- 35년 학계 난제 해결…20년 로슈 독점 기술 대체 가능
- 신호강도 180배 향상…Cell Reports Physical Science 표지 선정
- 현장진단 적용 가능…응급실·의료취약지 정밀진단 실현 가능
이번 성과는 학술지 Cell Reports Physical Science 최신호(10월 15일자) 표지 논문으로 선정됐다. 연구에는 신익수 교수(교신저자), 이학호 교수(교신저자), 전상현 연구원(공동1저자, 숭실대), 조영관 연구원(공동1저자, 하버드 의대)이 참여했다.
전기화학발광 기술은 전기를 가해 화학물질의 산화환원 반응을 유도해 빛을 발생시키는 원리로, 극미량의 질병 표지자를 검출할 수 있는 차세대 정밀진단 기술이다. 기존 형광검출법 대비 100배 이상 높은 감도를 제공하며, 암 조기진단, 감염병 진단, 심혈관질환 마커 검출 등에 활용되고 있다.
이 기술에서 빛 신호 생성을 위해서는 '공반응물(Coreactant)'이라는 특별한 화학물질이 필수적이다. 1990년 tri-n-propylamine(TPrA)이 학계에 처음 보고된 이후, 이 물질은 지난 35년간 사실상 유일한 선택지였다.
글로벌 진단기업 로슈진단(Roche Diagnostics)이 TPrA 특허를 바탕으로 지난 20여 년간 전 세계 시장을 독점해 왔다. 로슈진단은 2020년 기준 체외진단 부문에서만 42억 달러(약 6조 원)의 매출을 올리며 전 세계 시장 점유율 1위를 유지하고 있다.
국내에서도 주요 대학병원과 종합병원 중앙검사실에 로슈진단의 TPrA가 독점적으로 공급되며 기술 종속 상태가 지속됐다. 그러나 TPrA는 한계가 분명했다. 화학적 불안정성으로 공기 중에 쉽게 분해되고, 독성이 강하며, 소수성으로 인해 생체분자와의 호환성이 떨어진다.
이 때문에 대형 병원 중앙검사실에서는 사용할 수 있었지만, 환자 곁에서 즉시 진단할 수 있는 현장진단(Point-of-Care Testing)에는 적용할 수 없었다. TPrA를 대체할 수 있는 새로운 공반응물 개발은 35년간 학계의 숙제로 남아있었다.
숭실대-하버드 공동연구팀은 TPrA를 완전히 대체할 수 있는 새로운 공반응물 '4-DMAP(4-(dimethylamino)pyridine)'을 개발했다.
4-DMAP은 기존 TPrA 대비 ECL 신호 강도 180배, 검출 민감도 400배 향상된 성능을 보였다. 피코몰(pM) 수준의 극미량 물질까지 검출할 수 있으며, 저장 안정성도 개선됐다.
4-DMAP은 상온에서 6개월 이상 분말 형태로 안정적으로 보관할 수 있다. 논문에 따르면 TPrA 용액은 30일 후 황색으로 변색 됐지만, 4-DMAP은 180일 후에도 투명한 상태를 유지했다. 변이계수(CV)도 TPrA는 19.4%였으나 4-DMAP은 3.0%로 신호 재현성이 높았다.
무엇보다 4-DMAP은 수용성이 높고 생체 친화적이어서 휴대용 기기 및 현장진단에도 적용할 수 있다. 기존 TPrA는 180mM 농도가 필요했으나, 4-DMAP은 10mM 농도에서도 우수한 성능을 보였다.
연구팀은 실제 임상 시료로 4-DMAP의 성능을 검증했다. 대장암 환자 혈장에서 세포외소포체(extracellular vesicles) 검출 실험에서 기존 TPrA 대비 200배 이상 높은 민감도를 확인했다. 코로나19 중화항체 검출에서는 타액 시료만으로도 정확한 진단이 가능했다.
이번 성과로 응급실이나 중환자실에서 환자를 즉시 진단할 수 있어 골든타임 확보가 가능해진다. 암, 감염병, 심혈관질환의 조기 발견에도 기여할 수 있다. 특히 의료 인프라가 부족한 농어촌이나 취약지역에서도 대학병원 수준의 정밀진단을 실현할 수 있어 의료 접근성이 향상될 전망이다.
전 세계 현장진단 시장은 2025년 500억 달러 규모로 예상된다. 국산 기술 기반의 진단기기 개발과 글로벌 시장 진출에도 기여할 것으로 보인다.
신익수 교수는 "35년간 학계의 난제였던 TPrA 대체 물질을 개발했다는 점에서 학술적 의미가 크다"라며 "20년간 지속된 외산 독점 체제를 우리 기술로 돌파했다는 데도 의미가 있다"라고 말했다.
공동연구팀은 "중앙검사실 수준의 고성능을 현장진단기기에서도 구현할 수 있는 길을 열었다"라며 "진단기술의 적용 범위를 확장해 환자 치료에 신속하고 정확하게 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
신 교수는 2012년부터 숭실대 화학과 교수로 재직 중이며, 전기화학발광 분야 연구를 진행해 왔다. 2022년 9월에는 급성 패혈증 및 코로나 중증 환자 진단 바이오센서 시스템을 개발해 Science Advances 표지 논문으로 게재한 바 있다.
bjlee@beyondpost.co.kr
