방석호 교수 공동연구팀, 종양 선택적 자가보고 하이드로젤 센서 개발

- 미네랄화 전도성 하이드로젤 센서 기반 종양 검출 및 제거 기술

- 종양세포 특이적 감지 및 전자제어를 통한 무선 모니터링 구현

▲ (왼쪽부터) 방석호 교수(교신저자), 박성영 교수(교신저자, 한국교통대), 이동현 박사과정생(공동1저자), Kaustuv Roy(공동1저자, 한국교통대)

화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀이 한국교통대학교 화공생물공학전공 박성영 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 활성산소에 반응하여 점성, 점착성 및 신축성이 변화하는 미네랄화 전도성 하이드로젤 센서를 개발하였다.

암을 조기에 발견하면 점진적인 암 관리가 가능해 낮은 위험과 비용으로 치료가 가능하다고 알려져 있다. 하지만, 기존 면역 센서 및 면역 분석과 같은 종양 마커를 기반으로 하는 기존의 암 세포 진단 기술은 정교한 기술을 사용하는 임상 실험실에서 측정이 수행되기 때문에 일반적으로 사용되기에 쉽지 않으며, 체액 수집과 결과 기록 사이에 적지 않은 시간이 소요된다. 따라서, 전문지식이나 특별한 지식 없이도 신속하고 구체적인 결과를 얻을 수 있는 방법에 대한 연구가 진행되었다.

기존 암 자가보고 센서는 색상 및 sol-gel 전이의 변화, 모양 및 신축성의 변화 등 물리적 변화 감지 방법을 사용하였다. 그러나, 현재의 감지 방법인 표면 증강 라만 산란(SERS), 표면 플라즈몬 공명(SPR) 및 광 음파(PA) 이미징 기반 감지는 신호 수집 시간이 오래 걸리며, 특수한 장비가 필요하다는 문제점이 있다. 따라서, 현재의 감지 기술이 직면한 문제를 해결하면서 쉬운 암 진단을 가능하게 하는 자가보고 플랫폼이 필요하였다.

연구팀은 암 선택적 점성, 접착력, 신축성, 전도성, 형광 및 광열 전환 특성을 가진 ROS 반응성 미네랄화 전도성 하이드로겔(M-hydrogel) 센서를 개발하였다. 이 센서는 높은 활성산소를 함유한 종양 미세 환경 속에서 다이설파이드 결합을 파괴하여 암 선택성을 제공한다. 활성산소에 의한 탄화 폴리 도파민의 방출은 하이드로겔의 수소 결합 수를 늘리고, 이는 자기 인식 가능한 M-hydrogel 센서의 다공성 구조의 활성화로 이어진다. 위와 같은 특성은, M-Hydrogel은 무선 감지 장치와 함께 사용되어 종양 보유 마우스에서 하이드로겔의 감지 기능을 모니터링할 수 있으며 스마트폰을 사용하여 현장 및 현장 외 감지 데이터를 수집할 있다.

[그림1] 스마트폰을 이용한 모니터링이 가능한 하이드로젤 기반 감지 시스템

연구팀이 개발한 M-Hydrogel은 암세포가 이식된 마우스에 이식된 후 무선 감지 시스템을 이용한 우수한 상태 감지 능력을 보여 주었으며, 광열 치료와 연계 하였을 때, 종양 사멸 관련 인자인 p53 및 BAX를 상향 조절하고 종양 세포 제거를 유도하여 종양 크기를 감소시키는 것으로 확인됐다.

[그림2] 마우스 내 광열효과에 대한 도식

방석호 교수와 박성영 교수는 “후속 연구를 통해 임상적 적용이 가능하도록 종양에 대한 신속 검출을 위한 실제 응용 가능성을 확인할 예정이다.”라고 설명했다.

해당 연구 결과는 화학공학분야 국제학술지인 어드밴스트 펑셔널 머티리얼스 저널(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)에 1월 29일 온라인 게재되었다.

※ 논문제목: A Self-Reporting Mineralized Conductive Hydrogel Sensor with Cancer-Selective Viscosity, Adhesiveness, and Stretchability

※ 저널: Advanced Functional Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202212977