폐암 유발하는 바이오마커, 빠르게 검출 가능해진다

폐암은 갑상선암을 제외하고 국내 암 발생률 1위이자 사망률 1위암이다. 초기에는 증상이 거의 없어 조기 발견을 놓치는 경우가 많다. 실제로 수술이 가능한 단계에서 진단되는 경우는 전체 폐암 환자의 약 18%에 불과해 조기 진단 기술 개발의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

최근 국내 연구진이 폐암을 유발하는 바이오마커를 신속하고 정밀하게 검출하는 나노바이오센서 키트를 개발해 폐암 조기 진단의 가능성이 열릴 것으로 기대된다.

울산의대 서울아산병원 생화학분자생물학교실 이창환 · 미생물학교실 진준오 교수팀은 최근 인공지능 기반 구조 분석과 나노기술을 결합해 폐암 바이오마커를 검출하는 키트를 개발했다. 특정 DNA가 폐암 바이오마커와 결합하면 형광 신호가 발생해, 키트를 통해 별도의 복잡한 장비 없이 육안으로도 검출 결과를 관찰할 수 있다. 진단 정확도는 96%에 달했다고 밝혔다.

이번 연구결과는 세계적인 국제 학술지 ‘저널 오브 나노바이오테크놀로지(Journal of Nanobiotechnology, 피인용지수 12.6)’에 최근 게재됐다.

폐암을 유발하는 바이오마커로 알려진 USE1은 폐암 환자의 92.5%에서 과발현되는 단백질로, 2017년 이창환 교수팀이 세계 최초로 보고한 바 있다. 당시 연구에서 USE1를 억제할 경우 종양의 증식이나 이동, 침윤이 현저히 감소하는 것이 확인되며 폐암 진단과 치료의 주요 표적으로 주목받았다.

이번 연구에서는 USE1을 신속하고 정밀하게 검출해 실제 임상에서 활용할 수 있도록, USE1에 특이적으로 결합하는 고친화도 DNA 압타머를 선별했다. 압타머는 특정 단백질에 선택적으로 결합하는 짧은 DNA 조각이다. 기존 항체 기반 분석법에 비해 생산 비용이 낮고 안정성이 높다.

연구팀은 먼저 AI 딥러닝 기반 구조 예측을 통해 압타머가 USE1 단백질의 특정 부위 인근에 결합한다는 점을 확인했다. 이후 실제 실험을 통해 압타머가 다른 유사 단백질과 달리 USE1에만 선택적으로 결합한다는 사실을 확인했다.

이러한 결과를 육안으로도 확인할 수 있도록 연구팀은 DNA 증폭 기술(회전환복제기법, RCA)을 통해 형광 신호를 극대화하고, DNA 구조에 형광 나노입자인 ‘양자점’을 결합한 신호 증폭 시스템을 구현했다.

즉 USE1이 존재할 경우 강한 형광 신호를 발생시켜, 나노바이오센서 기반 진단 키트를 통해 특수 장비 없이 UV 조명 하에서 육안으로도 결과를 판독할 수 있도록 설계된 것이다.

더 나아가 연구팀은 실제 환자 조직을 대상으로 임상 검증을 시행했다. 폐암 조직과 정상 조직 각 30쌍을 분석한 결과 진단 정확도(AUC) 96%, 민감도 100%, 특이도 88.3%를 달성하며 우수한 진단 성능을 확인했다.

이번 연구는 연구팀이 직접 발굴한 폐암 바이오마커 USE1을 실제 검출 가능한 진단 기술로 확장한 성과로, 기초연구 성과가 응용기술로 이어진 대표적 사례다. 이전 연구를 통해 폐암 바이오마커를 세계 최초로 발견한 것에서 더 나아가, 이를 신속하고 선택적으로 탐지하는 압타머 기반 바이오센서로 발전시킨 것이다. 또한 AI를 접목해 분자 인식의 구조적 타당성까지 제시해 연구의 정밀성과 설명력을 높였다.

이창환 울산의대 서울아산병원 생화학분자생물학교실 교수는 “압타머·양자점 나노바이오센서 기반 폐암 진단 키트는 향후 진단 및 치료 분야에서의 확장성이 기대되는 기술이다. 조직이 아닌 혈액으로 진단하는 액체 생검으로의 확장 가능성, USE1 과발현 환자군을 선별하는 동반진단 기술로 발전할 가능성이 있다. 또한 압타머가 USE1의 효소 활성 부위에 결합한다는 발견은 진단을 넘어 USE1 기능 억제 기반 치료제 개발로 이어질 수 있어 향후 치료 기술 개발과의 연계가 기대된다”고 말했다.