본 연구는 마이크로 자성 비드와 마이크로 우물 구조의 20 x 20의 센서가 직접화된 전기화학센서를 기반으로 하여 면역분 석 바이오센서의 감도향상을 이루는데 목적을 두었다. 마이크로 자성 비드의 표면에 고정된 항체를 이용하여 항원을 검출하고, 항원-항체 복합체에 효소를 결합하여 검출 신호를 증폭한 후 이 를 전기화학신호로 검출하는 바이오센서로 구성되었다. 본 센서 플랫폼은 각종 바이오마커의 정량화에 있어 크게 개선된 검출 감 도를 제공할 수 있으며, 특히 최근 고령화 사회에 접어들 수록 시급하게 요구되어지는 알츠하이머 병(...
본 연구는 마이크로 자성 비드와 마이크로 우물 구조의 20 x 20의 센서가 직접화된 전기화학센서를 기반으로 하여 면역분 석 바이오센서의 감도향상을 이루는데 목적을 두었다. 마이크로 자성 비드의 표면에 고정된 항체를 이용하여 항원을 검출하고, 항원-항체 복합체에 효소를 결합하여 검출 신호를 증폭한 후 이 를 전기화학신호로 검출하는 바이오센서로 구성되었다. 본 센서 플랫폼은 각종 바이오마커의 정량화에 있어 크게 개선된 검출 감 도를 제공할 수 있으며, 특히 최근 고령화 사회에 접어들 수록 시급하게 요구되어지는 알츠하이머 병(AD)에 관련된 바이오마커 을 매우 정밀하게 정량화할 수 있다. 알츠하이머 병 (AD)은 나이가 듦에 따라 발생하는 가장 흔한 신경 퇴행성 질환 중 하나로, 효과적인 치료 및 관리를 위 해서는 정확하고 빠른 진단이 요구되어진다. 기존 AD 진단은 척 수액 채취를 통한 뇌척수액(CSF)내의 아밀로이드 베타(Aβ) 및 인 산화된 타우(pTau) 단백질 등의 바이오마커를 정량화하거나, 비용 이 많이 드는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 영상을 통한 뇌영상 판별을 이용하였다. 그러나 뇌척수액 검사의 경우 검사 방법이 검사자에게 척수액 채취에 대한 부담을 주거나 검사 후 부작용이 발생하는 문제가 있고, 뇌영상 검사 방법은 고가의 진단 방법으 로 비용 문제 등으로 쉽게 검사를 못하는 문제가 있다. 이를 해 결하고자 혈액내의 Aβ 및 pTau를 정량화하는 진단법을 개발하고 자 했으나, 혈액내에 존재하는 바이오마커의 양을 검출하는 데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 우물 구조를 마이크로 전 극 구조의 전기화학센서에 적용하여 극미량으로 존재하는 단백질 바이오마커를 검출하는 연구를 수행하였다. 센서의 마이크로 우 물 안에는 항원항체 복합체를 검출한 마이크로 자성 비드를 가둬 두고, 산화된 TMB를 검출하기 위한 작동 전극과 카운터 전극이 위치한다. 마이크로 우물은 센싱 영역 이외의 영역에 있는 전극 들이 시험 액체에 노출되는 것을 막아 센서의 누설전류를 최소화 하고, 센서 신호가 외부의 영향을 받는 것을 억제하여 신호 대 잡음비율을 개선하였다. 이러한 효과를 확인하고자 Aβ 및 pTau 를 이용한 검출 테스트를 진행하였으며, 측정된 Aβ 검출한계 (LOD)는 8.6 fg/mL로, pTau에 대한 감지 한계는 14.36 fg/mL으로 매우 높은 검출 한계 특성을 보였다. 또한 마이크로 우물은 마이 크로 자성 비드 수 변화가 변화하더라도, 실제로 각 마이크로 우 물에 들어가는 비드의 수는 일정하게 유지할 수 있다. 이는 실 험과정 중에 유입되는 비드의 수에서 조금의 변화가 발생하더라 도, 바이오마커 농도에 대한 센서 신호의 변화는 거의 없게 하여 측정된 신호가 안정적으로 유지할 수 있었다. 제안된 마이크로 우물 기반의 센서 플랫폼을 이용하여, 96
본 연구는 마이크로 자성 비드와 마이크로 우물 구조의 20 x 20의 센서가 직접화된 전기화학센서를 기반으로 하여 면역분 석 바이오센서의 감도향상을 이루는데 목적을 두었다. 마이크로 자성 비드의 표면에 고정된 항체를 이용하여 항원을 검출하고, 항원-항체 복합체에 효소를 결합하여 검출 신호를 증폭한 후 이 를 전기화학신호로 검출하는 바이오센서로 구성되었다. 본 센서 플랫폼은 각종 바이오마커의 정량화에 있어 크게 개선된 검출 감 도를 제공할 수 있으며, 특히 최근 고령화 사회에 접어들 수록 시급하게 요구되어지는 알츠하이머 병(AD)에 관련된 바이오마커 을 매우 정밀하게 정량화할 수 있다. 알츠하이머 병 (AD)은 나이가 듦에 따라 발생하는 가장 흔한 신경 퇴행성 질환 중 하나로, 효과적인 치료 및 관리를 위 해서는 정확하고 빠른 진단이 요구되어진다. 기존 AD 진단은 척 수액 채취를 통한 뇌척수액(CSF)내의 아밀로이드 베타(Aβ) 및 인 산화된 타우(pTau) 단백질 등의 바이오마커를 정량화하거나, 비용 이 많이 드는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 영상을 통한 뇌영상 판별을 이용하였다. 그러나 뇌척수액 검사의 경우 검사 방법이 검사자에게 척수액 채취에 대한 부담을 주거나 검사 후 부작용이 발생하는 문제가 있고, 뇌영상 검사 방법은 고가의 진단 방법으 로 비용 문제 등으로 쉽게 검사를 못하는 문제가 있다. 이를 해 결하고자 혈액내의 Aβ 및 pTau를 정량화하는 진단법을 개발하고 자 했으나, 혈액내에 존재하는 바이오마커의 양을 검출하는 데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 우물 구조를 마이크로 전 극 구조의 전기화학센서에 적용하여 극미량으로 존재하는 단백질 바이오마커를 검출하는 연구를 수행하였다. 센서의 마이크로 우 물 안에는 항원항체 복합체를 검출한 마이크로 자성 비드를 가둬 두고, 산화된 TMB를 검출하기 위한 작동 전극과 카운터 전극이 위치한다. 마이크로 우물은 센싱 영역 이외의 영역에 있는 전극 들이 시험 액체에 노출되는 것을 막아 센서의 누설전류를 최소화 하고, 센서 신호가 외부의 영향을 받는 것을 억제하여 신호 대 잡음비율을 개선하였다. 이러한 효과를 확인하고자 Aβ 및 pTau 를 이용한 검출 테스트를 진행하였으며, 측정된 Aβ 검출한계 (LOD)는 8.6 fg/mL로, pTau에 대한 감지 한계는 14.36 fg/mL으로 매우 높은 검출 한계 특성을 보였다. 또한 마이크로 우물은 마이 크로 자성 비드 수 변화가 변화하더라도, 실제로 각 마이크로 우 물에 들어가는 비드의 수는 일정하게 유지할 수 있다. 이는 실 험과정 중에 유입되는 비드의 수에서 조금의 변화가 발생하더라 도, 바이오마커 농도에 대한 센서 신호의 변화는 거의 없게 하여 측정된 신호가 안정적으로 유지할 수 있었다. 제안된 마이크로 우물 기반의 센서 플랫폼을 이용하여, 96
The foundation of our research lies in developing a microwell- based electrochemical device—a compact yet highly sensitive sensor featuring a densely packed microelectrode array (20 by 20). This platform was meticulously designed to address the pressing need for enhanced sensitivity in quantifying b...
The foundation of our research lies in developing a microwell- based electrochemical device—a compact yet highly sensitive sensor featuring a densely packed microelectrode array (20 by 20). This platform was meticulously designed to address the pressing need for enhanced sensitivity in quantifying biomarkers, particularly in the context of Alzheimer's Disease (AD). Alzheimer's Disease stands as one of the most prevalent neurodegenerative disorders among the elderly, demanding accurate and timely diagnosis for effective management. Traditionally, AD diagnosis has been reliant on detecting amyloid beta (Aβ) and phosphorylated Tau (pTau) protein levels in cerebrospinal fluid (CSF) obtained through invasive lumbar punctures or expensive positron emission tomography (PET) imaging. However, the pursuit of blood-based AD diagnosis—a more accessible and cost-effective alternative—has been hampered by the formidable challenge of quantifying these biomarkers, given their low abundance in peripheral blood. In response, our microwell-based electrochemical sensor emerged as a game-changer. Employing microwells on the working and counter electrodes minimized the leakage current from the metallic conductors into the assay medium, refining the signal fidelity. We achieved a detection limit of 8.6 fg/mL for Aβ and 14.36 fg/mL for pTau by elevating the signal-to-noise ratio, thus capable of AD biomarker quantification. Moreover, the microwell structure maintained the performance irrespective of variations in bead number, indicative of the sensor’s robustness. These microwells acted as physical barriers, minimizing leakage currents from metallic conductors into the assay medium, resulting in signal fidelity of the highest order. The sensor was able to detect Aβ and pTau in plasma. The sensor’s efficacy was further validated by analyzing Aβ concentrations in plasma samples from 96 subjects, revealing a significant distinction between AD patients and healthy controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.85. Consequently, our novel microwell- based electrochemical biosensor represents a susceptible platform for detecting scant blood-based biomarkers, including Aβ, offering substantial potential for advancing AD diagnostics. Keywords Microwell-based electrochemical sensor, Limits of Detection (LOD), Magnetic beads, Alzheimer’s disease, Amyloid Beta, Physpholated Tau, Patient plasma sample. * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2024The foundation of our research lies in developing a microwell- based electrochemical device—a compact yet highly sensitive sensor featuring a densely packed microelectrode array (20 by 20). This platform was meticulously designed to address the pressing need for enhanced sensitivity in quantifying biomarkers, particularly in the context of Alzheimer's Disease (AD). Alzheimer's Disease stands as one of the most prevalent neurodegenerative disorders among the elderly, demanding accurate and timely diagnosis for effective management. Traditionally, AD diagnosis has been reliant on detecting amyloid beta (Aβ) and phosphorylated Tau (pTau) protein levels in cerebrospinal fluid (CSF) obtained through invasive lumbar punctures or expensive positron emission tomography (PET) imaging. However, the pursuit of blood-based AD diagnosis—a more accessible and cost-effective alternative—has been hampered by the formidable challenge of quantifying these biomarkers, given their low abundance in peripheral blood. In response, our microwell-based electrochemical sensor emerged as a game-changer. Employing microwells on the working and counter electrodes minimized the leakage current from the metallic conductors into the assay medium, refining the signal fidelity. We achieved a detection limit of 8.6 fg/mL for Aβ and 14.36 fg/mL for pTau by elevating the signal-to-noise ratio, thus capable of AD biomarker quantification. Moreover, the microwell structure maintained the performance irrespective of variations in bead number, indicative of the sensor’s robustness. These microwells acted as physical barriers, minimizing leakage currents from metallic conductors into the assay medium, resulting in signal fidelity of the highest order. The sensor was able to detect Aβ and pTau in plasma. The sensor’s efficacy was further validated by analyzing Aβ concentrations in plasma samples from 96 subjects, revealing a significant distinction between AD patients and healthy controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.85. Consequently, our novel microwell- based electrochemical biosensor represents a susceptible platform for detecting scant blood-based biomarkers, including Aβ, offering substantial potential for advancing AD diagnostics. Keywords Microwell-based electrochemical sensor, Limits of Detection (LOD), Magnetic beads, Alzheimer’s disease, Amyloid Beta, Physpholated Tau, Patient plasma sample. * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2024
The foundation of our research lies in developing a microwell- based electrochemical device—a compact yet highly sensitive sensor featuring a densely packed microelectrode array (20 by 20). This platform was meticulously designed to address the pressing need for enhanced sensitivity in quantifying biomarkers, particularly in the context of Alzheimer's Disease (AD). Alzheimer's Disease stands as one of the most prevalent neurodegenerative disorders among the elderly, demanding accurate and timely diagnosis for effective management. Traditionally, AD diagnosis has been reliant on detecting amyloid beta (Aβ) and phosphorylated Tau (pTau) protein levels in cerebrospinal fluid (CSF) obtained through invasive lumbar punctures or expensive positron emission tomography (PET) imaging. However, the pursuit of blood-based AD diagnosis—a more accessible and cost-effective alternative—has been hampered by the formidable challenge of quantifying these biomarkers, given their low abundance in peripheral blood. In response, our microwell-based electrochemical sensor emerged as a game-changer. Employing microwells on the working and counter electrodes minimized the leakage current from the metallic conductors into the assay medium, refining the signal fidelity. We achieved a detection limit of 8.6 fg/mL for Aβ and 14.36 fg/mL for pTau by elevating the signal-to-noise ratio, thus capable of AD biomarker quantification. Moreover, the microwell structure maintained the performance irrespective of variations in bead number, indicative of the sensor’s robustness. These microwells acted as physical barriers, minimizing leakage currents from metallic conductors into the assay medium, resulting in signal fidelity of the highest order. The sensor was able to detect Aβ and pTau in plasma. The sensor’s efficacy was further validated by analyzing Aβ concentrations in plasma samples from 96 subjects, revealing a significant distinction between AD patients and healthy controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.85. Consequently, our novel microwell- based electrochemical biosensor represents a susceptible platform for detecting scant blood-based biomarkers, including Aβ, offering substantial potential for advancing AD diagnostics. Keywords Microwell-based electrochemical sensor, Limits of Detection (LOD), Magnetic beads, Alzheimer’s disease, Amyloid Beta, Physpholated Tau, Patient plasma sample. * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2024The foundation of our research lies in developing a microwell- based electrochemical device—a compact yet highly sensitive sensor featuring a densely packed microelectrode array (20 by 20). This platform was meticulously designed to address the pressing need for enhanced sensitivity in quantifying biomarkers, particularly in the context of Alzheimer's Disease (AD). Alzheimer's Disease stands as one of the most prevalent neurodegenerative disorders among the elderly, demanding accurate and timely diagnosis for effective management. Traditionally, AD diagnosis has been reliant on detecting amyloid beta (Aβ) and phosphorylated Tau (pTau) protein levels in cerebrospinal fluid (CSF) obtained through invasive lumbar punctures or expensive positron emission tomography (PET) imaging. However, the pursuit of blood-based AD diagnosis—a more accessible and cost-effective alternative—has been hampered by the formidable challenge of quantifying these biomarkers, given their low abundance in peripheral blood. In response, our microwell-based electrochemical sensor emerged as a game-changer. Employing microwells on the working and counter electrodes minimized the leakage current from the metallic conductors into the assay medium, refining the signal fidelity. We achieved a detection limit of 8.6 fg/mL for Aβ and 14.36 fg/mL for pTau by elevating the signal-to-noise ratio, thus capable of AD biomarker quantification. Moreover, the microwell structure maintained the performance irrespective of variations in bead number, indicative of the sensor’s robustness. These microwells acted as physical barriers, minimizing leakage currents from metallic conductors into the assay medium, resulting in signal fidelity of the highest order. The sensor was able to detect Aβ and pTau in plasma. The sensor’s efficacy was further validated by analyzing Aβ concentrations in plasma samples from 96 subjects, revealing a significant distinction between AD patients and healthy controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.85. Consequently, our novel microwell- based electrochemical biosensor represents a susceptible platform for detecting scant blood-based biomarkers, including Aβ, offering substantial potential for advancing AD diagnostics. Keywords Microwell-based electrochemical sensor, Limits of Detection (LOD), Magnetic beads, Alzheimer’s disease, Amyloid Beta, Physpholated Tau, Patient plasma sample. * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2024
주제어
#Microwell-based electrochemical sensor Limits of Detection (LOD) Magnetic beads Alzheimer’s disease Amyloid Beta Physpholated Tau Patient plasma sample
학위논문 정보
저자
Soumi Roy
학위수여기관
과학기술연합대학원대학교 한국과학기술연구원(KIST)
학위구분
국내박사
학과
의공학(BiomedicalEngineering) Biomedical Engineering
지도교수
Ji Yoon Kang
발행연도
2024
총페이지
141
키워드
Microwell-based electrochemical sensor Limits of Detection (LOD) Magnetic beads Alzheimer’s disease Amyloid Beta Physpholated Tau Patient plasma sample
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