오스트리아빈공과대학(TU Wien)의 셀 칩 연구 책임자이자 교수인 Peter Ertl 박사와 이야기를 나누면서 저는 랩온어칩 기술에 대한 그의 연구에 대해 몇 가지 흥미로운 사실을 알게 되었습니다.이러한 작은 독립형 장치는 항암제 독성부터 혈뇌장벽 투과성까지의 모든 연구에 사용할 수 있습니다.이제 이 기술은 단 몇 분 만에 정확한 결과를 빠르게 제공할 수 있는 코로나19 진단 검사 방법을 개발하는 데 사용되고 있습니다.
Ertl박사가 보기에 현재 코로나19 진단 방법은 지금의 팬데믹을 적절하게 해결하는 데 필요한 속도, 감도 및 신뢰성이 모두 부족합니다.“한편으로, PCR을 통해 모든 것을 탐지할 수 있지만 PCR은 확장성이 없고 일반적으로 결과를 얻는 데 최대 24시간이 걸립니다.검사 결과는 며칠 동안만 유효합니다. 즉, 콘퍼런스 같은 장기적인 행사에는 갈 수 없습니다.측류 및 항원 검사 같은 현재의 대체 방법은 감도가 충분하지 않습니다.바이러스양이 많은 유증상자에게는 좋은 결과를 나타낼 수 있지만, 자신도 모르는 사이에 질병을 퍼뜨릴 수 있는 무증상자를 찾아내는 것도 마찬가지로 중요합니다.”
데이터 스트리밍이 가능한 바이오칩을 사용하여 효과적이고 효율적인 코로나19 진단 도구 개발
이러한 문제를 해결하기 위해Ertl 박사와 그의 팀은 위음성 반응을 없애면서 단 몇 분 만에 3~5개의 바이러스 입자를 확실히 탐지할 수 있는 바이오칩 기술을 개발했습니다.따라서 무증상자에게도 확진 판정을 내려 자가 격리를 통해 코로나19 확산을 막을 수 있습니다.
바이오칩은 자체 전원 공급 장치, 디스플레이 장치 및 데이터 무선 전송 기능을 갖추도록 설계되었습니다(그림 1).결과는 필수 역학 센터로 바로 그리고 즉시 전송할 수 있습니다.이 데이터 수집의 간소화는 정확한 확진자 수와 발발 현황을 보고하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.
그림 1.코로나19 바이오칩의 작동 방식을 보여주는 그림.바이오칩 기술은 미세유체 챔버에 고정된 항체 론을 사용합니다.이러한 론은 샘플에 존재하는 모든 대상 바이러스에 결합합니다(이 경우 코로나19를 유발하는 SARS-CoV 2 바이러스).그런 다음, 결합된 바이러스 입자에 2차 금 나노 입자로 표지된 항체가 결합합니다.이 단계에서 은 용액을 추가하면 은이 금과 반응하여 전도성 나노브리지를 생성합니다.그러면, 전류가 흐를 수 있고 LED를 활성화하거나 심지어 내장 통신 장치에 연결하여 데이터를 무선으로 전송할 수 있습니다.
코로나19 바이오칩 검사 유효성 확인에서 Olympus IXplore™ Live 셀 이미징 플랫폼의 역할
이 기술의 적절한 기능은 항체의 품질, 미세유체 챔버 표면에 항체가 얼마나 잘 고정되는지, 그리고 끼어든 전기 리드 사이의 간격에 따라 달라집니다.이 기능을 최적화하기 위해Ertl 박사와 셀 칩 연구팀은 다양한 고정화 전략을 테스트했습니다.Olympus IXplore™ Live 현미경 시스템과 2차 형광 표지 항체를 사용하여 바이오칩의 성공에 중요한 항체 밀도, 방향, 정렬 등의 주요 매개변수를 평가할 수 있었습니다(그림 2 참조).
그림 2.Olympus IXplore Live 현미경과 2차 형광 표지 항체를 사용하여 4배 배율로 유리 기판에서 염소-래트 IgG 항체 밀도의 고정화를 판단합니다.이 이미지는 형광 강도의 감소 수준에 따른 항체 농도의 감소 수준(왼쪽에서 오른쪽으로)을 보여줍니다.
Ertl박사는 이렇게 설명했습니다. “IXplore Live 시스템은 칩 개발을 강화하는 데 매우 유용했습니다. 이미지 분해능과 가격 면에서 우리 연구실에 필요한 것을 정확히 제공합니다.코로나19 연구 외에도 우리의 장기 칩(organ-on-a-chip) 프로젝트에 계속 사용되기 때문에 연구실에 꼭 필요한 기기가 되었습니다.특히 뛰어난 분해능, 저산소 챔버, 시스템을 공초점 이미징으로 업그레이드할 수 있는 기능은 우리 연구에 매우 유익합니다.”
암과 파킨슨병을 포함한 기타 질병에 대한 적용
바이오칩 기술은 바이러스 진단 플랫폼 외에도 다양하고 흥미로운 분야에 활용되고 있습니다.Ertl박사의 연구실에서는 조직 및 장기의 복잡한 3D 아키텍처를 복제할 수 있는 고급 미세유체 세포 배양 시스템(장기 칩 또는 조직 칩 장치라고 함)을 연구하고 있습니다.이러한 바이오칩은 조직의 구조와 기능을 조사하기 위한 생물학적 모델로 사용될 뿐만 아니라 암, 자가 면역, 신경 퇴행성 질환 같은 질병의 발생과 진행에 대한 인사이트를 제공하기도 합니다.
그림 3.TU Wein 연구팀이 Olympus IXplore Live 현미경을 사용하여 촬영한 이미지.이 이미지는 왼쪽에서 오른쪽으로 (1) TRITC 덱스트란 관류를 사용한 GFP 표지 HUVEC(20배 확대) (2) GFP 표지 HUVEC(4배 확대) (3) DAPI 표지 F액틴 및 VE 카드헤린(20배 확대)을 보여줍니다.14
Ertl박사는 IXplore Live 현미경이 장기 칩 연구를 위한 중요한 도구가 되었다고 설명했습니다.아키텍처가 실제 인체 조직 구조를 모방하는지 확인해야 하기 때문에 고분해능이 3D 세포 집합체를 검증하는 데 꼭 필요합니다.예를 들어, TU Wien 팀은 IXplore Live 현미경을 사용하여 림프계/혈관 인터페이스의 진행 그리고 칩 플랫폼에서 센서 통합 파킨슨병의 발생을 추적했습니다.파킨슨병 발생 추적 프로젝트에서 IXplore Live 현미경은 신경돌기 성장과 칼슘 이미징 연구의 중심에 있습니다.연구팀은 이 연구가 개인화된 인간 중뇌 모델로 이어져 파킨슨병의 신경 발달적 측면에 대한 이해를 높일 수 있기를 바라고 있습니다.
또한 이 팀은 IXplore Live 현미경과 저산소 챔버를 결합하는 기능은 거의 모든 미세유체 장치의 개발에 참여하는 이 연구실에서 선택하는 중요한 기능이라고 말했습니다.Ertl 박사 연구팀의 Sarah Spitz 연구원은이렇게 언급했습니다. “우리는 미세유체 장치 제작을 위한 다양한 재료의 산소 투과성을 연구하는 데 저산소 챔버를 주로 사용합니다.산소 투과성은 성장하는 세포의 산소 가용성에 영향을 미치기 때문에 중요한 매개변수입니다.이 설정과 칩 내의 통합 산소 센서를 사용해 이러한 특성을 매우 쉽게 판단할 수 있습니다.”
코로나19 너머 바이오칩 기술의 가능성
바이오칩에서 이루어지는 바이러스 검사는 진행 중인 팬데믹을 모니터링할 수 있는 빠르고 믿을 만한 도구의 가능성을 보여주고, 플랫폼에 대한 투자는 다른 질병의 진단에도 유익할 수 있습니다.자체 전원 공급이 되고 휴대 가능한 이 기술은 파키스탄의 B형 간염과 아프리카의 에볼라 등 백신 보관이 문제가 되는 지역이나 외딴 지역에서 발생하는 질병에 활용할 수 있습니다.마찬가지로, 장기 칩 기술의 미래에는 무한한 가능성이 있고 많은 질병 치료에서 뛰어난 발전을 가져올 것으로 보입니다.Ertl 교수는 코로나19 검사 분야에서 앞으로 몇 달 내에 최초의 산업용 프로토타입을 개발하기를 희망한다고 말합니다.
