KR102573402B1 - 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 분석방법 - Google Patents

액체생검 유래 생체물질 분석용 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체생검 시료의 주입을 위해 우물 모양 패턴이 배열된 소수성 패럴린(Parylene)이 표면에 증착된 기판은 나노리터 수준의 극미량 혈장 및 소변과 같은 액체생검 시료를 매우 효과적이고 안정하게 분석 기판 표면에 주입하여 분석 정확성을 향상시켰으며, 상기 기판 표면의 수십~수백 개의 우물 배열을 통하여 다수의 극미량 시료를 한번에 분석하여 분석 시간 및 효율성을 증가시킬 수 있음이 확인됨에 따라, 상기 우물 모양 패턴이 배열된 소수성 패럴린(Parylene)이 표면에 증착된 기판은 극미량의 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판으로 제공될 수 있으며, 상기 분석용 기판은 극미량 액체생검 시료의 고속 대량 분석방법에 적용될 수 있다.

Description

액체생검 유래 생체물질 분석용 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 분석방법{Substrate for analyzing liquid biopsy derived biomaterial, method for preparing the same, and analysis method using the same}
본 발명은 극미량의 액체생검 시료 내 생체물질을 효과적으로 분석하기 위한 분석용 기판 및 이를 이용한 분석방법을 제공하고자 한다.
이차이온질량분석법(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)은 가속 이온빔을 시료에 조사하여 시료 표면과 충돌하여 탈착되어 나오는 이차 이온의 질량을 분석하는 방식으로서 표면에 흡착된 분자의 질량 분석 기술로 최근 이온빔과 질량분석기의 발달로 조직과 세포와 같은 생체시료의 지질과 대사체를 높은 공간분해능과 질량분해능의 이미징 분석을 가능하게 한다.
이러한 SIMS 분석의 주요 장점은 극미량 분석으로서, 검출한계는 수소에서 우라늄까지 거의 모든 원소를 ppm 내지 ppb 수준으로 정밀 분석이 가능하고, 또한 동위원소를 분석할 수 있으며, 뎁스 프로파일(depth profile)과 이온 이미지(ion image)가 가능하며, 미량 성분의 깊이 분포 측정과 3차원 분석을 할 수 있는 것이다. 그러나 이차 이온의 방출량이 매질(matrix)과 표면의 전자 상태에 극히 민감하여 매질에 따라 스퍼터링된 이차 이온의 양이 현저히 다르게 나타나는 매질 효과(matrix effect)가 있고, 또한 본질적으로 파괴적인 분석 방법이 라는 단점이 있다.
액체생검(liquid biopsy)은 천자나 절개 등의 침습적인 시술 없이 비침습적으로 획득할 수 있는 혈액이나 복수 등의 액체 상태의 체액 시료를 활용하여 질병을 진단하거나 분석하는 방법이다. 액체생검은 환자로부터 비교적 간편하게 체액을 채취하여 암 발생 및 전이 여부를 신속하고 상세하게 파악할 수 있으며, 액체생검 내에 존재하는 핵산 또는 엑소좀과 같은 생체물질은 다양한 질병에 대한 다각적인 분석을 가능하게 하여 질병의 원인 및 치료에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다.
그러나 환자 유래 액체생검 (혈액, 소변, 침, 눈물, 뇌척수액, 땀, 폐포 세척액(Bronchoalveolar Lavage Fluid, BALF) 등) 내의 대사체 분석을 위한 종래 기술(Nuclear magnetic response (NMR) spectroscopy, gas or liquid chromatography mass spectroscopy (GC-MS or LC-LS) 등)은 시편 당 적어도 수십~수백 μL(마이크로리터) 용량이 필요하고 각 시편을 개별적으로 한 개씩만 분석하기 때문에 수 마이크로리터 이하 나노리터 수준의 극미량 다수 시편을 신속히 분석하는 데 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0085783호 (2020.07.15. 공개)
본 발명은 100 μL 용량 이상의 액체생검 시료를 한 번에 하나씩 분석이 가능했던 종래의 액체생검 분석의 효율성 문제를 해결하기 위해, 액체생검 시료 주입부로 우물 모양 패턴이 배열된 패럴린 층을 포함하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 및 이의 제조방법과 상기 기판을 이용한 액체생검 유래 생체물질 분석방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 기판; 상기 기판 표면에 우물 모양 패턴으로 이루어진 액체생검 시료 주입부; 및 상기 기판 표면에 패럴린 코팅부로 이루어진 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판을 제공한다.
본 발명은 패럴린 필름을 기판 표면에 증착하는 단계; 상기 기판 위에 증착된 패럴린 층을 포토레지스트(photoresist)로 코팅하는 단계; 상기 패럴린 층에 코팅된 포토레지스트에 우물 배열 패턴을 제작하는 단계; 및 상기 포토레지스트에 제작된 우물 배열 패턴으로 패럴린 필름을 식각(etching)하는 단계를 포함하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 제조방법에 따른 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 개체로부터 분리된 액체생검 시료를 준비하는 단계; 상기 분석용 기판 위 배열된 우물에 상기 시료를 100 내지 300 nL 씩 분주하는 단계; 상기 우물에 분주된 시료를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 시료를 비행시간이차이온질량분광법(TOF-SIMS)으로 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 액체생검 시료의 주입을 위해 우물 모양 패턴이 배열된 소수성 패럴린(Parylene)이 표면에 증착된 기판은 나노리터 수준의 극미량 혈장 및 소변과 같은 액체생검 시료를 매우 효과적이고 안정하게 분석 기판 표면에 주입하여 분석 정확성을 향상시켰으며, 상기 기판 표면의 수십~수백 개의 우물 배열을 통하여 다수의 극미량 시료를 한번에 분석하여 분석 시간 및 효율성을 증가시킬 수 있음이 확인됨에 따라, 상기 우물 모양 패턴이 배열된 소수성 패럴린(Parylene)이 표면에 증착된 기판은 극미량의 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판으로 제공될 수 있으며, 상기 분석용 기판은 극미량 액체생검 시료의 고속 대량 분석방법에 적용될 수 있다.
도 1A 내지 도 1F는 기판 표면에 증착된 패럴린 필름에 우물 모양 패턴을 제작하여 패럴린 우물 배열 기판을 제작하는 과정 및 상기 패럴린 우물 배열 기판에 시료 주입 과정을 나타낸 모식도이며, 도 1G는 상기 기판 표면의 패럴린 우물에 주입된 액체생검 시료를 확인한 결과이며, 도 1H는 ToF-SIMS 분석 결과이다.
도 2는 ToF-SIMS를 이용한 혈장과 소변의 아미노산 분석 결과이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
100 μL 용량 이상의 시료를 한 개씩만 분석이 가능했던 종래 액체생검 분석의 효율성 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 실리콘 웨이퍼 기판 위에 소수성 패럴린(Parylene) 필름을 우물 (직경 1 mm 원) 배열로 패턴 하여, 우물 위에 다수의 극미량 액체생검 시료를 올리고, 시간비행형 (Time-of-Flight, ToF) SIMS를 이용하여 시료 내의 생체물질을 고속(시편 당 ~2분)으로 분석하는 기술을 확인함에 따라, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 기판; 상기 기판 표면에 우물 모양 패턴으로 이루어진 액체생검 시료 주입부; 및 상기 기판 표면에 패럴린 코팅부로 이루어진 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판을 제공할 수 있다.
본 발명은 패럴린 필름을 기판 표면에 증착하는 단계; 상기 기판 위에 증착된 패럴린 층을 포토레지스트(photoresist)로 코팅하는 단계; 상기 패럴린 층에 코팅된 포토레지스트에 우물 배열 패턴을 제작하는 단계; 및 상기 포토레지스트에 제작된 우물 배열 패턴으로 패럴린 필름을 식각(etching)하는 단계를 포함하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 실리콘 옥사이드(SiO2), 그래핀 옥사이드 (GO) 및 금속막 (metal film)으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 패럴린 필름을 기판 위에 증착하는 단계는 화학적 기상증착방법 (CVD)으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 패럴린 필름은 50 내지 400 nm 평균 두께로 증착되는 것일 수 있다.
상기 포토레지스트는 0.5 내지 2 μm 평균 두께로 패럴린 층에 코팅되는 것일 수 있다.
상기 우물 배열 패턴은 평균 직경 0.5 내지 2 mm 크기로 제작되는 것일 수 있다.
보다 상세하게는 상기 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 실리콘(Si) 기판 표면 위에 패럴린 필름(~300 nm)을 증착하고, 포토레지스트(PR, AZ GXR 601)를 1 μm 두께로 코팅한 후 노광(UV Dose 100 mJ/cm2)과 현상 과정을 거쳐서 직경 1mm 크기의 우물 배열 패턴(3x7 or 4x9 array)을 새겼다. 이후 반응성 이온식각 장비 (Reactive ion etching, RIE, O2 20 sccm, 50W)으로 패럴린을 식각하여 PR과 동일한 패턴을 만들고, 아세톤으로 기판을 20분 동안 세척하여 패럴린 표면 위에 PR과 불순물을 제거한 후 메탄올과 이소프로필알코올 (IPA)로 각 5분씩 기판을 세척한 후 공기 중에 건조시켜 패럴린 우물 배열 기판을 제작하였다.
상기 액체생검은 혈액, 혈장, 혈청, 소변, 침, 눈물, 뇌척수액 및 땀으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 제조방법에 따른 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 개체로부터 분리된 액체생검 시료를 준비하는 단계; 상기 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 위 배열된 우물에 상기 시료를 100 내지 300 nL 씩 분주하는 단계; 상기 우물에 분주된 시료를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 시료를 비행시간이차이온질량분광법(TOF-SIMS; Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)으로 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석방법을 제공할 수 있다.
상기 액체생검 유래 생체물질은 아미노산일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 표면의 패럴린 층 우물에 200 nL의 극미량의 혈장이나 소변 검체을 주입한 후 ToF-SIMS 분석을 수행한 결과, 도 2 및 표 1과 같이 200 nL의 극미량의 혈장이나 소변 검체로부터 모든 아미노산 분석이 가능하였으며, 분석 효율은 모든 시료에서 아미노산의 특성과는 무관하게 매우 효과적으로 아미노산 분석이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과로부터 패럴린 우물 배열 기판은 소수성 플랫폼 특성에 의해 나노리터 수준의 극미량 시료가 손실되지 않고 표면에 고르고 얇게 건조시킬 수 있어, ToF-SIMS의 높은 표면 민감도로 분석 가능한 것이 확인되었다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 패럴린 우물 배열 기판 제작
도 1과 같은 과정으로 우물 배열의 기판을 제작하였다.
화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 실리콘(Si) 기판 표면 위에 패럴린 필름(~300 nm)을 증착하였다 (도 1A). 이후 포토레지스트(PR, AZ GXR 601)를 1 μm 두께로 코팅한 후 노광(UV Dose 100 mJ/cm2)과 현상 과정을 거쳐서 직경 1mm 크기의 우물 배열 패턴(3x7 or 4x9 array)을 새겼다 (도 1B). 반응성 이온식각 장비 (Reactive ion etching, RIE, O2 20 sccm, 50W)으로 패럴린을 식각하여 PR과 동일한 패턴을 만들고 (도 1C), 아세톤으로 기판을 20분 동안 세척하여 패럴린 표면 위에 PR과 불순물을 제거한 후 메탄올과 이소프로필알코올 (IPA)로 각 5분씩 기판을 세척한 후 공기 중에 건조시켜 패럴린 우물 배열 기판을 제작하였다 (도 1D).
<실시예 2> 시료 분석
1. 시료 처리 및 준비
3차수에 농도 500 μM 20종 아미노산 용액을 준비하였으며, 혈액을 원심분리하여 혈장시료를 얻었다. 소변 시료는 전처리 없이 그대로 사용하였다.
앞서 제작된 기판의 각 우물 위에 200 nL 아미노산 용액 또는 액체생검(혈장 및 소변)을 떨어뜨린 결과, 도 1E와 같이 친수성인 액체 시료가 소수성 패럴린 필름을 피해 실리콘 표면이 노출된 우물안에 선택적으로 모이는 것이 확인되었다. 이후 도 1F와 같이 기판 위에 올라간 아미노산 용액과 소변을 - 20 ℃에서 12시간 동안 천천히 건조시킨 후 4 ℃에서 1시간 동안 추가 건조하였으며, 혈장은 상온 (20 ℃)에서 공기 중에 건조시켰다.
그 결과, 도 1G와 같이 패럴린 기판의 우물 안에 건조된 아미노산 용액 시료가 성공적으로 위치한 것을 확인할 수 있었다.
2. ToF-SIMS를 이용한 혈장과 소변의 아미노산 분석
앞선 과정으로 준비된 기판 위의 시료를 ToF-SIMS로 분석하였다.
ToF-SIMS 분석을 위해 독일 ION-TOF 사의 ToF-SIMS 5-100 모델을 사용하였다. 도 1H와 같이 Positive mode에서 Pulsed 30 keV Bi3 + 일차 이온빔 (0.4 pA)을 이용하여 시료 표면의 500×500 μm2 영역 (128×128 pixels)을 각 시료 당 약 2분씩 분석하였다. 측정하여 얻은 모든 mass spectra는 CH3 +, Na+, C2H3 +, C3H5 +와 C4H7 + 피크를 이용하여 internal calibration하였다.
그 결과, 도 2 및 표 1과 같이 200 nL의 극미량의 혈장이나 소변 검체로부터 모든 아미노산 분석이 가능하였으며, 분석 효율은 모든 시료에서 아미노산의 특성과는 무관하게 아미노산 분석이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과로부터 패럴린 우물 배열 기판은 소수성 플랫폼 특성에 의해 나노리터 수준의 극미량 시료가 손실되지 않고 표면에 고르고 얇게 건조시킬 수 있어, ToF-SIMS의 높은 표면 민감도로 분석 가능한 것이 확인되었다.
아미노산 ToF-SIMS 분석 정보
Amino acids Peak assignment Mass
Standard
amino acids 		Plasma Urine
G, Glycine C2H6NO2+ 76.04 76.03 76.03
A, Alanine C3H8NO2+ 90.05 90.04 90.04
S, Serine C3H8NO3+ 106.05 106.04 106.03
P, Proline C5H10NO2+ 116.07 116.06 116.08
V, Valine C5H12NO2+ 118.09 118.08 118.12
T, Threonine C4H10NO3+ 120.08 120.09 120.08
C, Cysteine C3H8NO2S+ 122.03 122.02 122.03
L, Leucine
I, Isoleucine		 C6H14NO2+ 132.11 132.09 132.08
N, Asparagine C4H9N2O3+ 133.06 133.05 133.05
D, Aspartic acid C4H8NO4+ 134.05 134.06 134.02
Q, Glutamine C5H11N2O3+ 147.08 147.07 147.06
K, Lysine C6H15N2O2+ 147.12 147.12 147.12
E, Glutamic acid C5H10NO4+ 148.07 148.07 148.06
M, Methionine C5H12NO2S+ 150.06 150.08 150.08
H, Histidine C6H10N3O2+ 156.08 156.08 156.08
F, Phenylalanine C9H12NO2+ 166.09 166.08 166.09
N, Arginine C6H15N4O2+ 175.13 175.13 175.13
Y, Tyrosine C9H12NO3+ 182.08 182.08 182.07
W, Tryptophan C11H13N2O2+ 205.10 205.07 205.07
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 표면에 우물 모양 패턴으로 이루어진 액체생검 시료 주입부; 및 상기 기판 표면에 패럴린 코팅부로 이루어진 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판으로서, 상기 액체생검 시료 주입부는 평균 직경이 1mm이고 액체생검 시료 200 nL가 주입되며, 상기 액체생검 유래 생체물질은 아미노산인 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판.
  2. 패럴린 필름을 기판 표면에 증착하는 단계;
    상기 기판 위에 증착된 패럴린 층을 포토레지스트(photoresist)로 코팅하는 단계;
    상기 패럴린 층에 코팅된 포토레지스트에 우물 배열 패턴을 제작하는 단계; 및
    상기 포토레지스트에 제작된 우물 배열 패턴으로 패럴린 필름을 식각(etching)하는 단계를 포함하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법으로서, 상기 포토레지스트는 1 μm의 평균 두께로 패럴린 층에 코팅되고, 상기 우물 배열 패턴은 평균 직경 1 mm 크기로 제작되며, 상기 액체생검 유래 생체물질은 아미노산인 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 기판은 실리콘 웨이퍼, 실리콘 옥사이드(SiO2), 그래핀 옥사이드 (GO) 및 금속막 (metal film)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 패럴린 필름을 기판 위에 증착하는 단계는 화학적 기상증착방법 (CVD)인 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 패럴린 필름은 50 내지 400 nm 평균 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 액체생검은 혈액, 혈장, 혈청, 소변, 침, 눈물, 뇌척수액 및 땀으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석용 기판 제조방법.
  9. 삭제
  10. 개체로부터 분리된 액체생검 시료를 준비하는 단계;
    청구항 1의 분석용 기판 위 배열된 우물에 상기 시료를 100 내지 300 nL 씩 분주하는 단계;
    상기 우물에 분주된 시료를 건조시키는 단계; 및
    상기 건조된 시료를 비행시간이차이온질량분광법(TOF-SIMS)으로 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 액체생검 유래 생체물질은 아미노산인 것을 특징으로 하는 액체생검 유래 생체물질 분석방법.
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