오늘은 Lab on a disc 기술을 활용하여 표적 핵산을 검출한 논문에 대해 리뷰하도록 하겠습니다.
먼저 Lab on a disc란 말 그대로 Disc 안에 lab이 있다는 말로 microfluidics (미세유체공학)을 활용하여 실험실에서 진행하는 일을 수행할 수 있게 만든 분석법입니다.
실험실에서 진행할 수준의 분석을 disc위에서 진행하게 하여 실험실의 큰 장비 등이나 실험자가 해야 할 다양한 수작업을 자동화하여 진행할 수 있게 하는 방법입니다.
보다 자세한 내용은 본문에서 다루도록 하겠습니다.
리뷰할 논문에서는 이러한 lab on a disc 시스템에 표적 핵산을 검출하기 위한 기술을 활용했습니다.
표적 핵산은 SARS-CoV-2 viral RNA이며 이를 검출하기 위한 등온 핵산 증폭 방법으로 reverse transcription multiplex loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) 방법을 활용했습니다.
Centrifugal disc (원심 디스크)에는 10개의 기능 적 단위가 있으며 한번에 10개의 샘플을 분석할 수 있게 설계하였습니다.
결과적으로 1.5시간 이내 표적 핵산을 성공적으로 검출하였으며 이와 관련 내용을 논문의 서론부터 본론까지 리뷰하겠습니다.
1. Introduction (RT LAMP 기반 Lab on a disc 시스템)
논문의 서론을 정리하여 말씀드리겠습니다.
먼저 표적 물질의 타당성을 확보하려고 COVID-19에 대한 내용을 이야기합니다.
COVID-19는 2019년 12월 이후 전 세계적으로 확산되어 수많은 감염자와 사망자를 발생시킨 질병입니다.
이러한 인명피해와 경제적 손실을 막기 위해서는 빠르고 정확하며 저렴하고 한 번에 많은 양의 샘플을 처리할 수 있는 진단 기술의 개발이 중요하다고 이야기합니다.
진단 기술 중 serological test (혈청학적 검사)의 경우 간단하며 비용이 저렴하지만 정확도와 특이성이 낮기 때문에 잠복기 및 초기의 감염자를 밝혀내기 어렵습니다.
그렇기 때문에 주로 reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR)기술이 활용되어 높은 민감도와 특이도로 감염 초기의 바이러스까지 검출할 수 있습니다.
하지만, RT PCR 기술의 경우 크면서 비싼 분석 장비가 필요하며 숙련된 전문가가 수행해야 하므로 감염성 질병을 막기 위한 현장 진단에 적용하기 어려움이 있다고 저자들은 서술합니다.
이후 저자들은 COVID-19를 진단하기 위한 다양한 회사들의 제품과 그 한계점에 대해 이야기하였는데 그것은 본 논문 리뷰에서 다루는 것이 독자들에게 큰 도움이 될 것 같지는 않아 생략하도록 하겠습니다.
다음으로 본 논문의 핵심이 되는 lab on a disc 관련하여 서술을 이어갔습니다.
최근에 microfluidic 기술이 화학 및 생물학적 분석 도구로 발전해 왔습니다.
다양한 microfluidic 기술 중에서 centrifugal microfluidic (원심력을 이용한 미세 유체기술)은 한 번에 많은 양의 샘플을 처리할 수 있으며 자동화된 시스템과 비용이 적기 때문에 현장 진단 적용에 용이한 기술이라고 설명합니다.
Centrifugal 장치를 통해 DNA나 RNA의 purification, 용액의 혼합 및 분할 그리고 검출까지 다양한 기능을 수행할 수 있다고 말합니다.
이러한 배경을 토대로 한 번에 많은 양의 샘플을 처리할 수 있는 휴대용 유전자 분석 기기가 필요하다고 했습니다.
그에 대한 기술을 성공적으로 개발되었다며 최첨단의 현장 진단 기기로 많은 시간 및 비용을 절감할 수 있다고 합니다.
2. Lab on a disc 기술과 등온 핵산 증폭 기술을 활용한 핵산 검출
이제 본문 내용에 대해 설명하기에 앞서 제가 가지고 있는 배경지식을 바탕으로 추가 설명을 해드리도록 하겠습니다.
현장 진단 기기 개발은 감염성 질병을 막기 위해 필수적이며 전문가가 많지 않은 환경에서는 샘플을 투입하고 복잡한 조작 과정 없이 시료의 전처리부터 증폭 그리고 최종 신호를 통한 결과 분석까지 연속적/자동화되어 진행되는 방식은 sample to answer 시스템 구현이 필수입니다.
기존의 대형 병원이나 연구소에서 사용하는 다양한 분자 진단 기술은 서론에서 말한 것처럼 비싼 진단 기기와 고급 인력을 필요로 합니다.
시골이나 개발도상국에서 진단하기 위해서는 이러한 sample to answer 시스템 개발이 더욱 요구되고 있습니다.
이러한 상황에서 lab on a disc 시스템의 경우 rotor를 이용하여 회전을 시켜 다양한 기능을 순차적으로 진행할 수 있기 때문에 sample to answer 시스템을 구현하기에 아주 적합한 시스템이라고 할 수 있습니다.
이러한 배경을 바탕으로 논문에서 저자들이 제안한 scheme을 보며 추가 설명하도록 하겠습니다.
저자들이 제안한 기술의 모식도는 아래와 같습니다.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.131088
Van Nguyen, H., Phan, V. M., & Seo, T. S. (2022).
Total integrated centrifugal genetic analyzer for point-of-care Covid-19 testing with automatic and high-throughput capability. Sensors and Actuators B: Chemical, 353, 131088.
위 그림에서의 모든 step은 자동화되어 진행됩니다.
먼저 step#1의 표적 핵산의 lysates sample을 노란색으로 보이는 sample chamber에 넣기 전에 바이러스 샘플과 버퍼 그리고 carrier RNA를 혼합한 후 상온에서 10분 동안 incubation을 진행합니다.
샘플이 로딩되면 샘플을 GF/F 추출 칼럼 (시료 prep을 위한 칼럼)으로 회전을 통해 이동시키고 나머지는 waste chamber로 이동시킵니다.(Step#2).
RNA는 GF/F 필터에 포획되어 추후에 사용됩니다.
이후 washing solution을 넣어 추후 반응에 방해가 될 용액을 씻어 내고 남은 것은 waste chamber로 이동시킵니다 (Step#3,4).
추가적으로 한 번 더 washing 과정을 반복해 줍니다 (Step#5,6).
다음으로 칼럼에 포획되어 있던 RNA를 다시 추출해 내기 위해 elution solution을 넣고 회전력을 통해 collection chamber로 이동시킵니다 (Step# 7,8).
collection chamber의 RNA 용액을 3가지 well로 분할하고 (Step#10), RT-LAMP를 진행하기 위한 reaction chamber로 이동시킵니다 (Step#11).
최종적으로 reaction chamber에 도달한 샘플은 RT-LAMP 반응에 이용되어 표적 RNA가 있을 경우는 형광을 내고 없을 경우에는 형광이 증가하지 않게 되어 이를 형광 측정 모듈을 통해 확인하게 됩니다.