- 1 -

바이오센서

2002. 12

- 2 -

머 리 말

세기 산업계는 글로벌 경쟁시대로 돌입하여 글로벌화한 거대 기업군과 특화 사업군으로21 ,

양분되는 양상을 보이고 있습니다 즉 세계 산업계는 시장을 과점하는 소수의 글로벌기업. ,

과 틈새시장을 공략하는 이익중시 기업으로 재편되고 있는 실정이며 이러한 상황은 바이오,

센서 업계에서도 여실히 드러나고 있습니다.

바이오센서의 세계 및 국내 시장규모는 매년 계속해서 큰 폭의 성장을 나타내면서 의료, ,

환경 식품 산업 군사 등의 분야에서 폭 넓게 이용되어 질 것으로 전망되고 있습니다, , , .

그러나 국내 바이오센서 산업의 수입비중은 약 정도로서 국내 업체들에 의한 기술개, 90% ,

발 및 제품공급 확대 등의 적절한 대응 필요성이 요청되고 있습니다.

따라서 본 보고서에서 다루고 있는 바이오센서는 국산화에 따라 대외 의존도 탈피를 통한

산업경쟁력 강화와 함께 세계시장에서의 수출경쟁력 증강에도 기여할 수 있는 제품이라고

할 수 있습니다 특히 해외 업체들이 수많은 특허 장벽을 구축하고 있는 상황에서 국내업체.

들에 의한 연구개발 및 사업화 추진을 통한 국내생산을 촉진하고 차별화된 제품으로 틈새,

시장 진입을 위해서는 국가차원에서의 전략적 육성이 필요하다고 볼 수 있습니다.

본 보고서는 상기에 언급된 바이오센서의 국내외 기술개발 특허 산업, , ㆍ시장에 대한 심층

정보 분석으로 이루어져 있으며 이를 통해 국내 바이오센서 생산업계의 기술개발 및 마케,

팅 활동에 가이드라인을 제공하고 수요업체에도 관련 정보를 제공하는데 목적이 있습니다, .

- 3 -

끝으로 본 보고서는 손종구 선임연구원 이상필 책임연구원 김상우 선임연구원이 집필한, ,

것으로 노고에 감사드리며 수록된 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아님을 밝,

혀두고자 합니다.

년 월2002 12

한국과학기술정보연구원

원 장 조 영 화

- 4 -

목 차

제 장 서 론1

연구의 배경 및 필요성1.

연구의 목적2.

연구의 방법3.

제 장 기술동향 분석2

개요1.

가 정 의.

나 분 류.

바이오센서의 연구개발 동향2.

가 해 외.

혈당센서(1)

면역분석 진단 바이오센서(2) (Immunoassay)

나 국내 연구개발동향.

의료용 센서(1)

면역분석 센서(2)

암진단 센서(3)

기타 진단용 센서(4)

바이오칩 센서(5)

다 비교분석.

전 망3.

- 5 -

제 장 기술정보분석3

학술정보 분석1.

가 분석방법.

정보원(1) (Information Source)

분석범위 및 방법(2)

나 바이오센서의 학술정보 동향.

연도별 현황(1)

주요국별 현황(2)

주요저자 현황(3)

주요 연구기관 현황(4)

주요 학술저널 현황(5)

특허정보 분석2.

가 분석방법.

정보원(1) (Information Source)

분석의 범위 및 방법(2)

나 바이오센서의 특허출원동향.

외국 특허동향(1)

국내 특허동향(2)

비교분석3.

가 누계 현황.

나 연도별 현황.

제 장 시장동향 및 전망4

산업의 개요 및 특성1.

가 산업의 개요.

나 산업의 특성.

공급자 특성(1)

유통구조(2)

경쟁구조(3)

산업환경 분석2.

가 외부환경 분석.

- 6 -

나 메가 트랜드 분석.

소형화 지능화(1) ㆍ

연구개발 비용증대(2)

틈새시장 추구(3)

다 성장 및 제약요인.

성장요인(1)

제약요인(2)

국내외 시장동향 분석3.

가 세계시장 동향 분석.

세계 시장(1)

일본 시장(2)

나 국내시장 동향분석.

다 수요예측.

라 사업전략.

사업전략 도출(1)

사업화 성공전략(2)

제 장 결 론5

참고문헌< >

- 7 -

표 목차

표 광도측정법 및 전기화학법을 이용한 혈당측정기술의 비교< 2-1>

표 시판되고 있는 혈당측정기의 특징< 2-2>

표 칩 제조기술의 분류< 2-3> DNA

표 올리고칩과 칩의 비교< 2-4> cDNA

표 국내 바이오센서 관련 한국특허 출원 목록< 3-1>

표 국내 센서기술의 대선진국 비교< 4-1>

표 주요 센서 종류별 성장률과 세계시장 경쟁상황< 4-2>

표 주요 기관별 세계 센서시장규모 추정치< 4-3>

표 세계 센서시장규모 추이< 4-4>

표 종류별 세계 센서시장규모 년< 4-5> (2001 )

표 일본의 센서 생산 추이< 4-6>

표 일본의 바이오센서 시장규모< 4-7>

표 일본의 바이오센서 용도별 시장규모 비중< 4-8>

표 일본의 바이오센서 주요 연구개발 업체< 4-9>

표 한국 센서시장규모 추이< 4-10>

표 한국 종류별 센서시장규모 년< 4-11> (2000 )

표 국내 바이오센서 가격< 4-12>

표 세계 바이오센서 시장규모 추이< 4-13>

표 세계 바이오센서 용도별 시장규모< 4-14>

표 한국 바이오센서 시장규모 추이< 4-15>

표 바이오센서 내부 외부환경< 4-16> Matrixㆍ

표 바이오센서의 과제와 해결방안< 4-17>

- 8 -

그림 목차

그림 의 기본원리< 2-1> Biosensor

그림 의 원리< 2-2> Glucose sensor

그림 광도법을 이용한 스트립 글루코스센서< 2-3>

그림 전기화학법을 이용한 글루코스센서< 2-4>

그림 사의 혈당측정기의 사용법< 2-5> Therasense FreeStyle

그림 혈당측정에 요구되는 최소혈액 양< 2-6>

그림< 2-7> Glucowatch

그림 항체 항원 반응을 이용한 면역분석 방법< 2-8> -

그림 임신진단키트의 구성 및 원리< 2-9>

그림 을 이용한 면역분석법< 2-10> Surface Plasmon Resonance

그림 캔티레버 센서의 도식도< 2-11>

그림 마이크로어레이칩 제조 및 검색 과정< 2-12> cDNA

그림 원리< 2-13> SELDI-TOF

그림 단백질칩< 2-14> (Ciphergen Biosystems)

그림< 2-15> Protein Profiling Biochip(Zyomyx)

그림< 2-16> Lab-on-a-Chip: Chemical Microprocessor

그림 글루코닥터< 2-17> (GlucoDr)

그림 무채혈 혈당측정기< 2-18> BIOCHEC

그림 제니스 래피드 티비< 2-19>

그림 바이오센서 관련 논문의 발표 추이 총누계< 3-1> ( )

그림 연도별 바이오센서 관련 논문의 발표 추이< 3-2>

그림 주요국별 바이오센서 관련 논문의 발표 추이 상위 개국< 3-3> ( 12 )

그림 연도별 바이오센서 관련 논문의 발표 추이 상위 개국< 3-4> ( 4 )

그림 바이오센서 관련 주요 저자별 현황 상위 위< 3-5> ( 16 )

그림 연도별 바이오센서 관련 논문의 발표 추이 상위 위< 3-6> ( 4 )

그림 바이오센서 관련 주요 연구기관 상위 위< 3-7> ( 16 )

그림 바이오센서 관련 주요 연구기관의 논문 구성비< 3-8>

그림 주요 학술저널별 바이오센서 관련 논문의 수록 추이< 3-9>

- 9 -

그림 바이오센서 관련 특허출원 추이 총누계< 3-10> ( )

그림 바이오센서 관련 특허출원 추이 연도별< 3-11> ( )

그림 출원국별 바이오센서 관련 특허출원의 구성비< 3-12>

그림 우선권주장국별 바이오센서 관련 특허출원의 구성비< 3-13>

그림 출원인별 바이오센서 관련 특허출원 동향 상위 위< 3-14> ( 10 )

그림 서브클래스 별 바이오센서 관련 특허출원 현황< 3-15> IPC( )

그림 바이오센서 관련 미국특허 출원동향 총누계< 3-16> ( )

그림 바이오센서 관련 미국특허 출원동향 연도별< 3-17> ( )

그림 출원인별 바이오센서 관련 미국특허 동향 상위 위< 3-18> ( 10 )

그림 바이오센서 관련 유럽특허 출원동향 총누계< 3-19> ( )

그림 바이오센서 관련 유럽특허 출원 동향 연도별< 3-20> ( )

그림 출원인별 바이오센서 관련 유럽특허 동향 상위 위< 3-21> ( 10 )

그림 바이오센서 관련 유럽특허의 출원인 국별 현황< 3-22>

그림 바이오센서 관련 유럽특허의 그룹 현황< 3-23> IPC( )

그림 바이오센서 관련 일본특허 출원 동향 총누계< 3-24> ( )

그림 바이오센서 관련 일본특허 출원 동향 연도별< 3-25> ( )

그림 출원인별 바이오센서 관련 일본특허 동향 상위 위< 3-26> ( 10 )

그림 의 바이오센서 관련 특허의 그룹 분류< 3-27> Matsushita Elec IPC( )

그림 바이오센서 관련 한국특허 출원 동향 총누계< 3-28> ( )

그림 바이오센서 관련 한국특허 출원 동향 연도별< 3-29> ( )

그림 바이오센서 관련 한국특허의 외국인 출원 현황< 3-30>

그림 바이오센서 관련 한국특허의 국별 출원 현황< 3-31>

그림 바이오센서 관련 한국특허의 출원인별 현황 상위 위< 3-32> ( 13 )

그림 그룹 별 바이오센서 관련 한국특허 출원현황< 3-33> IPC( )

그림 바이오센서 관련 학술논문과 특허의 추이비교 총누계< 3-34> ( )

그림 바이오센서 관련 학술논문과 특허의 추이비교 연도별< 3-35> ( )

그림 센서 종류별 현재와 미래의 중요도< 4-1>

그림 측정대상별 센서의 단가와 시장규모 일본 년< 4-2> ( , 1999 )

그림 의료용 바이오센서의 사례< 4-3>

그림 세계 바이오센서의 지역별 점유율 년< 4-4> (2001 )

그림 세계 의료용분야 센서종류별 시장점유율 년< 4-5> (1998 )

그림 세계 바이오센서 용도별 시장규모 년< 4-6> (1998 )

그림 한국의 센서 시장규모 예측< 4-7>

- 10 -

그림 바이오센서의 사업화 소요기간과 필요 자금규모< 4-8>

그림 국내업체의 적극적 마케팅 전개 방안< 4-9>

그림 세계바이오센서의 시장성장 전망< 4-10>

- 11 -

제 장 서 론1

연구의 배경 및 필요성1.

바이오센서는 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나 또는 생물“ ,

학적 요소를 모방하여 색 형광 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시, ,

켜주는 시스템 이라고 할 수 있다” .

주요 용도분야는 의료용 환경용 식품용 산업용 군사용 실험연구용 등이다 의료용은 현, , , , , .

재 가장 많이 이용되고 있는 분야로서 주로 혈당측정용 바이오센서가 시장규모의 대부분을

차지하고 있다.

바이오센서는 생화학 반응에 의한 신호를 전기 신호로 바꾸는 소자로 전자공학ㆍ화학ㆍ생물

학ㆍ재료공학ㆍ효소공학 등 과학 전반에 걸친 기술을 필요로 하는 미래형 융합기술(fusion

이다technology) .

바이오센서는 기술측면에서 필요 시료량이 적고 측정의 정확성이 높으며 주변 환경의 영, ,

향이 적고 측정이 간편하며 측정의 리얼타임화가 가능하다 또한 시장측면에서 시장진입, , . ,

초기단계 제품이고 용도분야가 다양하며 높은 성장성이 전망되는 제(young age market) , ,

품이다.

그러나 현재 세계 바이오센서 시장은 존스앤존슨 바이엘 로슈 등 다국적 업체들이 세계, , ,

시장의 이상을 장악하고 있으며 국내에서도 이들 제품이 정도를 점유하고 있다80% 90% .

- 12 -

이와 같이 몇개 업체가 세계적으로 독과점을 형성하고 있고 여개에 이르는 외국 특허, 500

들을 피하여 개발하기가 어려우며 중소규모 국내 개발업체들의 자금능력 및 마케팅 능력,

부족 등에도 불구하고 최근 국내 대학과 기업들의 수년간에 걸친 연구개발 결과 부분적으,

로 우리나라도 경쟁력을 갖추어 가고 있다.

따라서 바이오센서 산업의 심층정보 분석을 통해 기술ㆍ시장 정보를 제공함으로써 중소기업

의 기술개발을 유도하고 잠재적 수요 창출을 통한 수입의존도 탈피 및 바이오센서 산업의,

성장을 촉진할 필요가 있다 또한 기술적 및 대응방안을 탐색하고 수요측면에. , bottleneck

서의 니즈를 분석하여 시장접근의 가능성을 제고할 필요성이 있으며 국내 업체들의 수입대,

체 및 경쟁력 강화를 위해서 국가차원에서의 관심과 육성이 필요한 산업이라 할 수 있다.

연구의 목적2.

최근 산ㆍ학ㆍ연 등 각 분야에서 관심 있는 주요산업에 대한 종합적이고 신뢰성 있는 분석

정보의 수요가 증대하고 있으나 실제 연구 분석기관들을 통한 공급은 미미한 실정이다, .ㆍ

따라서 한국과학기술정보연구원 에서는 최근 첨단산업에 속하면서 사회적으로 가치(KISTI)

가 높고 미래 지향적 기술개발이 필요한 바이오센서를 분석대상 기술로 선정하였다 바이오.

센서에 대한 심도 있는 기술동향분석 연구개발 동향분석 특허 정보 분석 산업 및 시장분, , ,

석을 수행하여 국가정책 수립자에게는 국가연구개발 자원의 효율적 활용과 의 성공가, R&D

능성을 높일 수 있는 기초분석 자료를 제공하는데 일차적인 목적이 있다.

- 13 -

그리고 정보획득 및 분석에 한계가 있는 기업 및 연구기관들에게는 기업의 사업계획, R&D

계획 마케팅계획 수립시 변화하는 기술적, ㆍ사회적 요구 등 객관적이고 충실한 정보를 제,

공함으로써 성공적인 전략을 수립하도록 하는데 목적이 있다.

연구의 방법3.

본 보고서에서는 부분적으로 일반 센서산업에 대해서도 일부 언급하였으나 주로 바이오센,

서에 대해서 집중적으로 국내외 기술개발동향 특허동향 시장동향 등을 분석하였다, , .

제 장 기술동향분석에서는 한국과학기술정보원 이 보유하고 있는 문헌과 최근 해2 (KISTI)

외발표 저널 전문가자문 등을 통해 바이오센서의 기술 및 전반과 최근 이슈화되고 있, R&D ,

는 문제들에 대해 체계적이고 종합적인 정보 분석을 수행하였다.

제 장 특허정보 분석에서는 바이오센서에 관해 조사된 특허정보를 중심으로 특허맵핑3

을 수행하였다 즉 여년간의 기술흐름의 추이와 최근의 기술동향 출원(Patent Mapping) . , 20 ,

인 분석을 통한 기술의 우위현황 기술의 주요 분포도 등을 국가 및 기술 분야별 등으로 세,

분화ㆍ체계화하여 다각적으로 분석하였고 도식화된 그래프를 이용하여 바이오센서의 기술,

개발 동향을 파악하고자 하였다 바이오센서에 관한 특허정보 분석에는 한국과학기술정보연.

구원 에서 제공하는 각국의 특허정보 데이터베이스를 활용하였다(www.kisti.re.kr) .

- 14 -

제 장 시장동향 및 전망에서는 바이오센서 산업의 산업구조 및 환경을 우선 분석하고 국4 ,

내외시장 동향을 조사 분석하였다 그리고 미국 일본에서 발간된 최근 분석보고서 국내. , ,ㆍ

조사전문기관의 발표자료 업계 및 연구소의 를 통해 향후 국내외 시장을 전, Field Survey

망하였으며 구체적인 사업화 성공가능성을 높이기 위한 전략적 제언을 제시하였다, .

- 15 -

제 장 기술동향 분석2

본 장에서는 바이오센서의 개요 및 기술적 특성에 대하여 기술하였고 사회적 니즈를 반영,

한 로드맵을 구성하여 현 기술의 동향 및 향후 전망 등에 대하여 분석하였다.

개 요1.

가 정의.

바이오센서는 년 포도당을 측정하기 위해 이 투석막 을 이용1962 Clark (Dialysis Membrane)

하여 최초의 글루코스센서를 개발한 이래로 생물공학 화학공학 전자공학 생명공학 및 컴, , ,

퓨터공학 등 여러 가지 분야에 응용되기 시작하면서 바이오센서에 대한 연구개발이 집중되

고 있다 센서가 과학 기술면에서 이용되어 온 역사가 오래된 만큼 센서 에 대한. , (Sensor)

정의도 여러 가지로 표현되어 왔다 현재까지도 세계적으로 통일된 정의는 없지만 대체적으.

로 측정 대상물로부터 정보를 검지 또는 측정하여 그 측정량을 인식 가능한 유용한 신호로“

변화시키는 장치 로 정의할 수 있다(Device)” .

- 16 -

그렇다면 바이오센서란 무엇인가 위에서 정의한 것 중에서 측정 대상물로부터 정보를 얻? “

을 때 생물학적 요소를 이용하거나 또는 생물학적 요소를 모방하는 것을 사용하여 색 형,

광 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시켜주는 시스템 이라고 정의할, ”

수 있다 이러한 정의에 적합한 가장 간단한 예로 임신진단용 키트를 들 수 있다 임신진단. .

키트는 임신하였을 때만 나타나는 특정호르몬 측정 대상물 을 소변에서 검지하기 위하여 항( )

체 생물학적 요소 를 이용하여 인식 가능한 유용한 신호 색 로 바꿔주는 진단 장치이다( ) ( ) .

바이오센서에 대한 포괄적인 이해를 위해서는 바이오센서의 기본적인 원리 및 센서를 구성

하고 있는 구성 성분에 대한 이해가 필수적이다 바이오센서는 표적물질을 선택적으로 인식.

할 수 있는 생체감지물질 또는 생체모방 감지물질 로 이(bioreceptor) (biomimetic receptor)

루어진 센서매트릭스 와 감응시에 발생하는 신호를 전달하는 신호변환기(sensor matrix)

로 구성되어 있다 그림 센서매트릭스로는 효소 항체(signal transducer) (< 2-1>). (enzyme),

항원 멤브레인 수용체 세포 조직(antibody), (antigen), (membrane), (receptor), (cell),

및 등이 사용되고 있으며 신호 변환방법으로는 전기화학(tissue) DNA , (electrochemical),

발색 광학 형광 압전 등이 이용된다(color), (optical), (fluorescence), (piezoelectric) .

나 분류.

바이오센서의 종류는 측정대상물질 센서 매트릭스 및 신호 변환기의 종류에 따라 매우 다,

양하다 초기에는 글루코스센서와 같이 주로 효소를 센서 매트릭스로 사용하여 왔으나 분자.

생물학의 급속한 발달로 단일 클론 항체의 대량 생산이 가능하게 됨에 따라 현재는 많은 경

우 항체를 센서 매트릭스로 사용하거나 항체 효소 결합을 이용하고 있다- .

- 17 -

그림 의 기본원리< 2-1> Biosensor

효소를 이용한 촉매성 센서와 항체를 이용한 결합성 센서 외에도 대량의(catalytic) (affinity)

정보를 초고속으로 처리하기 위하여 현재는 칩 칩 단백질칩 랩온DNA (DNA ), (protein chip),

어칩 과 같은 칩센서에 대한 개발이 급속도로 이루어지고 있다(lab-on-a-chip) .

바이오센서의 응용분야는 크게 가지로 나눌 수 있다 가장 시장규모가 큰 임상진단 의료6 . /①

용 분야이며 전체 바이오센서 시장의 약 를 차지하는 혈당측정용 글루코스센서가 이80%

분야에 들어가며 그 외에도 임신 호르몬 콜레스테롤 젖산 요소 등과 같은 생체물질을 분, , ,

석하는 센서가 포함된다.

- 18 -

환경호르몬 폐수의 중금속 농약등과 같은 환경관련 물질을 검출하는 데 사용되는, BOD, ,②

바이오센서이다 현재 내분비교란물질로 주목받고 있는 다이옥신과 같은 각종 환경호르몬에.

선택성을 지니며 초저농도를 감지할 수 있는 센서의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. ③

식품에 포함되어 있는 잔류농약 항생제 병원균 중금속 과 같은 유해한 물질의 검출에 사, , ,

용되는 것으로서 식품의 안정성을 검사하는데 이용되고 있다 사린 탄저균 등과 같이 대. ,④

량 살상용 무기로 사용될 수 있는 생물학적 무기를 감지할 수 있는 바이오센서로서 군대용

으로 사용된다 생물학적 무기를 감지하기 위해서는 특히 빠른 분석시간과 필드에서 직접사.

용이 가능해야 되기 때문에 소형화가 요구된다 산업용으로 생물발효공정에서 미생물의. ,⑤

성장 조건을 제어하기 위하여 바이오센서가 사용되며 화학공장 정유공장 제약회사에서의, ,

각 공정에서 나오는 특정 화학물질에 대한 분석에 바이오센서가 사용되고 있다 실험연구. ⑥

용으로서 보통의 바이오센서가 소형화 및 휴대용을 지향하고 있으나 실험연구용으로 사용되

는 센서는 센서의 크기보다는 생체물질간의 결합에 대한 속도론적 분석 단일 분자의 거동,

측정 등에 초점을 두고 있다.

바이오센서의 연구개발 동향2.

가 해 외.

불과 몇 년 전까지만 하더라도 바이오센서 산업은 주로 임상적인 수요가 큰 혈당(blood

센서에 집중되었으나 아직까지도 단일제품으로는 혈당센서가 시장이 가장 큼 분glucose) ( ),

자생물학 나노테크놀로지 및 정보통신기술 의 급격한 발달로 다분야의 특성을 접목, (NT) (IT)

한 다양한 센서가 개발되고 있다.

- 19 -

질병의 검사 및 치료를 위한 임상진단 분야에서는 고감도 항체의 항원특이반응을 이용한 면

역분야 진단기술의 발전은 질병의 조기진단이나 치료 모니터링 및 판정을 쉽게 하였다 또.

한 생명공학을 이용한 진단기술을 사용하여 감염성 질환이나 암을 진단하거나 유전자 진, ,

단시약의 개발도 활발하게 진행 중이다 최근에 들어서 바이오센서 기술은 단순한 생화학적.

측면의 목적에 더하여 대량검색과 다중측정 또는 다중진단이라는 관점에서 많은 관심을 끌

고 있고 이러한 관점에서 새로이 주목받는 기술이 칩 단백질칩이고 여기서 발전된 미DNA ,

소 유체이송 원리를 이용한 랩온어칩, μ 등이 있다-TAS(Micro Total Analysis System) .

임상진단 분야 외에도 최근 응용성이 크게 부각되고 있는 것으로 환경호르몬과 같은 내분비

교란물질의 검색이나 살모넬라균 균과 같은 독성균의 검출 생화학전에 대비한 신경, O-157 ,

가스의 검출 식품에서의 잔류농약 항생제 병원균 등 독성화학물질과 관련된 식품 안정성, , ,

분석용 바이오센서에 대한 수요 및 개발이 늘고 있다 따라서 국내외를 불문하고 전 세계적.

으로 위의 목적에 적합한 바이오센서의 개발에 심혈을 기울이고 있으며 특히 휴먼게놈프로

젝트 의 결과로서 생기는 방대한 양의 유전정보를 먼저 해석하기(human genome project)

위한 다양한 분석 방법이 개발되고 있다 현재 활발히 진행되고 있는 해외의 바이오센서 기.

술개발 동향을 살펴보면 다음과 같다.

- 20 -

혈당센서(1)

현재까지 가장 많이 쓰고 있는 바이오센서는 혈당센서 이다 전체 바이오시(glucose sensor) .

장의 약 를 의료용 센서가 차지하고 있는데 이중에서 혈당센서가 를 차지하고 있90% , 90%

어 혈당센서의 수요가 엄청나다고 할 수 있겠다 현대인의 식생활과 생활습관의 변화에 따.

라 당뇨병 환자는 날로 증가하고 있어 당뇨병 환자의 생명과도 직결될 수 있는 혈당 측정,

기의 개발은 필수적이라고 하겠다 혈당센서는 포도당을 산화시키는 글루코스 산화효소.

를 폴리아크릴아미드의 겔막에 포괄 고정화시켜 이 막을 격막 센(GOD, glucose oxidase)

서 전극 위에 부착시켜서 만든 최초의 센서를 바탕으로 현재까지 끊임없이 발전 되어왔다.

글루코스센서에 사용되는 효소인 를 쉽고 값싸게 구할 수 있으며 는 다른 효소보GOD , GOD

다 이온강도 온도에 대해 안정하며 가 글루코스를 산화시키는 최적조건이 사람pH, , GOD

혈액속의 글루코스 농도와 일치한다는 이유 때문에 크게 성공했다고 볼 수 있다 그림(<

2-2>).

현재 혈당측정기술은 혈구와 혈장을 분리하여 측정해야 했던 세대기술에서 발전하여 혈액1

을 닦아 내거나 혈구를 제거할 필요가 없는 세대 기술로 발전해 왔다 세대 혈당측정기술2 . 2

은 크게 광도법 과 전기화학법 으로 나눌(photometeric method) (electrochemical method)

수 있다 광도법과 전기화학법 모두 기본적으로는 글루코스와 반응하여 글루코스를 산화시.

킬 수 있는 산화효소를 사용한다 그림 에서 보는 바와 같이 혈액 속의 글루코스가. < 2-2>

센서의 멤버레인을 투과하여 고정화된 와 반응하면 글루코닉산 으로 바GOD (gluconic acid)

뀌게 된다.

- 21 -

그림 의 원리< 2-2> Glucose sensor

광도법에서는 글루코스가 산화될 때 색의 변화를 가져오는 색소원을 사용하여 색의 변화 정

도를 광도계 를 사용하여 빛의 반사도 또는 투과도를 측정하여 정량화할 수도(photometer)

있다 이에 반해서 전기화학법은 글루코스가 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화.

수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고 다시 산화되어 원래의 산화된 형태로 되돌아 올 때 발생

하는 전자를 전극을 이용하여 흐르는 전류를 측정하여 글루코스를 정량화 한다 표.< 2-1>

에는 광도법과 전기화학법의 특징을 비교하여 나타내었다.

광도법으로 처음 소개된 제품은 다공성의 고분자막을 사용한 사의 였LifeScan One Touch

다 현재는 사의 사의 가 많이 사용되고 있다 그림. LifeScan SureStep, Roche Glucotrend (<

2-3>).

- 22 -

표 광도측정법 및 전기화학법을 이용한 혈당측정기술의 비교< 2-1>

항목 광도법 전기화학법

통상적인 명칭 스트립 진단 시약 바이오센서

측정원리

글루코스가 효소와 반응하는 과정에

서 색깔을 변화시키는 중간물질을,

생성하고 이것이 색소원을 변경하여

변화된 색깔을 빛을 이용하여 측정

글루코스가 효소와 반응하는 과

정에서 발생한 전자를 전자진달

매개체를 이용하여 전극으로 전

달하여 흐르는 전류를 측정

측정기의

주요기술잘 구성된 광원과 감지부 잘 구성된 전극표면과 전극물질

센서의

주요기술

혈액의 적혈구 성분을 잘 거를 수

있도록 하는 것

전압과 전류의 관계가 선형적으

로 나올 수 있도록 하는 효소

고정화 기술

소요혈액량보통 마이크로 리터 굵은10 ~ 20 (

혈액 방울 개1 )

보통 광도측정에 필요한 혈액량

의 절반 이하

혈액사용법

채혈한 혈액에 측정기 또는 센서 등

을 가져다 대거나 떨어뜨려 스트립

에 스며들게 함

혈액을 센서에 가져다 대면 자

동으로 흡입

측정 소요시간 보통 초20~40 보통 초10~30

가격대저가의 보급형 측정기 및 센서

만원대(8~15 )

고가의 정밀 측정기 및 센서

만원대(15~ 25 )

부가가치 낮다 높다

주요 판매

대상국후진국 아시아 중남미 등, , 선진국

자료 : http://www.allmedicus.com/glucodr

광도법을 이용한 혈당측정은 전기화학법에 비해 상대적으로 많은 양의 혈액을 필요로 한다.

따라서 등의 대기업들은 광도법에서 부가가치가 높고Roche, Abbott, Arkray, Lifescan ,

적은 혈액으로도 혈당을 측정할 수 있는 전기화학법을 이용한 혈당센서의 개발에 주력하고

있다 그림(< 2-4>).

- 23 -

그림 광도법을 이용한 스트립 글루코스센서< 2-3>

의Life Scan Sure Step 사의Roche Gluecotrend

표 에는 현재 시판되고 있는 혈당 측정기의 특징을 나타내었다< 2-2> .

그림 전기화학법을 이용한 글루코스센서< 2-4>

사의Akray Super Glucocard II 사의Abbot Precision QID

- 24 -

표 시판되고 있는 혈당측정기의 특징< 2-2>

제 품 명 신호측정 방법 고정화 효소

Glucotrend Reflectance Spectroscopy Glucose Oxidase

Acutrend Reflectance Spectroscopy Glucose Oxidase

SureStep Reflectance Spectroscopy Glucose Oxidase

FastTake Electrochemical Glucose Oxidase

One touch II Reflectance Spectroscopy Glucose Oxidase

Advantage ElectrochemicalGlucose Dehydrogenase

/Hexokinase

One Touch Basic Reflectance Spectroscopy Glucose Oxidase

Encore/Bayer Reflectance Spectroscopy Hexokinase/G6PDH

Tide Electrochemical Hexokinase/G6PDH

Precision QID Electrochemical Glucose Oxidase

Elite Electrochemical Glucose Oxidase

Super Glucocard II Electrochemical Glucose Oxidase

Hemocue Transmittance Glucose Dehydrogenase

ExacTech Electrochemical Glucose Oxidase

자료 : www.dang119.co.kr

현재 병원에서 사용되는 혈당측정기는 광도법을 이용하든 아니면 전기화학법을 사용하든 대

부분 당뇨환자의 손가락 끝에서 채혈한 혈액을 센서 스트립에 묻혀서 측정하고 있다 따라.

서 혈액 채취시 고통과 불쾌감이 따르기 때문에 하루에도 주기적으로 혈당을 측정해야 하는

당뇨병 환자들은 몸에 고통과 상처를 주지 않고 혈당을 측정할 수 있는 혈당측정기의 개발

을 고대하고 있다 당뇨병 환자의 고통을 들어주기 위해서는 채혈량의 최소화가 필요하다. .

채혈량의 최소화에 대한 끊임없는 요구로 현재 상업화된 혈당측정기 중에서 가장 적은 채혈

량만으로도 측정이 가능한 혈당측정기는 사가 최근 개발한 로서Therasense FreeStyle 0.3

마이크로리터의 적은 혈액으로도 혈당측정이 가능하다.

- 25 -

기존의 채혈식 혈당기 사용에 따른 혈액 채취의 고통을 거의 없애 버린 이 혈당 측정기는

손가락 끝에서 채혈하는 기존의 방식과는 다르게 그림 에서 알 수 있듯이 팔에서 극< 2-5>

미량의 혈액을 채취하여 테스트 스트립의 한쪽 끝만 살짝 대어서 혈당을 측정할 수 있게 하

였다 그림 에는 혈당측정기의 종류에 따른 최소 혈액량을 나타내었다.< 2-6> .

그림 사의 혈당측정기의 사용법< 2-5> Therasense FreeStyle

8tep 1. Insert test strip 8tep 2. Obtain Blood sample

8tep 3. Touoh blood sample 8tep 4. Read the result

자료 : www.therasense.com/freestyle/features/index.htm

- 26 -

그림 혈당측정에 요구되는 최소혈액 양< 2-6>

지금까지 설명한 혈당측정기는 모두 채혈식으로 지속적인 채혈에는 환자들의 고통이 따른

다 따라서 이와 같은 채혈을 통한 측정의 문제점을 극복하기 위하여 채혈을 하지 않고도.

혈당측정이 가능한 무채혈 혈당측정기의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다 일반적으로 무.

채혈 혈당측정은 적외선을 이용하는 방법 초음파를 이용하는 방법 팻취 를 이, , (patch)① ② ③

용하는 방법 반침습적인 방법 등의 가지로 대별된다, 4 .④

첫째 적외선을 이용하는 방법은 과일의 당도를 측정하는 것과 마찬가지로 적외선을 주사하,

여 포도당에 의해 변형된 신호를 측정하는 방식이다 즉 피부에 측정기를 대고 적외선을. ,

주사하여 피부 및 모세관의 혈당에 따라 나오는 적외선을 측정하여 혈당을 정량화 한다 적.

외선을 이용한 혈당측정의 단점은 장파장의 적외선 자체가 가지는 문제인 간섭현상과 피부

의 색 두께 및 상태에 따라 달라질 수 있는 혈당치를 보정해 주는 문제점과 값이 비싼 것, ,

이다.

두 번째 방법은 초음파를 이용한 것인데 교수에 의하면 피부의 외피는 죽은 세포와, Langer ,

지방층이 마치 벽돌과 몰타르처럼 구성되어 있어 보통 아무 것도 통과시키지 않는다고 한

다 그러나 초음파는 이 지방층 조직을 혼란시켜 피부의 투과성을 향상시켜 준다. .

- 27 -

쥐와 죽은 사람의 피부를 대상으로 한 임상 실험에서는 피부에 분 동안 현재는 초 정도2 ( 30

로 시간을 단축시켰음 초음파를 가했다 사용한 초음파 진동수는 로 태아를 보는) . 20 kHz ,

데 이용하는 초음파보다 훨씬 낮은 주파수이다 이 초음파 탐침은 비누용액을 넣고 피부에.

부착시킨 작은 유리 실린더에 넣었는데 초음파치료 후에는 식염수를 실린더에 넣고 분 동, 5

안 진공 상대를 만들어 세포를 싸고 있는 간질 부위 에 있는 소량의 액(interstitial spaces)

체를 추출했다 이 액체는 혈액은 아니지만 당이나 여러 가지 성분들이 혈액과 똑같은 농도.

로 들어있다고 알려져 있다 시간 동안 각 환자들에게서 개의 샘플을 채취해서 당 농도를. 4 9

측정 직접 혈액에서 측정한 혈당 농도와 비교해 본 결과 거의 비슷했다 연구진에 따르면, , . ,

초음파를 가한 후 시간 동안은 피부 투과능이 계속 높은 상태로 유지되었다고 한다 현재15 .

아침에 초음파를 가하고 미리 지정한 부위에 패치를 붙이는 형식으로 시스템을 만들려고 계

획 중에 있다.

세 번째로 팻취를 이용하는 혈당측정법은 조직액의 당의 양을 측정하여 실제 혈액 속의 당,

의 양을 연관시키는 것으로 혈액 속의 혈당 변화와는 약 분에서 분 정도의 시간차를15 20

가지고 나타난다 대표적인 상품으로는 사가 개발한 글루코워치 라는. Cygnus (Glucowatch)

혈당측정기로서 년 로부터 조건부 승인을 받으면서 당뇨병 환자들에게 고통 없이2001 FDA

자주 혈당을 잴 수 있는 길이 열리게 되었다 이 측정기는 손목시계처럼 차고 있으면 아주.

약한 전류를 시계 뒷부분에 있는 팻취에서 피부로 보내 기공이 열리게 한 다음 포도당액을

소량 채취한다 이어 시계 밑에 장치되어 있는 센서가 채취된 포도당액을 빨아들여 읽으면.

혈당치가 숫자로 시계판에 나타난다 매 분마다 한번에 시간까지 혈당을 측정해 환자. 20 12

들에게 시시각각 알려주고 혈당이 너무 높거나 낮으면 경고음이 울리도록 되어있다 그림(<

2-7>).

- 28 -

글루코워치 자체도 아직 완전한 것은 아니어서 가끔 틀린 결과치를 보이며 특히 땀에 젖어,

있는 경우 혈당측정이 어렵고 예민한 피부를 가진 환자의 경우 통증을 느끼거나 피부염을

유발하기도 한다 또한 저혈당 측정하는 데 효과적이지 못하고 조직액을 사용하기 때문에.

조직내의 물 함량이 높아지는 경우 수영이나 목욕 후나 만성 신부전 만성 심부전 등으로, ,

피부에 부종이 있는 경우 혈당을 정확히 측정할 수 없는 단점이 있다 그럼에도 불구하고.

이러한 단점만 보완하면 글루코와치는 가장 이상적인 혈당측정기의 모델이라 할 수 있다.

네번째로 팻취방법보다 훨씬 효과적인 방법은 반침습적인 방법이다 팻취 대신 매우 작은, .

바늘이나 레이저를 이용하여 피부를 뚫고 조직액을 얻어내어 측정하는 방법이다. Integ Inc.

사의 는 피부에 미세한 구멍을 뚫고 조직액을 흡입하여 혈당을 측정한다 반면에LifeGuide .

사에서 개발하고 있는 혈당측정기는 바늘 대신 레이저 광선을 이용하여 구멍을 뚫SpectRx

고 조직액을 취한다.

그림< 2-7> Glucowatch

- 29 -

위에서 소개한 네가지 방법 외에도 최근에는 혈당 수치가 위험 수준 이하로 떨어지면 문신

을 이용하여 이를 알려줄 수 있는 장치가 개발되고 있다 이 장치가 잘 작동된다고 하면. ,

문신을 이용하여 항상 혈당 수치를 감시할 수 있게 되고 또한 혈당 수치가 위험 수위로 떨,

어지는 경우 당뇨의 위험을 알리는 경고 시스템 장비로 활용할 수 있게 된다 이 문신은 미.

국 대학의 와 펜실바니아 주립대학 화공학과의Texas A&M Gerard Cote Michael Pishko

에 의하여 고안되었는데 형광 분자물질로 입혀진 폴리에틸렌글리콜로 이루어져 있다 혈당, .

이 형광 분자물질 반응에 영향을 미치기 때문에 혈당 수치가 낮게 되면 형광반응의 정도가

높아진다 시계 등과 같은 장비를 이용하여 이 형광 수치를 표시하여 사용자가 혈당 수치를.

읽을 수 있도록 하게 된다 쥐에게 문신을 표시하고 혈당을 주입하여 실험한 초기 연구에서.

좋은 실험 결과들이 나왔다 일반적인 문신은 피부의 세포를 착색시키는 잉크 입자들로 이.

루어져있지만 이 문신은 바늘을 이용하여 피부 밑에 폴리머 분자들을 삽입시키게 된다 이, .

폴리머 분자들은 잉크입자보다 약간 크기 때문에 세포들에는 침투하지 못하고 세포들을 감,

싸고 있는 간질액에 남아있게 된다 박사는 말하기를 이와 같은 사실은 간질액 속의. Cote “

혈당 수치가 혈액 혈당 수치와 직접적으로 연관이 되어 있다는 점에서 중요하다 반면에 세.

포 내의 혈당은 바로 에너지로 변환이 되기 때문에 거의 존재하지 않는다 고 하였다 이런” .

문신을 새길 수 있는 가장 적합한 곳은 복부나 팔인데 형광 물질을 이용하는 이 장치가 햇

볕에 계속 노출되는 것을 피할 수 있기 때문이다 이 문신을 이용한 혈당 측정 시스템은 현.

재 제품화가 된 시계혈당 측정 장비와 비슷한 성격을 띠고 있으나 한 단계 발전된 형태라고

할 수 있겠다.

- 30 -

면역분석 진단 바이오센서(2) (Immunoassay)

가 면역분석법의 종류( )

위에서 언급한 혈당측정기는 모두 글루코스의 산화와 관련된 효소를 센서 매트릭스로 사용

한다 이러한 효소를 이용한 촉매성센서 와 더불어 현재 가장 많이 사용되. (catalytic sensor)

고 있는 시스템은 바로 항체 항원 반응을 이용한 결합성센서 이다 생체방- (affinity sensor) .

어기구인 면역반응은 항원과 이것에 대하여 체내에서 생성된 항체와의 특이적 복합체 형성

을 특징으로 하고 있다 따라서 항체 항원 인식은 매우 결합력이 강하며 선택성 또한 높다. - .

가장 효과적인 항원은 단백질이나 다당류이지만 단독으로는 항체를 생산할 수 없는 저분자,

화합물에서도 단백질과 결합할 수 있는 항원성을 보이는 항체를 만들 수 있다 이 같은 항.

체의 항원식별기능을 수용체에 이용한 센서를 면역센서 라 부른다(immunosensor) .

면역분석법은 년에 항원 항체간의 면역침강법 이 정1935 - (immunoprecipitation technique)

량방법으로 소개되어 임상진단 분야에서의 적용 가능성이 타진되면서 그 개념이 도입되었으

며 년에 방사면역분석법 이 개발된 이후 임상검사방법으로 정립, 1960 (radio immunoassay)

되었고 그 이후 많은 기술들이 개발되었다 면역분석법이 본격적으로 각광을 받기 시작한, .

것은 년 와 에 의한 단일클론항체 생산기술이1975 Kohler Milstein (monoclonal antibody)

개발된 이후부터이다.

- 31 -

일반적으로 항원 항체의 특이적 반응을 이용하는 면역분석법은에서와 같이 가지의 방법- 4

중 하나를 이용한다 그림 이들 중 어느 방법을 선택하는가는 검출하고자하는 표적(< 2-8>).

물질 항체의 종류 지표물질 그리고 신호변환기의 종류에 따라 달라진다 지표물질로는 형, . , .

광 색 방사선 그리고 화학발광 을 일으키(fluorescence), (color). (radio) (chemiluminescence)

는 것을 주로 사용한다 이 중 색의 변화를 수반하는 방법을 사용할 때는 색을 지니는 무기.

물을 사용하거나 항체를 효소와 결합하여 효소에 의한 반응으로 색이 생기도록 한다 항체. -

효소 연결에 의한 면역분석법을 라고 하며ELISA(Enzyme Linked Immunosorbant Assay)

생명공학분야의 실험에 가장 널리 쓰이는 방법 중의 하나이다 지표물질을 사용하지 않고.

분석할 때는 항체 항원 반응으로 생기는 무게변화 또는 빛의 굴절률의 변화를 감지하여 정-

량화 시킬 수도 있다.

그림 항체 항원 반응을 이용한 면역분석 방법< 2-8> -

(A) Direct Assay (B) Indirect Assay

(C) Antigen Capture (D) Antigen Capture

- 32 -

면역분석법을 이용한 가장 간단한 형태의 센서는 임신진단키트이다 임신을 병원에 가지 않.

고 가정에서도 진단할 수 있도록 만든 임신진단키트는 면역크로마토그래피의 원리를 사용한

다 임신진단의 경우 임신할 때 나타나는 특정 호르몬인 를 감지하는 것으로서 그 원리. hCG

는 그림 에 나타나 있다 먼저 가 들어있는 소변을 샘플 투입구로 떨어뜨리면 골< 2-9> . hCG

드입자에 고정되어 있는 단일클론항체가 와 결합하여 나이트로셀룰로오스막을 모세관hCG

현상에 의해 이동하게 된다.

그림 임신진단키트의 구성 및 원리< 2-9>

- 33 -

항체의 끝에는 붉은 색을 나타내는 골드입자가 있기 때문에 항체가 색을 띄게 된다 와. hCG

결합한 단일클론항체가 부위를 지날 때면 나이트로셀룰로오스 막에 고정된 또 다른 단“T”

일클론항체와 결합하면서 골드입자들이 적자색의 일직선 모양을 형성하게 되고 이 경우 임

신을 확인할 수 있다 그러나 소변에 가 없을 경우에는 부위에서 항체와 결합이 일. , hCG “T”

어날 수 없으므로 아무런 선도 나타나지 않게 되어 비임신으로 판정된다.

면역분석법 중에서 방사면역측정법은 년경 과 에 의해 항원과 항체가 특1960 Berson Yalow

이적으로 결합하고 호르몬이 항원이라면 그 호르몬과 특이적으로 결합하는 항호르몬을 생산

할 수 있는 면역학적원리를 이용 개발되었다 호르몬은 매우 적은 양으로 존재하므로 이전.

에는 측정이 불가능하였으나 이 방법을 사용함에 따라 단위까지 호르picogram(10-12 g)

몬 농도를 측정할 수 있게 되었다 특히 자연계에 존재하지 않는 방사성 동위원소를 사용. ,

함에 따라 다른 경쟁방법인 효소면역측정법이나 화학발광측정법에 비해 장점을 지닌다 주.

로 갑상선질환 T3(thiiodothyronine), T4(thyroxine), TSH,(thyroid stimulating hormone),

펩타FT4(free thyroxine), thyroglobulin Ab, Antimicorsomal Ab TSH receptor Ab, C-

이드 등을 측정하는 데 쓰이고 있다.

지표물질을 사용하지 않는 분석법에는 을 이SPR(surface plasmon resorance technology)

용하는 방법이 있다 그림 을 이용하면 표식 없이 분자간의 특이적인 상호반(< 2-10>). SPR

응 결합량 친화력 동력학적인 요소를 실시간으로 모니터링 할 수 있다 즉 표면 플라즈먼, , , . ,

공명 현상을 응용하여 공명각의 변화를 실시간으로 받아들이(surface plasmon resonance)

는 것에 의해 분자간의 반응ㆍ결합량ㆍ친화력을 측정하는 기술로서 최근 그 유용성이 부각

되고 있다.

- 34 -

그림 을 이용한 면역분석< 2-10> Surface Plasmon Resonance

응용분야는 수용체 리건드 단백질 의약품등 다양한 생체분자간 또는 생체분자- , DNA/RNA, ,

합성리간드 사이의 결합력 속도론적 해석이 가능하며 유기용매에 내성을 가지는 흐름을- ,

사용 소수성 시료에도 사용이 가능하다, . Differential sensor mechanism(nippon laser &

사의 특허기술로서 이나 온도 광강도의 변화와 같은electronics. lab non-specific signal ,

다양한 의 효과를 배제하여 실시간으로 만을 한다 에background specific signal monitoring )

의해 실시간으로 특이 신호만을 감지하기 때문에 감도와 재현성이 높다.

빛의 굴절률을 이용하는 다른 방법으로는 캔틸레버를 사용하는 방법이 있다 그림(< 2-11>).

무게에 아주 민감한 캔틸레버 위에 항체를 고정화시키고 캔틸레버위에 표적물질을 흘리면

표적물질과의 결합으로 캔티레버가 휘게되고 이러한 변화를 감지하여 표적물질의 특성을 정

량화 할 수 있다.

- 35 -

그림 캔티레버 센서의 도식도< 2-11>

면역분석법을 응용하는 또 다른 방법은 을 이용하는 것QCM(quartz crystal microbalance)

이다 이것의 원리는 의 양쪽에 금속전극을 붙이고 전압을 가하면. quartz crystal quartz

이 진동하게 되는데 이것을 역압전효과라 하며 이렇게 진동하고 있는crystal , quartz

의 전극 표면에 외부 물질이 붙으면 원래의 진동에서 벗어나게 되고 이 차이를 측crystal ,

정하여 전극 표면의 물질 이동을 알 수 있게 된다 싱가폴의 물질연구. ㆍ공학연구소의 Xiao

연구팀은 금 나노입자를 이용하여 인간 면역글로블린 의 정량할 수 있는 센서를 개G(lgG)

발하였다 금 나노입자들은 가능한 시간에 매우 적은 분자들의 무게를 검측할 수 있는 수백.

또는 수천번의 시도로부터 신호를 받아들여 증가되는 원리를 이용한 것이다.

- 36 -

나 면역분석법의 응용( )

감염성 질환 진단①

일본 니케이화학에서 형 간염바이러스의 고어항원을 화학발광효소면역법으로 검출해내는C

검사약을 년에 개발하였는데 감도도 좋고 간편하면서 시약비용의 절감이 가능한 것으1999 ,

로 알려져 있다 최근에는 간이식 후 형 간염 표면항원의 이탈변이를 빨리 발견할 수 있. , B

고 가격 측면에서도 좀 더 효과적인 새로운 혈청학적 면역분석법이 개발되었는데 이 분석,

법은 야생형과 변이형 형 표면 항원을 인식하는 단일클론 항체를 사용한다 이 진단법은B .

염기 서열 분석에 비해 실제적인 이점이 있을 뿐 아니라 간이식 환자들에서 형간염DNA B

표면항원 변이체를 갖는 바이러스의 존재 여부를 빨리 선별할 수 있어 이식 전에 적절한 예

방을 위한 선택을 할 수 있게 하였다 감염성 질병 면역분석에서 앞서나가는 회사는 미국의.

사로서 후천성면역결핍증 및 간염검사에서 기술을 선도하고 있다Abbott .

암 진단법②

암의 진단은 조기발견이 목적인데 단일클론항체 면역분석법을 이용한 종양표지인자 검사시,

약이 가장 기대되는 방법 중의 하나이다 종양표지인자는 암세포가 생성하여 분비하는 물질.

로서 조직세포 체액 배설물 등에 존재하게 되므로 이를 검사하게 되면 종양의 존재 및 종, ,

류 진행정도를 파악하는 데 유용하기 때문이다 현재까지 미국 로부터 암 진단을 위해, . FDA

사용허가 받은 종양표지인자들로는 및prostate specific antigen prostatic acid

전립선암 및 난소암 결장암 위암phosphate( ), CA125 CA125 II( ), CEA( ), AFP( ), terminal

백혈병 유방암 등이 있으며 이 인자들에 대한 개발은 물transferase( ), BR27, 29 CA15-3( ) ,

론이며 신규 종양표지인자들에 대한 연구도 계속 진행 중에 있다.

- 37 -

면역분석법은 아니지만 암진단과 관련하여 흥미로운 연구가 호주 시드니에 있는 Veronica

박사 연구팀에 의해 보고되었다 이 연구팀은 선 회절법을 이용하여 유방암환자나James . X

유방암에 걸리기 쉬운 환자의 머리카락이 정상인과 다름을 발견하고 선의 회절법에 의해X

분석해 본 결과 정상인의 회절양식에 비해 한 개 이상의 고리를 더 가지고 있다는 것을 발

견하였다 이 방법은 대중화가 되기까지 몇 가지 문제점들이 있지만 잘 확립된다면 간편한.

암진단법으로 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다.

식품 면역 측정법③

최근 들어 바이오센서가 식품의 잔류농약 항생제 병원균 기타 독성화합물질을 분석하기, , ,

위해 식품용으로 많이 응용되고 있는데 주로 식중독을 일으키는 세균들을 신속하게 감지하,

는 센서를 개발 중이다 대학의 화학자 미생물학자 식품과학자들로 구성된 연구팀. Clemson , ,

은 나노테크놀로지를 이용하여 대장균과 살모넬라 등의 식품 병원균과 결합하여 빛을 발하

는 발광성 분자를 고안하였는데 이 발광성 분자에 의해 나노센서가 작동하게 되는 것으로,

서 센서의 신호는 신속하게 감지되며 오염된 식품과 물을 가려내게 되는 것이다 년. 1998

코넷대학의 와 는 센서 표면에 항체를 붙여서 세균이 센서에 결Harold Caighead Carl Batt

합되게 한 다음 이를 레이저로 읽는 마치 바코드와 같은 바이오센서를 개발했다 이 센서, .

는 대장균 을 대상으로 하고 있는데 실리콘을 사용하여 세균이 실리콘에 달라붙을O157:H7

수 있도록 만들어졌다.

- 38 -

버지니아 공과대학의 윌리엄 벨란더 켄트 머프 두 교수가 독소를 감지하는 센서를 예전보,

다 배정도 더 정밀하게 만들었다 이 센서를 사용하면 예전에 감지하지 못했던 생물학적20 .

무기 성분을 탐지할 수 있게 되었고 측정 시간이 및 초안에 이루어지며 휴대도 가능하다고

한다 벨란더는 이 센서를 약품 생산 환경조사 의학진단 약 개발 등에 쓰일 것으로 전망. , , ,

하고 있다.

유전자 변형된 곡물 혹은 그로부터 유래한 가공물이 단순히 있는지 여부를 검사하는

분석법이 있는데 정성분석은 시료에서 염색체GMO(Genetically Modified Organism) DNA

를 추출하여 특이 유전자를 로 증폭시킨 후 증폭된 특이PCR(Polymerase Chain Reaction) ,

를 아가로즈겔 상에서 전기영동 시켜 이를 하에서 에서만 있는 증폭된 특이DNA UV GMO

의 관찰로 여부를 판단한다 분석에서 정량분석이란 시료내에 포함되어있는DNA GMO . GMO

의 양을 정확한 비율로 구할 수 있는 첨단의 방법인데 이를 위하여 의GMO Perkin Elmer

일명 기기 등ABI PRISM 7700 Sequence Detector System( Taqman 7700) Real-Time

기기를 이용한다PCR .

을 통한 방법으로 조작된 유전자를 검출해내는 것과 달리 조작된 유전자가 만들어내는PCR

단백질을 검출하는 방법을 사용하는데 이를 위하여 인체내의 면역체계에서 볼 수 있는 항,

원 항체 반응을 사용하게 된다 면역학적인 방법 중에서는 테크닉이 많이 활용되고. . ELISA

있으며 과 비교하여 빠른 시간 안에 적은 비용으로 확인이 가능하다는 장점이 있으나, PCR

도입유전자의 특성상 단백질의 합성이 없는 경우 검출이 불가능하고 가공식품의 가공GM

과정에서 단백질은 에 비해 훨씬 쉽게 파괴되어 가공식품에서의 적용이 힘들며 낮은DNA

수준의 혼입시에 정확한 정량이 힘들다는 단점 또한 가지고 있다GMO .

- 39 -

(3) Bio Chip

바이오칩은 크게 마이크로어레이 와 마이크로플루이딕스 칩으로(microarray) (microfluidics)

구분할 수 있다 마이크로어레이는 수천 혹은 수 만개의 단백질 탄수화물 펩타이드. DNA, , ,

등을 일정간격으로 배열하여 붙이고 분석대상 물질을 처리하여 결합 양상을 분석할 수 있,

는 칩 칩 단백질칩 이고 마이크로플루이딕스 칩 또는 랩온어칩은 미량의(DNA , ) (microfluidics)

분석대상 물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양

상을 분석 할 수 있는 칩이다.

가 칩( ) DNA

칩 기술의 개발은 년대 중반부터 수행되어 왔는데 반도체 기술과 분자생물학을DNA 1990

융합한 기술로 분석시스템의 소형화를 가져오게 된 획기적인 기술로 평가되고 있다 휴먼게.

놈프로젝트의 완성과 더불어 대량의 유전정보에 대한 초고속 정보처리 장치가 필요하게 되

었고 기존의 분석기기들이 차지하는 많은 공간 및 분석시간을 단축시키기 위해서 칩센서의

연구 개발이 이루어 졌는데 이로 인해 초저농도의 시료 분석이 가능하게 되었고 최근의

및 산업의 발전으로 와의 결합으로 기존의 바이오센서로 불가능한 새로운 일들NT IT BT

이 가능하게 되었다.

- 40 -

그림 마이크로어레이칩 제조 및 검색 과정< 2-12> cDNA

칩은 실리콘 표면개질 유리 폴리프로필렌 활성화 폴리아크릴아마이드와 같은 고체DNA , , ,

기판 위에 염기 서열을 이미 알고 있는 탐침 올리고 핵산을 정해진 위치에 부착시켜 고집적

화된 배열을 만든 것을 말한다 그림 목적으로 정한 시료에서 를 추출하여(< 2-12>). mRNA

역전사반응으로 를 합성하고 이렇게 합성된 핵산의 표식에는 또는 형광을 사용한cDNA , RI

다 제작된 칩은 유전자 발현의 모니터링 염기서열의 결정 변이 해석 등에 이용할 수. DNA , ,

있는데 검출 원리는 목적이 되는 핵산과 하이브리드화 이다 칩을 이용한 하(hybridization) .

이브리드화의 특징은 기판에 고정된 길이와 목적 핵산의 종류에 따라 하이브리드화의DNA

최적조건이 달라진다 하이브리드화나 칩위에 형성된 두 가닥은 또는 형광 이미지 스캐. RI

너로 해석한다 제작방법을 간단히 도식화하면 다음 그림 과 같다 어레이를. < 2-10> . DNA

만드는 방법은 핀 끝을 기계적인 접촉으로 하는 핀 방식 잉크젯 프린터의 원리를 이용하는,

잉크젯 방식 모세관에 의한 방식 미세전극에 의한 방법 등의 가지가 있다 표, , 4 (< 2-3>).

- 41 -

표 칩 제조기술의 분류< 2-3> DNA

응용기술 특 징 칩 종류 제작회사

Pin microarray 을 이용한Pin micro dotting cDNA &

oligonucleotide

Hyseq

Incyte

Inkjet 원리를 이용한Inkjet

microdotting

cDNA &

oligonucleotide

Incyte

Photolithograph

y를 이용한Photolighography

직접 합성oligonucleotide

oligonucleotide Affymetrix

Electronic array 전기를 이용한 oligonucleotide

addressing

oligonucleotideClinical

MicroSensor

s

Nanogen

이런 형태로 만들어진 칩은 수많은 유전자들을 한꺼번에 검색할 수 있기 때문에 유전DNA

자발현을 검색하는 데 있어서 매우 유용하므로 돌연변이 검색 병의 진단 등에 많이 쓰이고,

있다 표 칩의 기본 기능과 응용 분야를 요약한 것이다 은 붙이는(< 2-4>). DNA . DNA chip

유전물의 크기에 따라 칩과 으로 구분할 수 있다 칩에는oligonucleotide cDNA chip . cDNA

최소한 염기 이상의 유전자가 붙여져 있고 칩에는 개의 염기들로500 oligonucleotide 15-25

이루어진 가 놓여있다 우선 칩은 정확한 염기서열을 알고oligonucleotide . oligonucleotide

있기 때문에 하나의 염기 변화에 의한 다양성에 대한 연구 즉 단일염기다형, (SNP; Single

의 연구가 가능하다 칩은 염기 자체가 크기 때문에 전반Nucleotide Polymorphism) . cDNA

적인 유전자 발현 연구에 사용된다 특히 칩은 두 가지의 다른 환(gene expression) . , cDNA

경에서 유전자의 발현정도를 비교하는 데 유리하다.

- 42 -

표 올리고칩과 칩의 비교< 2-4> cDNA

구분 칩Oligonucleotide 마이크로에레이cDNA

기본기능

개 이용 특정유전25 Oligonucleotide -

자의 돌연변이 검색

법 이용 원하는 염photolithography

기서열의 를 합성Oligonucleotide

및 등 암억제유전자 돌연p53 BRCA1

변이 검색

여개의 유전자를 의2,400 1.8cm

위에 직경 크기로slide glass 150㎛

하여 제작spotting .

비교하려는 두 군의 를 형광표RNA

지 한 후 이를 에 결합, DNA chip

시켜 상대적인 유전자 발현양상 분

석

활용분야

유전질환에서 유전자 변이 검색

분Single Nucleotide Polymorphism

석

장기 이식 접합성 검사

병원성 미생물 동정

친자확인 및 민족간의 다형성 분석

유전자발현 대량분석

인체 질환 진단 및 Monitoring

환경 인자에 대한 생물학적 반응

Pharmacogenomics

나 단백질칩( )

유전정보는 에서 를 거쳐 단백질로 전이된다 칩과 더불어 단백질칩에 대한DNA RNA . DNA

연구를 하게 된 이유는 유전자가 가지고 있는 유전정보가 단백질에 그대로 발현되는 경우도

있지만 많은 경우는 단백질이 합성되고 난 후에 전사후 수식(posttranslational

과정을 거쳐서 단백질의 구조변화가 나타나기 때문에 결국은 단백질 수준에modification)

서 비교할 필요가 대두되었기 때문이다 단백질칩은 수십에서 수백 종류의 서로 다른 단백.

질이나 리간드 등을 고체 금속 유리등 표면에 마이크로어레이시키고 이것들과 특이하게 상( , )

호 작용하는 생체분자의 존재 기능 및 역할을 여러 가지 분석방법 형광분석기 질량, ( , SPR,

분석기 등 을 이용하여 대량 으로 신속하게 분석하는 장치이다 이러한) (High Throughput) .

단백질칩은 생명공학 보건 및 의료분야에서의 주된 과제를 연구하는 데 있어서 중요한 역,

할을 할 것으로 기대되고 있다.

- 43 -

단백질칩 표면에 단백질을 고정화시키는 기술은 크게 가지로 나누는데 가장 많이 사용되3 ,

고 있는 방법이 를 이용하는 것이다 보편적으로 아민결합CMD(carboxy methyl dextran) .

이 이용되고 산성을 띠는 단백질이나 등을 결합시키기 위해 결합이나DNA thiol avidinbiotin

결합도 이용된다 두번째로 결합하기 쉽도록 표면을 변화시키는 방법인데 친수성 소수성. , ,

이온교환용 금속결합용 표면 등으로 처리한다 세번째로는 불특정 다수의 단백질을 결합시, .

키는 방법으로 이나 을 예로 들 수 있다polysine calix crown .

칩에 결합하는 단백질을 분석하는 시스템은 현재 앞에서 설명한 표면자기공명 과(SPR)

등의 가SELDI-TOF(Surface Enhanced Laser Desorption/Ionization-Time of Flight) 2

지 기술이 주로 이용되고 있다 복사선의 광물리학적인 특성을 이용한 에 대해서는 앞. SPR

에서 언급하였고 분석에 비해 칩에 결합한 단백질을 직접 분석할 수 있는 장점을 가지SPR

고 있는 에 대해서 간단히 알아보면 다음과 같다 그림 먼저SELDI-TOF (< 2-13>).

란 의 를 일컫는 것으로 특수한 크로마토SELDI-TOF-MS SELDI-TOF Mas Spectrometry ,

그래피의 표면처리를 한 단백질칩의 어레이 위에서 직접 조추출물 혹은 시료 혼합물의 단백

질을 모아서 정제과정을 거친 후 표적단백질을 레이저에 의해 검출하는 기술이다, .

의 장점으로는 유전자의 대량발현 이나 클로닝 및 다른 정SELDI (over-expression) (cloning)

제단계를 거치지 않고 시료를 직접 분리 검출 분석까지 가능하다는 것이고 세포 세포분해, , ,

액 혈장 세포 혼합 등에도 적용이 가능하다 분석에 의해 확인된 표적단백질의 특성이 칩, , .

어레이 위에서 직접 가능하며 검출범위는 이고 검출한계는 이고 시료의1~250kDa 1fmole

용량은 0.5-500μ 으로 분내에 결과를 얻을 수 있다 이 기술을 이용한l 10 . Ciphergen

사의 단백질칩이 많이 이용되고 있다 그림Biosystems (< 2-14>).

- 44 -

그림 원리< 2-13> SELDI-TOF

그림 단백질칩< 2-14> (Ciphergen Biosystems)

- 45 -

현재 단백질칩의 개발에 참여하고 있는 주요기업들로는 Ciphergen Biosystems, Zyomix,

사 등이 대표적인 회사들이다 캘리포니아주 프리먼트에 있는Phylos, Large Scale Biology .

사에서는 혈액시료에 있는 모든 단백질을 분석기술개발에 집중하고Ciphergen Biosystems

있고 캘리포니아주 헤이워드 에 있는 사는 이른 바 모든 단백질을 구별, (Hayward) Zyomyx

해 낼 수 있는 대량처리용 단백질칩을 연구 중이다.

다 랩온어칩( ) (Lab-on-a-chip)

최근 바이오센서 기술과 전자공학 기술을 접목시키기 위하여 반도체 기술을 이용한,

기술에 대해서 많은 연구가 이루어Bio-MEMS(BIO Micro Electro Mechanical Systems)

지고 있다 주로 미국과 유럽에서 연구되고 있는 기술은 실리콘이나 수정 유리. Bio-MEMS ,

등을 가공해 초고밀도 집적회로와 머리카락 절반 두께의 초소형 기어 손톱 크기의 하드디,

스크 등과 같은 초미세 기계구조물을 만들어 인체에 삽입함으로써 암을 제거하는 용도의 로

봇으로 사용할 수 있다.

기술은 여러 가지 센서를 회로와 함께 하나의 칩으로 통합하여 초소형 고감도Bio-MEMS ,

를 달성하는 데 그 목적을 두고 있는 것으로 랩온어칩이나 μ-TAS(Micro-Total Analysis

형태로 유리 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 크기의 칩위에 분석에 필요한System) , , ㎠

여러 가지 장치들을 마이크로머시닝 기술을 이용하여 집적시킨 것을 말한다.

- 46 -

그림< 2-15> Protein Profiling Biochip(Zyomyx)

랩온어칩이 연구되어 온 배경을 보면 나 혹은 단백질을 세포로부터 추출하고 처, DNA RNA

리하는 전처리과정이 복잡하여 심각한 수준의 오차를 일으킬 수 있기 때문에 이와 같은 복,

잡한 전처리과정을 자동화하고 소형화하여 하나의 칩 위에서 모든 정제 증폭 과정들이 이,

루어질 수 있게 만든 것이 랩온어칩 개념으로 발전되어 온 것이다 그림(< 2-16>).

이 기술은 제약 산업의 신약탐색 분야에의 이용뿐만 아니라 의료 진단장비 가정이나 병상,

에서의 건강 검진기기 화학이나 생물공정 모니터링 휴대 가능한 환경오염물질 분석기기, , ,

화생방용 무인 화학 생물 작용제 탐지 식별 장치 등의 다양한 분야에 응용될 수 있는 핵심/ /

기술로 보고 많은 연구가 진행되고 있다.

나 국내 연구개발 동향.

국내 바이오센서 개발은 외국에 비하면 아직 원천기술의 확보라는 차원에서 많이 뒤쳐져 있

다고 할 수 있다 현재 바이오센서 개발은 미국 유럽 일본 등의 선진국이 각종 기술을 독. , ,

점하고 있으며 국내에서는 그런 기술을 주로 수입하는 단계에 있다.

- 47 -

그림< 2-16> Lab-on-Chip : Chemical Microprocessor

과거에는 외국에서 만든 센서를 그대로 가지고 와서 판매하거나 그 기술을 이용한 제품을

만들어 사용하였지만 최근 들어 국내의 기업체나 연구기관 등에서 자체 개발한 센서를 시판

하면서 그 연구가 더 활발해 지고 있는 실정이다 국내 바이오센서에 연구개발은 꾸준히 성.

장하고 있으며 그에 따른 센서 시장도 커지고 있어 전망이 매우 밝다고 할 수 있다.

- 48 -

의료용 센서(1)

국내 바이오센서 개발업체들이 관심을 가지고 있는 분야는 의료용 바이오센서이다 그 중.

가장 많은 부분을 차지하는 것은 혈당 측정기인데 올메디쿠스사의 글루코닥터 는 순수, 『 』

한 국내 기술로 만든 혈당측정기이다 그림 대부분의 의료기기업체에서 일본 독일(< 2-17>). ,

등에서 만든 옴니테스트 등을 수입해 판매하고 있기 때문에Super Gluco Card II ,『 』 『 』

글루코닥터 의 개발은 많은 관심을 모으고 있다 지난 년간의 연구로 개발된 이 혈당측. 4『 』

정기는 순도 의 순금 박막을 사용하여 기존의 탄소나 팔라듐으로 만든 전극에 비해99.9%

정확성이 매우 뛰어나다 측정시간은 초로 매우 빠르며 가격도 수입품보다 싸며 극소량. 11 (4

μ 의 혈액으로도 정확한 측정이 가능해 외국 상품과 비교해도 손색이 없는 것으로 알려져l)

있다.

그림 글루코닥터< 2-17> (GlucoDr)

- 49 -

그림 무채혈 혈당측정기< 2-18> BIOCHEC

주 바이오첵에서는 무채혈 혈당측정기를 개발하였는데 마치 글루코워치같이 생긴 이 측정( ) ,

기는 전기 삼투압을 이용하여 추출한 체액에서 글루코스의 값을 산출해 내는 원리로 되어있

다 이 측정기는 개의 센서로 시간 사용이 가능하며 분 간격으로 자동으로 혈당을 측. 1 12 20

정해 준다 위험 혈당농도 측정 시 알람기능이 내장되어 있으며 시계형이라서 시간 장소에. ,

구애받지 않아서 매우 편하다.

면역분석 센서(2)

면역분석법을 이용한 진단시약 등은 아직 대부분 수입에 의존하고 있으나 국내 벤처기업이

나 대학 등에서 기술개발을 위한 노력이 꾸준히 증대되고 있다 신진메딕스의 진단시약개발.

연구소에서는 국내 최초로 종의 방사면역 진단시약을 국산화16 (RIA: Radio-immunoassay)

하는 데 성공하였으며 효소면역 진단시약 종의 국산화개발, (EIA: Enzyme-immunoassay) 4

이 완료되어 국내 시장에 공급중이다 그 외 녹십자의 목암생명공학연구소에서는. HBV

나 진단시약을 국내 최초 유행성출혈열백신은 세계최초로 개발하였다DNA Probe kit AIDS , .

- 50 -

동아제약에서는 및 을 분안에 동시에 검출하는 진단키트를 국내 기HIV 1 Type 2 Type 5

술로 개발에 성공 발매를 시작하였는데 이 제품은 기존의 방법을 이용한 진단시약, , ELISA

에 비해 감도와 특이성이 뒤지지 않아서 많이 이용할 것이라고 여겨진다 제니스라이프사이.

언스사에서는 제니스래피드티비라는 결핵균을 검사하는 키트를 개발하였는데 민감도와 특,

이도가 높은 결핵균 항원을 선정하여 최적의 배합비를 선정하여 제조하였기 때문에 높은 민

감도와 특이도를 나타내는 것으로 알려져 있다 그림 검사시간도 분으로 매우(< 2-19>). 15

짧으며 기존의 결핵균 항체진단시약과는 달리 발색제 등의 시약이 필요 없으므로 사용법이

매우 쉬운 것을 특징으로 하고 있다.

주 다이아칩은 질병 자동진단용 단백질칩을 개발하는 회사로서 단백질과 단백질의 반응을( )

활용해 수십가지 질병을 간편하고 빠른 시간 안에 진단할 수 있는 바이오칩의 개발에 주력

하고 있다 이 회사는 에이즈 간염 유행성출혈열 등 가지 바이러스를 동시에 검출하는 진. , , 6

단시약을 만드는 것이 목표이다 이미 기술개발은 마친 상태라고 하는데 이 진단시약이 실. ,

제 사용 가능해진다면 한 사람의 혈액으로 수십가지 질환의 동시진단이 가능하게 될 것이

다 현재 다이아칩은 간염 형과 형 바이러스 및 에이즈 바이러스 항체 동시진단시. B C (HIV)

약을 개발하여 상품화중에 있다.

그림 제니스 래피드 티비< 2-19>

- 51 -

암진단 센서(3)

암을 조기에 발견할 수 있는 진단용 센서에 대한 연구개발도 꾸준히 진행되고 있다 혈액.

한 방울로 지름이 정도인 초기 간암까지도 간단히 찾아낼 수 있는 유전자 진단시약이2cm

세계 최초로 카톨릭대 강남 성모병원 산부인과 김진우교수팀에 의해 개발되었는데 새로운,

발암 유전자인 을 활용하여 정확도가 이상인 간암진단시약을 개발하였다 유‘HCCR-1’ 90% .

전자 분석으로 암을 진단하게 된 것은 이것이 세계 최초이며 이는 정밀 검증과 허가를 거쳐

새로운 간암 진단시약으로 시판될 계획이다 강원도 춘천시 생물산업 벤처기업지원센터에.

입주한 바디텍 주 이 국내 처음으로 대장암 전립선암 등 종의 암을 간단하게 진단할 수( ) , 3

있는 진단키트에 대한 식품의약품안전청의 품목허가를 받았다 사용법은 시판되고 있는 임.

신 진단키트와 동일하게 손끝에서 주사기로 피 한 방울을 뽑아 진단 키트에 올려놓고 분10

뒤 붉은색의 줄이 하나가 나타나면 음성이고 두 줄이 나타나면 양성으로 판독된다, .

기타 진단용 센서(4)

- 52 -

주 에스디에서는 마약 복용 여부를 간단히 진단 할 수 있는 시약을 개발하였는데 히로뽕과( )

대마초 코카인 모르핀 암페타민 등 종류의 마약 복용 여부를 진단할 수 있다고 한다 우, , , 5 .

리나라는 마약 진단시약을 전량 미국 영국에서 수입하고 있는 실정이므로 시장전망이 매우,

밝은 것으로 예상된다 상품명은 바이오 라인 으로 플라스틱 케이스에 소변을 떨어뜨려. 『 』

양성 음성을 판정할 수 있게 만들어져 있다, .

동아제약에서는 자체 개발한 매독 검사시약 동아 시필리스 가 국산 신기술 인정마크를『 』

획득함으로써 감염 초기에 감염여부 검사 매독 환자치료 모니터링 등의 기존 시약을 대체,

할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

의료용 분석기기 전문기업인 메디켐스에서는 위염ㆍ위궤양 원인균으로 알려진 헬리코박터

파일로리균을 진단하는 시약 헬리파인더 를 개발하였다 캡슐형으로 개발된 이 제품은.『 』

제품중의 유효성분이 위속의 헬리코박터 파일로리균과 만나면 암모니아와 이산화탄소로 분

해되는데 약 분 후에 호흡으로 배출된 이산화탄소에 들어있는 동위원소를 분석기기로 분, 15

석해 감염여부를 판단하는 원리로 만들어졌다 기존의 수입제품에 비해 절반의 용량으로 헬.

리코박터균 진단이 가능해 결과적으로 가격을 절반으로 낮췄으며 분말 형태가 아니라 캡슐

형으로 바꿔 편의성을 높였다 메디켐스는 안정성 유효성 심사를 통과하고 조건부 제조품. ,

목허가를 받았으며 국내 임상시험을 거쳐 내년 초 판매를 시작할 예정이다 무엇보다도 가, .

격이 수입품의 절반이라서 그 시장이 커질 것으로 예상하고 있다.

또한 동남메티칼사에서 판매하고 있는 흡연 진단시약인 는 한국생명공, Smoking Check『 』

학연구원 과의 년에 걸친 노력으로 개발된 국내 최초의 제품이다 이 제품은 기존(KRIBB) 2 .

의 수입품인 보다 정확도가 뛰어 나고 쉬운 조작으로 간단하게 흡연 여부를NicCheck『 』

알 수 있는 것으로 알려져 있다 흡연자의 소변 중에 들어있는 니코틴 분해산물의 중의 하.

나인 코티닌을 정성적으로 검사하여 흡연 여부를 판단하게 되어 있다.

- 53 -

바이오칩 센서(5)

가 칩( ) DNA

인간 게놈 연구에 사용했던 만개를 미국에서 복제화와 곧바로 응용할 수 있다는 발DNA 1

표가 나온 이후 국내에서도 단백질칩을 이용한 질병진단에 대한 연구가 가속화되고, DNA,

있다 현재 국내 바이오벤처기업은 약 개중 가 인간게놈 관련 연구를 하고 있고. 350 3~5% ,

이들 중 상당수는 단기매출이 가능한 칩과 단백질칩을 이용한 질병진단과 예방에 관련DNA

된 제품개발에 집중되고 있는 것으로 분석되고 있다.

연구 사례를 살펴보면 경북대는 최근 한국인 모발에서 찾아낸 유전자 천개를 올려놓는, 3

칩을 개발했고 과학기술원의 과학기술연구센터는 칩과 판독기를 바이오메드랩은DNA , DNA ,

자궁경부암 진단용 칩을 개발하고 있다 한국인을 대상으로 만개의 기능성 유전자DNA . 10

해독을 추진하고 있는 마크로젠은 한국 일본 중국 몽골을 연결하는 대규모 컨소시엄을 통, , ,

해 칩 개발의 기초가 되는 몽골리안 지놈 프로젝트를 추진하고 있다DNA .

그리고 굿젠은 전남대병원과 순천향병원 등의 개 병원과 임상을 진행 자궁경부암 바이러3 ,

스 감염 여부와 암을 진단하는 멀티플렉스올리고 칩의 안전성 및 유효성 입증작업을DNA

하고 있고 디지털지노믹스도는 하나의 칩으로 두 번의 분석 작업을 실시할 수 있는 고밀도,

칩인 트윈칩 을 제작하고 있는 것으로 알려져 있다cDAN .『 』

- 54 -

나 단백질칩( )

단백질칩은 효소나 항체 항원 등과 같은 단백질이 이용한 것으로서 칩과 함께 생명공, , DNA

학분야의 차세대 핵심기술의 하나로 알려져 있다 단백질을 이용하기 때문에 여러 가지 문.

제점도 많지만 실용화를 위한 연구개발이 산학연에서 활발히 진행되고 있다.

서울대 유전공학연구소 김선영교수팀이 국내에서 처음으로 단백질칩을 이용한 자동 진단시

스템을 개발하였다 이 기술은 기존의 면역분석법과 바이오칩 기술을 접목시킨 새로운 유전.

공학기술이라고 할 수 있는데 항원 혹은 항체 단백질을 유리로 된 슬라이드칩, ( )

에 심어 혈액의 항체 혹은 항원 단백질을 감지하도록 만들어졌다 이 단백(7.5cm×2.5cm) ( ) .

질칩은 칩과 달리 기존의 효소면역분석법에서 사용되는 항원DNA ㆍ항체를 그대로 이용할

수 있다는 것이다 또한 진단시간은 줄이고 샘플처리 능력은 배 이상 높였다고 한다. 40 .

최근 형광물질을 이용한 단백질 분석기술이 발표되어서 많은 관심을 끌고 있는데 이 형광, ,

물질을 단백질에 부착시키는 것이 매우 어려워 실용화의 관건으로 되어 있다 형광물질을.

단백질에 부착하지 않고 한번에 최대 개의 단백질을 대량으로 분석할 수 있는 분석기1,200

술을 강원대 하권수교수팀 기초과학지원연구원 프로테오젠 등이 함께 개발하였다 수백개, , .

의 단백질 스폿을 초고속으로 분석하는 스폿스캐닝 방법과 단백질칩 전체를 픽셀화해 이미

지를 얻어 분석하는 이미징방법 등을 이용하여 단백질칩을 분석하는 것으로 알려져 있다.

- 55 -

다 비교분석.

효율적인 바이오센서를 만들기 위해서는 먼저 어떤 표적물질을 검지할 것인가에 대한 정보

를 가져야 한다 혈당센서와 같이 감지하고자 하는 물질이 글루코스로 확실히 정해져 있는.

경우나 특정 화합물로 이루어진 환경호르몬 등과 같이 표적물질이 명확할 때는 별로 문제가

없지만 국내에서 바이오센서를 개발하려고 하는 연구자들이 부닥치는 첫 번째 문제는 무엇

을 표적물질로 할 것인가에 있다 예를 들어 암진단용 센서를 개발하려고 할 때 먼저 어떤.

암을 진단할 지에 대한 결정을 내려야 하고 그 다음에는 특정암과 관련해서 정상일 때와,

차이나는 표적물질에 대한 연구를 해야 한다 물론 내시경이나 조직검사를 통하여 암을 발.

견할 수는 있으나 암에 걸렸을 때 혈액 및 소변으로부터 암에 걸렸을 때와 정상일 때와 다

르게 나타나는 어떤 지표물질을 찾아내기란 매우 어렵다 이와 같이 감지하고자하는 표적물.

질을 찾아내는 기술력에서 우리나라와 선진국과는 큰 격차이를 보이고 있다 선진국에서는.

그동안 축적되어온 노하우와 막대한 자금력 그리고 거대기업들이 독자적으로 구축하고 바이

오인포매틱스에 대한 정보수집 측면에서 우리보다는 훨씬 앞서나간다고 볼 수 있다 이러한.

차이는 바로 센서의 개발능력에 영향을 미치게 된다.

감지하고자 하는 표적물질이 선택되고 나면 그 다음은 그 표적물질을 감지하기 위해서 어,

떤 센서매트릭스를 사용할 것인지를 결정하여야 한다 효소를 이용하는 촉매성 센서매트릭.

스를 사용할지 아니면 항체 항원 반응을 이용하는 결합성 센서매트릭스를 사용할 지에 대-

한 결정을 내려야 한다 칩과 같은 경우는 탐침 를 어떤식으로 고체기질 위에 고. DNA DNA

정화시킬 것인가를 정해야 한다.

- 56 -

이러한 센서 매트릭스의 구성은 어떤 식으로 신호를 발생시켜서 감지할 것인지와 더불어서

생각해야 하기 때문에 쉽지가 않다 현재 센서매트릭스를 구성하는 방법이나 신호발생 방법.

과 같은 원천적인 기술에서 아직도 국내의 개발능력은 선진국과는 많은 차이가 난다고 볼

수 있다 칩만 보더라도 모토롤라사 등과 같은 기업들이. DNA Affymetrix, Nanogen, CMS-

지니고 있는 센서칩 제조기술을 피해나갈 수 있기란 매우 힘든 실정이다 국내에서 연구가.

되고 있는 칩 관련분야에서는 대부분 칩 제조방식은 도입하고 한국인의 특성에 맞는DNA

질병을 찾아내는 데 주력하고 있는 실정이다.

따라서 현재 국제경쟁력이 상당한 열세에 있는 칩보다는 우리나라가 어느 정도 국제경DNA

쟁력을 가지고 있고 세계 기술을 선도하고 있는 특정분야의 및 분야를 접목시켜 아IT NT

직 선진국에서도 개발중인 단백질칩이나 분야에 집중하는 것이 비교우의가lab-on-a-chip

있을 것으로 판단된다.

전 망3.

현재 바이오센서의 시장은 혈당센서가 약 이상을 차지하고 있으므로 혈당센서에 대한80%

연구는 지금까지 개발된 혈당센서가 가지는 단점이 완전히 극복될 때까지는 많은 노력이 있

어야 할 것으로 보인다 혈당센서에서 사용되는 신호 전환방식인 전기화학적 방식과 빛을.

이용한 광도법은 큰 변화가 없을 것으로 예측되나 혈액을 직접 채혈해서 측정하는 채혈법과

조직에서 혈당을 측정하는 무채혈 방식을 놓고 수많은 센서 개발업체 및 연구자들이 경쟁을

할 것으로 전망된다.

- 57 -

현재 채혈식으로 나온 것 중에서는 테라센서사가 개발한 이 가장 적은 마이FreeStyle 0.3

크로리터의 혈액만으로 검사가 가능한 것으로 발표되어서 채혈시 고통이 거의 없는 것으로

보고되고 있다 무채혈 방식의 대표적인 것은 시그너스사에서 만든 로 지금. Glucowatch『 』

까지의 혈당센서 중 가장 편리하게 당뇨병환자들이 사용할 수 있는 센서 모델이다 시계처.

럼 차고 연속적으로 잴 수 있기 때문에 많은 장점을 지니고 있으나 아직까지 채혈식으로 재

는 것에 비해서는 정확도가 떨어지고 조직액을 사용하기 때문에 땀이 많이 날 때나 수영,

목욕 후에는 측정이 어렵고 예민한 피부를 지닌 사람은 가끔 부작용이 나는 단점이 있다.

결국 채혈식이던 무채혈식이던 사용하는 환자가 통증이 없고 정확하며 연속적으로 잴 수 있

는 혈당기가 나와야 할 것으로 사료된다 앞으로는 혈당기와 더불어 인슐린 펌프도 같이 내.

장되어 있는 혈당기가 개발될 것으로 사료된다.

항체 항원 반응을 이용한 면역센서의 개발은 항원 항체 그 자체의 개발보다는 항원 및 항- -

체를 어떻게 센서 위에 배열하고 신호전환기와 어떻게 연결시켜야 센서의 효율이 극대화 될

것인가에 많은 노력을 기울이고 있다 최근의 발표에 따르면 항체를 제대로 배열하는 것만.

으로도 감도를 약 배 정도는 증가시킬 수 있는 것으로 나타났기 때문에 나노테크놀로지10

를 이용한 항체의 고정화 및 최적화된 배열에 많은 연구가 이루어지고 있다 이러한 노력과.

더불어 감지방법에 관해서도 최근에는 캔티레버 수정 진동자 과 같은 다, , Surface Plasmon

양한 방법들이 연구되고 있고 앞으로 이러한 방법을 이용한 초저농도 센서개발이 이루어질

것으로 전망된다.

- 58 -

바이오칩에 대한 연구는 기존의 칩과 더불어 단백질칩에 대한 연구가 증폭될 것으로DNA

판단된다 유전정보가 에서 시작되지만 단백질이 만들어지고 난 후에도 단백질의 기능. DNA

이 최적화되기 위해 많은 경우 구조의 변화를 가져오기 때문에 단백질 수준에서 비교하는

단백질칩에 대한 경쟁이 치열할 것으로 예상된다 칩에 들어가는 형광물질인 및. DNA Cy3

가 값이 비싸기 때문에 이들을 대체할 수 있는 새로운 화합물의 개발도 필요할 것으로Cy5

사료된다 칩 및 단백질칩은 현재 시료로부터 칩에 탑재하기 위해서 여러 가지의 전처. DNA

리 과정을 거친다 이러한 전처리 과정을 칩 위에서 한꺼번에 해결하기 위해서 나온 것이.

랩온어칩 이고 현재 각국에서 치열하게 기술을 선점하기 위하여 개발에 몰(lap-on-a-chip)

두하고 있다 랩온어칩을 이용하는 최종목표중의 하나는 미래의 진료시스템이 병원이 아닌.

자가진단 쪽으로 많이 전환이 될 것이기 때문에 가정에서 랩온어칩을 이용하여 혈액을 분석

하여 데이터를 병원으로 전송하면 의사는 환자에게 맞는 치료법 또는 처방전을 가지고 약국

에 가서 약을 사는 의료 시스템에 사용되는 것이다 현재 랩온어칩상의 각 세부파트에 대한.

결과는 보고 되고 있으나 완전한 형태의 랩온어칩은 아직 개발되지 않은 상태이다 칩. DNA

과 같은 효율적인 랩온어칩은 최소한 수년은 걸릴 것으로 전망된다.

바이오센서의 적용분야가 의료용 및 임상진단에 국한되어 왔으나 최�