[헬스코리아뉴스 / 이슬기] 용혈성요독증후군(HUS)을 유발하는 시가독소를 고감도로 검출하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후 기존 검출 방식보다 신속·간편한 바이오센서 기술개발에 기여할 것이란 기대를 낳고 있다.

용혈성요독증후군은 시가독소를 생산하는 장출혈성대장균 감염증의 일종으로 노폐물을 배설하고 체내 항상성을 유지하는 기능을 하는 중요한 장기인 신장(콩팥)이 불순물을 제대로 걸러주지 못해 체내에 쌓이면서 발생하게 된다. 다진 고기를 제대로 익히지 않거나, 오염된 칼과 도마로 조리한 야채 등을 통해서도 걸릴 수 있다. 이 질환은 심할 경우 과염증성물질 체내생성(싸이토카인 폭풍)을 동반한 급성 신부전증이 나타나며 혼수·마비 증상까지 이어지기도 한다.

해당 질환은 항생제 처리의 임상적 유효성이 없는 것으로 밝혀져 있다. 특히 HUS는 5~9세 이하의 유아·어린이들에게 집중된 법정감염질환으로서, 현재로서는 완치 가능한 치료법이나 저해제등이 개발되어 있지 않아, 주로 혈액투석에 평생의지하거나 장애를 안고 살아가고 있다.

뿐만 아니라, HUS 유발 핵심병인자인 장출혈성대장균이 인체 장상피표면으로 분비하는 시가독소는 장점막손상 후 혈액을 통해 신장세뇨관상피표면의 지질수용체(Gb3)에 특이적으로 결합하여 신장내로 침투하여 손상을 유발하는 것으로 알려져 있다.

현재 시가독소를 검출하기 위해 가장 많이 쓰이고 있는 PCR 검출법이나 항원-항체 시험법은 숙련된 기술자나 오랜 전처리시간, 그리고 현장에서 고감도로 판별하는데 한계가 있어왔다. 따라서 신속·간편·정확한 시가독소 검출기술개발이 필요한 상황이었다.

이런 문제를 해결하기 위해 한국생명공학연구원(생명연) 환경질환연구센터 이무승 박사와 국립한밭대학교 구치완 교수 공동 연구팀은 형광 기반의 시가독소 검출법을 이용한 휴대형 고감도 광학 검출기기를 개발하는데 성공했다. (크기: 약 17×13×9 cm3, 무게: 약 770g)

개발된 휴대형 검출기기는 고정밀 측정기기의 도움없이, 자체 시스템만으로 형광분자 검출을 할 수 있으며 110pM의 높은 민감도를 가진다. 이는 낮은 농도의 시가독소 단백질을 검출할 수 있게 한 것이다. 또한 마이크로컨트롤러를 이용하여 주변 컴퓨터나 기타 기기의 도움 없이 실시간으로 LCD디스플레이에 독소 검출 결과를 확인할 수 있다.

연구팀은 “이번 연구성과는 우리 실생활 먹거리나 많은 농식품 재료에 오염될 수 있는 시가독소생산 대장균, 리스티리아, 살모넬라 등에 의한 감염체를 오류없이 검출하는 휴대용 검출기기 개발의 기반이 될 수 있을 것”이라고 기대했다.  

그러면서 “개발된 휴대형 광학검출기는 다른 종류의 바이오·의료 샘플 분석에도 사용될 수 있을 것이며, PCR 기기의 진단속도 및 정확도를 높이는 데에도 활용될 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

이번 연구결과는 생물학 분야의 저널인 플로스원(Plos One) 7월 16일자(한국시각 7월17일) 온라인 판에 게재됐다.

[용어설명]

*시가독소(Shiga toxins) : 장출혈성대장균이 병원체외부로 뿜어내는 대장균독성단백질로, 인체에 강하게 부착하여 콩팥, 중추신경계 등 우리 몸의 중요장기의 기능에 장애를 직접적으로 유발하는 독소다. 

*장출혈성대장균(EHEC) : 보통의 대장균과 다르게 시가독소라고 하는 독성물질을 10개의 변이서열과 함께 오염원에 분비하는 따로 분류된 병원성대장균이다. 주로 가축의 분변으로 오염된 토양이나 그곳에서 수확한 야채, 다진고기, 반추동물의 장내 등이 이 병원균의  주요 병원보유체(reservoir)로 알려져 있다. 

*용혈성요독증후군(Hemolytic Uremic Syndrome) : 여름철 자주 발생하는 제1군 법정 감염병인 장출혈성대장균감염증(출혈성 장염)의 합병증이다. 1982년 미국 패스트푸드점에서 장출혈성대장균감염증 환자 중 HUS가 처음 집단 발병했을 때 원인이 된 음식이 햄버거여서 '햄버거병'으로 알려졌지만, 이는 정확한 명칭이 아니며 소고기뿐만 아니라 돼지, 양, 닭, 다른 고기와 분변에 오염된 유제품, 채소도 감염원이 될 수 있다. HUS는 우리 몸의 혈류내 면역세포에 강하게 결합한 상태로 이동한 병원균의 독소 등에 의해 적혈구가 비정상적으로 파괴되면서 손상된 적혈구가 콩팥의 여과 시스템에 찌꺼기처럼 끼어 기능 손상을 초래하며, 미세혈관병증 용혈성 빈혈, 혈소판 감소증, 급성신부전, 중추신경계장애 등이 나타난다. 

[연구팀 인터뷰]

Q. 이번 성과 뭐가 다른가.

"실시간으로 시가독소를 광학적으로 검출하는 휴대형 검출기기를 개발한 것이다. 컴퓨터 및 고정밀 측정기기의 도움없이, 자체 시스템만으로 측정이 가능하며, 110 pM의 높은 민감도를 가졌다. 다른 고민감도 광학측정시스템은 1 pM이나 150 pM을 갖지만, 고정밀 측정 기기는 크기가 큰 편이다." 

Q. 어디에 쓸 수 있나. 

"현장에서 시가독소를 감지하는 휴대형 검출기기에 적용할 수 있다. 광학기반의 생물학적/의료적 샘플 검출기기에 고민감도를 적용하기 위해 활용될 수 있다."

Q. 실용화까지의 시간은 얼마나 걸릴 것으로 예상하나.

"본 연구에서는 시가독소의 여부를 감지하는 휴대용 광학검출기기 개발로, 측정에 사용된 샘플은 연구실에서 정제된 시가독소나 시가독소와 결합된 세포였다. 실제 현장의 음식물에서 측정용 샘플을 준비하는 시스템이 필요하고 이는 약 3~4년 후면 개발될 수 있을 것으로 예상한다."

Q. 실용화를 위한 과제는 뭐라 생각하나.

"시가독소와 결합하는 수용체를 현장 검출용 칩에 고정화하는 기술을 확립하고, 현장에서 식품 샘플을 측정에 맞게 처리해주는 전처리과정을 위한 시스템이 개발되어야 한다."

Q. 연구를 시작한 계기는.

"8년전 토마토 농장에서 박테리아 및 바이러스를 조기에 감지할 수 있는 휴대형 실시간 PCR 기기를 개발하면서, 현장 진단이 가능한 휴대형 기기에 관심이 많아졌다. 작게 만들면서도 정확도와 민감도를 유지하는 것이 쉽지 않았다. Texas A&M University 재학중에 알게 된 두 연구자가 대전에서 다시 만나게 되어 같이 연구할 수 있었다."

Q. 꼭 이루고 싶은 목표가 있다면.

"유행성 질병을 현장에서 더 빠르면서도 정확하게 감지할 수 있는 방법을 개발하고 싶다. 현재 개발된 감지법들은 빠른 것은 민감도가 떨어지고, 민감도가 높은 방법은 속도가 느린 단점이 있다."

Q. 신진연구자를 위해 조언이 있다면. 

"다양한 분야의 연구자들을 만나보고 서로의 연구에 대해 의견을 나눠보라고 권하고 싶다. 대전의 대덕연구단지는 우리나라에서 제일 많은 이공계박사들이 모여 있는 곳이다. 새로운 융합 연구에 대한 아이디어를 많이 얻을 수 있을 것으로 본다."

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