KR20190127349A - A method for electrochemically measuring the concentration of biomarkers in the urine - Google Patents

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Abstract

The present disclosure relates to a method for measuring the concentration of antigen in urine using an electrochemical sensor, wherein the sensor comprises an antibody immobilized on the surface of a working electrode. The method comprises the steps of: measuring the pH of the urine; dipping the working electrode in the urine; treating the immersed working electrode with an electrical redox enzyme, and then immersing in a solution containing an electrical redox substrate, followed by application of a redox voltage to measure an electrical signal generated by the redox reaction; and correcting the measured electrical signal with an electrical signal at a predetermined pH using the trend of antigen and antibody binding according to pH.

Description

소변 내 바이오마커의 농도를 전기화학적으로 측정하는 방법{A method for electrochemically measuring the concentration of biomarkers in the urine}A method for electrochemically measuring the concentration of biomarkers in the urine

본 개시는 소변 내 존재하는 방광암 또는 전립선암의 바이오마커의 농도를 전기화학적으로 측정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 pH에 따른 항원 항체의 결합도를 고려하여 특정 pH에서의 상기 바이오마커의 농도를 전기화학적으로 측정하는 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method of electrochemically measuring the concentration of biomarkers of bladder cancer or prostate cancer present in urine, and more particularly, in consideration of the binding degree of antigen antibodies according to pH. It relates to a method of electrochemically measuring the concentration.

소변을 이용한 질병진단에 관한 연구는 1958년 당과 단백질을 검사할 수 있는 요 검사지가 개발되면서 본격적으로 주목을 받기 시작하였으며, 이후 소변을 이용하여 보다 많은 질병들을 진단하기 위한 시스템 및 이를 이용한 검사법에 대한 연구가 진행되고 있다. 전립선암 또는 방광암을 포함하는 다양한 질병들을 소변을 이용하여 진단하는 경우, 채혈과 같은 침습적인 방법과 달리, 비침습적인 방법을 통해 시료를 얻는 것이 가능하여, 환자의 심적, 육체적 부담을 줄일 수 있다는 이점을 갖는다.The study of urine disease diagnosis began to attract attention in 1958 when urine test papers were developed to test sugars and proteins. Research is ongoing. When urine is used to diagnose a variety of diseases, including prostate or bladder cancer, it is possible to obtain samples by non-invasive methods, unlike invasive methods such as blood collection, thereby reducing the physical and physical burden on the patient. Has an advantage.

또한, 종래의 요 검사지가 질병 유무를 판단함에 변색 등의 시각적인 판단에 의존한 것과 달리, 전기화학센서를 이용하여 소변 내 존재하는 질병의 바이오마커의 농도를 측정하는 경우, 수치로서 질병의 유무를 판단하는 것이 가능해져 그 신뢰도는 더욱 상승할 수 있다.In addition, in contrast to the conventional urine test paper to determine the presence of a disease, depending on the visual judgment such as discoloration, in the case of measuring the concentration of the biomarker of the disease present in the urine using an electrochemical sensor, the presence or absence of the disease as a numerical value It is possible to determine the reliability can be further increased.

다만, 소변의 pH는 환자에 따라, 환자의 컨디션에 따라 상이할 수 있으며, 상기 pH는 최대 4.6 내지 7.5 사이에 값을 가질 수 있다. 이러한 pH의 차이는 전기화학센서에서 바이오마커와 상기 바이오마커와 항원 항체 반응을 통해 결합하는 항체의 결합도에 영향을 미친다. 상기 결합도 차이로 인하여 발생하는 오차는 최종적으로 소변 내 바이오마커의 농도값의 오차가 되므로, 질병 유무의 진단에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 상기와 같은 pH에 의한 정확도의 문제에도 불구하고, 현재 소변의 pH에 따른 항원 항체의 결합도를 고려한 바이오마커의 농도를 측정하는 방법에 대하여는 개발되지 않은 상태여서, 보다 정확한 진단에 어려움이 존재하는 실정이다.However, the pH of urine may vary depending on the patient and the condition of the patient, the pH may have a value between up to 4.6 to 7.5. This difference in pH affects the degree of binding of the biomarker in the electrochemical sensor and the antibody to which the biomarker binds through an antigen antibody reaction. The error caused by the difference in the binding degree is finally the error of the concentration value of the biomarker in the urine, it may have an important effect on the diagnosis of the presence or absence of the disease. Despite the problem of accuracy due to the pH as described above, a method for measuring the concentration of the biomarker in consideration of the binding of the antigen antibody according to the pH of the urine is not developed yet, there is a difficulty in a more accurate diagnosis It is true.

선행 기술 US 2017/0199181 A1은 면역 센서 검출을 위하여 소변 샘플을 수정하기 위한 전기화학적 방법에 관한 것을 개시한다. 그러나 상기 선행 기술은 항원 항체 결합 이후, 전기화학적 산화환원 반응을 위해 사용되는 ALP 효소의 활성을 최적화하기 위해 ALP 효소의 최적 pH로 소변의 pH를 조절하는 것일뿐, pH에 따른 항원 항체의 결합도를 고려한 것이 아니다.Prior art US 2017/0199181 A1 discloses an electrochemical method for modifying a urine sample for detection of an immune sensor. However, the prior art is only to adjust the pH of the urine to the optimal pH of the ALP enzyme to optimize the activity of the ALP enzyme used for electrochemical redox reaction after antigen antibody binding, the degree of binding of the antigen antibody according to pH It is not considered.

선행 기술 KR 10-1758355는 소변에서 비침습적인 방법으로 소변 내 분석물을 검출할 수 있는 이온 감응 소변 센서에 관한 것을 개시한다. 그러나 상기 선행 기술은 실시예에서 실제 사람의 소변과 pH 10인 용액을 교대로 실험할 뿐, pH에 따른 소변 내 바이오마커의 전기화학적 시그널 변화에 대하여는 전혀 인지하고 있지 않다.Prior art KR 10-1758355 discloses an ion-sensitive urine sensor capable of detecting analytes in urine in a non-invasive way in urine. However, the prior art only experiments with the solution of the actual human urine and pH 10 in the embodiment, it is not aware of any change in the electrochemical signal of the biomarker in the urine with pH.

이에, pH에 따른 항원 항체 결합도의 변화를 고려한 소변 내 바이오마커의 농도를 측정하는 전기화학적 방법에 대한 개발이 여전히 요구되고 있다.Therefore, there is still a need for the development of an electrochemical method for measuring the concentration of biomarkers in urine in consideration of the change in antigen-binding degree of pH.

따라서, 본 개시의 관점은 방광암 또는 전립선암을 진단하기 위하여, pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 고려하면서 전기화학센서를 이용하여 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an aspect of the present disclosure is to provide a method for measuring the concentration of antigen in the urine using an electrochemical sensor while considering the trend of antigen antibody binding according to pH in order to diagnose bladder cancer or prostate cancer.

본 개시의 관점을 달성하기 위한 전기화학센서를 이용한 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법은 상기 센서는 작동 전극의 표면 상에 고정되는 항체를 포함하며, 상기 소변의 pH를 측정하는 단계; 상기 소변에 작동 전극을 침지하는 단계; 상기 침지된 작동 전극에 전기적 산화환원반응 효소를 처리한 후, 전기적 산화환원반응 기질을 포함하는 용액에 침지하고 산화환원 전압을 인가하여 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기적 시그널을 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 이용하여 미리 특정된 pH에서의 전기적 시그널로 보정하는 단계를 포함한다.A method for measuring the concentration of antigen in urine using an electrochemical sensor to achieve the aspects of the present disclosure includes the antibody comprising an antibody immobilized on the surface of the working electrode, measuring the pH of the urine; Dipping a working electrode in the urine; Treating the immersed working electrode with an electrical redox enzyme, and then immersing in a solution containing an electrical redox reaction substrate and applying a redox voltage to measure an electrical signal according to a redox reaction; And correcting the measured electrical signal with an electrical signal at a predetermined pH using a trend of antigen antibody binding according to pH.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 항원은 전립선암 또는 방광암 진단의 바이오마커이다.According to one embodiment of the present disclosure, the antigen is a biomarker for diagnosing prostate cancer or bladder cancer.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 바이오마커는 Metrix Metallo Peptidase-9(MMP-9), Apolipoprotein A-1(ApoA1), prostate-specific antigen(PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3(ANX A3), nuclear matrix protein 22(NMP22), bladder tumor antigen(BTA), 및 urinary bladder carcinoma antigen(UBC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나이다.According to one embodiment of the present disclosure, the biomarker is Metrix Metallo Peptidase-9 (MMP-9), Apolipoprotein A-1 (ApoA1), prostate-specific antigen (PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3 (ANX A3), nuclear matrix protein 22 (NMP22), bladder tumor antigen (BTA), and urinary bladder carcinoma antigen (UBC).

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 항체는 작동 전극의 표면 상에 연결 화합물을 통해 고정된다.According to one embodiment of the present disclosure, the antibody is immobilized via a linking compound on the surface of the working electrode.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 작동 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)이다.According to an embodiment of the present disclosure, the working electrode is indium tin oxide (ITO).

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 전기적 산화환원반응 효소는 HRP(Horseradish peroxidase), ALP(Alkaline phosphatase), 글루코스 옥시다아제(Glucose Oxidase), 루시퍼라이제(luciferase), 베타-디-갈락토시다아제(β-D-galactosidase), 말산탈수소효소(MDH: malate dehydrogenase), 및 아세틸콜린에스터라아제(acetylcholinestrerase)의 군으로부터 선택되는 1종의 효소이다.According to one embodiment of the present disclosure, the electrical redox enzyme is HRP (Horseradish peroxidase), ALP (Alkaline phosphatase), glucose oxidase (Glucose Oxidase), luciferase, beta-di-galactosidase (β-D-galactosidase), malate dehydrogenase (MDH), and one type of enzyme selected from the group of acetylcholinestrerase.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 전기적 시그널의 측정은 순환전압(CV)법을 이용하며, 상기 전기적 시그널은 순환전압법을 통해 측정된 최대의 전류값이다.According to an embodiment of the present disclosure, the electrical signal is measured by a cyclic voltage (CV) method, and the electrical signal is a maximum current value measured by the cyclic voltage method.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세는: 바이오마커를 포함하며, 4 ≤ pH1, pH2, ..., pHn ≤ 10인 상이한 pH를 갖는 n개의 버퍼 용액을 준비하는 단계; 작동 전극 표면 상에 항체가 고정된 전기화학센서를 이용하여, 상기 각각의 버퍼 용액에서의 바이오마커 및 항체의 결합에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기적 시그널로부터 바이오마커와 항체 간 pH에 따른 결합도의 추세선을 계산하는 단계를 포함하는 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세 결정 방법에 의하여 결정된다.According to one embodiment of the present disclosure, the trend of antigen antibody binding according to the pH is: n buffers having different pH, including a biomarker, and 4 ≦ pH 1 , pH 2 , ..., pH n ≦ 10. Preparing a solution; Measuring an electrical signal according to the binding of the biomarker and the antibody in the respective buffer solution using an electrochemical sensor immobilized on the surface of the working electrode; And it is determined by the method of determining the trend of antigen antibody binding according to pH comprising calculating a trend line of the degree of binding according to pH between the biomarker and the antibody from the measured electrical signal.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 n은 5 이상의 정수이다.According to an embodiment of the present disclosure, n is an integer of 5 or more.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 버퍼는 시트르산, 인산염완충식염수, 또는 탄산염완충식염수 버퍼이다.According to one embodiment of the present disclosure, the buffer is citric acid, phosphate buffered saline, or carbonate buffered saline buffer.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 추세선의 결정계수(R2)는 0.95 이상이다.According to one embodiment of the present disclosure, the coefficient of determination (R 2 ) of the trend line is at least 0.95.

본 개시의 일 구체예를 따르면, 상기 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세는 소변 내 항원의 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널 측정에 앞서 미리 결정된다.According to one embodiment of the present disclosure, the trend of antigen antibody binding according to the pH is predetermined before measuring the electrical signal according to the redox reaction of the antigen in the urine.

본 개시의 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법을 통해, 환자별 pH가 소변 내 바이오마커의 농도를 측정함에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 이에, 소변에서의 바이오마커 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다. 최종적으로, 질병의 조기진단/예후 및 치료에 큰 개선을 줄 수 있다.Through the method of measuring the concentration of the antigen in the urine of the present disclosure, it is possible to minimize the effect of the patient-specific pH in measuring the concentration of the biomarker in the urine. Thus, the accuracy of biomarker detection in urine can be improved. Finally, it can greatly improve the early diagnosis / prognosis and treatment of the disease.

또한, 시료 자체의 pH를 조정하는 기술에 비해, 측정 후 전기적 시그널 값을 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 이용하여 보정함으로써, pH 제어에 요구되는 버퍼의 사용을 절감할 수 있어, 분석에 있어서 시간, 비용, 노력 측면에서의 이점을 가질 수 있다. 또한, 시료 자체의 pH를 조정하는 경우, pH의 조정의 과정에서 시료 내 존재하는 항원에 영향을 미쳐 항원 항체 반응의 활성을 저하시킬 우려도 있으나, 본 개시의 방법의 경우 이러한 위험을 회피할 수 있다.In addition, compared to a technique for adjusting the pH of the sample itself, by correcting the electric signal value after measurement using the trend of antigen antibody binding according to pH, it is possible to reduce the use of the buffer required for pH control, It can have advantages in terms of time, cost and effort. In addition, in the case of adjusting the pH of the sample itself, there is a possibility that it may affect the antigen present in the sample to reduce the activity of the antigen antibody reaction in the process of adjusting the pH, but the method of the present disclosure can avoid such a risk. have.

도 1은 본 개시의 일 구체예에 따른 작동 전극 표면 상에 고정된 항체, 상기 항체와 결합하는 바이오마커, 및 상기 바이오마커에 처리된 전기적 산화환원반응 효소에 관한 개략도이며;
도 2는 본 개시의 일 구체예에 따른 전기적 산화환원반응 효소 및 이의 산화환원 반응 메커니즘을 도시한 것이며;
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 계산된 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세선을 도시한 그래프이며; 및
도 4는 pH 7.4 조건에서 MMP-9 농도에 따른 전류값을 플롯한 그래프이다.
1 is a schematic diagram of an antibody immobilized on a working electrode surface, a biomarker binding to the antibody, and an electrical redox enzyme treated on the biomarker according to one embodiment of the present disclosure;
2 illustrates an electrical redox enzyme and its redox mechanism according to one embodiment of the present disclosure;
3 is a graph showing trend lines of antigen antibody binding according to pH calculated according to one embodiment of the present disclosure; And
Figure 4 is a graph plotting the current value according to the concentration of MMP-9 in pH 7.4 conditions.

본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이나, 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. The objectives, specific advantages, and novel features of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings, but the present disclosure is not necessarily limited thereto. In addition, in describing the present disclosure, when it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present disclosure, the detailed description thereof will be omitted.

본 개시는 전기화학센서를 이용한 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법으로서, 상기 센서는 작동 전극의 표면 상에 고정되는 항체를 포함하며, 상기 소변의 pH를 측정하는 단계; 상기 소변에 작동 전극을 침지하는 단계; 상기 침지된 작동 전극에 전기적 산화환원반응 효소를 처리한 후, 전기적 산화환원반응 기질을 포함하는 용액에 침지하고 산화환원 전압을 인가하여 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기적 시그널을 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 이용하여 미리 특정된 pH에서의 전기적 시그널로 보정하는 단계를 포함한다.The present disclosure provides a method for measuring the concentration of antigen in the urine using an electrochemical sensor, the sensor comprises an antibody immobilized on the surface of the working electrode, measuring the pH of the urine; Dipping a working electrode in the urine; Treating the immersed working electrode with an electrical redox enzyme, and then immersing in a solution containing an electrical redox reaction substrate and applying a redox voltage to measure an electrical signal according to a redox reaction; And correcting the measured electrical signal with an electrical signal at a predetermined pH using a trend of antigen antibody binding according to pH.

상기 항원은 질병 유무를 진단하는 지표가 되는 바이오마커일 수 있다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 상기 항원은 전립선암 또는 방광암 진단의 바이오마커일 수 있다. 구체적으로 상기 바이오마커는 Metrix Metallo Peptidase-9(MMP-9), Apolipoprotein A-1(ApoA1), prostate-specific antigen(PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3(ANX A3), nuclear matrix protein 22(NMP22), bladder tumor antigen(BTA), 및 urinary bladder carcinoma antigen(UBC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종일 수 있다. 본 개시에 있어서, 바람직하게는 상기 바이오마커는 MMP-9일 수 있다.The antigen may be a biomarker that is an indicator for diagnosing disease. According to an embodiment of the present disclosure, the antigen may be a biomarker for diagnosing prostate cancer or bladder cancer. Specifically, the biomarker is Metrix Metallo Peptidase-9 (MMP-9), Apolipoprotein A-1 (ApoA1), prostate-specific antigen (PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3 (ANX A3), nuclear matrix protein 22 (NMP22), bladder tumor antigen (BTA), and urinary bladder carcinoma antigen (UBC) may be one selected from the group consisting of. In the present disclosure, preferably, the biomarker may be MMP-9.

MMP-9의 경우, 주로 종양 세포 자체에서 생산되며, 암세포의 전이가 일어나는 과정에서 세포 외 기질을 분해시키는 중요한 효소로 알려져 있다. 오늘날 방광암과 관련하여 주로 MMP-1, 2, 9 등이 연구되고 있으며, 특히 MMP-2, 9 및 Tissue inhibitor of metalloproteinases 2(TIMP-2)가 고등급, 고병기 방광암 및 방광암의 재발에 관여한다는 사실이 보고되고 있다. 상기 MMP-9의 Cut-off value는 8.7ng/ml (european urology, 2007, (52), 1388-1397)이며, 소변 내 상기 value 이상의 MMP-9이 존재하는 경우, 방광암으로 진단하고 있다.MMP-9 is mainly produced in tumor cells itself and is known as an important enzyme that degrades extracellular matrix in the process of cancer cell metastasis. Today, MMP-1, 2, 9, etc. are mainly studied in relation to bladder cancer, and in particular, MMP-2, 9 and Tissue inhibitor of metalloproteinases 2 (TIMP-2) are involved in the recurrence of high grade, advanced stage bladder cancer and bladder cancer. This is being reported. The cut-off value of the MMP-9 is 8.7 ng / ml (European urology, 2007, (52), 1388-1397). If there is more than the MMP-9 in the urine, it is diagnosed as bladder cancer.

본 개시에 있어서, 항체는 상기 바이오마커와 결합할 수 있는 항체로서, 작동 전극 상에 바이오마커를 캡처할 수 있는 항체를 의미한다. 상기 캡처 항체의 종류는 해당 바이오마커를 캡처하는 것이 가능하다면 특별히 제한되지 않는다. 상기 항체는 작동 전극의 표면 상에 직접적 또는 간접적으로 고정될 수 있다. 본 개시에서, 직접적 고정 또는 결합이란 두 물체의 사이에 별도의 매개, 물질, 또는 물체의 존재 없이 두 물체가 고정 또는 결합된 것을 의미한다. 또한, 간접적 고정 또는 결합이란, 두 물체의 사이에 별도의 매개, 물질, 또는 물체가 존재하여 이들을 고정 또는 결합시키는 것을 의미한다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 상기 항체는 작동 전극의 표면 상에 연결 화합물을 통해 간접적으로 고정될 수 있다. 여기서 연결 화합물이란 작동 전극 및 항체를 연결하는 화합물을 의미하며, 상기 연결 화합물로서 생화학적 반응 결합물인 비오틴-아비딘 또는 비오틴-스트렙타비딘(streptavidin)이 이용될 수 있다. 또한, 화학적 공유 결합물로서, 단백질의 프라이머리 아민과 결합하는 카보디이미드(carbodiimide) 가교제 또는 석신이미드(succinimide) 가교제가 이용될 수 있다. In the present disclosure, the antibody is an antibody capable of binding to the biomarker, and means an antibody capable of capturing the biomarker on the working electrode. The type of capture antibody is not particularly limited as long as it is possible to capture the biomarker. The antibody can be immobilized directly or indirectly on the surface of the working electrode. In the present disclosure, direct fixation or coupling means that two objects are fixed or combined without the presence of a separate medium, material, or object between the two objects. Also, indirect fixation or coupling means that a separate medium, substance, or object exists between two objects to fix or couple them. According to one embodiment of the present disclosure, the antibody may be indirectly immobilized via a linking compound on the surface of the working electrode. Herein, the linking compound means a compound connecting the working electrode and the antibody, and a biochemical reaction binder biotin-avidin or biotin-streptavidin may be used as the linking compound. In addition, as chemical covalent bonds, carbodiimide crosslinkers or succinimide crosslinkers that bind to the primary amine of the protein may be used.

도 1을 참조하면, 작동 전극의 표면 상에 간접적으로 고정된 캡처 항체가 도시되어 있으며, 구체적으로 상기 항체는 연결 화합물로서 비오틴-아비딘을 이용하여 작동 전극의 표면 상에 고정되어 있다. 본 개시에서는 연결 화합물로서 바람직하게는 비오틴-아비딘 결합 화합물이 이용될 수 있다. 화학적 공유결합을 이용하여 효소를 고정하는 방법의 경우, 고정화되는 효소의 방향성의 무작위성이 존재하지만, 비오틴-아비딘 결합 화합물을 이용하는 경우, 고정화되는 효소의 바인딩 사이트의 표면적 표출 방향성의 제어가 용이하여, 표면 상에 효소의 적절한 방향성 제어로 효소의 바인딩 사이트의 표면적 표출을 극대화할 수 있고, 이를 통해 시료 내 목적 물질의 검출 능력을 극대화시킬 수 있다. Referring to FIG. 1, a capture antibody immobilized indirectly on the surface of the working electrode is shown, specifically the antibody is immobilized on the surface of the working electrode using biotin-avidin as the linking compound. In the present disclosure, a biotin-avidin binding compound may be preferably used as the linking compound. In the method of immobilizing an enzyme using chemical covalent bonds, there is a randomness of the aromaticity of the enzyme to be immobilized, but when using a biotin-avidin binding compound, it is easy to control the surface area expression direction of the binding site of the enzyme to be immobilized. Appropriate directional control of the enzyme on the surface can maximize the surface area expression of the binding site of the enzyme, thereby maximizing the detection ability of the target material in the sample.

본 개시에서 pH에 따라 발생하는 오차를 보정하기 위해서는 먼저, 환자의 소변의 pH를 알 필요가 있다. 항원 농도의 측정을 원하는 대상 소변의 pH를 측정하는 것은 특별한 제한 없이 공지의 pH를 측정하는 방법이 적용될 수 있다. 예컨대 상기 소변의 pH 측정에는 산-염기 지시약, pH 시험지, 또는 전기화학적 방법 등을 이용할 수 있다. 상기 측정된 소변의 pH는 후술하는 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세선과 함께 원하는 특정 pH에서의 바이오마커의 전기적 시그널을 계산하는데 사용된다.In order to correct an error occurring according to pH in the present disclosure, first, it is necessary to know the pH of the urine of the patient. For measuring the pH of the subject urine for which the antigen concentration is to be measured, a known pH measuring method may be applied without particular limitation. For example, an acid-base indicator, pH test paper, or an electrochemical method may be used to measure the pH of the urine. The measured pH of urine is used to calculate the electrical signal of the biomarker at the specific pH desired along with the trend line of antigen antibody binding according to the pH described below.

상기 소변의 pH 측정과 별개로, 환자로부터 얻어진 소변에 전기화학센서의 작동 전극을 침지한다. 본 개시에서 사용되는 작동 전극은 작동 전극 상에 효소의 고정이 가능하고, 효소 반응 생성물에 전류를 흐르게 할 수 있다면 그 종류에 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 작동 전극은 수은 전극, 아말감 전극, Pt, Au,Pd,Rh 전극과 같은 귀금속 전극, 열분해 흑연(pyrolytic graphite) 전극, 유리 탄소(glassy carbon) 전극, 탄소 페이스트 전극, 탄소 섬유 전극과 같은 탄소 전극, 인듐 산화 주석(Indium tin oxide, ITO) 전극 등일 수 있다. Apart from the pH measurement of the urine, the working electrode of the electrochemical sensor is immersed in the urine obtained from the patient. The working electrode used in the present disclosure is not particularly limited as long as the enzyme can be immobilized on the working electrode and the current can flow through the enzyme reaction product. For example, the working electrode may be a mercury electrode, an amalgam electrode, a noble metal electrode such as Pt, Au, Pd, Rh electrode, pyrolytic graphite electrode, glassy carbon electrode, carbon paste electrode, carbon fiber electrode It may be a carbon electrode, an indium tin oxide (ITO) electrode, and the like.

다시 도 1을 참조하면, 작동 전극으로서 ITO 전극이 사용된다. 본 개시에서 사용되는 작동 전극은 바람직하게는 ITO 전극일 수 있다. ITO 전극의 경우, 바이오 센서에 적용 시, 노이즈 신호를 줄일 수 있고 별도의 점착층 없이도 유기 기판 상에 ITO 박막이 침적된 기판을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 상기 ITO 기판은 디스플레이 산업 등에서 대형 기판 상에 높고 안정적인 전기전도성 특성을 갖는 박막 기판 제조 공정을 동일하게 활용할 수 있으므로, 매우 저렴하게 전극으로 제작이 가능하다는 이점을 갖는다.Referring again to FIG. 1, an ITO electrode is used as the working electrode. The working electrode used in the present disclosure may preferably be an ITO electrode. In the case of an ITO electrode, when applied to a biosensor, it is possible to reduce a noise signal and to use a substrate on which an ITO thin film is deposited on an organic substrate without a separate adhesive layer. The ITO substrate has the advantage of being able to be manufactured as an electrode at a very low cost because the ITO substrate can use the thin film substrate manufacturing process having a high and stable electrical conductivity on a large substrate in the display industry.

상기 작동 전극을 소변에 침지함으로써, 소변 내에 존재하는 특정 질병의 바이오마커로 기능하는 항원과 작동 전극의 표면 상에 고정된 항체가 항원 항체 반응을 통해 결합된다. 상기 항원 항체 반응은 후술하는 바와 같이, 소변의 pH에 따라 반응의 활성도가 상이해지므로 환자에 따라, 혹은 환자의 컨디션에 따라 소변 내 존재하는 항원의 농도가 동일함에도 항원 항체 반응 결과가 달라질 수 있어 문제된다.By immersing the working electrode in urine, an antigen that functions as a biomarker of a particular disease present in the urine and an antibody immobilized on the surface of the working electrode are bound through an antigen antibody reaction. As described below, the antigen antibody response may vary in activity of urine according to the pH of the urine. Thus, even if the concentration of the antigen present in the urine varies depending on the patient or the condition of the patient, the antigen antibody response may be different. It matters.

상기 작동 전극을 소변에 침지한 후에, 상기 침지된 작동 전극에 전기적 산화환원반응 효소를 처리한다. 이후, 상기 처리된 작동 전극을 전기적 산화환원반응 기질을 포함하는 용액에 침지하고 산화환원 전압을 인가하여 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널을 측정한다. 본 개시에서 전기적 산화환원반응 효소란 전기적 산화환원반응 기질이 산화환원 반응이 가능하도록 활성화시키는 물질을 의미한다. 또한, 본 개시에서 전기적 산화환원반응 기질이란 활성화된 후, 작동 전극을 통해 전압이 인가되었을 때, 상기 인가된 전압에 의해 산화환원 반응이 진행되어 전자를 흡수 또는 방출함으로써 전류를 발생시키는 물질을 의미한다.After immersing the working electrode in urine, the immersed working electrode is treated with an electrical redox enzyme. Thereafter, the treated working electrode is immersed in a solution containing an electrical redox substrate and a redox voltage is applied to measure an electrical signal according to the redox reaction. In the present disclosure, the electrical redox enzyme refers to a substance that activates the redox substrate to enable the redox reaction. In addition, the electrical redox substrate in the present disclosure means a material that is activated, and when a voltage is applied through the working electrode, the redox reaction proceeds by the applied voltage to generate or absorb an electron to generate a current. do.

본 개시에 따른 구체예가 도시된 도 2를 참조하여 다시 설명하면, 예컨대, 도 2에는 전기적 산화환원반응 효소로서 ALP(alkaline phosphatase)가 사용되며, 전기적 산화환원반응 기질로서 AAP(ascorbic acid-2-phosphate)가 사용된다. 상기 AAP는 ALP에 의해 포스페이트 작용기가 분리되어 효소 반응 생성물로서 AA(ascorbic acid)로 전환된다. 상기 AA는 작동 전극을 통해 인가된 산화 전압에 의해서 탈수소 아스코르브산염(dehydroascorbate)로 산화된다. 상기 산화 반응 시 발생하는 전기적 시그널, 예컨대, 전류값이 측정되어, 이로부터 시료 내 원하는 목적 물질의 농도를 계산할 수 있다.Referring again to FIG. 2, where an embodiment according to the present disclosure is illustrated, for example, in FIG. 2, alkaline phosphatase (ALP) is used as an electrical redox enzyme, and ascorbic acid-2- as an electrical redox substrate. phosphate) is used. The AAP is separated from the phosphate functional group by ALP and converted into AA (ascorbic acid) as an enzyme reaction product. The AA is oxidized to dehydroascorbate by an oxidation voltage applied through the working electrode. An electrical signal generated during the oxidation reaction, for example, a current value is measured, from which the concentration of a desired target substance in the sample can be calculated.

상기 전기적 산화환원 반응 효소는 상기 소변에 침지된 작동 전극에 처리되어 도 1과 같이, 상기 항원에 결합될 수 있다. 여기서 상기 효소의 처리는 작동 전극의 표면 상에 고정된 항체와 결합한 항원에 균일하게 효소를 결합시키는 것이 가능하다면 그 방법이 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 효소는 분사, 침지, 담금 등의 공지의 방법을 통하여 상기 항원과 결합될 수 있다.The electrical redox reaction enzyme may be processed to the working electrode immersed in the urine and bound to the antigen as shown in FIG. 1. Herein, the treatment of the enzyme is not particularly limited as long as it is possible to uniformly bind the enzyme to the antigen bound to the antibody immobilized on the surface of the working electrode. For example, the enzyme may be a known method such as spraying, dipping and soaking. It can be combined with the antigen through.

효소는 기질 특이성을 가지므로, 본 개시에서 상기 항원 및 효소는 직접적 또는 간접적으로 결합될 수 있다. 간접적으로 결합되는 경우, 작동 전극의 표면 상에 고정되어 있는 1차 항체와는 상이하면서 항원과 결합할 수 있는 2차 항체 및 상기 2차 항체와 결합하는 전기적 산화환원반응 효소가 부착된 전기적 산화환원반응 효소 연결 항체가 사용될 수 있다. Since enzymes have substrate specificity, the antigens and enzymes in the present disclosure can be directly or indirectly bound. When indirectly bound, a secondary antibody capable of binding to an antigen different from the primary antibody immobilized on the surface of the working electrode and an electrical redox attached with an electrical redox enzyme that binds the secondary antibody Reactive enzyme-linked antibodies can be used.

예컨대 도 1을 참조하면, MMP-9 Biotinylated Antibody와 상이한 MMP-9 Antibody가 2차 항체로 사용되며, 상기 2차 항체에 결합 가능한 전기적 산화환원반응 효소 연결 항체로서 ALP가 부착된 Anti-mouse IgG가 사용된다.For example, referring to FIG. 1, an MMP-9 Antibody different from an MMP-9 Biotinylated Antibody is used as a secondary antibody, and an ALP-attached Anti-mouse IgG as an electrical redox enzyme-linking antibody capable of binding to the secondary antibody. Used.

전기적 산화환원반응 효소가 작동 전극 상에 고정된 항체와 결합한 항원과 결합한 경우에만 전기적 산화환원반응 기질의 산화환원 반응이 수행되는 것인바, 하므로, 상기 전기적 산화환원반응을 통해 측정되는 전기적 시그널은 소변 내 항원의 농도에 의존하며, 이에, 상기 전기적 시그널으로부터 소변 내 항원의 농도를 역산하는 것이 가능하다.The redox reaction of the electrical redox substrate is performed only when the electrical redox enzyme binds to the antigen bound to the antibody immobilized on the working electrode. Therefore, the electrical signal measured through the electrical redox reaction is urine. It depends on the concentration of the antigen in the body, and thus it is possible to invert the concentration of the antigen in the urine from the electrical signal.

예시적으로 본 개시의 전기적 산화환원반응 효소는 ALP, HRP(Horseradish peroxidase), 글루코스 옥시다제(Glucose Oxidase), 루시퍼라제(luciferase), 베타-디-갈락토시다제(β-D-galactosidase), 말산탈수소효소(malate dehydrogenase, MDH), 아세틸콜린에스터라제(acetylcholinesterase) 등일 수 있다. 특히 바람직하게는 상기 효소는 ALP 또는 HRP일 수 있다. ALP 및 HRP는 매우 민감한 반응성을 갖는 이점이 있으며, 특히 HRP의 경우 저렴하여 비용 측면에서 이점이 있다. 또한, ALP의 경우 약 24 내지 48시간의 긴 시그널 유지 시간을 갖는 점에서 유리한 이점이 있다.By way of example, the electrical redox enzymes of the present disclosure may include ALP, HRP (Horseradish peroxidase), glucose oxidase (Glucose Oxidase), luciferase, beta-di-galactosidase (β-D-galactosidase), Malate dehydrogenase (MDH), acetylcholinesterase, and the like. Especially preferably, the enzyme may be ALP or HRP. ALP and HRP have the advantage of having very sensitive reactivity, in particular HRP is inexpensive and cost-effective. In addition, ALP is advantageous in that it has a long signal holding time of about 24 to 48 hours.

또한, 본 개시의 전기적 산화환원반응 기질은 예컨대 도 2에서 ALP에 의해 활성화되는 AAP와 같이, 상기 전기적 산화환원반응 효소에 대응되는 기질이 사용된다.In addition, as the electric redox substrate of the present disclosure, for example, a substrate corresponding to the electric redox enzyme, such as AAP activated by ALP, is used.

상기 전기적 시그널의 측정에 있어서, 공지의 전기화학적 측정 방법이 사용될 수 있다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 순환전압(Cyclic Voltammetry, CV)법이 사용될 수 있다. 순환전압법은 작동 전극에 인가되는 전압을 일정 속도로 순환시켜 전류를 측정하는 방법으로서, 이를 통해 순환전압전류 곡선을 얻을 수 있다. 여기서, 순환전압법을 통해 측정되는 전기적 시그널은 상기 순환전압전류 곡선에 도시된 전류값의 최대값을 의미한다.In the measurement of the electrical signal, a known electrochemical measuring method can be used. According to one embodiment of the present disclosure, a cyclic voltage (Cyclic Voltammetry, CV) method can be used. The cyclic voltage method is a method of measuring a current by circulating a voltage applied to the working electrode at a constant speed, through which a cyclic voltage current curve can be obtained. Here, the electrical signal measured by the cyclic voltage method means the maximum value of the current value shown in the cyclic voltage current curve.

상기와 같은 방법을 통해 측정된 전기적 시그널은 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 이용하여 미리 특정된 pH에서의 전기적 시그널로 보정될 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이, 환자의 소변의 pH가 상이하고, 상기 pH가 항원과 항체의 결합에 영향을 미치기 때문이며, 상기 보정을 통해 질병 유무의 판단 기준이 되는 미리 특정된 pH에서의 바이오마커의 농도를 계산하는 것이 가능하다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 상기 측정된 전기적 시그널은 상기 보정을 통해 pH가 7.4일 때의 전기적 시그널로 보정될 수 있다.The electrical signal measured by the above method can be corrected by the electrical signal at a predetermined pH using the trend of antigen antibody binding with pH. This is because, as described above, the pH of the patient's urine is different, the pH affects the binding of the antigen and the antibody, and the biomarker at the predetermined pH, which is a criterion for the presence of disease through the correction, It is possible to calculate the concentration. According to one embodiment of the present disclosure, the measured electrical signal may be corrected to the electrical signal when the pH is 7.4 through the correction.

본 개시에서, pH에 따른 항원 항체 결합의 추세는 하기와 같은 단계를 거쳐 얻어질 수 있다. In the present disclosure, the trend of antigen antibody binding according to pH can be obtained through the following steps.

본 개시의 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 결정하는 방법은 바이오마커를 포함하며, 4 ≤ pH1, pH2, ..., pHn ≤10인 상이한 pH를 갖는 n개의 버퍼 용액을 준비하는 단계; 작동 전극 표면 상에 항체가 고정된 전기화학센서를 이용하여, 상기 각각의 버퍼 용액에서의 바이오마커 및 항체의 결합에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기적 시그널로부터 바이오마커와 항체 간 pH에 따른 결합도의 추세선을 계산하는 단계를 포함한다.The method for determining the trend of antigen antibody binding according to the pH of the present disclosure comprises preparing a buffer solution having a different pH of 4 <pH 1 , pH 2 , ..., pH n < 10 step; Measuring an electrical signal according to the binding of the biomarker and the antibody in the respective buffer solution using an electrochemical sensor immobilized on the surface of the working electrode; And calculating a trend line of the degree of binding according to pH between the biomarker and the antibody from the measured electrical signal.

상기 버퍼 용액은 동일한 바이오마커를 동일한 농도로 포함한다. 여기서 상기 바이오마커는 본 개시의 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법을 실시함에 농도를 측정하고자 하는 항원과 동일한 물질이다.The buffer solution contains the same biomarker at the same concentration. Here, the biomarker is the same substance as the antigen to be measured in the method of measuring the concentration of the antigen in the urine of the present disclosure.

상기 버퍼 용액은 바람직하게는 5≤ pH1, pH2, ..., pHn ≤9인 상이한 pH를 갖는 n개의 버퍼 용액일 수 있다. 여기서 상기 n은 5 이상의 정수일 수 있으며, 예컨대 5, 6, 10, 12, 20, 및 50일 수 있다.The buffer solution may be n buffer solutions with different pHs, preferably 5 ≦ pH 1 , pH 2 ,..., PH n ≦ 9. Wherein n may be an integer greater than or equal to 5, for example 5, 6, 10, 12, 20, and 50.

상기 버퍼 용액은 바이오마커의 대응 항체와의 항원 항체 반응에 영향을 미치지 않으면서 원하는 pH로의 제어가 가능하다면 특별히 제한되지 않는다. 본 개시의 일 구체예에 따르면, 상기 버퍼 용액은 시트르산 버퍼, 인산염완충식염수 버퍼, 또는 탄산염완충식염수 버퍼을 포함할 수 있다. 버퍼 용액의 pH 4 내지 8로의 조정은 시트르산 버퍼 또는 인산염완충식염수 버퍼가 사용될 수 있다. 또한, 버퍼 용액의 pH 8 초과 내지 10으로의 조정은 탄산염완충식염수 버퍼가 사용될 수 있다.The buffer solution is not particularly limited as long as control to the desired pH is possible without affecting the antigen antibody reaction of the biomarker with the corresponding antibody. According to one embodiment of the present disclosure, the buffer solution may include citric acid buffer, phosphate buffered saline buffer, or carbonate buffered saline buffer. Adjustment of the buffer solution to pH 4 to 8 may use citric acid buffer or phosphate buffered saline buffer. In addition, the adjustment of the buffer solution to a pH above 8 to 10 may be used carbonate buffered saline buffer.

상기 바이오마커를 포함하는, 상이한 pH를 갖는 버퍼 용액의 각각에 대하여, 작동 전극 표면 상에 항체가 고정된 전기화학센서를 이용하여, 바이오마커 및 항체의 결합에 따른 전기적 시그널을 측정한다. 상기 전기적 시그널의 측정은 전술한 본 개시의 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법과 동일하게 수행될 수 있다. 즉, 작동 전극을 버퍼 용액에 침지하여, 바이오마커와 항체의 항원 항체 결합 반응을 수행하고, 상기 침지된 작동 전극에 전기적 산화환원반응 효소를 처리한 후, 전기적 산화환원반응 기질을 포함하는 용액에 침지하고 산화환원 전압을 인가하여 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널을 측정할 수 있다. 이를 pH가 상이한 각각의 버퍼 용액에 반복적으로 수행하여, 상이한 pH에 대한 바이오마커 및 항체의 결합에 따른 전기적 시그널을 측정할 수 있다.For each of the buffer solutions having different pHs, including the biomarker, an electrical signal due to the binding of the biomarker and the antibody is measured using an electrochemical sensor in which the antibody is immobilized on the working electrode surface. The measurement of the electrical signal may be performed in the same manner as the method for measuring the concentration of the antigen in the urine of the present disclosure described above. That is, the working electrode is immersed in a buffer solution to perform an antigen antibody binding reaction between the biomarker and the antibody, and after the immersed working electrode is treated with an electrical redox enzyme, the solution is contained in a solution containing an electrical redox substrate. By dipping and applying a redox voltage, an electrical signal according to a redox reaction may be measured. This can be done repeatedly in each buffer solution at different pHs to determine the electrical signal due to binding of biomarkers and antibodies to different pHs.

상기 전기적 시그널의 측정은 또한, 순환전압법을 이용하여 수행될 수 있다. 순환전압법을 사용하는 경우, 상기 전기적 시그널은 각각의 버퍼 용액에 침지된 작동 전극에 대하여 특정의 동일한 전압에서 발생한 전류값을 의미하며, 상기 특정 전압은 상기 효소 및 기질의 반응이 최대로 활성화될 수 있는 전압인 것이 바람직하다. 효소 및 기질의 반응이 최대로 활성화될 수 있는 전압에서의 전류값을 측정함으로써, 그 외의 변수를 최소화하여, 상이한 pH를 갖는 버퍼 용액들에서의 항원 항체 결합에 따른 전기적 시그널의 추세의 신뢰성을 높일 수 있다.The measurement of the electrical signal can also be performed using cyclic voltammetry. When using the cyclic voltammetry, the electrical signal means a current value generated at a certain same voltage with respect to the working electrode immersed in each buffer solution, and the specific voltage indicates that the reaction of the enzyme and the substrate is maximized. It is preferable that it is a voltage which can be used. By measuring the current value at the voltage at which the reaction of the enzyme and substrate can be activated to the maximum, the other variables are minimized to increase the reliability of the trend of the electrical signal due to antigen antibody binding in buffer solutions with different pH. Can be.

예컨대, 전기적 산화환원반응 효소로서 ALP를 사용한 경우, 선행특허출원 KR 10-2017-0154148에서 개시하고 있는 바와 같이, 0.34V의 전압에서 측정되는 각각의 전류값을 이용하여 추세를 결정함이 바람직하다.For example, when ALP is used as the electrical redox enzyme, it is preferable to determine the trend using the respective current values measured at a voltage of 0.34V, as disclosed in the prior patent application KR 10-2017-0154148. .

상기 상이한 pH를 갖는 버퍼 용액으로부터 측정된 전기적 시그널을 이용하여, x축을 pH 값, y축을 전기적 시그널로 하는 추세선을 계산할 수 있다. 본 개시의 구체예를 따르면, 상기 추세선의 결정계수(R2)는 0.95 이상, 바람직하게는 0.97 이상, 보다 바람직하게는 0.99 이상일 수 있다. 상기 결정계수의 값이 1에 근사할 수록 바이오마커와 항체 간 pH에 따른 결합도의 추세의 신뢰도는 상승한다.Using the electrical signals measured from the buffer solutions having different pHs, it is possible to calculate trend lines with the x-axis as the pH value and the y-axis as the electrical signal. According to an embodiment of the present disclosure, the crystal coefficient R 2 of the trend line may be 0.95 or more, preferably 0.97 or more, and more preferably 0.99 or more. As the value of the crystal coefficient approaches 1, the reliability of the trend of the degree of binding according to pH between the biomarker and the antibody increases.

한편, 상기 pH에 따른 항원 항체 결합 추세의 결정은 본 개시에 따른 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법의 실시에 앞서 미리 수행될 수 있다. 일단 특정 항원에 대하여 상기의 추세 결정 방법을 통해 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 결정하였다면, 상기 특정 항원에 대하여는 추후 추세 결정을 위한 별도의 실험이 요구되지 않는바, 시간적, 비용적 관점에서 소변 시료에 pH 적정을 수행한 후, 전기적 시그널을 측정하는 것보다 유리하다. On the other hand, the determination of the antigen antibody binding trend according to the pH may be performed in advance before the implementation of the method for measuring the concentration of the antigen in the urine according to the present disclosure. Once the trend of antigen antibody binding according to pH is determined through the above trend determination method for a specific antigen, a separate experiment for further trend determination is not required for the specific antigen. After performing pH titration on the sample, it is more advantageous than measuring the electrical signal.

이하, 본 개시의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 개시를 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present disclosure, but the following examples are provided only to facilitate understanding of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto.

실시예Example

제조예Production Example 1. 전기화학적 ELISA 플랫폼의 제조 1. Preparation of Electrochemical ELISA Platform

ITO 전극 표면(24mm2)을 10mL의 Trichloroethylene 용액, 에탄올 용액, 및 DI water 각각에서 15분간 Sonication처리를 하고 난 후 Ammonium hydroxide 용액, Hydrogen peroxide, DI water를 1:1:5로 배합한 용액에 전극을 담그고 75℃의 항온조에서 1시간 30분 동안 반응시킨 후, DI water에 전극을 씻어 최종적으로 전극 표면 상에 OH기를 활성화 시켰다. 100㎍/ml의 아비딘 15㎕와 상온에서 약 2시간 동안 반응시켰다. 소수성 상호작용을 통해 아비딘이 ITO 전극 표면 상에 물리적으로 흡착되었다. 이후, 상기 전극과 15㎕의 1% BSA(bovine serum albumin)를 4℃에서 약 24시간 동안 반응시켰다. 그리고 상기 전극과 Human/Primate MMP-9 Biotinlated Antibody(BAF911, R&D Systems사 제조, 10㎍/ml) 15㎕를 4℃에서 약 30분간 반응시켰다.After ITO electrode surface (24mm 2 ) was sonicated for 10 minutes in 10 mL of Trichloroethylene solution, ethanol solution and DI water for 15 minutes, the solution was mixed with Ammonium hydroxide solution, Hydrogen peroxide, and DI water in 1: 1: 5. After soaking and reacting for 1 hour and 30 minutes in a 75 ℃ thermostat, the electrode was washed with DI water to finally activate the OH group on the electrode surface. 15 μl of avidin at 100 μg / ml was reacted at room temperature for about 2 hours. Through hydrophobic interactions, avidin was physically adsorbed on the ITO electrode surface. Thereafter, 15 μl of 1% BSA (bovine serum albumin) was reacted at 4 ° C. for about 24 hours. The electrode was reacted with 15 μl of Human / Primate MMP-9 Biotinlated Antibody (BAF911, manufactured by R & D Systems, 10 μg / ml) at 4 ° C. for about 30 minutes.

실험 1. pH에 따른 항원 항체 결합 Experiment 1. Antigen Antibody Binding According to pH 추세선의Trendline 결정 decision

바이오마커로서 100ng/mL의 Recombinant human MMP-9(911-MP-010, R&D systems사 제조)을 포함하는 pH 4, 5, 6, 7, 8, 9의 버퍼 용액을 제조하였다. 상기 pH 4 내지 8의 버퍼 용액의 제조에는 시트르산 버퍼 또는 인산염완충식염수 버퍼를 사용하였으며, pH 9의 버퍼 용액의 제조에는 탄산염완충식염수 버퍼를 사용하였다.A buffer solution of pH 4, 5, 6, 7, 8, 9 containing 100ng / mL of Recombinant human MMP-9 (911-MP-010, manufactured by R & D Systems) as a biomarker was prepared. Citric acid buffer or phosphate buffered saline buffer was used for the preparation of the buffer solution of pH 4 to 8, and carbonate buffered saline buffer was used for the preparation of the buffer solution of pH 9.

상기 제조된 pH 4의 버퍼 용액에 제조예 1에서 제조한 작동 전극을 25℃의 상온에서 2분간 침지하였다.The working electrode prepared in Preparation Example 1 was immersed in the buffer solution of pH 4 prepared at room temperature of 25 ° C. for 2 minutes.

이후, 상기 작동 전극에 Human/Primate MMP-9 Antibody(MAB936-100, R&D systems사 제조) 및 Anti-Mouse IgG(whole molecule)-Alkaline Phosphatase antibody(A3562, 시그마알드리치사 제조)를 각각 10㎍/ml로 순차적으로 작동 전극 표면과 접촉시켜 25℃에서 30분간 반응시켰다.Thereafter, 10 µg / ml of Human / Primate MMP-9 Antibody (MAB936-100, manufactured by R & D systems) and Anti-Mouse IgG (whole molecule) -Alkaline Phosphatase antibody (A3562, manufactured by Sigma Aldrich) Sequentially contacted with the working electrode surface for 30 minutes at 25 ℃.

50mM Tris-HCl(pH 9.6), 10mM MgCl2, 및 물을 포함하는 용액에 1mM의 고형 AAP 분말을 용해시킨 혼합 용액에 상기 처리된 작동 전극을 2분간 침지한 후, 25℃에서 순환전압법을 이용하여 전압에 대한 전류값을 측정하였다. 전압은 0 내지 0.6V 사이에서 순환되었으며, 0.34V에서의 전류값을 하기 표 1에 나타내었다.The treated working electrode was immersed for 2 minutes in a mixed solution in which 1 mM solid AAP powder was dissolved in a solution containing 50 mM Tris-HCl (pH 9.6), 10 mM MgCl 2 , and water. Was used to measure the current value against the voltage. The voltage was cycled between 0 and 0.6V and the current values at 0.34V are shown in Table 1 below.

상기 과정을 pH가 5, 6, 7, 8, 및 9로 상이한 버퍼 용액에 대하여도 동일하게 반복 실시하였고, 각각의 버퍼 용액에서의 실험에서 측정된 전류값 중 0.34V에서의 전류값을 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 하기 표 1의 pH 5 내지 pH 9의 데이터를 이용하여 x축을 pH, y축을 전류값으로 하는 그래프에 추세선을 계산하였다. 이는 도 3에 도시하였고, 도 3을 참조하면 상기 추세선은 1차 함수의 관계식을 가지면서 결정계수(R2)도 0.95 이상임을 알 수 있다.The same procedure was repeated for buffer solutions with different pH values of 5, 6, 7, 8, and 9, and the current values at 0.34 V of the current values measured in the experiments in the respective buffer solutions are shown in the following table. 1 is shown. In addition, the trend line was calculated on a graph in which the x-axis is the pH and the y-axis is the current value using the data of pH 5 to pH 9 in Table 1 below. This is illustrated in FIG. 3, and referring to FIG. 3, it can be seen that the trend line has a relational expression of a linear function and the coefficient of determination (R 2 ) is also 0.95 or more.

상기 도 3의 추세선의 식은 하기와 같다.The equation of the trend line of FIG. 3 is as follows.

식 1.Equation 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 pH z는 바이오마커를 함유하는 용액의 pH 값이며, y는 pH z일 때 추세에 따른 전류값이다.Where pH z is the pH value of the solution containing the biomarker, y is the current value according to the trend when pH z.

일반적인 생체 조건 pH인 pH 7.4에서의 전류값은 상기 식 1로부터 약 0.23㎂이며, 이를 기준으로 각 pH에서의 전류값의 편차를 하기 표 1에 나타내었다.The current value at pH 7.4, which is a general in vivo pH, is about 0.23 mA from Equation 1, and the deviation of the current value at each pH is shown in Table 1 below.

상이한 pH에서의 전기적 산화환원반응의 전류값 및 pH 7.4에서의 전류값과의 편차Current value of electrical redox reaction at different pH and deviation from current value at pH 7.4 pH zpH z pH 4pH 4 pH 5pH 5 pH 6pH 6 pH 7pH 7 pH 8pH 8 pH 9pH 9 전류값(㎂)
(@ 0.34V)
Current value
(@ 0.34V)
0.170.17 0.290.29 0.270.27 0.250.25 0.220.22 0.190.19
pH 7.4에서의 전류값과의 편차(%)% deviation from current value at pH 7.4 -27.23-27.23 +22.55+22.55 15.7415.74 7.237.23 -7.66-7.66 -10.85-10.85

식 1 및 표 1의 결과로부터, pH에 따른 바이오마커의 전기화학적 분석 시 전기적 시그널의 최대 편차는 22.55%로 나타나며, 이에, 상기 추세선을 이용한 전기적 시그널의 보정을 통해 최종 진단의 오차를 22.55% 이내로 개선할 수 있음을 알 수 있다. From the results of Equation 1 and Table 1, the maximum deviation of the electrical signal in the electrochemical analysis of the biomarker according to pH is 22.55%, so that the error of the final diagnosis within 22.55% through the correction of the electrical signal using the trend line It can be seen that it can be improved.

pH에 따른 according to pH 전류값의Current value 보정 및 방광암의 진단 방법 Correction and diagnosis of bladder cancer

환자의 소변 내 바이오마커의 전기화학적 측정에 따른 전류값은 상기 식 1 및 하기 식 2를 이용하여 보정될 수 있다.The current value according to the electrochemical measurement of the biomarker in the urine of the patient can be corrected using Equation 1 and Equation 2 below.

식 2.Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, y pH calibrated는 상기 식 2에 의해 보정된 전류값이고, y(측정)은 환자의 소변으로부터 측정된 전류값이며, y(추세)는 상기 식 1에 의해 계산되는 추세에 따른 전류값을 의미한다. 또한, 상기 식 2의 '±'와 관련하여, z가 7.4보다 큰 경우, 이는 '+'로 계산되고, z가 7.4보다 작은 경우 이는 '-'로 계산된다.Here, y pH calibrated is the current value corrected by Equation 2, y (measurement) is the current value measured from the urine of the patient, y (trend) is the current value according to the trend calculated by Equation 1 it means. In addition, with respect to '±' in Equation 2, when z is larger than 7.4, it is calculated as '+', and when z is smaller than 7.4, it is calculated as '-'.

이에, 환자의 소변의 pH 및 전류값이 측정되면, 상기 식 1 및 2를 이용하여 보정된 전류값을 계산하는 것이 가능하다. Thus, if the pH and current value of the patient's urine is measured, it is possible to calculate the corrected current value using the equations (1) and (2).

한편, 도 4는 pH 7.4 조건에서 MMP-9 농도에 따른 전류값을 플롯한 그래프이다. 도 4에 도시된 그래프의 식은 하기와 같다.On the other hand, Figure 4 is a graph plotting the current value according to the concentration of MMP-9 at pH 7.4 conditions. Formula of the graph shown in Figure 4 is as follows.

식 3.Equation 3.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 x는 MMP-9의 농도이고, y(pH 7.4)는 pH 7.4의 조건에서 특정 MMP-9의 농도에 따른 전류값이다.Where x is the concentration of MMP-9 and y (pH 7.4) is the current value according to the concentration of a particular MMP-9 under conditions of pH 7.4.

앞서 식 1 및 2를 이용하여 계산된 보정된 전류값을 상기 식 3에 대입하면 역산하여 환자의 소변 내의 MMP-9의 농도를 계산하는 것이 가능하다.Substituting the corrected current value calculated using Equations 1 and 2 into Equation 3 above allows inversion to calculate the concentration of MMP-9 in the urine of the patient.

또한, 전술한 바와 같이 방광암 진단에 있어서, MMP-9의 Cut-off value는 8.7ng/ml이므로, 상기 계산된 환자의 소변 내의 MMP-9의 값을 이와 비교하여 환자의 방광암 여부를 진단하는 것이 가능하다.In addition, as described above, in the diagnosis of bladder cancer, the cut-off value of MMP-9 is 8.7 ng / ml. Therefore, it is better to diagnose the bladder cancer of the patient by comparing the calculated value of MMP-9 in the urine of the patient. It is possible.

이상으로 본 개시의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Although the preferred embodiments of the present disclosure have been shown and described above, the present disclosure is not limited to the specific embodiments described above, and the present disclosure is not limited to the specific embodiments described above. Various modifications may be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present disclosure.

Claims (12)

전기화학센서를 이용한 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법으로서,
상기 센서는 작동 전극의 표면 상에 고정되는 항체를 포함하며,
상기 소변의 pH를 측정하는 단계;
상기 소변에 작동 전극을 침지하는 단계;
상기 침지된 작동 전극에 전기적 산화환원반응 효소를 처리한 후, 전기적 산화환원반응 기질을 포함하는 용액에 침지하고 산화환원 전압을 인가하여 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 전기적 시그널을 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세를 이용하여 미리 특정된 pH에서의 전기적 시그널로 보정하는 단계를 포함하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
As a method of measuring the concentration of antigen in the urine using an electrochemical sensor,
The sensor comprises an antibody immobilized on the surface of the working electrode,
Measuring the pH of the urine;
Dipping a working electrode in the urine;
Treating the immersed working electrode with an electrical redox enzyme, and then immersing in a solution containing an electrical redox reaction substrate and applying a redox voltage to measure an electrical signal according to a redox reaction; And
And correcting the measured electrical signal with an electrical signal at a predetermined pH using a trend of antigen antibody binding according to pH.
청구항 1에 있어서,
상기 항원은 전립선암 또는 방광암 진단의 바이오마커인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
Said antigen is a biomarker for diagnosing prostate cancer or bladder cancer.
청구항 2에 있어서,
상기 바이오마커는 Metrix Metallo Peptidase-9(MMP-9), Apolipoprotein A-1(ApoA1), prostate-specific antigen(PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3(ANX A3), nuclear matrix protein 22(NMP22), bladder tumor antigen(BTA), 및 urinary bladder carcinoma antigen(UBC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 2,
The biomarker is Metrix Metallo Peptidase-9 (MMP-9), Apolipoprotein A-1 (ApoA1), prostate-specific antigen (PSA), Prostate specific membrane antigen (PSMA), Annexin A3 (ANX A3), nuclear matrix protein 22 (NMP22), bladder tumor antigen (BTA), and urinary bladder carcinoma antigen (UBC) is a method for measuring the concentration of antigen in the urine, characterized in that one.
청구항 1에 있어서,
상기 항체는 작동 전극의 표면 상에 연결 화합물을 통해 고정되는 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
And said antibody is immobilized via a linking compound on the surface of the working electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 작동 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
The working electrode is ITO (Indium Tin Oxide) method for measuring the concentration of the antigen in the urine.
청구항 1에 있어서,
상기 전기적 산화환원반응 효소는 HRP(Horseradish peroxidase), ALP(Alkaline phosphatase), 글루코스 옥시다아제(Glucose Oxidase), 루시퍼라이제(luciferase), 베타-디-갈락토시다아제(β-D-galactosidase), 말산탈수소효소(MDH: malate dehydrogenase), 및 아세틸콜린에스터라아제(acetylcholinestrerase)의 군으로부터 선택되는 1종의 효소인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
The electrical redox enzymes include HRP (Horseradish peroxidase), ALP (Alkaline phosphatase), glucose oxidase (Glucose Oxidase), luciferase, beta-di-galactosidase (β-D-galactosidase), malic acid A method for measuring the concentration of antigen in urine, characterized in that it is one enzyme selected from the group of dehydrogenase (MDH: malate dehydrogenase) and acetylcholinestrerase.
청구항 1에 있어서,
상기 전기적 시그널의 측정은 순환전압(CV)법을 이용하며, 상기 전기적 시그널은 순환전압법을 통해 측정된 최대의 전류값인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
The measurement of the electrical signal using a cyclic voltage (CV) method, the electrical signal is a method for measuring the concentration of antigen in the urine, characterized in that the maximum current value measured by the cyclic voltage method.
청구항 1에 있어서,
상기 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세는:
바이오마커를 포함하며, 4 ≤ pH1, pH2, ..., pHn ≤ 10인 상이한 pH를 갖는 n개의 버퍼 용액을 준비하는 단계;
작동 전극 표면 상에 항체가 고정된 전기화학센서를 이용하여, 상기 각각의 버퍼 용액에서의 바이오마커 및 항체의 결합에 따른 전기적 시그널을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 전기적 시그널로부터 바이오마커와 항체 간 pH에 따른 결합도의 추세선을 계산하는 단계를 포함하는 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세 결정 방법에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
The trend of antigen antibody binding according to the pH is:
Preparing n buffer solutions having different pH, wherein the biomarkers include 4 ≦ pH 1 , pH 2 ,..., PH n ≦ 10;
Measuring an electrical signal according to the binding of the biomarker and the antibody in the respective buffer solution using an electrochemical sensor immobilized on the surface of the working electrode; And
Measuring the concentration of antigen in the urine, characterized in that determined by the trend determination method of antigen antibody binding according to pH comprising the step of calculating the trend of the binding degree according to pH between the biomarker and the antibody from the measured electrical signal How to.
청구항 8에 있어서,
상기 n은 5 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 8,
N is an integer greater than or equal to 5, the method of measuring the concentration of the antigen in the urine.
청구항 8에 있어서,
상기 버퍼는 시트르산, 인산염완충식염수, 또는 탄산염완충식염수 버퍼인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법
The method according to claim 8,
The buffer is a method for measuring the concentration of antigen in the urine, characterized in that the citric acid, phosphate buffered saline, or carbonate buffered saline buffer
청구항 8에 있어서,
상기 추세선의 결정계수(R2)는 0.95 이상인 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 8,
The determination coefficient (R 2 ) of the trend line is a method for measuring the concentration of antigen in the urine, characterized in that more than 0.95.
청구항 1에 있어서,
상기 pH에 따른 항원 항체 결합의 추세는 소변 내 항원의 산화환원 반응에 따른 전기적 시그널 측정에 앞서 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 소변 내 항원의 농도를 측정하는 방법.
The method according to claim 1,
The trend of antigen antibody binding according to the pH is a method for measuring the concentration of the antigen in the urine, characterized in that predetermined before the measurement of the electrical signal according to the redox reaction of the antigen in the urine.
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