질병을 감지하고 진단할 수 있는 마이크로칩

빠르게 확산되는 바이러스부터 만성 질환 및 약물 내성 박테리아에 이르기까지 다양한 건강 위협과 씨름하고 있는 세계에서 빠르고 안정적이며 사용하기 쉬운 가정 진단 테스트에 대한 필요성이 그 어느 때보다 커졌습니다. 스마트워치만큼 작고 휴대성이 뛰어난 장치를 사용하여 누구나 어디서나 이러한 테스트를 수행할 수 있는 미래를 상상해 보십시오. 그러기 위해서는 공기 중의 극미량의 바이러스나 박테리아를 탐지할 수 있는 마이크로칩이 필요합니다.

이제 전기 및 컴퓨터 공학 교수 Davood Shahrjerdi를 포함한 NYU Tandon 교수진의 새로운 연구; Herman F. Mark 화학 및 생체분자 공학 교수 Elisa Riedo; 및 이전에 Mirimus에 재직했으며 화학 및 생물분자 공학 산업 부교수인 Giuseppe de Peppo는 단일 기침 또는 공기 샘플에서 여러 질병을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 대규모로 생산할 수 있는 마이크로칩을 개발하고 구축하는 것이 가능함을 보여줍니다. .

"이 연구는 바이오센싱 분야에 새로운 지평을 열었습니다. 스마트폰, 컴퓨터 및 기타 스마트 장치의 백본인 마이크로칩은 사람들이 의사소통하고, 오락하고, 일하는 방식을 변화시켰습니다. 마찬가지로 오늘날 우리의 기술은 마이크로칩이 의료에 혁명을 일으킬 수 있도록 할 것입니다. 의학적 진단부터 환경 건강까지" Riedo는 말합니다.

"이 기사에서 시연된 혁신적인 기술은 생물학적 지표를 직접 감지하여 디지털 신호로 변환하는 소형 전자 센서인 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하여 가정 임신 테스트와 같은 전통적인 색상 기반 화학 진단 테스트에 대한 대안을 제공합니다. "라고 Shahrjerdi는 말했습니다. "이 고급 접근 방식을 사용하면 더 빠른 결과를 얻을 수 있고 여러 질병을 동시에 테스트할 수 있으며 의료 서비스 제공자에게 즉각적인 데이터 전송이 가능합니다"라고 NYU Nanofabrication Cleanroom의 이사이기도 한 Sharjerdi는 말합니다. 본 연구에 사용된 것은 제작되었다. Riedo와 Shahrjerdi는 NYU NanoBioX 이니셔티브의 공동 책임자이기도 합니다.

현대 전자 장치의 주요 요소인 전계 효과 트랜지스터는 진단 장비를 찾는 데 있어 강력한 도구로 떠오르고 있습니다. 이 작은 장치는 화학적 라벨이나 긴 실험실 절차 없이 특정 병원체나 바이오마커를 실시간으로 감지하는 바이오센서로 작동하도록 조정할 수 있습니다. 생물학적 상호작용을 측정 가능한 전기 신호로 변환함으로써 FET 기반 바이오센서는 진단을 위한 빠르고 다양한 플랫폼을 제공합니다.

최근의 발전으로 나노와이어, 산화인듐, 그래핀과 같은 나노크기의 재료를 통합함으로써 FET 바이오센서의 감지 기능이 믿을 수 없을 만큼 작은 수준(펨토몰 농도 또는 1000분의 1몰)으로 향상되었습니다. 그러나 잠재력에도 불구하고 FET 기반 센서는 여전히 중요한 과제에 직면해 있습니다. 즉, 동일한 칩에서 여러 병원체 또는 바이오마커를 동시에 감지하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 항체와 같은 생체 수용체를 FET 표면에 드롭 캐스팅하는 등 이러한 센서를 맞춤화하는 현재 방법은 더 복잡한 진단 작업에 필요한 정밀도와 확장성이 부족합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 FET 표면을 수정하여 칩의 각 트랜지스터를 맞춤화하여 다양한 바이오마커를 감지할 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 이를 통해 여러 병원체를 동시에 탐지할 수 있습니다.

이러한 장벽을 극복하는 열쇠가 될 수 있는 획기적인 기술인 열 스캐닝 프로브 리소그래피(tSPL)를 만나보세요. 이 기술을 사용하면 폴리머 코팅 칩의 정밀한 화학적 패터닝이 가능해 20나노미터의 미세한 해상도에서 항체나 앱타머와 같은 다양한 생체 수용체를 사용하여 개별 FET의 기능화가 가능해집니다. 이는 오늘날 첨단 반도체 칩에 사용되는 트랜지스터의 작은 크기와 동등합니다. 각 트랜지스터를 고도로 선택적으로 수정할 수 있는 이 방법은 비교할 수 없는 감도로 단일 칩에서 다양한 병원체를 감지할 수 있는 FET 기반 센서 개발의 문을 열어줍니다.

tSPL 기술의 개발 및 확산에 중요한 역할을 한 Riedo는 이 기술의 사용이 이 나노제조 기술이 실제 응용 분야에 사용될 수 있는 획기적인 방법에 대한 추가적인 증거라고 보고 있습니다. "현재 상업적으로 이용 가능한 리소그래피 기술인 tSPL은 다중화를 달성하기 위해 다양한 생체 수용체로 각 FET를 기능화하는 데 핵심이었습니다."라고 그녀는 말합니다.

테스트에서 tSPL을 사용하여 기능화된 FET 센서는 SARS-CoV-2 스파이크 단백질의 3aM 농도와 밀리리터당 10개의 살아있는 바이러스 입자를 감지하는 동시에 다양한 유형의 바이러스를 효과적으로 구별하는 놀라운 성능을 보여주었습니다. 인플루엔자 A를 포함합니다. 특이성이 높은 미량의 병원체를 안정적으로 검출하는 능력은 언젠가 병원에서 가정에 이르기까지 다양한 환경에서 사용할 수 있는 휴대용 진단 장치를 만드는 데 중요한 단계입니다.

이 연구는 현재 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발표되었습니다. 나노규모, 브루클린에 본사를 둔 생명공학 회사인 Mirimus와 호주에 본사를 둔 다국적 건설 및 부동산 회사인 LendLease의 지원을 받았습니다. 그들은 NYU Tandon 팀과 협력하여 각각 질병 감지 웨어러블 및 가정용 장치를 개발하고 있습니다.

Mirimus의 사장 겸 CEO인 Prem Premsrirut는 "이 연구는 산업계와 학계 간의 협력의 힘과 그것이 현대 의학의 모습을 어떻게 바꿀 수 있는지를 보여줍니다."라고 말했습니다. "NYU Tandon의 연구원들은 질병 탐지의 미래에 큰 역할을 할 작품을 생산하고 있습니다."

"Lendlease와 같은 회사와 도시 재생에 관련된 기타 개발자들은 건물의 생물학적 위협을 감지하기 위해 이와 같은 혁신적인 솔루션을 찾고 있습니다." 프로젝트 공동 작업자인 UC Berkeley의 Alberto Sangiovanni Vincentelli는 말합니다. "이와 같은 생물방어 조치는 미래 건물을 위한 새로운 인프라 계층이 될 것입니다."

수십억 개의 나노크기 FET를 마이크로칩에 통합하여 반도체 제조가 계속 발전함에 따라 바이오센싱 애플리케이션에서 이러한 칩을 사용할 수 있는 가능성이 점점 더 커지고 있습니다. 나노 수준의 정밀도로 FET 표면을 기능화하는 보편적이고 확장 가능한 방법을 사용하면 현대 의학을 변화시킬 수 있는 속도와 정확성으로 여러 질병을 실시간으로 감지할 수 있는 정교한 진단 도구를 만들 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241216184736.htm