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진단용 ELISA 키트와 면역센서 개발 현황
  • 작성일2017-10-12
  • 최종수정일2017-10-12
  • 담당부서고위험병원체분석과
  • 연락처043-719-8298
진단용 ELISA 키트와 면역센서 개발 현황

질병관리본부 감염병분석센터 고위험병원체분석과
전준호, 이기은*
영인프런티어 주식회사
김종헌
*교신저자: gerhie@korea.kr / 043-719-8270

  Abstract


Recent advancements in diagnostic ELISA kits and immunosensors

Jeon Jun Ho, Rhie Gi-eun
Division of High-risk Pathogens, Center for Laboratory Control of Infectious Diseases, KCDC
Kim Jong Heon,
Young In Frontier. co. Ltd.

Immunoassays can be used to detect specific analytes with high specificity and sensitivity in biological samples. Numerous immunoassays such as enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), western blotting, and fluoroimmunoassay have been developing for use in laboratories and hospitals. ELISA or enzyme immunoassay (EIA) is a method detecting and measuring a specific antigen or antibody in biological samples such as blood, urine, tissues, and cells. ELISA has been widely used in biological studies and new drug development fields. Sandwich ELISA is one of the leading diagnostic tools to detect targets with high sensitivity and specificity. Currently, new development directions for advanced ELISA systems with improved immunosensors are as follows: 1) development of an automated system to offer sample-in/result-out process automatically, 2) size minimization of machines for point-of-care testing usage, 3) development of multiplex systems for simultaneously detecting various targets in one sample, and 4) development of specific antigens and antibodies for more sensitive and specific detection.


  들어가는 말


면역 분석방법은 특정 물질의 정량적 분석을 위하여 그 물질에 대한 특이적인 항체를 사용하여 높은 민감도와 특이도를 요구하는 분석시스템의 개발에 이용된다. 현재 Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA), Western blotting, Fluoroimmunoassay 등의 면역 분석방법이 개발되어 활용되고 있다. 이러한 분석방법 중에서 샌드위치 효소결합 면역분석법(sandwich ELISA)은 민감도를 높일 수 있는 기술로 정량분석에 가장 널리 이용되고 있다. ELISA 또는 Enzyme immunoassay (EIA)는 생물학적 시료들(혈액, 뇨, 조직, 세포 등)에 포함되어 있는 특정 항원 혹은 항체를 면역반응과 생화학 반응을 결합하여 측정하는 방법으로, 약 50년 전 개발된 이후 전 세계적으로 빠르게 급변하는 생명과학분야와 신약개발 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 방법 중 하나이다. 현재 ELISA 기법은 진단을 위한 면역센서의 발전과 더불어 기본적인 형태의 ELISA type에서 더욱 발전하여 1) 전자동으로 샘플 준비부터 반응, 발색, 그리고 측정까지 이루어지는 자동화 시스템(Figure 1), 2) 실험실 외의 장소에서도 쉽게 검출할 수 있도록 하는 기기 소형화, 3) 적은 샘플에서 여러 가지 항원, 항체를 동시에 검출해 낼 수 있는 multiplex 시스템이 개발되었으며(Figure 2), 이와 함께 4) 높은 민감도와 특이도를 가진 항원, 항체 개발에도 노력을 기울이고 있다.


  몸 말


체외진단은 면역화학적 진단, 자가 혈당 진단, 현장진단, 분자진단, 혈액진단, 임상 미생물학적 진단, 지혈진단, 조직진단으로 크게 8부분으로 나누며[1] 진단용 ELISA는 면역화학적 진단방법에 속하며 일반적으로 항원-항체 반응을 이용하여 각종 암 마커, 감염성 질환, 갑상선 기능, 빈혈, 알레르기, 임신, 약물남용 등의 매우 다양한 질환 진단과 추적에 이용된다. 면역화학적 진단은 정확도가 비교적 높고 빠른 결과를 얻을 수 있어 전통적으로 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 면역화학적 진단은 전 세계 진단시장의 약 40% 정도의 점유율을 보이고 있으며 연평균성장률은 약 6% 이상일 것으로 예측하고 있다(Table1)[2].

ELISA
ELISA type은 Direct ELISA, Sandwich ELISA, Competition ELISA의 3가지로 나눌 수 있다. 이중 질병 진단을 위해서 일반적으로 Sandwich ELISA(Figure 3)와 Competition ELISA가 널리 사용되고 있다. 진단용 ELISA의 약 90%를 차지하는 Sandwich ELISA의 경우, epitope이 다른 2종의 항체(capture, detector)를 이용하여 측정하고자 하는 샘플(혈액, 뇨, 조직, 세포 등) 내 특정 항원을 측정하는 방법으로 민감도와 특이도가 뛰어나다는 장점이 있다. 1종의 항체(capture)를 이용하는 Competition ELISA는 저분자 항원(hormone, peptide 등)을 측정하는 방법이다. Competition ELISA와 비교하였을 때, Sandwich ELISA는 여러 단계의 분석과정을 거쳐야 하므로 상대적으로 분석시간이 긴 단점이 있다.
감염성 질환의 경우 다양한 인체 감염 바이러스(HIV, malaria, dengue, HCV, Ebola, Zika, Hepatitis A, Hepatitis B, influenza 등), Rickettsia, Chlamydia, Mycoplasma, Bacteria, Fungi, Algae, Protozoa, Metazoa 등을 검출할 수 있는 진단용 ELISA 키트가 생산되어 많이 사용되고 있다[3]. ELISA 개발부분에서는 기존에 알려져 있던 질환과 관련된 단백질의 혈액 내 발현정도를 측정하는 방법을 이용하여 질환여부를 판단하게 되는데 그 중 암 진단부분이 가장 많은 부분을 차지하고 있다[4]. 그러나 현재 Alpha-fetoprotein(AFP), Carcinoembryonic antigen(CEA), Prostate specific antigen(PSA) 등과 같은 종양항원을 대상으로 하는 ELISA 키트들이 암의 조기 진단을 위하여 사용되고 있으나 이들 ELISA 키트의 경우 암세포에만 특이적으로 반응하지 않고 체내의 다른 물질과 교차 반응을 함으로써 진단에서의 착오를 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 일부 암의 경우 말기가 되어서야 존재여부가 판단이 되는 등 암의 조기 진단에 사용하기에는 여러 가지 어려운 점이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 암의 조기 진단에 사용할 수 있는 적절한 종양항원 또는 종양표지인자를 찾아내고 이를 이용한 조기 진단 시스템의 구축이 요구되고 있다. 암 진단용 바이오마커 발굴은 포스트 게놈 시대에 접어들면서 맞춤형 의료를 선도하는 주요 수단이 되고 있다[4].

면역센서
높은 민감도와 특이도를 가지며, 다수의 샘플 분석이 가능한 새로운 면역센서 시스템의 개발에 대한 요구가 높아지고 있으며, 이러한 새로운 면역센서는 기존의 Sandwich ELISA를 대신할 것으로 예상된다. 기존의 Sandwich ELISA를 대체하기 위한 집적화되고 소형화된 면역센서의 개발이 이미 활발히 이루어지고 있으며, 면역센서는 간편성, 편리성, 다중 동시분석, 온라인(실시간) 검출 능력, 경제성, 장비의 소형화 측면에서 강점을 가지고 있다[4]. 신호 변환 원리에 따라 면역센서는 전기화학적, 광학적, 질량기반 센서로 크게 분류할 수 있다. 전기화학 면역센서는 전위, 전류, 임피던스, 정전용량, 전기전도도 측정과 같은 방법의 전기화학적 신호변환기에 면역분석기법을 결합하여 개발되었다[4]. 전위차 면역센서는 표면 전하 또는 신호변환기에 면역분석기법을 결합하여 개발되었으며, 표면 전하 또는 신호변환기 계면에서 전위차를 측정하는 방법이다. 최근 임상 및 환경오염물질 분석을 위한 전위차 면역센서 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 전위차 면역센서는 비균일계 항원과의 비특이적 결합과 높은 바탕 신호가 발생되는 약점을 가지고 있어 이에 대한 보완이 필요하다. 발색, 형광, 화학발광과 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 포함한 광학 측정방법은 빠르며 전기적 노이즈가 없는 신호를 발생하기 때문에 면역분석시스템에 많이 사용되고 있다[4]. 이 중 발색, 화학발광의 경우는 육안으로도 판별이 가능한 장점을 가지고 있다. 따라서 발색 측정 기술은 임상 진단분야에서 신속 검출 키트로 널리 사용되고 있으며, 염료 또는 금 나노입자가 표지된 면역분석법은 임상분야에서 질병 분석을 위해 상업적으로 광범위하게 사용되고 있다. 질량기반 면역센서에 대한 연구는 주로 Quartz crystal microbalance(QCM)를 중심으로 이루어지고 있다. QCM은 두개의 금속 전극과 수정판으로 구성되어 있으며, QCM 면역센서는 간편성, 편의성, 그리고 실시간 검출의 용이성으로 인하여 생물분자 검출을 위해 많은 연구가 이루어지고 있다[5].


  맺는 말

Sandwich ELISA는 오랜 기간 동안 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 분석방법 중 하나이다. 현재 기존 ELISA 방법의 단점을 극복하고자 간편성, 편리성, 다중 동시분석이라는 과제를 추가하여 면역센서 방식으로의 개발이 진행되고 있으며, 또한 새로운 질환 마커를 발굴하여 적용시키는 연구도 활발하게 진행되고 있다. 새로운 바이오마커의 발굴과 간편성, 편리성, 다중 동시분석이 가능한 진단용 키트의 등장은 질병진단분야의 미래를 밝게 하고 있다.


  참고문헌


1. 체외진단기기 시장 동향. 연구성과실용화진흥원 S&T Market report 2016; 40호.
2. 이민호. 질병 조기 진단 연구동향. BIOInpro 2015; 13호.
3. 이진기, 변도영. 감염성 질환의 진단을 위한 BioMEMS 연구개발 동향. 기계저널 2012;52(8):46-50.
4. 손종구, 조제열, 전승표, 이준우. 바이오마커의 최근 시장동향 분석. Biomaterials Research 2010;14(2):78-85.
5. 박소정, 박소은, 김영기. 면역센서의 기술동향 및 전망. 공업화학 전망 2011;14(1):10-8.
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