암세포 DNA 조기 검출하는 빛-인공지능 기반 초고감도 바이오센서를 개발한 재료연 바이오·헬스재료연구본부 정호상 박사 연구팀. (왼쪽은 살라후딘 학생연구원, 오른쪽은 정호상 선임연구원)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진/이하 재료연) 바이오·헬스재료연구본부 정호상 박사 연구팀이 혈액 내에 존재하는 아주 적은 양의 암세포 DNA를 고감도로 검출해 암 조기진단이 가능한 광학 기반 바이오센서를 개발했다. 일반적인 액체생검보다 민감도와 특이도는 뛰어나고, 복잡한 검사 없이 빛의 신호와 인공지능 분석만으로 암 조기진단이 가능하다는 점에서 뚜렷한 차별점을 가진다.

암세포가 발생할 때 혈액 속 DNA 표면에 작은 화학적 변화가 생긴다. 이를 메틸화(Methylation) 정도가 변화한다고 표현한다. 초기 암 단계에서 메틸화된 DNA의 농도는 매우 낮아서 기존 바이오센서를 사용해 고감도로 검출하기 어렵다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 메틸화된 DNA를 별도의 분석 과정 없이 고감도의 광학 신호와 인공지능 분석으로 검출하는 바이오센서 소재 기술을 개발했다.

연구팀은 고감도 광학 신호와 인공지능 분석법을 플라즈모닉 소재에 접목했다. 이 소재는 빛에 반응해 DNA 분자의 광학 신호를 1억 배 이상 증폭시킬 수 있어, 매우 적은 양의 DNA도 검출할 수 있다. 따라서 암 발생 초기에 메틸화된 DNA를 25fg/mL(펨토그램 퍼 밀리리터) 수준까지 찾을 수 있는 것이다. 25fg/mL는 한 방울의 물에 설탕 1천분의 25 알갱이를 넣은 농도로 비유할 수 있다. 이는 기존 바이오센서에 비해 1천 배 세밀한 고감도 수준이다.

연구팀은 개발한 바이오센서를 대장암 환자 60명에게 적용해 분석한 결과, 암 유무를 99%의 정확도로 진단했으며 암의 진행 단계도 1기부터 4기까지 정확하게 구분하는 데 성공했다. 해당 분석 과정에서 필요한 혈액량은 100uL(마이크로리터)로 매우 적으며, 20분 이내에 진단을 끝낼 수 있을 정도로 간단하고 신속한 공정으로 이루어진다.

본 기술은 전처리 없이 극미량의 암 DNA를 고감도로 검출할 수 있다는 점에서 조기 암 진단 시장에서 임상 경쟁력을 확보할 수 있다. 또한, 기존에 사용되던 장비 대비 분석 시간과 비용을 크게 절감할 수 있어 병원과 건강검진센터, 자가진단 키트나 이동형 진단 장비에 적용될 수 있다. 또한, 정밀 의료뿐만 아니라 현장진단(POCT, Point of Care Testing)에도 효과적이다.

연구책임자인 재료연 정호상 선임연구원은 “이번 기술은 암의 조기진단뿐 아니라 예후 예측이나 치료 반응까지 진단할 수 있는 차세대 진단 플랫폼.”이라며, “앞으로 자가면역 질환이나 신경계 질환 등 다양한 질병으로의 적용을 넓혀갈 계획.”이라고 말했다.

이번 성과는 한국연구재단 바이오의료기술개발사업, 소재글로벌영커넥트사업, 한국재료연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘어드밴스트 사이언스(Advanced Science(IF:14.3)’ 2025년 5월호에 5월 9일 게재됐다.