KR101339927B1 - 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩 - Google Patents

자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩 등에 관한 것으로, 본 발명의 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩은 생체 외에서 자기센서를 이용하여 바이오 물질의 손상을 탐지하기 때문에 생체의 자가회복에 의해 영향을 받지 않기 때문에 정확한 바이오 물질의 손상을 탐지할 수 있고, 또한 높은 민감도를 나타내어 소량의 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 손상도 검출할 수 있다.

Description

자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩{The detection method of biomaterial damage by radiation using magnetic sensor, and magnetic sensor biochip for biodosimeter using the same}
본 발명은 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩 등에 관한 것이다.
바이오칩(Biochip)은 DNA, 항체, 리간드 등 생체에 있는 다양한 바이오 물질을 유리, 플라스틱 등의 재질로 된 기판 위에 집적시켜 제조한 칩으로, 프로브를 이용하여 특정 유전자의 존재여부를 체크하는 유전자형 DNA 칩(genotyping chip), 특정 질환 관련 유전자의 발현 양상을 체크하는 유전자발현양상 DNA 칩(gene expression chip), 혈액, 소변 등과 같은 생체 시료 내의 생리활성물질의 존재여부 및/또는 반응여부를 측정하는 유체의 흐름을 이용한 미세유체소자(microfluidics chip) 등으로 크게 나뉜다. 바이오칩에 집적된 바이오 물질을 이용하여 유전자 정보, 단백질 정보 등 다양한 정보를 대량으로 자동화하여 분석할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 신호를 이용하여 DNA, 항체, 리간드 등의 생리활성물질의 존재여부 및/또는 기능을 신속하고 손쉽게 분석할 수 있다. 따라서 최근에는 유전자 및 단백질 연구 분야, 의약, 농업, 식품, 환경, 화학산업 등 다양한 분야에서 바이오칩의 응용이 활발하게 이루어지고 있다.
한편, 도시미터(dosimeter)는 일정 기간 내에 방사선에 의하여 피폭된 방사선의 총량을 측정하는 장치로서, 방사선의 전리효과(ionizing effect)를 이용하는 물리적 도시미터와 방사선에 조사된 생물체의 혈액을 분석하여 방사선의 효과를 측정하는 바이오 도시미터로 나눌 수 있다.
이 중 물리적 도시미터는 방사선이 조사된 물질의 전자방출을 전자 장치로 측정하는 장치로서, 피폭된 방사선의 총량을 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있으며, 필름배지(film badge), 유리 선량계, 열형광 선량계(TLD), 포켓 도시미터(pocket dosimeter) 등 다양한 형태로 제품화 되어 있다. 그러나 물리적 도시미터의 경우에는 방사선에 피폭되는 생물체와는 분리되어 있으므로 방사선에 의한 생체 효과를 알 수 없다는 단점이 있다. 반면 바이오 도시미터는 방사선에 피폭된 생물체의 혈액, 세포 등을 추출 및 분석하는 장치로서, 피폭된 방사선에 의한 생체 효과를 측정할 수 있으나 분석하는데 장시간이 소요되기 때문에 분석하는 동안 피폭된 생물체 내에서 발생하는 자가회복에 의하여 피폭 정도를 정확하게 측정하기 어려울 뿐만 아니라, 피폭 후 일정 시간이 경과된 후 방사선의 생체 효과를 측정하게 되기 때문에 생체 내 변화가 방사선에 의한 것인지 다른 원인에 의한 것인지에 대하여도 논란이 된다. 따라서 최근에는 이를 극복하기 위하여 다양한 바이오 도시미터를 개발하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 미국공개특허 2010-0144558에는 방사선 피폭 시 발현량이 변하는 유전자들의 발현량을 측정하는 바이오 도시미터가 개시된 바 있으나, 이는 혈액 내의 유전자 발현량을 측정하는 바이오 도시미터로서, 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 변화, 즉, DNA 손상, 백혈구 수치 변화 등을 측정할 수 없다.
이와 같이, 현재까지는 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 바이오 도시미터에 대한 개발은 부족하며, 이에 대한 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 높은 민감도를 가지는 바이오 도시미터를 개발하기 위하여, 본 발명은 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩 등을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 a) 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 자성나노입자가 결합되어 있는 타겟 바이오 물질을 결합시키는 단계; b) 상기 결합에 방사선을 조사하는 단계; 및 c) 상기 방사선에 의하여 링커와 타겟 바이오 물질과의 결합이 손상된 것을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계를 포함하는 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 a) 방사선에 피폭된 생체 시료를 수득하는 단계; b) 상기 생체 시료에 포함되어 있는 타겟 바이오 물질에 자성나노입자를 결합시키는 단계; c) 상기 자성나노입자가 결합된 타겟 바이오 물질을 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 결합시키는 단계; d) 상기 링커와 타겟 바이오 물질의 결합을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계; 및 e) 상기 측정된 값을 방사선에 피폭되지 않은 표준 시료의 자기센서 전기신호 값과 비교하는 단계를 포함하는 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 자성나노입자가 결합되어 있는 타겟 바이오 물질과의 결합이 방사선에 의하여 손상되는 것을 측정하는 것을 특징으로 하는 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로, 상기 링커는 타겟 바이오 물질과 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 링커는 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 리간드(ligand), 항체(antibody), 단백질(protein), 효소(enzyme), 및 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 타겟 바이오 물질은 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 리간드(ligand), 항체(antibody), 항원(antigen), 단백질(protein), 효소(enzyme), 및 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 링커는 방사선에 저항성이 강한 양친성 물질에 의하여 자기센서에 결합된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 방사선은 감마선, 중성자, X-선, 전자선, 및 GHz 이상의 고에너지 전자기파로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계는 방사선에 의하여 자성나노입자가 자기센서로부터 이탈되는 것으로 인해 발생하는 누설자속(stray field)의 세기를 이용하여 방사선의 흡수선량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자기센서를 이용한 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩은 생체 외에서 자기센서를 이용하여 바이오 물질의 손상을 탐지하기 때문에 생체의 자가회복에 의해 영향을 받지 않기 때문에 정확한 바이오 물질의 손상을 탐지할 수 있고, 또한 높은 민감도를 나타내어 소량의 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 손상도 검출할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 자기센서에 바이오 물질과 결합하는 다양한 링커를 결합시킬 수 있기 때문에, 다양한 바이오 물질의 손상을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 방사선 이외에 화학물질 등에 의한 바이오 물질의 손상을 측정하는 데도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1 은 자기센서를 이용하여 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 측정하는 방법을 간략히 나타내는 모식도이다.
도 2 는 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 간략히 나타내는 모식도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
① 나노전압계(nano voltmeter)
② 정전류 발생기(current source)
③ 전류, 전압 조절기
④ 미세전극 연결부위
⑤ 자기센서(magnetic sensor)
⑥ 전자석
⑦ 전자석 구동용 파워소스
도 3 은 자기센서 바이오칩에서의 센서 신호특성 결과를 나타내는 도면이다.
도 4 는 자기센서 바이오칩에서 시간에 따른 센서 신호특성 결과를 나타내는 도면이다.
도 5 는 자기센서 바이오칩과 항체를 연결하는 연결물질의 방사선 저항성을 확인한 결과를 나타내는 도면이다. A) 전류-전위곡선, B) 최대피크전류의 변화
본 발명자들은 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 바이오 도시미터용 바이오칩에 대하여 연구한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 a) 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 자성나노입자가 결합되어 있는 타겟 바이오 물질을 결합시키는 단계; b) 상기 결합에 방사선을 조사하는 단계; 및 c) 상기 방사선에 의하여 링커와 타겟 바이오 물질과의 결합이 손상된 것을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계를 포함하는 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서는 단일가닥의 DNA를 자기센서 표면에 결합시키고, 상보 가닥인 단일가닥의 DNA에는 비오틴-스트렙타비딘 결합, 아비딘-비오틴 결합 등을 이용하여 자성나노입자를 결합시킨 후, 상기 DNA들을 결합시켜 이중가닥의 DNA를 합성하였다. 이후 방사선을 조사하고, 자기센서의 자기장 변화에 따른 신호특성과 시간에 따른 신호특성을 확인한 결과, 방사선에 의하여 DNA 간의 결합이 끊어져 자성나노입자가 바이오칩에서 제거된 것을 확인하였다(실시예 2 참조). 상기 결과를 통하여, 방사선에 의하여 바이오 물질 구조에 변화가 야기되고, 물질간의 결합이 깨어진다는 것을 확인할 수 있었고, 이 원리를 이용하여 방사선에 의하여 자성나노입자가 자기센서로부터 이탈되는 것으로 인해 발생하는 누설자속(stray field)의 세기를 이용하여 방사선의 흡수선량을 측정하여 방사선 피폭에 의한 바이오 물질의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 바이오 도시미터를 제작할 수 있다는 것을 확인하였다. 상기 방사선의 종류는 바이오 물질 구조에 변화를 줄 수 있는 종류라면 제한이 없지만, 바람직하게는 감마선, 중성자, X-선, 전자선, 및 GHz 이상의 고에너지 전자기파로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
이에 본 발명은 a) 방사선에 피폭된 생체 시료를 수득하는 단계; b) 상기 생체 시료에 포함되어 있는 타겟 바이오 물질에 자성나노입자를 결합시키는 단계; c) 상기 자성나노입자가 결합된 타겟 바이오 물질을 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 결합시키는 단계; d) 상기 링커와 타겟 바이오 물질의 결합을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계; 및 e) 상기 측정된 값을 방사선에 피폭되지 않은 표준 시료의 자기센서 전기신호 값과 비교하는 단계를 포함하는 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법 및 이를 이용한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 제공한다.
상기 타겟 바이오 물질과 링커는 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 리간드(ligand), 항체(antibody), 단백질(protein), 효소(enzyme), 및 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 서로 결합하는 성질을 가지고 있다면 이에 제한되지 않는다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는, 양친성 물질인 Sys Protein-G 및/또는 ProLink는 금전극으로 코팅된 자기센서의 표면에 결합하며 방사선에 강한 저항성을 가지고 있다는 것을 확인하였다(실시예 3 참조). 상기 결과를 통하여 방사선에 강한 양친성 연결물질을 이용한다면, 다양한 바이오 물질들을 자기 센서에 결합시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 방사선에 강한 양친성 연결물질의 종류에는 제한이 없으나, 바람직하게는 Sys Protein-G 및/또는 ProLink이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1. 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩의 제조방법
바이오 도시미터(Biodosimeter)용 자기센서 바이오칩(magnetic sensor biochip)을 제조하기 위하여, 우선 5' 말단에 티올기를 결합시킨 단일가닥의 DNA(HS-ssDNA)를 제조하고(제노텍에 의뢰하여 제작함), 상기 HS-ssDNA를 금전극으로 코팅된 자기센서 위에 흡착시켜 자기센서 표면에 DNA를 고정시켰다. 그리고 고정된 DNA의 backbone과 표면과의 접촉을 억제하고, HS-ssDNA가 티올 말단에 의해서만 표면에 결합하도록 하기 위하여 머캅토헥사놀(mercaptohexanol, MCH)을 이용하여 표면에 MCH 층을 형성시켜 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 제조하였다. 제조된 바이오칩의 개략적인 모식도는 도 2에 나타내었다.
실시예 2. 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 이용한 DNA 손상 확인
실시예 1의 방법으로 제조된 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩을 이용하여 DNA 손상을 확인할 수 있는지 확인하기 위하여, 바이오칩에 결합되어 있는 DNA에 상보적인 서열을 가지는 단일가닥의 DNA를 제작하고, 제작된 DNA의 5' 말단에 비오틴(biotin)을 결합(제노텍에 의뢰하여 제작함)시키고, 비오틴이 결합된 DNA에 스트렙타비딘(streptavidin)으로 표면이 개질된 자성나노입자를 결합시켰다. 이후, 자성나노입자가 결합되어 있는 DNA를 실시예 1의 방법으로 제조한 바이오 도시미터용 자기센서 바이오칩에 첨가하여 DNA 결합(DNA hybridization)을 통해 이중가닥의 DNA를 제조하고, 상기 바이오칩에 0.05Gy 세기의 방사선을 조사하였다. 그리고 자기센서의 자기장 변화에 따른 신호특성과 시간에 따른 신호특성을 측정하였다. 그 결과는 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 자성나노입자가 결합된 DNA를 결합시킨 바이오칩(P9_DNA)의 경우에는 DNA가 결합되지 않은 바이오칩(P9)에 비하여 값이 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 자성나노입자가 결합된 DNA를 결합시킨 바이오칩(P9_DNA)에 방사선을 조사한 경우(P9_DNA@0.05Gy)에는 값이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 도 4에 나타난 바와 같이, 일정한 자기장에서 25초 정도에 자성나노입자가 결합된 DNA를 결합시킨 바이오칩(P9_DNA)의 경우에는 DNA가 결합되지 않은 바이오칩(P9)에 비하여 값이 낮아진 것을 확인할 수 있었으며, 자성나노입자가 결합된 DNA를 결합시킨 바이오칩(P9_DNA)에 방사선을 조사한 경우(P9_DNA@0.05Gy)에는 값이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과들을 통하여, 방사선 피폭에 의하여 이중가닥의 DNA가 손상되고, 손상에 의해 자성나노입자가 결합된 DNA의 결합이 깨져 상기 DNA는 자기센서로부터 이탈하게 되고, 이를 통해 자기센서는 자성나노입자를 감지하지 못하게 되어 이중가닥의 DNA와 신호차이가 발생하게 된다는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 실시예 1의 방법으로 제조된 바이오칩을 사용하여 방사선의 흡수선량에 따른 바이오 물질의 변화를 측정할 수 있다는 것을 확인하였다.
실시예 3. 링커( linker ) 연결물질의 방사선 저항성 측정
링커를 자기센서 표면에 결합시키기 위하여, 링커 연결물질로 Sys Protein-G(미코바이오) 또는 ProLink(프로테오젠)를 사용하고, 링커 연결물질의 방사선 저항성을 순환전류법(cyclic voltammetry, CV)을 이용하여 측정하였다. 그 결과는 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 도면의 처음 막대는 대조군으로 연결물질을 부착하지 않고 금박만 측정한 결과이고, 두번째부터는 금박 위에 연결물질을 부착한 후에 방사선을 조사량에 따라(0.01 Gy~10 Gy) 조사한후 CV를 이용하여 피크전류를 측정한 것으로, 금박 위에 부착된 연결물질(Sys Protein -G)이 10 Gy의 흡수선량에도 변화하지 않는다는 것을 확인하였다. 상기 결과는 링커를 자기센서 표면에 결합시킬 때, 방사선에 저항성이 강한 양친성 물질인 Sys Protein-G 또는 ProLink를 사용할 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (9)

  1. a) 자기센서(Magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 자성나노입자가 결합되어 있는 타겟 바이오 물질을 결합시키는 단계;
    b) 상기 결합에 방사선을 조사하는 단계; 및
    c) 상기 방사선에 의하여 링커와 타겟 바이오 물질과의 결합이 손상된 것을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계로서, 방사선에 의하여 자성나노입자가 자기센서로부터 이탈되는 것으로 인해 발생하는 누설자속(stray field)의 세기를 이용하여 방사선의 흡수선량을 측정하는 단계를 포함하는, 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법.
  2. a) 방사선에 피폭된 생체 시료를 수득하는 단계;
    b) 상기 생체 시료에 포함되어 있는 타겟 바이오 물질에 자성나노입자를 결합시키는 단계;
    c) 상기 자성나노입자가 결합된 타겟 바이오 물질을 자기센서(magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 결합시키는 단계;
    d) 상기 링커와 타겟 바이오 물질의 결합을 자기센서의 전기신호로 측정하는 단계로서, 방사선에 의하여 자성나노입자가 자기센서로부터 이탈되는 것으로 인해 발생하는 누설자속(stray field)의 세기를 이용하여 방사선의 흡수선량을 측정하는 단계; 및
    e) 상기 측정된 값을 방사선에 피폭되지 않은 표준 시료의 자기센서 전기신호 값과 비교하는 단계를 포함하는, 방사선에 의한 바이오 물질의 손상을 탐지하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 링커는 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 리간드(ligand), 항체(antibody), 단백질(protein), 효소(enzyme), 및 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타겟 바이오 물질은 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 리간드(ligand), 항체(antibody), 항원(antigen), 단백질(protein), 효소(enzyme), 및 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 링커는 방사선에 저항성이 강한 양친성 물질에 의하여 자기센서에 결합된 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방사선은 감마선, 중성자, X-선, 전자선, 및 1 기가헤르츠(GHz) 이상의 고에너지 전자기파로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 삭제
  9. 자기센서(Magnetic sensor) 표면에 결합되어 있는 링커(linker)와 자성나노입자가 결합되어 있는 타겟 바이오 물질과의 결합이 방사선에 의하여 손상되는 것을 측정하는 바이오 도시미터용 자기센서 바이오 칩으로서, 상기 측정은 방사선에 의하여 자성나노입자가 자기센서로부터 이탈되는 것으로 인해 발생하는 누설자속(stray field)의 세기를 이용하여 방사선의 흡수선량을 측정하는 것을 특징으로 하는, 바이오칩.
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