Assays of metabolites and disease biomarkers with high sensitivity are most demanding in the fields of medical and biological sciences. To accomplish this goal, the use of magnetic particles (MPs) has been attractive mainly due to their distinct advantages, including facile control by magnetism, high biocompatibility, and high detection sensitivity. In particular, integration with microfluidic systems endowed the MP based assay with significantly enhanced sensitivity and selectivity in detecting target analytes. In addition to the combination of a microfluidic system, modulations in the structure and shape of MPs are expected to confer enhanced analytical performance on the MP-based assay. Here a Magnetophoretic assay based disease biomarker detection was demonstrated. Firstly, the system was applied to detection of allergen specific IgE in patient serum, and the performance of the system was compared with Pharmacia CAP system and 10 fold sensitivity enhancement was found. Secondly, the magnetic nanoparticles used for the magnetophoretic assay system was engineered to have dual functionality, which would enable it to cluster to larger magnetic nanoclusters, it was found that the formed magnetic nanoclusters would endow the system with two orders of magnitude sensitivity enhancement to magnetic nanoparticles alone was used when a prostate specific antigen (PSA) was used as a model system. Finally, a new form of magnetic nanocluster was constructed by using DNA and DNA binding protein to linearly assemble magnetic nanoparticles along the DNA. This form of magnetic nanocluster is expected to find its application in the field of simultaneous diagnosis and gene therapy.
현존하는 질병진단방법은 대부분 질병과 연관이 있는 단백질의 측정을 통하여 이루어지고 있다. 바이오센서를 통한 질병진단의 발전은 이를 통한 질병관련 단백질의 고감도 측정을 가능하게 하고 해당 단백질들이 바이오마커 (biomarker) 로서의 역할을 할 수 있는지에 대한 근거를 제공해준다. 본 연구는 자기영동법을 이용한 바이오마커의 두 종류의 응용에 대하여 보여주고 있다.
첫번째로, 마이크로비드 (microbead) 와 자성나노입자를 이용한 알레르겐 특이정 IgE를 측정하기위한 자기영동법을 개발하였다. 마이크로비드의 미세유체채널내에서의 자기장에 의한 편이속도는 비드표면에 붙어있는 자성나노입자의 양에 의하여 결정된다. 나는 마이크로비드와 자성나노입자의 표면을 단백질을 통한 특이적 개질을 통하여 이들간의 결합이 알레르켄 특이적 항체를 매개로하여 특이적으로 이루어지도록 함으로써 두 종류의 집먼지 진드기에대한 알레르기 환자의 혈액내 알레르겐 특이적 항체 (IgE)의 양을 정확히 측정할 수 있었다.
또한 자기영동법의 측정민감도를 향상시키기 위하여 나는 자기영동법의 핵심이 되는 자성나노입자를 생물학적 상호작용을 통하여 자성나노클러스터로 대체하였다. 이 결과 전립선압 특이적 바이오마커인 PSA를 모델시스템으로 한 비교실험에서 기존방법에 비하여 100배에 근접하는 민감도의 향상을 실현할 수 있었다. 이런 민감도의 향상은 기존의 자기영동법으로 측정할 수 없을 정도로 낮은 양으로 존재하는 바이오마커들을 검출할 수 있게 함으로써 자기영동시스템의 응용범위를 더욱 넓게 확장할 수 있다는 면에서 의미가 크다.
마지막으로, 나는 새로운 형태의 자성나노클러스터를 개발하였다. DNA를 주형으로 DNA에 특이적으로 결합 할 수 있는 DNA 결합 단백질을 이용하여 자성나오입자를 DNA 위에 선형으로 배열함으로 비공유결합을 통한 안정적인 클러스터를 구현할 수 있었다. 이런 클러스터는 향후 질병진단 시스템으로의 통합이 가능하고 생체친화적이어서 유전자를 통한 질병치료에도 접목할 수 있을 것으로 기대되며 질병의 동시진단 및 치료에 기여할 것으로 기대된다.
