KR20220012105A

KR20220012105A - 현장 사용을 위한 휴대용 전혈 전처리 장치 및 이를 이용한 전처리 방법

Info

Publication number: KR20220012105A
Application number: KR1020200091230A
Authority: KR
Inventors: 고성호; 권도형; 차동현; 심소현
Original assignee: 차의과학대학교 산학협력단
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-02-03
Also published as: KR102504840B1

Abstract

본 발명은 현장 현시 검사에 적용하기 위한 휴대용 전혈 전처리 장치 및 이를 이용한 전처리 방법에 관한 것으로, 일 양상에 따른 전혈 전처리 장치는 고가의 거대한 장비와 전문가 도움 없이 소량의 전혈을 떨어뜨린 후 손가락으로 눌러 압력을 가하는 단순한 작동만으로도 전혈 내 혈구 세포 및 혈장단백질을 신속하게 분리/제거할 수 있어 순도 높은 혈청 샘플을 효과적으로 획득할 수 있는 바, 전혈 내 바이오마커 검출을 위한 바이오센서에 적용할 시 신호 측정 방해 물질들과 유체의 흐름을 방해하는 점성 물질들을 충분히 제거할 수 있으므로 혈액 내 타겟 바이오마커의 고선택도·고민감도 검출을 수행할 수 있다.

Description

현장 사용을 위한 휴대용 전혈 전처리 장치 및 이를 이용한 전처리 방법 {A portable on-site whole blood pretreatment device and pretreatment method using the same}

본 발명은 현장 현시 검사에 적용하기 위한 휴대용 전혈 전처리 장치 및 이를 이용한 전처리 방법에 관한 것이다.

혈액이나 타액과 같은 생체시료는 혈당뿐 아니라 심근경색, 간 기능, 종양 유무, 각종 감염 상태 등을 나타내는 다양한 바이오마커들을 포함하므로 건강 관련 수치를 제공하는 건강 검진의 핵심이라고 할 수 있다. 현장 현시 검사(Point of care testing; POCT) 시 바이오센서와 같은 휴대용 진단 도구를 이용하여 생체시료 내 바이오마커를 실시간으로 검출하고자 하는 검사 방법이 주목받고 있으며, 생체시료는 다양한 물질이 포함되어있는 생물학적 유체이기 때문에 전처리를 거치지 않는 경우 재현성 및 기기 작동의 안정성과 정확도를 떨어트릴 수 있으므로 현장에서 생체시료를 실시간으로 신속 간단하게 전처리할 수 있는 방법이 절실히 필요한 실정이다.

혈액은 적혈구와 백혈구, 혈소판과 같은 혈구 세포 (blood cells)와 혈장 (plasma) 성분으로 분류된다. 혈장에는 알부민 (albumin), 피브리노젠 (fibrinogen), 면역글로불린 (immunoglobulin) 등 6종 이상의 혈장단백질들이 있지만 임상적으로 중요한 의미를 갖는 주요 단백질은 1% 미만의 극미량만이 존재한다. 심지어 감염성 질환을 검사하기 위해 찾아내야 하는 감염균의 단백질이나 DNA, RNA 등의 유전물질은 ppm, 혹은 ppb 이하로 존재하는 경우가 일반적이기 때문에 분석대상이 되는 극미량의 특정 물질을 특이적으로 정확하게 검출하는 것이 매우 중요하다.

따라서 전혈 (whole blood)로부터 혈구세포나 혈장단백질을 분리하지 않고 바이오마커 검출용 진단 바이오센서에 적용할 시, 전혈 내 신호 방해 물질들이 센서의 신호 감지 부분에 전극 오염막 (electrode fouling)을 형성하여 검출 신호의 민감도를 저해하거나 칩 전극, 미세 입자 표면, 항체 등에 비특이적으로 결합 (non-specific binding)될 수 있으므로 고감도로 검출하기 어렵다.

기존의 혈액 전처리를 위해서는 일반적으로 원심분리기를 이용하여 혈구를 가라앉힌 후 상층액의 혈장 (plasma)을 얻는 방법이 사용된다. 그러나 이는 고가의 거대한 분석 장비와 숙련된 기술이 필요하기 때문에 전문가에 의해서만 수행이 가능하며, 전압으로 공급되는 전원을 사용하는 경우가 많으므로 휴대가 곤란할 뿐 아니라 다량의 샘플이 소모된다.

뿐만 아니라 혈구세포까지 전처리 후 혈장 수준에서의 시료를 사용하는 경우가 많은데, 이는 검출하고자 하는 마커 외의 다른 혈장단백질들이 정확한 분석을 저해할 뿐 아니라 시료의 점도를 높여 미세 채널 내 시료의 이동을 어렵게 한다는 문제점이 있기 때문에 이러한 혈장단백질을 제거한 혈청 (serum) 샘플을 사용해야 한다. 그러나 혈청을 얻기 위해서는 추가적인 처리를 통해 알부민과 피브리노젠 같은 혈장단백질을 제거하는 복잡하고 어려운 과정들을 거쳐야 한다는 어려움이 있다.

이러한 요구에 따라 여러 연구에서 바이오칩 상에서의 전혈로부터 혈장을 획득하기 위해 다양한 중력, 원심력, 전자기력, 광파워, 음파력 등의 다양한 구동력을 이용한 개발 연구들이 진행되어 왔다. 그러나, 회전 속도 및 원심력과 같은 복잡한 물리적 작동 방식이 필요하므로 구동이 어려우며 이에 따른 휴대의 어려움 및 비용이 높게 책정된다는 단점이 있다. 또한 소량의 시료 혈액 사용, 높은 혈구 제거 효율, 간편한 동작, 비희석, 신속성, 재현성, 저가 일회용 사용, 범용성 등을 전반적으로 만족시키기에 기능적으로 한계가 있다.

현장 현시 검사의 경우 적은 양의 샘플로도 손쉽고 빠르게 전처리 공정을 진행해야 하며, 저렴하게 수행되어야 하는 시장성의 요구도 충족되어야 한다. 바이오센서 분야에서도 높은 효율의 전혈 분리 기술이 다양하게 연구되고 있으나 (한국공개특허 10-2015-0022701), 더욱 쉽고 간단하게 구동할 수 있을 뿐 아니라 비용이 저렴한 전처리 시스템을 구축할 필요가 있다.

일 양상은 제1 홀을 포함하는 제1 기판; 상기 제1 홀 내부에 위치하고 혈장 단백질에 특이적으로 결합하는 항체가 코팅된 적어도 하나의 멤브레인; 상기 제1 홀 하부에 위치하고 제2 홀을 포함하는 제2 기판; 및 상기 제1홀 상부를 밀폐하는 실링 커버;를 포함하는 전혈 전처리 장치를 제공하는 것이다.

다른 양상은 상기 전혈 전처리 장치에 전혈 시료를 로딩하는 단계; 및 로딩 후 60 초 이상 경과 후 상기 실링 커버를 가압하는 단계;를 포함하는 전혈 전처리 방법을 제공하는 것이다.

일 양상은 제1 홀을 포함하는 제1 기판; 상기 제1 홀 내부에 위치하고 적어도 하나의 항체가 코팅된 적어도 하나의 멤브레인; 상기 제1 홀 하부에 위치하고 제2 홀을 포함하는 제2 기판; 및 상기 제1홀 상부를 밀폐하는 실링 커버;를 포함하는 전혈 전처리 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치를 분리하여 도시한 사시도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치를 도 1에 도시된 X-X'절취선을 따라 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치(100)는 실링 커버 (110), 제1 기판 (120), 멤브레인 (130), 제2 기판 (140)을 포함하며, 일 구체예에 있어서, 상기 장치는 상기 제2 기판 (140)을 지지하는 베이스 플레이트 (150)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 기판 (120)에는 시료가 주입되는 영역으로서 상기 제1 기판 (120)을 관통하는 제1 홀 (120a)이 형성될 수 있다.

상기 실링 커버 (110)는 상기 제1 홀 (120a)로 시료를 주입한 후 밀봉하여 압력을 가하기 위한 수단으로, 상기 제1홀 (120a)을 커버하도록 상기 제1 기판 (120)의 상부 표면에 부착될 수 있다. 상기 실링 커버(110)는 공기가 새어나가지 않도록 상기 제1 홀 (120a)을 완전히 밀폐한 상태에서 하방으로 압압되어 주입된 시료가 상기 멤브레인 (130)을 통과하도록 시료를 이동시키는 것일 수 있다.

상기 제1 홀 (120a) 내부에는 혈구 세포를 걸러내고 혈장만을 통과시키기 위한 적어도 하나의 멤브레인 (130)이 위치할 수 있다. 상기 멤브레인 (130)은 전혈로부터 혈구 세포를 분리하기 위해 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 멤브레인일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 멤브레인 (130)의 두께는 0.1 mm 내지 1.0 mm, 예를 들어, 0.2 mm 내지 0.8 mm, 0.2 mm 내지 0.7 mm, 0.3 mm 내지 0.8 mm, 0.3 mm 내지 0.7 mm, 0.4 mm 내지 0.8 mm, 또는 0.4 mm 내지 0.7 mm일 수 있다. 구체적으로, 0.4 mm 내지 0.7 mm일 수 있으며, 상기 멤브레인 (130)의 두께가 0.4 mm 미만일 경우 멤브레인 (130)을 통과한 혈청 내에 혈구 세포가 다량 포함될 수 있으며, 0.7 mm를 초과할 경우 혈청 추출량이 감소될 수 있다.

상기 멤브레인 (130)은 상기 제1 홀 (120a) 내부에 단층 또는 다층 구조로 서로 이격되어 적층될 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 적어도 하나의 멤브레인 (130)은 제1 멤브레인; 및 상기 제1 멤브레인과 이격되어 적층되는 제2 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인 (130)의 적층 개수가 3 장 이상일 경우, 혈장이 제대로 추출되지 않을 수 있고, 1장 이하일 경우 전처리된 혈청 내에 혈구 세포가 다량 포함될 수 있다. 상기 멤브레인 (130)의 적층 개수는 멤브레인 (130)의 종류와 두께, 제1 홀 (120a)의 크기, 시료 주입 양 등을 고려하여 변경되는 것일 수 있다.

상기 “제2 기판 (140)”에는 상기 멤브레인 (130)을 통과한 혈청이 유입되는 영역으로서 상기 제2 기판 (140)을 관통하는 제2 홀 (140a)이 상기 제1 홀 (120a) 하부에 위치하도록 형성될 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 제2 기판 (140)은 상기 제2 홀과 이격된 제3 홀; 및 상기 제2 홀(140a)과 제3 홀(140b)을 연결하는 마이크로 유체 채널(140c)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 홀로 유입된 혈청은 상기 마이크로 유체 채널로 충진되어 상기 제 3홀에서 유출되는 것일 수 있다.

상기 베이스 플레이트 (150)는 상기 제2 기판 (140)의 하부에서 상기 제2 홀 (140a), 상기 제3 홀 (140b), 상기 마이크로 유체 채널 (140c)의 개구부를 밀폐하도록 상기 제2 기판 (140)을 지지할 수 있으며, 예를 들어, 슬라이드 글라스일 수 있다. 구체적으로, 슬라이드 글라스 상에 상기 제2 기판 (140)이 산소 플라즈마 본딩에 의해 부착되는 것일 수 있다.

도 3은 항체/실리카 자성 입자 복합체의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 4는 항체가 코팅된 멤브레인에서의 항원 결합을 설명하는 모식도이다. 도 5는 항체/실리카 자성 입자 복합체가 코팅된 멤브레인에서의 항원 결합을 설명하는 모식도이다.

도 4를 참조하면, 상기 멤브레인 (130)은 혈장 단백질에 특이적으로 결합하는 항체(160c)가 코팅된 것일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 혈장 단백질은 알부민 (albumin), 피브리노젠 (fibrinogen), 면역글로불린 (immunoglobulin; IgG, IgM, IgA, IgD, IgE 등), 저밀도 리포프로테인 (low-density lipoprotein; LDL), 및 고밀도 리포프로테인(high-density lipoprotein; HDL)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 바이오센서를 이용한 질병 바이오마커의 고민감도 검출을 위해서는 혈청 수준의 혈액 샘플을 이용해야 하며, 전혈로부터 최종적으로 순도 높은 혈청을 획득하기 위해서는 알부민 (albumin) 및 피브리노젠 (fibrinogen)이 필수적으로 제거되어야 한다. 알부민은 분자량이 65-70 kDa으로 혈장 단백질 중 50~60%를 차지하며 혈장 내에 35~45 ㎎/㎖이 존재하고, 혈장삼투압의 80%를 차지하며 비특이적 결합 능력이 강하다. 혈액 내 알부민은 혈액의 점성을 높이기 때문에 바이오센서 내에 주입되는 혈액 샘플의 유동성을 증가시키기 위해서는 알부민을 제거해야 한다. 또한 혈액 응고의 중심적 역할을 하는 피브리노젠을 제거하면 혈액의 응고를 막을 뿐 아니라 샘플의 점성을 감소시킬 수 있다. 피브리노젠은 340kDa 정도의 분자량을 가지고 있으며 혈장 내에는 2~3㎎/㎖ 정도로 함유되어 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 항체(160c)는 알부민-특이적 항체(anti-albumin) 및 피브리노젠-특이적 항체(anti-fibrinogen), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

도 3 및 5를 참조하면, 상기 항체 (160c)는 부피 당 표면적 극대화로 항원 (160d) 포획 기능이 향상되도록 실리카 자성 입자 (160a)에 고정화되어 항체/실리카 자성 입자 복합체(antibody/silica magnetic beads complex; antibody/SiMBs complex)(160)를 형성하고, 상기 멤브레인 (130)은 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체(160)로 코팅된 것일 수 있다. 예를 들어, 알부민-특이적 항체/실리카 자성 입자 복합체(anti-albumin/SiMBs complex) 및 피브리노젠-특이적 항체/실리카 자성 입자 복합체(anti- fibrinogen/SiMBs complex)가 멤브레인 (130)에 코팅된 것일 수 있다. 실리카 자성 입자 (160a)의 부피 당 표면적이 넓은 특성을 이용하여 다량의 알부민-특이적 항체 및 피브리노젠-특이적 항체와 결합함으로써 혈액 내 알부민 및 피브리노젠을 효과적으로 제거하는 것일 수 있다. 상기 실리카 자성입자는 자성 미세입자를 생체 안정적인 실리카가 감싸고 있는 형태로, 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛, 예를 들어, 0.1 ㎛ 내지 9 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 8 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 7 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 6 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 9 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 8 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 7 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 6 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛, 1 ㎛ 내지 9 ㎛, 1㎛ 내지 8 ㎛, 1 ㎛ 내지 7 ㎛, 1 ㎛ 내지 6 ㎛, 1 ㎛ 내지 5 ㎛의 직경을 갖는 것일 수 있다. 상기 자성 입자의 직경이 1 ㎛ 미만일 경우 입자들의 뭉침 현상이 심하게 나타나 항체의 결합도가 감소될 수 있고, 5 ㎛를 초과할 경우 표면-대-부피 비율이 감소하여 항체의 결합도가 감소될 수 있으며, 그에 따라 항체/실리카 자성 입자 복합체의 혈장 단백질 제거 능력이 감소될 수 있다.

일 구체예에 있어서, 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체 (160)는 상기 항체 (160c)가 결합된 영역 이외의 영역에서 비특이적 결합을 차단하기 위한 블로킹 층을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, BSA(Bovine serum albumin), 무지분유(non-fat dry milk), 카세인(casein) 등과 같은 단백질 블로커 (protein blocker)로 표면 처리된 것일 수 있으며, Tween 20, Triton X-100과 같은 비-이온성 계면활성제 블로커 (non-ionic detergent blocker)로 표면 처리된 것일 수 있다.

다른 구체예에 있어서, 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체(160)는 상기 항체(160c)를 상기 실리카 자성 입자(160a)의 표면에 고정화하기 위한 링커(160b)를 더 포함할 수 있다. 상기 링커(160b)는 실리카 결합 융합단백질(Silica binding protein - protein G; SBP-ProG), 비오틴, 아비딘, 스트렙트아비딘, 탄수화물, 폴리 L-리신, 수산화기, 티올기, 아민기, 알코올기, 카르복실기, 아미노기, 설퍼기, 알데히드기, 카르보닐기, 숙신이미드기, 말레이미드기, 에폭시기, 및 이소티오시아네이트기를 갖는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 링커 (160b)는 항체 (160c)가 실리카 자성 입자 (160a)에 적절한 배향성을 갖도록 고정화하여 항원 검출 민감도를 향상시키는 것일 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치의 실제 구동 과정을 나타낸 사진이다.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치(100)는 상기 제1 기판 (120)에 형성된 상기 제1 홀 (120a)에 전혈 시료를 주입하고, 상기 실링 커버 (110)로 상기 제1 홀 (120a)의 상부 표면을 공기가 새어나가지 않도록 완전히 밀폐한 후 상기 실링 커버 (110)를 손가락으로 눌러 가압함으로써, 상기 전혈이 멤브레인 (130)을 통과하면서 전혈 내 혈구 세포 및 알부민과 피브리노겐이 제거되고, 상기 멤브레인 (130)을 통과한 혈청은 제2 홀 (140a)로 유입되어 마이크로 유체 채널 (140c)을 따라 충진됨으로써 제3 홀 (140b)에서 회수되는 것일 수 있다.

상기 제1 기판 (120) 및 상기 제2 기판 (140)은 손가락으로 쉽게 압력을 가할 수 있는 탄성 재질일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 제1 기판 (120) 및 상기 제2 기판 (140)의 재질은 실리콘계 엘라스토머(silicone elastomer), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘계 엘라스토머는 메틸 클로로실란 (methyl chlorosilane), 에틸 클로로실란 (ethyl chlorosilane), 페닐 클로로실란 (phenyl chlorosilane), 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

일 구체예에 있어서, 상기 제1 기판 (120) 또는 상기 제2 기판 (140)은 실리콘계 엘라스토머 및 경화제가 5:1 내지 20:1 중량비로 혼합된 것일 수 있으며, 예를 들어, 5:1 내지 15:1. 10:1 내지 20:1, 10:1 내지 15:1일 수 있다. 상기 실리콘계 엘라스토머 및 경화제의 중량비가 15:1을 초과할 경우 탄력성이 지나치게 증가하여 혈장 추출량이 감소할 수 있으며, 10:1 미만일 경우 사용자가 가압 시 더 큰 힘이 요구되어 사용자의 편의성이 감소될 수 있다.

일 구체예에 있어서, 상기 제2 기판 (140)은 상기 제1 기판 (120)보다 더 큰 것 경화도를 갖는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 기판 (120)은 실리콘계 엘라스토머 및 경화제가 10:1 중량비로 혼합된 것이고, 상기 제2 기판(140)은 실리콘계 엘라스토머 및 경화제가 15:1 중량비로 혼합된 것일 수 있으며, 그에 따라 더 적은 힘으로도 더 많은 양의 혈장을 효과적으로 추출 가능한 것일 수 있다.

다른 양상은 상기 전혈 전처리 장치에 전혈 시료를 로딩하는 단계; 및 로딩 후 60 초 이상 경과 후 상기 실링 커버를 가압하는 단계;를 포함하는 전혈 전처리 방법을 제공한다. 상기 방법에 있어서, 상기 전혈 전처리 장치에 대해서는 상술한 바와 같다. 로딩 직후 바로 압력을 가할 경우 충분한 양의 혈장을 얻지 못하거나 혈구 세포가 멤브레인 (130)을 빠져나올 수 있으며, 60 초 이상부터는 대기 시간 증가에 따른 혈청 추출량에 큰 차이가 없는 것일 수 있다.

일 양상에 따른 전혈 전처리 장치는 소량의 혈액 샘플만으로도 사용이 가능하며 혈구 제거 효율이 높고, 간단한 구동 방식으로 작동되며, 저가의 일회용 디바이스로 활용될 수 있어 현장 현시 검사에 적용하기 적합하기 때문에 바이오센서의 현장 측정 가능성을 높여 신속하고 간단하게 질병 진단 검사를 수행할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치를 분리하여 도시한 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치를 도 1에 도시된 X-X'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 3은 항체/실리카 자성 입자 복합체의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 항체가 코팅된 멤브레인에서의 항원 결합을 설명하는 모식도이다.
도 5는 항체/실리카 자성 입자 복합체가 코팅된 멤브레인에서의 항원 결합을 설명하는 모식도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전혈 전처리 장치의 실제 구동 과정을 나타낸 사진이다.
도 7은 멤브레인의 종류에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.
도 8은 멤브레인의 적층 개수에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.
도 9은 제1 기판 및 제2 기판의 PDMS 경화도에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.
도 10은 전혈 전처리 장치에 전혈을 로딩한 후 압력을 가할 때까지의 대기시간에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.
도 11은 알부민-특이적 항체 및 피브리노젠-특이적 항체가 흡착된 멤브레인을 사용하였을 때 추출된 혈청 내 알부민 및 피브리노젠의 양을 비교한 SDS-PAGE 데이터 및 추출된 혈청의 양을 비교 측정한 데이터이다.
도 12는 알부민-특이적 항체 및 피브리노젠-특이적 항체가 결합된 실리카 자성 입자 복합체가 흡착된 멤브레인을 사용하였을 때 추출된 혈청 내 알부민 및 피브리노젠의 양을 비교한 SDS-PAGE 데이터 및 추출된 혈청의 양을 비교 측정한 데이터이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 전혈 전처리 장치의 제작

전처리된 샘플이 흘러 들어가는 제2 홀 (140a)과 이를 채취할 수 있는 제3 홀 (140b), 이 둘을 연결하는 마이크로 유체 채널(140c)을 포함하는 마이크로 구조를 설계하기 위해 AutoCAD 프로그램으로 제2 기판 (140) 도면을 설계하였다. 도면을 이용하여 필름 마스크를 제작하였으며, SU-8 네거티브 포토레시스트 (SU-8 negative photoresist) 감광액을 이용하여 광식각 (photolithography) 과정을 수행하였다. 최종적으로 제2 홀 (140a)과 제3 홀 (140b), 그리고 제2 홀 (140a)과 제3 홀 (140b)을 연결하여 시료가 이동할 수 있는 마이크로 유체 채널 (140c) (길이 6 ㎜, 너비 0.5 mm, 높이 75㎛)을 구현한 PDMS 기반 전혈 전처리 장치를 구성하는 제2 기판 (140) 제작을 위한 주형 (mold)을 제작하였다.

PDMS 제2 기판 (140)의 제작을 위해, 상기 감광액이 패터닝된 주형 위에 PDMS 실리콘계 엘라스토머 (silicone elastomer base)와 경화제 (curing agent)의 비율을 10:1로 섞어서 부은 후 80 ℃ 핫플레이트 (hot plate)에 10시간 이상 두어 굳혔다. PDMS를 주형으로부터 떼어내어 가로 27 mm, 세로 15 mm 크기에 맞게 잘라낸 다음, 제2 홀 (140a)과 제3 홀 (140b)의 생성을 위해 각각 3 mm 및 6 mm 펀치 (puncher)를 이용하여 기판 가운데 구멍을 뚫어주었다. 이후 초음파 처리기 (sonicator)를 이용한 초음파 처리 (sonication)와 이소프로판올 (isopropanol)로 PDMS 기판을 세척한 다음, 질소 에어건 (air gun)을 이용하여 건조시켰다.

PDMS 제1 기판 (120)의 제작을 위해, PDMS 실리콘계 엘라스토머 (silicone elastomer base)와 경화제 (curing agent)의 비율을 10:1로 섞어서 150 mm 페트리 디쉬 (petri dish)에 부은 후 80 ℃ 핫 플레이트 (hot plate)에 10시간 이상 두어 굳혔다. PDMS를 주형으로부터 떼어내어 가로 약 15 mm, 세로 약 15 mm, 높이 약 3 mm 크기에 맞게 육면체 모양으로 잘라낸 다음, 전혈 시료가 주입되는 제1홀 (120a)의 생성을 위해 8 mm 펀치 (puncher)를 이용하여 육면체 가운데에 구멍을 뚫어주었다. 이후 초음파 처리기 (sonicator)를 이용한 초음파 처리 (sonication)와 이소프로판올 (isopropanol)으로 PDMS 기판을 세척한 다음, 질소 에어건을 이용하여 건조시켰다.

베이스 플레이트(150) 위에 제작된 PDMS 제2 기판(140)을 플라즈마 처리기 (plasma processing system, CUTE, FEMTO Science)에 넣고 산소 플라즈마 처리 (oxygen plasma treatment)로 부착한 다음, 제2 기판(140)의 3 mm 제2 홀 (140a)의 위치와 제1 기판(120)의 제1 홀(120a)을 맞춰 부착하여 전혈 전처리 장치를 완성하였다.

완성된 전혈 전처리 장치의 PDMS 제1 기판 (120)의 제1 홀 (120a) 내에 직경이 8 mm인 2 장의 멤브레인 (130)을 겹쳐 쌓은 후, 그 위에 60㎕의 전혈을 로딩하였다. PDMS 제1 기판 (120)의 윗부분을 실링 커버(110)로 완전히 밀봉한 후 손가락으로 누름으로써, 전혈이 멤브레인(130)을 통과하면서 전혈로부터 혈구 세포가 제거되어 혈장이 얻어짐을 확인하였다.

실험예 1. 혈장 분리 조건에 따른 혈장 추출량 평가

보다 효과적인 혈장 분리 조건을 확립하기 위하여, 헤마토크릿 (hematocrit) 40%의 혈액 샘플을 활용하여 상기 실시예 1에서 제작된 전혈 전처리 장치의 멤브레인 (130) 또는 기판 경화도 등을 변화시켰을 때 혈장 추출량에 미치는 영향을 확인하였다.

멤브레인 (130) 두께에 따른 혈장 추출 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 완성된 전혈 전처리 장치에 Fusion 5 (GE Healthcare, thickness 0.37 ㎜), FR1 (mdi, thickness 0.6 ㎜), 및 VF2 (GE Healthcare, thickness 0.785 ㎜) 세 종류의 혈액 분리 멤브레인 (130)을 각각 장착하고 전혈을 로딩하여 혈장 추출량을 비교 분석하였다.

도 7은 멤브레인의 종류에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.

그 결과 도 7에 나타난 바와 같이, Fusion 5 (GE Healthcare, thickness 0.37 ㎜) 및 VF2 (GE Healthcare, thickness 0.785 ㎜) 사용 시 멤브레인을 통과하여 혈구 세포가 많이 빠져나오거나 멤브레인의 두께가 너무 두꺼워 혈액이 나오지 않는 현상이 발생하였으며 해당 멤브레인을 이용하여 타 조건을 변화시키는 경우에도 비슷한 문제점이 존재함을 확인하였다. 그러나, FR1 (mdi, thickness 0.6 ㎜) 멤브레인을 사용한 경우에는 충분한 양의 혈장이 추출되며 재현성이 높음을 확인하였다.

또한, 멤브레인 (130)의 적층 개수에 따른 혈장 추출 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 완성된 전혈 전처리 장치에, FR1 멤브레인 (130) 적층 개수를 1 장에서 3 장까지 쌓은 후 전혈을 로딩하여 혈장 추출량을 비교 분석하였다.

도 8은 멤브레인의 적층 개수에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.

그 결과 도 8에 나타난 바와 같이, 멤브레인 1 장을 쌓는 경우 혈구가 멤브레인을 통과하여 빠져 나오는 반면 3 장을 쌓는 경우 두꺼운 멤브레인 두께로 인해 혈장이 제대로 추출되지 않음을 확인하였다. 멤브레인 2 장을 겹쳐 쌓는 경우 획득 가능한 혈장의 양은 1 장에 비해 약간 적으나 혈구가 멤브레인을 통과해 빠져나오지 않았으므로, 멤브레인 적층 개수를 두 장으로 확립하였다.

또한, PDMS의 경화도 (hardness)에 따른 혈장 추출 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 제1 기판 (120) 및 제2 기판 (140)의 PDMS 제작을 위해 사용되는 재료인 실리콘계 엘라스토머 대비 경화제의 비율을 달리하여 혈장 추출량을 비교 분석하였다. PDMS는 신축성 및 탄력성이 있어 사용자가 손가락으로 눌렀을 때 탄력에 의해 내부 공기에 압력을 가할 수 있다. PDMS 제작을 위해 사용되는 재료인 실리콘계 엘라스토머 대비 경화제의 비율은 기본적으로 10:1 비율로 가장 많이 사용되고 있으며, 경화제의 비율이 높아질수록 PDMS는 더 단단해진다. 따라서 경화제의 비율을 감소시켜 PDMS의 경화도를 낮추면, 압력을 가하는 사용자의 힘을 줄여줄 수 있어 사용자의 사용 편의성이 증대되고, 동일 힘 당 더 많은 압력이 가해지기 때문에 혈장 추출량 또한 증가시킬 수 있을 것으로 예상되었다.

도 9은 제1 기판 및 제2 기판의 PDMS 경화도에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.

그 결과 도 9에 나타난 바와 같이, 제1 기판 (120)과 제2 기판 (140)의 PDMS 제작 비율 모두 15:1로 설정한 결과, 탄력성이 지나치게 증가하면서 재현성이 좋지 않고 기존 조건보다 많은 양의 혈장을 얻을 수 없음을 확인하였다. 이에 따라 제2 기판 (140)의 PDMS 제작 비율은 원래의 비율인 10:1로 두어 비교적 단단하게 유지한 채 제1 기판 (120)의 PDMS 제작 비율을 15:1로 변경한 결과, 더 적은 힘을 들임에도 불구하고 기존 조건보다 더 많은 양의 혈장을 혈구 없이 효과적으로 추출할 수 있음을 확인하였다.

또한, 전혈 전처리 장치에 전혈을 로딩한 후 압력을 가할 때까지의 대기시간에 따른 혈장 추출 효과를 확인하기 위하여, 대기시간을 달리하여 혈장 추출량을 비교 분석하였다.

도 10은 전혈 전처리 장치에 전혈을 로딩한 후 압력을 가할 때까지의 대기시간에 따른 혈장 추출량을 비교한 데이터이다.

그 결과 도 10에 나타난 바와 같이, 전혈을 PDMS 제1 기판 (120)의 제1 홀에 로딩한 후 바로 압력을 가했을 때 충분한 양의 혈장을 얻지 못하거나 혈구가 함께 빠져나오는 경우가 빈번하였는 바, 이를 해결하기 위해 혈액 로딩 후 압력을 가하기까지 60초 대기시간을 주었다. 그 결과 대기시간을 주지 않았을 때보다 더 효과적으로 혈구를 분리해낼 수 있었으며, 이는 시간이 지날수록 전혈 내 혈구가 중력에 의해 어느 정도 가라 앉아 멤브레인에 흡착되었기 때문에 압력을 가했을 때 혈구의 방해 없이 멤브레인을 빠져나올 수 있는 혈장의 양이 증가했기 때문일 것으로 예상된다. 90초에서의 추출된 혈장 양이 60초를 대기했을 경우보다 약간 더 많았으나, 그 양에 큰 차이가 없기 때문에 시간 단축을 위해 60초 정도가 가장 적당함을 확인하였다.

따라서, 상기 조건으로 설정된 PDMS 기반의 전혈 전처리 장치는 60㎕의 전혈 중 20㎕ 가량의 혈장을 얻을 수 있어, 바이오센서에 응용하기에 충분한 양의 혈장을 획득할 수 있음을 확인하였다.

실험예 2. 항체 코팅에 따른 혈장 단백질 제거 효율 평가

상기 실시예 1에서 제작한 전혈 전처리 장치와 실험예 1에서 설정된 혈장 분리 조건을 바탕으로 항체 코팅에 따른 혈장 단백질을 제거 효율 및 혈청 추출량을 평가하였다.

구체적으로, 알부민-특이적 항체만을 흡착시킨 멤브레인, 피브리노젠-특이적 항체만을 흡착시킨 멤브레인, 알부민-특이적 항체와 피브리노젠-특이적 항체를 함께 흡착시킨 멤브레인, 및 대조군으로 아무런 항체도 흡착시키지 않은 멤브레인 이 장착된 전혈 전처리 장치에 각각 전혈 60㎕를 로딩한 뒤 전처리하여 나온 샘플에 대해 SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate - Polyacrylamide Gel Electrophoresis)를 수행하여 잔여 알부민과 피브리노젠의 양을 확인하였다.

도 11은 알부민-특이적 항체 및 피브리노젠-특이적 항체가 흡착된 멤브레인을 사용하였을 때 추출된 혈청 내 알부민 및 피브리노젠의 양을 비교한 SDS-PAGE 데이터 및 추출된 혈청의 양을 비교 측정한 데이터이다.

그 결과 도 11에 나타난 바와 같이, 아무런 항체도 흡착시키지 않은 대조군에 비해 알부민-특이적 항체만을 흡착시킨 경우 알부민의 양이 감소하고, 피브리노젠-특이적 항체만을 흡착시킨 경우 피브리노젠의 양이 감소하는 것을 확인하였다. 한편, 두 항체를 함께 흡착시킨 경우 알부민과 피브리노젠의 양이 모두 확연히 감소할 뿐만 아니라 추출되는 혈청의 양 또한 증가하는 것을 확인하였다.

실험예 3. 항체/실리카 자성입자 복합체 코팅에 따른 혈장 단백질 제거 효율 평가

상기 실험예 2에서 항체로 코팅된 멤브레인을 사용하여 알부민 및 피브리노젠을 제거할 수 있음을 확인하였으나, 완벽하게 제거되지는 않았는 바, 알부민 및 피브리노젠 제거 효율을 향상시키고자 하였다. 이를 위해, 부피 당 표면적이 높은 실리카 자성 입자(Silica magnetic beads; SiMBs)에 물리 화학적인 처리 없이 실리카 표면에 직접 결합하는 실리카 결합 융합단백질(Silica binding protein - protein G; SBP-ProG)을 이용함으로써 SiMBs 표면에 항체를 안정적으로 고정화하였다.

구체적으로, 실리카 자성 미세입자 복합체의 제작에 있어서, 먼저 실리카 자성 입자 (AccuBeadTM Silica Coated Magnetic Beads, 0.5g/25ml, D.W, BIONEER, CAT no. TS-1010-1)의 버퍼 교체를 위해 1.5ml tube에 SiMBs 50 ㎕를 넣고 125 ㎕의 PBS (Phosphate-Buffered Saline, pH 7.4)와 섞어 vortex 한 다음, 1.5ml tube를 magnetic rack에 끼움으로써 자성 미세입자들이 자성에 의해 한쪽으로 고정되었을 때 상층액 (supernatant)을 제거하였다. Magnetic rack로부터 tube를 빼내어 125 ㎕의 PBS를 다시 넣고 vortex 하여 섞어준 다음, 30초간 초음파 처리기(sonicator)에서 초음파를 처리(sonication)하여 뭉쳐있는 SiMBs를 개별로 풀어주었다. 동시에 1 mg/ml의 실리카 결합 융합단백질(SBP-ProG)을 준비한 다음 초음파 처리 직후 SiMBs에 25 ㎕를 넣고 rotator (F6, 60 rpm)에 끼워 실온에서 30분 동안 반응시킴으로써, 실리카 자성 미세입자의 실리카 표면에 SBP-ProG를 부착하였다. 이후 SiMBs/SBP-ProG mixture를 magnetic rack에 끼워 상층액을 제거한 뒤 새로운 PBS 125 ㎕와 섞어 vortex한 다음, 30초간 초음파 처리기에서 초음파를 처리하여 뭉쳐있는 mixture를 개별로 풀어주었다. 초음파 처리 직후, mixture에 100 ㎍/ml의 알부민-특이적 항체 또는 피브리노젠-특이적 항체 25 ㎕를 넣고 rotator (F6, 60 rpm)에 끼워 실온에서 30분 동안 반응시킴으로써, SBP-ProG와 각 단백질-특이적 항체들을 결합하였다. 이후 SiMBs/SBP-ProG/Antibody mixture를 magnetic rack에 끼워 상층액을 제거한 뒤 새로운 PBS 125 ㎕와 섞어 vortex한 다음, 30초간 초음파 처리기에서 초음파를 처리하여 뭉쳐있는 mixture를 개별로 풀어주었다. 초음파 처리 직후, mixture에 1 mg/ml의 1% BSA (Bovine Serum Albumin) 25 ㎕를 넣고 rotator (F6, 60 rpm)에 끼워 실온에서 10분 동안 반응시킴으로써, 비어 있는 실리카 표면을 덮어 비특이적 결합을 감소시켰다. 최종적으로 SiMBs/SBP-ProG/Antibody/BSA mixture를 magnetic rack에 끼워 상층액을 제거한 뒤, 새로운 PBS 125 ㎕와 섞어주었다.

완성된 실리카 자성 미세입자 복합체 (Silica magnetic beads complex; SiMBs complex) 60 ㎕를 멤브레인에 떨어뜨린 다음, 4 ℃ 냉장고에 overnight하여 12시간 동안 둠으로써 복합체를 멤브레인에 흡착시킴과 동시에 멤브레인을 건조시켰다. 이후 상기 실시예 1에서 제작한 전혈 전처리 장치의 PDMS 제1 기판 (120) 내에 멤브레인을 다중으로 겹쳐 쌓은 다음, 전혈을 로딩한 후 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 혈청을 추출하였으며, 추출된 혈청 내에 잔여하는 알부민 및 피브리노젠의 양을 확인하기 위해 SDS-PAGE를 수행하였다

도 12는 알부민-특이적 항체 및 피브리노젠-특이적 항체가 결합된 실리카 자성 입자 복합체가 흡착된 멤브레인을 사용하였을 때 추출된 혈청 내 알부민 및 피브리노젠의 양을 비교한 SDS-PAGE 데이터 및 추출된 혈청의 양을 비교 측정한 데이터이다.

그 결과 도 12에 나타난 바와 같이, 항체 없이 SiMBs만을 흡착시킨 대조군에 비해 알부민-특이적 항체와 결합한 SiMBs complex만을 흡착시킨 경우 알부민의 양이 감소하고, 피브리노젠-특이적 항체와 결합한 SiMBs complex만을 흡착시킨 경우 피브리노젠의 양이 감소하는 것을 확인하였다. 최종적으로 두 SiMBs complex를 모두 흡착시킨 경우 알부민과 피브리노젠의 양이 모두 확연히 감소할 뿐만 아니라 추출되는 혈청의 양 또한 효과적으로 증가하는 것을 보였으며, 결과적으로 SiMBs complex 없이 항체만을 흡착시킨 도 11에 비해 훨씬 효율적으로 알부민과 피브리노젠을 제거할 수 있음을 확인하였다.

상기 결과를 종합하면, 상기 실시예 1에서 제작한 전혈 전처리 장치와 실험예 1에서 설정된 혈장 분리 조건을 바탕으로 항체/실리카 자성입자 복합체가 코팅된 멤브레인을 포함하는 PDMS 기반의 전혈 전처리 장치는 60㎕의 전혈로부터 알부민 및 피브리노젠이 효과적으로 제거된 혈청을 획득할 수 있음을 의미한다.

100 : 전혈 전처리 장치
110 : 실링 커버
120 : 제1 기판
120a : 제1 홀
130 : 멤브레인
140 : 제2 기판
140a : 제2 홀
140b : 제3 홀
140c : 마이크로 유체 채널
150 : 베이스 플레이트
160 : 항체/실리카 자성입자 복합체
160a : 실리카 자성 입자
160b : 링커
160c : 항체
160d : 항원
160e : 블로킹층

Claims

제1 홀을 포함하는 제1 기판;
상기 제1 홀 내부에 위치하고 혈장 단백질에 특이적으로 결합하는 항체가 코팅된 적어도 하나의 멤브레인;
상기 제1 홀 하부에 위치하고 제2 홀을 포함하는 제2 기판; 및
상기 제1홀 상부를 밀폐하는 실링 커버;를 포함하는 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 혈장 단백질은 알부민, 피브리노젠, 면역글로불린, 저밀도 리포프로테인, 및 고밀도 리포프로테인으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 항체는 알부민-특이적 항체(anti-albumin), 피브리노젠-특이적 항체(anti-fibrinogen), 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 항체는 실리카 자성 입자에 고정화되어 항체/실리카 자성 입자 복합체(antibody/silica magnetic beads complex; antibody/SiMBs complex)를 형성하고, 상기 멤브레인은 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체로 코팅된 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체는 상기 항체가 결합된 영역 이외의 영역에서 비특이적 결합을 차단하기 위한 블로킹 층을 더 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 항체/실리카 자성 입자 복합체는 상기 항체를 상기 실리카 자성 입자의 표면에 고정화하기 위한 링커를 더 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 링커는 실리카 결합 융합단백질(Silica binding protein - protein G; SBP-ProG), 비오틴, 아비딘, 스트렙트아비딘, 탄수화물, 폴리 L-리신, 수산화기, 티올기, 아민기, 알코올기, 카르복실기, 아미노기, 설퍼기, 알데히드기, 카르보닐기, 숙신이미드기, 말레이미드기, 에폭시기, 및 이소티오시아네이트기를 갖는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인의 두께는 0.1 mm 내지 1.0 mm인 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 멤브레인은 제1 멤브레인; 및 상기 제1 멤브레인과 이격되어 적층되는 제2 멤브레인을 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 재질은 실리콘계 엘라스토머(silicone elastomer), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 10에 있어서, 상기 실리콘계 엘라스토머는 메틸 클로로실란 (methyl chlorosilane), 에틸 클로로실란 (ethyl chlorosilane), 페닐 클로로실란 (phenyl chlorosilane), 및 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 기판은 상기 제1 기판보다 더 큰 경화도를 갖는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 실리콘계 엘라스토머 및 경화제가 5:1 내지 20:1 중량비로 혼합된 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 기판은 상기 제2 홀과 이격된 제 3 홀; 및 상기 제2홀과 제 3홀을 연결하는 마이크로 유체 채널을 더 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 장치는 상기 제2 기판을 지지하는 베이스 플레이트를 더 포함하는 것인 전혈 전처리 장치.
청구항 1에 따른 전혈 전처리 장치에 전혈 시료를 로딩하는 단계; 및
로딩 후 60 초 이상 경과 후 상기 실링 커버를 가압하는 단계;를 포함하는 전혈 전처리 방법.