광학 바이오센서, mpox 바이러스를 빠르게 감지

인간 mpox의 새로운 변종은 2023년 이후 콩고 민주 공화국에서 보고된 감염자의 약 5%의 목숨을 앗아갔으며, 그 중 다수는 어린이였습니다. 그 이후로 여러 다른 국가로 퍼졌습니다. 세계보건기구는 8월 14일에 이 발병을 국제적 우려를 불러일으키는 공중보건 비상사태로 선언했습니다. 또한, 다르지만 치명적이지 않은 mpox 변종이 2022년 이후 100개국 이상으로 퍼진 발병의 원인이었습니다.

mpox의 확산을 억제하고 미래의 세계적 팬데믹 가능성에 대비하기 위해 더 빠르고 비용 효율적인 진단 도구가 절실히 필요합니다. 캘리포니아 대학교 의과대학, 보스턴 대학교의 연구원과 동료들은 이제 mpox를 유발하는 바이러스인 원숭이두창을 빠르게 감지할 수 있는 광학 바이오센서를 개발했습니다. 이 기술을 사용하면 임상의가 실험실 결과를 기다리지 않고도 치료 시점에서 질병을 진단할 수 있습니다. 이 연구는 2024년 11월 14일 Biosensors and Bioelectronics 에 게재되었습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 의대의 프로젝트 과학자이자 이 연구의 공동 수석 연구자인 파르타 레이는 임상에서 mpox 증상(발열, 통증, 발진, 병변 등)이 다른 많은 바이러스 감염 증상과 유사하다고 말합니다. "그래서 환자를 보는 것만으로는 임상의가 원숭이두창과 다른 질병을 구별하기 쉽지 않습니다."

게다가, 중합효소 연쇄 반응(PCR)은 현재 유일하게 승인된 mpox 진단 방법입니다. 비용이 많이 들고, 실험실이 필요하며, 결과를 얻는 데 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 레이는 "빠르게 퍼지는 전염병이나 팬데믹이 있을 때 치명적인 조합입니다."라고 말했습니다.

mpox에 대한 더 나은 분자 진단법을 찾는 것은 보스턴 대학교(BU)의 저명한 공학 교수이자 연구의 공동 수석 연구원인 Selim Ünlü의 연구실에서 10년 이상 진행한 연구를 바탕으로 합니다. 이 연구실은 에볼라 출혈열과 COVID-19를 유발하는 바이러스를 감지하는 광학 바이오센서를 개발했습니다. UC San Diego의 Ray 팀은 Ünlü의 연구실과 협력하여 생물학적 전문 지식과 인증된 샘플을 Ünlü의 엔지니어링 팀에 제공했습니다.

BU의 전기 및 전자 공학 박사과정 학생이자 제1 저자인 메테 아슬란이 이끈 이 연구에서는 디지털 감지 플랫폼인 픽셀 다이버시티 간섭 반사 이미징 센서(PD-IRIS)를 사용하여 바이러스를 감지했습니다.

연구자들은 실험실에서 확인된 mpox를 사용하여 UC 샌디에이고 건강의 한 환자의 병변에서 수집한 샘플을 사용했습니다. 그들은 바이러스 표면의 단백질에 결합하는 Ray의 연구실에서 제공한 단일 클론 원숭이두창 항체와 샘플을 잠시 배양했습니다. 그런 다음 바이러스-항체 복합체를 센서의 실리콘 칩 표면에 있는 작은 챔버로 옮겼고, 이 챔버는 이러한 나노입자를 고정하도록 처리되었습니다.

칩에 정확한 파장의 빨간색과 파란색 빛을 동시에 비추면 간섭이 발생하여 바이러스 항체 나노입자가 존재할 때 약간 다른 반응이 나타났습니다. 컬러 카메라를 사용하여 이 작은 신호를 감지하고 높은 감도로 개별 입자를 세었습니다.

"바이러스 입자 자체에서 나오는 산란광을 보려는 것이 아니라 칩 표면에서 반사되는 장과 섞인 산란광 장의 간섭 특성을 보는 것입니다." Ünlü가 말했습니다. 그는 이 과정을 FM 라디오에 비유하는데, FM 라디오는 정보가 담긴 약한 신호를 같은 주파수의 더 강력한 캐리어 신호와 섞고, 이는 다시 약한 신호를 증폭합니다.

과학자들은 또한 mpox와 유사한 임상적 표현을 보이는 단순포진 바이러스와 우두 바이러스 샘플을 분석했습니다. 바이오센서 분석은 mpox 샘플을 다른 바이러스와 쉽게 구별하여 분석의 특이성이 mpox를 이러한 일반적인 바이러스 질병과 구별하는 데 필수적임을 보여주었습니다.

"2분 안에 누군가가 원숭이두창에 걸렸는지 아닌지 알 수 있습니다." 레이가 말했습니다. "바이러스 샘플을 수집하는 것부터 실시간 데이터를 얻는 데 약 20분이 걸립니다."

클리닉에서 검사의 신속성으로 인해 의료 서비스 제공자는 샘플을 실험실로 보내는 것보다 훨씬 더 빠르게 mpox 사례를 진단할 수 있습니다. 이는 특히 의료 자원이 부족한 국가에서 지역 사회 확산을 늦추는 데 중요합니다. 임상의는 가능한 경우 치료를 더 빨리 시작할 수도 있습니다.

레이는 검사가 키트로 대량 생산되어 병원에 판매되어 비용을 더욱 절감할 수 있을 것으로 예상합니다. 단일 박스 키트를 사용하여 매독이나 HIV와 같은 다양한 바이러스를 검사할 수 있습니다.

"칩은 똑같을 겁니다." 레이가 말했다. "여기서 유일하게 다를 것은 특정 바이러스에 특이적인 결합 항체입니다."

Ray와 Ünlü는 콩고 민주 공화국에서 신속한 mpox 검사에 대한 시급한 필요성을 해결할 뿐만 아니라 발병이 팬데믹으로 변하지 않도록 하기 위해 상용화라는 목표를 향해 함께 노력하고 있습니다. 그러나 연구자들은 미래의 위협에 대처하는 진단에 대한 시장이 거의 없기 때문에 이러한 노력에는 정부 지원이 필요하다고 말합니다.

레이는 "우리가 지금 당장 이 특정 전염병을 관리하지 않으면 아프리카에 국한되지 않을 것"이라고 말했습니다.

이 연구에 공동으로 참여한 사람은 다음과 같습니다: Howard Brickner, Alex E. Clark, Aaron F. Carlin(UC San Diego), Elif Seymour(iRiS Kinetics, Boston University Business Incubation Center), Michael B. Townsend, Panayampalli S. Satheshkumar(CDC), Iris Celebi(Boston University), Megan Riley(axiVEND).

이 연구는 미국 국립보건원 산하 국립알레르기 및 감염병 연구소(P30 AI036214)와 미국 국립과학재단(NSF-TT PFI 2329817)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241114161042.htm