마이크로칩, 혈액을 이용해 폐암 10배 더 빠르게 진단
한때 세포에서 청소를 위해 배출되는 쓰레기로 여겨졌지만, 연구자들은 지난 10년 동안 엑소좀이 세포 간 통신에 귀중한 단백질이나 DNA 및 RNA 단편을 포함하는 작은 소포라는 것을 발견했다.
건강한 세포 엑소좀은 신체 전체로 중요한 신호를 전달하지만, 암세포 엑소좀은 종양 세포가 도착하기 전에 조직이 종양 세포를 수용하도록 준비함으로써 종양이 퍼지는 데 도움이 될 수 있다.
"종양 미세 환경을 떠나는 암 엑소좀은 밖으로 나가 토양을 준비한다. 나중에 암세포 씨앗이 종양에서 떨어져 나와 혈류를 통해 조절된 토양에 심어지고 자라기 시작한다."라고 미시간 대학교의 화학 및 생물의학 공학 교수이자 저널 Matter에 실린 이 연구의 공동 책임 저자인 수니타 나그라트가 말한다.
엑소좀은 소포 내부와 외부 표면 모두에 단백질을 운반합니다. 많은 생물학적 분자와 마찬가지로 이러한 표면 단백질은 키랄한다. 즉, 오른쪽 또는 왼쪽으로 꼬여 있어 독특한 방식으로 빛과 상호 작용한다.
암 엑소좀에서 표면 단백질은 종종 돌연변이가 발생하여 유전적 변화로 인해 단백질을 구성하는 분자의 순서가 변경된다. 돌연변이는 단백질의 모양을 미묘하게 변경하여 키랄성도 바꾼다.
이러한 차이점은 꼬인 빛 또는 원형 편광 빛과의 상호 작용을 통해 발견할 수 있으며, 이는 단백질의 꼬임과 일치할 수 있다. 공명은 광 검출기로 반환되는 강력한 신호를 생성한다. 그러나 이러한 광 시그니처는 일반적으로 약하고 해석하기 어렵다. 게다가 이러한 종류의 검출을 하려면 혈액 샘플에서 엑소좀을 추출해야 한다. 엑소좀은 크기가 30~200나노미터(1밀리미터의 백만분의 1)에 불과하기 때문에 까다롭다.
연구팀은 이를 발견하기 위해 꼬인 디스크 모양의 금 나노입자(2022년 네이쳐 연구에서 처음 설명된 구조에서 수정)를 설계하여 중앙 공동에서 엑소좀을 포착했다. 크기, 모양, 표면 화학이 거의 완벽하게 일치하기 때문에 이러한 공동은 엑소좀을 안정적으로 포착한다.
오른쪽으로 꼬인 경우 오른쪽으로 꼬인 빛과 강하게 공명하지만 들어오는 빛이 왼쪽으로 꼬인 경우 많은 신호를 보내지 않는다. 꼬인 빛에 대한 이러한 다른 반응을 원형 이색성이라고 한다. 공동에 가라앉은 포착된 엑소좀의 단백질은 모양에 따라 반환 신호의 강도를 강화하거나 감소시킬 수 있다. 미세유체 칩의 작은 채널을 따라 박힌 금 공동은 혈장에서 엑소좀을 포착하여 건강한 연구 참가자와 폐암 환자의 샘플 간에 뚜렷한 특징을 보여주었다.
"나노 입자의 광학적 활동이 단백질의 돌연변이에 따라 달라질 것으로 예상했지만, 얼마나 민감한지 깜짝 놀랐다. 이는 나노 입자가 모두 검출 장치에서 같은 방향으로 배향되어 있기 때문이다."라고 화학 과학 및 공학 교수이자 연구의 공동 책임 저자인 니콜라스 코토프(Nicholas Kotov)가 말했다.
CDEXO 칩이라는 이름의 미세유체 칩은 엑소좀(EXOsome)의 원형 이색성 검출을 의미하며, 특정 폐암 돌연변이를 구별하여 의사가 우세한 돌연변이가 변화함에 따라 해당 돌연변이를 표적으로 삼아 치료 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있다.
연구자들은 CDEXO 칩이 먼저 기존 진단 방법과 함께 사용될 것으로 예상한다. 기술에 대한 신뢰가 커짐에 따라 이 칩은 다른 암을 선별하여 조기 발견을 개선하는 데 사용될 수 있다.
"다음 단계로, 우리는 대부분의 알려진 고형 종양 돌연변이 단백질을 살펴보고 스펙트럼 시그니처가 어떻게 다른지 이해하고자 한다. 여기에서 우리는 기술을 더욱 발전시켜 단백질을 구별하기 위해 스펙트럼 차이를 더욱 증가시킬 수 있다."라고 나그라트가 말했다.
출처: University of Michigan