까지 진단해 냈다"며 "이에 따라 현지의 일반적인 처방으로는 59%에 달했을 항생제 오남용 비율을 0%로 줄일 수 있다"고 밝혔다.

연구를 이끈 조윤경 교수는 "이번 연구는 미세유체칩 내 유체 흐름에 대한 기초연구를 토대로 새로운 구동법을 개발했다는 의미가 있다"며 "항생제 내성검사는 고난도인데다 현대적인 실험실에서만 가능했는데 이번 연구로 빠르고 정확한 세균 검출이 가능해져 오지에서 의료 수준을 증진시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링'(Nature Biomedical Engineering)에 게재됐다.


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