사람의 호흡 가스 성분으로 폐암 발병 여부 진단한다

김우정 / 기사승인 : 2021-12-02 07:17:11
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부산대 연구팀, 휴대용 전자코 시스템 개발
▲ 권상모, 김윤성, 오진우, 장철훈 교수 (사진= 부산대학교 제공)

[메디컬투데이=김우정 기자] 사람의 호흡 가스 성분만으로 폐암 발병 여부를 진단해내는 휴대용 나노-바이오 전자코 시스템이 개발됐다.


부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과 오진우 교수팀과 의과대학 의학과 장철훈 교수팀, 융합의과학과 권상모 교수팀, 의학과 김윤성 교수팀이 공동연구를 통해 포집된 호흡가스를 실시간으로 분석해 폐암을 진단하는 나노-바이오 전자코 시스템을 만들어냈다고 1일 밝혔다.

호흡에 기반한 질병 진단은 비침습으로 이뤄져 진단과정에 대한 수검자의 거부감이 거의 없고 비접촉 검사가 가능해 대규모 모니터링에 적합하기 때문에 호흡기 질환 대유행 상황 코로나19에서 특히 주목받고 있다.

질병이 있는 경우 대사과정에 영향을 주어 호흡 성분에 변화가 있음이 호흡에 대한 초정밀 질량분석 연구를 통해 증명됐는데, 특히 냄새에 기반해 물질을 검출하는 ‘전자코’가 가장 적합한 것으로 알려져 있으며, 관련 연구가 활발하게 진행 중이다.

부산대 연구팀은 동물의 후각 인지 기능의 해부학적인 형태(교차반응성 다중 수용체 사용)를 모방한 기존 전자코를 넘어 인지 과정에서 신경망이 동작하는 원리를 적용하는 것이 필요하다는 가설을 세우고, M13 박테리오파지를 유전공학 방법으로 DNA를 조작해 그에 상응하는 화학 특성을 탑재했다.

연구팀은 자연에 존재하는 20종의 아미노산이 각각 발현돼 자연의 모든 반응성을 대표하도록 설계된 20종의 M13 박테리오파지를 유전자 조작 기법을 사용해 개발했다.

자기 조립 기술을 이용해 M13 박테리오파지 색 필름을 제작했으며, 기초 VOCs에 대한 반응성이 실험적으로 측정됐다. VOCs에 대한 계층 분석을 통해 나노-바이오 전자코가 구별 능력이 뛰어남을 확인했다.

1차적으로 바이오-나노 전자코에 이미지 처리에 사용되는 딥러닝을 적용해 정상인 31명, 폐암환자 31명의 호흡 가스를 분석했을 때 75% 이상 성공적으로 진단함을 확인했다.

최종적으로는 인지 과정에는 감지 기관을 통해 수없이 많은 정보들이 들어와 이 정보를 효과적 효율적으로 처리하기 위해 동물의 신경망은 이를 선택적으로 받아 처리 과정에 사용하는 패턴분리를 적용해 바이오-나노 전자코에서 발생한 신호를 분석했으며, 페암환자와 정상인의 호흡을 유의미하게 분리하는 수용체 조합을 탐색해 이를 학습하고 분류에 적용해 86% 이상 분류 성공률을 높였다.

이번 연구를 통해 개발한 유전자 조작된 M13파지 기반 나노-바이오 전자코 및 그 개발 방법론은 페암 진단 뿐만 아니라 질병에 의해 호흡 성분에 변화가 있다고 알려진 여러 호흡기 질환, 당뇨와 같은 대사 질환 진단에 사용될 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이에 더 확장해 가스 성분 분석, 유해물질 검출, 농수산물의 원산지 판별 등 다양한 플랫폼으로 널리 적용·활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

연구를 주도한 오진우 부산대 교수는 “이번 연구가 나노- 바이오 전자코의 실용적 응용의 기틀을 마련했다”고 밝혔다.
 

또한 “전자코가 호흡 기반 진단처럼 복잡하고 복합적인 가스 분석에 적용될 수 있음을 입증했으며, 이를 바탕으로 체계적인 전자코 개발 방법론을 제시할 수 있었다”며 “실험실 수준의 검증을 넘어 실제 환자 호흡을 사용해 검증했기 때문에 현장에 바로 적용할 수 있는 시스템에 더 가까워졌다”고 평가했다.

 

메디컬투데이 김우정 (helen826@mdtoday.co.kr)

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