[논문]알츠하이머 진단을 위한 당성분에 민감한 초파리 세포기반 ISFET센서개발

임정옥; 유준부; 권재영; 변형기; 허증수; 조원주

doi:10.5369/jsst.2013.22.4.281

[국내논문] 알츠하이머 진단을 위한 당성분에 민감한 초파리 세포기반 ISFET센서개발
Development of Sugar Sensitive Drosophila Cell based ISFET Sensor for Alzheimer's Disease Diagnosis 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.22 no.4, 2013년, pp.281 - 285

임정옥 (경북대학교 생명의학연구소) , 유준부 (경북대학교 금속신소재공학과) , 권재영 (성균관대학교) , 변형기 (강원대학교) , 허증수 (경북대학교 금속신소재공학과) , 조원주 (광운대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study a biosensor was developed by using Drosophila cells expressing a gustatory receptor Gr5a and an ion sensitive field effect transistors (ISFETs) sensor device, which demonstrated significant compatibility with the Drosophila cells expressing Gr5a and their response to sugar. These results suggested that the newly developed cell based biosensor has a potential as a simple and easy screening device for Alzheimer's disease in the future.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

결과적으로, 우수한 감지특성과 안정성을 갖는 ISFET 바이오센서를 제작하였으며 이를 통해 세포 기반의 생체인지요소 신호를 검출하기 위한 실험에 적용하였다.
이에 당에 민감한 미각수용체를 초파리세포 표면에 많이 발현할 수 있도록 세포를 유전자 변형시켜 이 세포가 당에 대하여 민감하게 반응할 수 있는지를 표준 당 즉 trehalose로 검토하여 확인하였다. 나아가 알츠하이머 환자와 정상군 및 대조군의 침을 이용하여 세포의 센싱능력을 평가하였다. 실제로 세포를 이용한 센서를 구성하기 위해 ISFET센서에 세포를 고정화하는 시스템을 제작하였고 이렇게 개발된 세포기반 바이오센서로 침을 이용하여 실험한 결과 유전자 변형된 초파리 세포는 알츠하이머 질병을 가진 환자와 정상인을 구별할 수 있는 센싱 기능이 있는 것으로 나타났다.
바이오센서에 있어서 가장 중요한 요소인 감지막의 특성을 향상 시킨 물질을 합성하였으며 세포와 반응물질간의 신호를 민감하게 detection 할 수 있도록 새로 개발한 감지막을 이용한 ISFET를 제작하여, 소자의 감도와 안정성에 대한 특성 및 전기적인 특성 분석을 통해 소자의 transfer 특성을 평가하였다. 세포와 반응물질과의 반응은 current-voltage(I-V) curve로 평가하였으며, 고정밀 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard 4156B)와 Ag/AgCl 기준 전극을 이용하였다.
실제로 세포를 이용한 센서를 구성하기 위해 ISFET센서에 세포를 고정화하는 시스템을 제작하였고 이렇게 개발된 세포기반 바이오센서로 침을 이용하여 실험한 결과 유전자 변형된 초파리 세포는 알츠하이머 질병을 가진 환자와 정상인을 구별할 수 있는 센싱 기능이 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 알츠하이머 환자의 새로운 바이오 마커로써 당성분이 검색되었고 이에 당에 민감한 초파리 세포주를 만들어 반도체 센서와 집적시스템을 만들어 세포센서를 개발하였다. 환자의 침을 이용한 실험에서 이 세포센서는 알츠하이머 환자와 정상군을 구분할 수 있는 것으로 나타나 screening device로서의 활용가능성을 보여주었다.
즉 이는 초파리는 후각 및 미각 감각수용체의 유전 정보가 잘 알려져 있고, in vivo에서의 기능이 확인되었으며 세포표면에 존재하는 화학감각수용체가 특이한 냄새나 맛에 민감하게 반응하기 때문에 이러한 세포를 센서물질로 사용할 때 민감도와 선택성이 최대화될 수 있는 장점이 있고 이 장점을 최대한 살릴 수 있는 바이오센서의 개발은 매우 중요한 기술이라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 이 초파리 세포를 당에 민감하게 반응하는 수용체가 세포표면에 많이 발현될 수 있도록 유전자를 변형하여 사용하였다. 포유류세포에 비하여 곤충세포인 초파리 세포는 실온에서도 안정적인 세포로 실용성이 높아 센서에 응용 가능성이 높은 장점이 있다.
선행기초연구를 통해 당의 일종인 trehalose에 세포기반 ISFET 센서가 민감하게 반응하는 것을 확인하였으며 초파리 세포를 ISFET에 올려 세포센서를 만들어 100여명의 환자의 침을 분석하여 AD 질병진단의 가능성을 평가하였다.
알츠하이머 환자의 침을 GC-MS로 분석한 결과 다양한 종류의 당성분이 정상군에 비하여 환자군에서 많이 검출됨을 발견하였다. 이에 당에 민감한 미각수용체를 초파리세포 표면에 많이 발현할 수 있도록 세포를 유전자 변형시켜 이 세포가 당에 대하여 민감하게 반응할 수 있는지를 표준 당 즉 trehalose로 검토하여 확인하였다. 나아가 알츠하이머 환자와 정상군 및 대조군의 침을 이용하여 세포의 센싱능력을 평가하였다.
이에 실험적으로 특이하게 많이 발견되는 당 성분에 민감하게 반응하는 세포기반 바이오 센서시스템을 개발하여 값싸고 편리한 방법으로 AD를 진단할 수 있는 센서를 개발하였다. 이 연구의 새로운 시도는 센서물질로 살아있는 초파리 세포를 이용한다는 점에 있다.
초파리의 중요 미각수용체인 Gr5a를 발현하는 초파리 유래 세포주를 제작하여 그 자체로는 sugar 감지를 할 수 없는 S2 세포주에 Gr5a 발현 벡터를 도입하여 Gr5a 수용체를 발현하였고 이 세포주가 AD 환자의 침에 특이적으로 반응하는 것을 평가하였다.

대상 데이터

AD 환자의 GC-MS분석 대상은 아래 표와 같으며, 유사 질병 대조군으로 IPD와 MCI 환자가 선정되었으며, 질병에 대한 대조군으로 건강한 사람을 선정하여 비교 분석하였다. AD 환자의 침에서 나온 성분은 다양한 화합물이 포함되어 있었으며, 특히 당에서 유도되거나 관련된 성분으로 D-Glucuronic acid, DL-Arabinose, Sorbitol, Glucose등이 검출되었다.
알츠하이머 환자 53명, 대조군으로 파킨슨질환 환자23명, 경도인식장애 7명, 정상인 12명 총 95명의 환자를 대상으로 침을 분석하였다.

이론/모형

초파리 미각수용체의 하나인 Gr5a 발현 세포주 제작은 기본적으로 Drosophila Schneider2(S2) cells을 이용한 Drosophila Expression System(Invitrogen) 방법을 이용하였다[7]. (http://tools.

성능/효과

나아가 알츠하이머 환자와 정상군 및 대조군의 침을 이용하여 세포의 센싱능력을 평가하였다. 실제로 세포를 이용한 센서를 구성하기 위해 ISFET센서에 세포를 고정화하는 시스템을 제작하였고 이렇게 개발된 세포기반 바이오센서로 침을 이용하여 실험한 결과 유전자 변형된 초파리 세포는 알츠하이머 질병을 가진 환자와 정상인을 구별할 수 있는 센싱 기능이 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 알츠하이머 환자의 새로운 바이오 마커로써 당성분이 검색되었고 이에 당에 민감한 초파리 세포주를 만들어 반도체 센서와 집적시스템을 만들어 세포센서를 개발하였다.
알츠하이머 환자의 침을 GC-MS로 분석한 결과 다양한 종류의 당성분이 정상군에 비하여 환자군에서 많이 검출됨을 발견하였다. 이에 당에 민감한 미각수용체를 초파리세포 표면에 많이 발현할 수 있도록 세포를 유전자 변형시켜 이 세포가 당에 대하여 민감하게 반응할 수 있는지를 표준 당 즉 trehalose로 검토하여 확인하였다.
본 연구를 통하여 알츠하이머 환자의 새로운 바이오 마커로써 당성분이 검색되었고 이에 당에 민감한 초파리 세포주를 만들어 반도체 센서와 집적시스템을 만들어 세포센서를 개발하였다. 환자의 침을 이용한 실험에서 이 세포센서는 알츠하이머 환자와 정상군을 구분할 수 있는 것으로 나타나 screening device로서의 활용가능성을 보여주었다. 이러한 당성분이 선택성과 민감도를 가진 바이오 마커로서 확립되기 위해서는 다양한 대조군을 이용한 추가적인 측정과 검증이 필요하다고 본다.

후속연구

따라서 침에 포함된 성분에 반응하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과를 바탕으로, 세포와 수용체 단백질에 대한 신호 검출에 있어서 ISFET 센서를 적용할 수 있으며 나아가 질병의 chemical marker를 측정하는데 활용할 수 있음을 기대할 수 있다.
환자의 침을 이용한 실험에서 이 세포센서는 알츠하이머 환자와 정상군을 구분할 수 있는 것으로 나타나 screening device로서의 활용가능성을 보여주었다. 이러한 당성분이 선택성과 민감도를 가진 바이오 마커로서 확립되기 위해서는 다양한 대조군을 이용한 추가적인 측정과 검증이 필요하다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알츠하이머 질병의 조기진단 방법으로는 어떤 것들이 있으며 이것들의 문제점은 무엇인가?	AD 치료법과 약물들은 병의 근본적인 치료와 예방보다는 병의 진행을 늦추고 증상들을 경감시키는 방법이기 때문에 조기진단을 통하여 환자에게 적절한 치료를 제공할 수 있음으로 말미암아 환자 본인의 고통을 줄이고 사회비용의 소모를 경감시킬 수 있음으로 그 필요성과 중요성은 매우 크다. 현재의 진단법으로 유전자 검사, 뇌척수 검사, PET혹은 MRI등을 이용 하는데 이들 방법은 고비용일 뿐 아니라 침습적이어서 환자에게 매우 부담이 된다[4, 5].
	알츠하이머 질병이란 무엇이며 어떤 문제점이 있는가?	알츠하이머 질병(Alzheimer’ s Disease: AD)은 60세 이상 인구의 11%에 발병하는 퇴행성 뇌 질환으로 노령화와 더불어 발병이 급속히 증가하고 있으며 삶의 질에 미치는 영향과 의료비의 부담 등 경제적인 피해는 지대하다[1-3]. AD 치료법과 약물들은 병의 근본적인 치료와 예방보다는 병의 진행을 늦추고 증상들을 경감시키는 방법이기 때문에 조기진단을 통하여 환자에게 적절한 치료를 제공할 수 있음으로 말미암아 환자 본인의 고통을 줄이고 사회비용의 소모를 경감시킬 수 있음으로 그 필요성과 중요성은 매우 크다.
	AD 치료법과 약물들은 무엇인가?	알츠하이머 질병(Alzheimer’ s Disease: AD)은 60세 이상 인구의 11%에 발병하는 퇴행성 뇌 질환으로 노령화와 더불어 발병이 급속히 증가하고 있으며 삶의 질에 미치는 영향과 의료비의 부담 등 경제적인 피해는 지대하다[1-3]. AD 치료법과 약물들은 병의 근본적인 치료와 예방보다는 병의 진행을 늦추고 증상들을 경감시키는 방법이기 때문에 조기진단을 통하여 환자에게 적절한 치료를 제공할 수 있음으로 말미암아 환자 본인의 고통을 줄이고 사회비용의 소모를 경감시킬 수 있음으로 그 필요성과 중요성은 매우 크다. 현재의 진단법으로 유전자 검사, 뇌척수 검사, PET혹은 MRI등을 이용 하는데 이들 방법은 고비용일 뿐 아니라 침습적이어서 환자에게 매우 부담이 된다[4, 5].

참고문헌 (16)

N. C. Berchtold and C. W. Cotman, "Evolution in the conceptualization of dementia and Alzheimer's disease: Greco-roman reriod to the 1960s", Neurobiology of Aging, Vol. 19, No. 3, pp. 173-189, 1998.

상세보기
G. Waldemar, "Recommendations for the diagnosis and management of Alzheimer's disease and other disorders associated with dementia: EFNS guideline", Eur. J. Neurol., Vol. 14, No. 1, pp. 1-26, 2007.
R. Brookmeyer, E. Johnson, K. Ziegler-Graham, and M. H. Arrighi, "Forecasting the global burden of Alzheimer's disease", Alzheimers. Dement., Vol. 3, No. 3, pp. 186-191, 2007.

상세보기
M. Silveira and J. Marques, "Boosting Alzheimer disease diagnosis using PET images", 2010 International Conference on Pattern Recognition
E. Salmon, B. Sadzot, P. Maquet, C. Degueldre, C. Lemaire, P. Rigo, D. Comer, and G. Franck, "Differentialdiagnosis of Alzheimer's disease with PET", J. Nucl. Med., Vol. 35, No. 3, pp. 391-398, 1994 .

상세보기
I. Allaman, M. Gavillet, M. Be langer, T. Laroche, D. Viertl, H. A. Lashuel, and P. J. Magistretti, "Amyloidaggregates cause alterations of astrocytic", Metabolic Phenotype: Impact on Neuronal Viability, J. Neurosci., Vol. 30, No. 9, pp. 3326-3338, 2010.

상세보기
http://tools.invitrogen.com/content/sfs/manuals/des_man.pdf
A. Dahanukar, K. Foster, W. M. van der Goes van Naters, and J. R. Carlson, "A Gr receptor is required for response to the sugar trehalose in taste neurons of Drosophila", Nat. Neurosci., Vol. 4, pp. 1182-1186, 2001.

상세보기
A. Dahanukar, Y. T. Lei, J. Y. Kwon, and J. R. Carlson, "Two Gr genes underlie sugar reception in Drosophila", Neuron, Vol. 56, pp. 503-516, 2007.

상세보기
L. A. Weiss, A. Dahanukar, J. Y. Kwon, D. Banerjee, and J. R. Carlson, "The molecular and cellular basis of bitter taste in drosophila", Neuron, Vol. 69, pp. 258-272, 2011.

상세보기
T. Matsuo and M. Esashi, "Method of ISFET fabrication", Sens. Actuator B-Chem., Vol. 1, pp. 77-96, 1981.

상세보기
S. Yoshida, N. Hara, and K. Sugimoto, "Development of a wide range pH sensor based on electrolyteinsulator-semiconductor structure with corrosionresistant $Al_{2}O_{3}Ta_{2}O_{5}$ and $Al_{2}O_{3}ZrO_{2}$ double-oxide thin films", J. Electrochem. Soc., Vol. 151, pp. H53-H58, 2004.

상세보기
S. Jamasb, S. Collins, and R. L. Smith, "A physical model for drift in pH ISFETs", Sens. Actuator B-Chem., Vol. 49, pp. 146-155, 1998.

상세보기
T. M. Pan, M. D. Huang, C. W. Lin, and M. H. Wu, "Development of high- $kHoTiO_{3}$ sensing membrane for pH detection and glucose biosensing", Sens. Actuator B-Chem., Vol. 144, pp. 139-145, 2010.

상세보기
R. E. G. Hal, J. C. T. Eijkel, and P. Bergveld, "Novel description of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer capacitance as key parameters.", Sens. Actuator B-Chem., Vol. 24, pp. 201-204, 1995.

상세보기
T. E. Bae, H. J. Jang, and W. J. Cho, "Enhanced sensing properties by dual-gate ion-sensitive fieldeffect transistor using the solution-processed $Al_{2}O_{3}$ sensing membranes", Jap. J. Appl. Phys., Vol. 52, p. 06GK03, 2013.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증