[논문]물 환경 내 항생제 약물 분석을 위한 바이오센서 개발 연구 동향

고은서; 이혜진

doi:10.14478/ace.2016.1107

물 환경 내 항생제 약물 분석을 위한 바이오센서 개발 연구 동향
Development Trend of Biosensors for Antimicrobial Drugs in Water Environment 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.6, 2016년, pp.565 - 572

고은서 (경북대학교 자연과학대학 화학과 및 청정나노소재 연구소) , 이혜진 (경북대학교 자연과학대학 화학과 및 청정나노소재 연구소)

초록
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최근 국내 수질오염에 대한 높은 관심과 개선의 필요성이 요구되는 가운데 물 환경 속의 약물의 잔류는 인체를 포함한 생태계의 약물 내성을 일으킨다는 점에서 지속적인 모니터링의 필요성이 제기되고 있다. 특히 약물 중 큰 비율을 차지하는 항생제의 잔류는 하천을 통해 빠르게 생태계의 내성균 확산을 일으킬 수 있다는 점에서 매우 큰 위험요소라고 할 수 있다. 따라서 본 총설에서는 물 환경 속의 항생제 분석이 실시간으로 가능한 신속한 센싱 플랫폼 기반 기술을 서술하고자 하며 이와 관련한 국내/외 연구현황과 발전가능성 및 그에 따른 산업/경제적 효과에 대해 논의하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

While there have been great demands on improving domestic water pollution issues, the necessity for real time monitoring of particular drug residues in water resources has been raised since drug residues including antibiotics could provoke new trains of drug-resistant bacteria in water environments. Among many different types of drugs used for pharmaceutical treatment, antibiotics are considered to be one of the most hazardous to our ecosystem since they can rapidly promote the spreading of drug-resistant bacteria in water environments. In this mini-review, we will highlight recent developments made on creating in-situ sensing platforms for the fast monitoring of antibiotic residues in aquatic environmental samples focusing on optical and electrochemical techniques. Related recent technology developments and the resulting economy effects will also be discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(iii) 매우 낮은 농도로 존재하여도 생태계에 위협을 줄 수 있는 환경호르몬, 약물, 중금속 등과 같은 환경독성물질의 검출이나 질병진단을 위한 생체물질의 분석을 위해서는 바이오센서의 감도를 증대하는 것이 요구되는데 이를 위해 최근 나노기술을 바이오센서에 도입하는 사례를 들 수 있으며, 특히 우수한 광학적/전기적 성질을 지니고 높은 표면 대 용량비를 갖는 금속성 나노입자들이 센서의 감도를 높이기 위해 많이 사용된다[24]. 본 섹션에서는 주로 항생제 약물을 좀 더 고감도 및 고선택적으로 검출할 수 있는 몇 개의 대표적인 광학 및 전기 화학 기반의 바이오센싱 플랫폼에 대해 논의하고자 한다.
따라서 이러한 문제점을 보완 가능하면서도 물 환경에서의 초저농도 항생제 검출이 가능하도록 매우 높은 감도와 선택성을 갖춘, 더 나아가서는 빠른 분석시간과 기기의 소형화 및 다중측정이 가능한 새로운 플랫폼의 바이오센서 개발이 필요하다. 본 총설에서는 물 환경 속에 항생제 검출에 응용 가능한 여러 방법들 가운데 광학과 전기화학기반의 바이오센서를 중심으로 비교적 최근에 이루어진 몇 가지 연구사례를 통해 이들의 간단한 기본원리와 최근 연구동향을 소개하고 앞으로 나아가야 할 연구방향과 발전 가능성에 대해 논의하고자 한다.
본 총설에서는 물 환경 속에서 항생제 농도를 측정하여 환경 모니터링에 초점을 맞춘 분석장비로서의 바이오센서의 기술 현황과 그 발전가능성에 대하여 논의하였다. 특히 현장중심의 측정기반 센서에서는 무엇보다 민감도와 선택성이 중요하며 이들을 높이기 위한 다양한 학문분야의 융합이 요구되고 있다.

제안 방법

12µm 두께의 얇은 PET 필름에 바늘을 이용하여 마이크로 홀을 뚫고 2-nitrophenyloctyl ether 유기용매에 PVC를 넣어 마이크로홀 필름에 핫캐스팅 방법으로 젤화하여 수용액과 접촉시켜 수용액/유기성젤 마이크로홀 계면 기반의 센서를 제작하였다.
Figure 3에서 보듯이 RNA 압타머의 5’-말단에는 thiol을 붙여 금 전극 표면에 고정시키고 3’-말단에는 산화/환원 반응을 통해 전기화학적 신호를 낼 수 있는 methylene blue로 변형하여 사용하였다. 분석물(항생제)이 압타머에 결합할 때 압타머의 구조가 바뀌게 되고 이로써 methylene blue의 위치에도 변화를 주어 faradaic 전류값이 달라지는 것을 측정함으로써 항생제를 정량 분석하였다. 특히 어래이 형태의 32개의 금 전극을 제작하여 다중 검지를 시도하였으며, 이를 통해 gentamicin, tobramycin, kanamycin를 10 s 이내의 검출시간으로약 2-6 µM의 영역에서 검출할 수 있었다.
12µm 두께의 얇은 PET 필름에 바늘을 이용하여 마이크로 홀을 뚫고 2-nitrophenyloctyl ether 유기용매에 PVC를 넣어 마이크로홀 필름에 핫캐스팅 방법으로 젤화하여 수용액과 접촉시켜 수용액/유기성젤 마이크로홀 계면 기반의 센서를 제작하였다. 세 개의 pKa 값을 갖는 topotecan의 경우, 선택적인 검출을 위해 수용액의 pH로 4로 고정하고 protonation 된 topotecan으로 전하를 띠게 하여 약물이 계면을 전이할때 전류값이 증가하는 것을 측정하였다. 센서의 감도를 증대하기 위해 topotecan전이하는 전위에서 약 30 s간 홀딩하여 유기젤층으로 전이시켜 농축한후 전위를 양의 값에서 음의 값으로 빠르게 스캔하여 농축된 약물 이온을 다시 물층으로 전이시키는 방법인 시차펄스벗김전위법(differential pulse stripping voltammetry, DPSV)을 이용하였으며 이를 통해 약 0.
이를 위해 먼저 전기화학적 활성을 갖는 fluorescein과 컨쥬게이션한 operator DNA의 fluorescein 부분과 결합하는 fluorescein-항체를 칩 표면 위에 고정하고, 이에 fluorescein-DNA와 biotin으로 컨쥬게이션한 항생제 억제단백질 (TetR) 및 avidin으로 코팅된 glucose oxidase를 흘려주어 순차적으로 표면에 복합체를 형성한 후 tetracycline이 포함된 분석시료를 칩에 흘려주면, tetracycline에 특이성을 보이는 억제단백질(TetR)은 tetracycline를 만나 구조의 변화를 일으키고, 이로 인해 억제단백질(TetR)은 operator DNA (tetO)에 결합할 수 없게 되어 억제단백질(TetR)에 붙어 있는 클루코스 산화효소는 전극표면으로부터 떨어지게 된다. 이때 글루코즈 산화효소까지 코팅된 전극을 글루코즈 기질에 담그면 H₂O₂가 생성되고 이를 Pt 작업전극에서 산화시켜 전류값을 측정하는 원리를 이용한 방법이며, 특히 tetracycline 농도가 높을수록 산화효소의 양이 감소되고 따라서 전류 값도 감소되는 것을 측정함으로써 사람의 혈장에 존재하는 tetracycline과 pristinamycin항생제의 농도를 동시에 검출하였다. 뿐만 아니라, 다중 감지 성능을 도입한 다른 전기화학기반의 바이오센서에는 혈장에 존재하는 aminoglycoside계 항생제를 검출할수 있는 RNA 압타머 센서를 개발한 Plaxco그룹의 연구 결과도 들 수 있다[32].
이때 사용된 mercaptophenylboroni acid는 mercapto 그룹은 금 나노입자에 고정되고, boronic acid는 하이드록실기를 가지고 있는 항생제인 neomycin, kanamycin, streptomycin에 배위결합을 할 수 있어 센서의 선택성을 증대하는 역할을 제공하였다. 이렇게 만들어진 폴리머와 항생물질의 특이적인 결합반응과 함께 나노입자의 국소적인 플라즈몬과 금 표면에서의 플라즈몬의 커플링을 이용하여 매우 우수한 감도로 항생제 검출이 가능하게 했으며 neomycin, kanamycin, streptomycin에 대해 각 2, 1, 0.2 pM의 검출한계를 얻었다. 최근 연구의 관심사는 기기의 소형화와 빠른 검출시간과 더불어 한 번의 측정으로 다양한 물질의 검출이 가능한 분석의 다중화(multiplexing)에 있는데, 다양한 바이오리셉터를 어래이 형태로 금속 박막칩에 고정하여 charge-coupled device (CCD) 카메라를 통해 다양한 물질의 결합을 한 번에 스크리닝하는 SPR 이미징 플랫폼을 이용하여 Sabina 연구팀은 완충용액과 우유에서 7가지의 항생물질을 ppb 수준으로 검출한 결과를 보고하였다[28].
은 동시에 최대 8가지의 enzyme-linked assays (ELAs)를 할 수 있으며, 각 채널 당 수백 nL의 매우 작은 용량의 샘플이 필요하고 장기간(3개월 이상) 보관 가능하도록 센서 표면을 dry film photoresist (DFR)로 처리한 전압전류법 기반의 항생제 검출용 전기화학센서를 개발했다[31]. 이를 위해 먼저 전기화학적 활성을 갖는 fluorescein과 컨쥬게이션한 operator DNA의 fluorescein 부분과 결합하는 fluorescein-항체를 칩 표면 위에 고정하고, 이에 fluorescein-DNA와 biotin으로 컨쥬게이션한 항생제 억제단백질 (TetR) 및 avidin으로 코팅된 glucose oxidase를 흘려주어 순차적으로 표면에 복합체를 형성한 후 tetracycline이 포함된 분석시료를 칩에 흘려주면, tetracycline에 특이성을 보이는 억제단백질(TetR)은 tetracycline를 만나 구조의 변화를 일으키고, 이로 인해 억제단백질(TetR)은 operator DNA (tetO)에 결합할 수 없게 되어 억제단백질(TetR)에 붙어 있는 클루코스 산화효소는 전극표면으로부터 떨어지게 된다. 이때 글루코즈 산화효소까지 코팅된 전극을 글루코즈 기질에 담그면 H₂O₂가 생성되고 이를 Pt 작업전극에서 산화시켜 전류값을 측정하는 원리를 이용한 방법이며, 특히 tetracycline 농도가 높을수록 산화효소의 양이 감소되고 따라서 전류 값도 감소되는 것을 측정함으로써 사람의 혈장에 존재하는 tetracycline과 pristinamycin항생제의 농도를 동시에 검출하였다.
의 연구가 있다[26]. 즉, 금 박막 표면에 자가조립단막을 형성하고 oligoethyleneglycol (OEG)으로 컨쥬게이션한 ovalbumin (OVA)를 이용하여 분석 항생제인chloramphenicol (CAP)를 고정한 후 CAP에 특이적으로 결합하는 anti-CAP antibody (mAb)와 금 나노입자에 코팅된 immunoglobulin G (IgG)를 순차적으로 흘려주어 금 표면에 복합체를 형성함으로써 CAP 검출에 있어서 0.74 fg/mL의 CAP 검출한계와 1-1000 fg/mL농도영역에서 직선성을 얻었다. 이와 함께, Wilner 연구 그룹은 분석 표적 항생제가 존재할 때에만 복합체를 형성하는 방식으로 좀 더 선택적으로 aminoglycoside계 항생제를 검출한 결과를 보고하였다[27].
특히 어래이 형태의 32개의 금 전극을 제작하여 다중 검지를 시도하였으며, 이를 통해 gentamicin, tobramycin, kanamycin를 10 s 이내의 검출시간으로약 2-6 µM의 영역에서 검출할 수 있었다.

이론/모형

센서의 감도를 증대하기 위해 topotecan전이하는 전위에서 약 30 s간 홀딩하여 유기젤층으로 전이시켜 농축한후 전위를 양의 값에서 음의 값으로 빠르게 스캔하여 농축된 약물 이온을 다시 물층으로 전이시키는 방법인 시차펄스벗김전위법(differential pulse stripping voltammetry, DPSV)을 이용하였으며 이를 통해 약 0.1 µM의 topotecan을 검출할 수 있음을 확인하였다[38].

성능/효과

8 µg/L에 달하였다. 국내 하천에서는 항생제에 내성을 가진 내성균들도 검출되었는데, 전국 하천에서 가장 강력한 최후의 항생제로 알려진 vancomycin 내성균(VRE)이 발견되었고, 특히 낙동강 본류지역에서는 타 지역의 하천들 대비 매우 높은 비율이 검출되었다. 이처럼 국내 하천에서 항생제 또는 항생제 내성균이 검출된다는 것은 우리가 항생제를 직접적으로 복용하지 않았음에도 불구하고 식수 또는 음식을 통해서 간접적인 섭취를 할 수 있다는 것을 의미하고 이것은 곧 추후 치료 및 수술에 사용될 항생제에 대한 내성을 가질 수 있다는 것을 내포한다[9-10].
이때 임피던스 분광법을 이용하여 ciprofloxacin을 1 × 10-12에서 1 × 10-6 g/mL농도 범위에서 검출할 수 있었으며, 1 × 10-12 g/mL (3 pmol/L)의 검출한계를 얻을 수 있었다.
하수처리장 방류수에서도 13종의 의약물질이 검출되었고 그중 neomycin의 농도는 최고 7.8 µg/L에 달하였다.

후속연구

또한 장비의 구입/유지비용이 많이 들고 분석자의 숙련된 노하우를 요구하는 등의 단점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 보완 가능하면서도 물 환경에서의 초저농도 항생제 검출이 가능하도록 매우 높은 감도와 선택성을 갖춘, 더 나아가서는 빠른 분석시간과 기기의 소형화 및 다중측정이 가능한 새로운 플랫폼의 바이오센서 개발이 필요하다. 본 총설에서는 물 환경 속에 항생제 검출에 응용 가능한 여러 방법들 가운데 광학과 전기화학기반의 바이오센서를 중심으로 비교적 최근에 이루어진 몇 가지 연구사례를 통해 이들의 간단한 기본원리와 최근 연구동향을 소개하고 앞으로 나아가야 할 연구방향과 발전 가능성에 대해 논의하고자 한다.
농림수산식품부의 2011년 자료에 따르면 2000년부터 구제역이나 조류 인플루엔자와 같은 감염성 질병으로 살처분한 가축으로 인한 피해금액은 총 2조 3000억 원에 다다르며 영국 항생제 대책 위원회는 2050년까지 항생제 내성 확산에 따른 세계 각국 대응비용이 연간 63조 파운드가 될 것이라고 예상했다[1]. 이러한 수치는 신속하고 정확한 현황파악으로 인한 예방 및 대책의 중요성을 말해주며 따라서 바이오센서의 환경분야 검출에 대한 많은 기술개발이 지금보다 더 활발히 이루어져야 할 것으로 보인다.
질병진단과 같은 의료분야의 칩 기반 센서와 달리 환경분야에서의 센싱 기술은 그 잠재적 수요가 매우 높음에도 불구하고 아직까지는 많은 연구가 활발히 이루어지지 않은 분야이다. 특히 강물에서의 항생제 검출 기술은 지속적인 수생태계 모니터링을 통해 수질오염을 예방하고 회복시키는데 결정적인 역할을 할 것이며 궁극적으로는 인류가 직면한 심각한 문제인 약물의 내성문제에 해결책을 가져다 줄 수 있을 것이다. 이를 위해서는 다양한 학문분야의 융합과 사회 각 분야에서의 지속적이고 적극적인 관심과 지원이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항생제 내성균의 생성을 예방하기 위해선 어떠한 노력이 필요한가?	새로운 항생제 개발은 지속적으로 감소하는 데에 반해, 기존 약물에 대한 내성균은 계속 새로 생성되고 있으므로 가까운 미래에는 더 이상 치료에 쓸 약이 없는 상황이 닥칠 수도 있다[5]. 항생제 내성균의 생성을 예방하기 위해서는 병원에서의 적절한 처방과 환자들의 올바른 섭취뿐만 아니라 약물이 자연환경에 최대한 노출되지 않도록 하는 게 중요하다[6-7]. 그러나 많은 의약물질들이 병원이나 가정 또는 의약품 생산 공장에서의 폐기, 항생제가 함유된 사료의 폐기와 같은 직접적인 유출뿐만 아니라 사람이나 동물의 체내에서 미처 대사되지 못한 배설에 의한 유출 등 다양한 경로를 통하여 수중으로 유입되고 있다[8].
	하천 또는 강물속의 항생제를 검출하기 위한 장비에는 어떠한 것들이 있는가?	하천 또는 강물 속에서 항생제를 검출하기 위해 GC, LC, HPLC, MS, GC-MS/ECD 및 LC-MS 같은 비교적 이미 개발이 잘 되어 있는 전통적인 분석 장비를 사용할 수 있다[11-13]. 이러한 분석 기기들은 훌륭한 선택성과 감도 혹은 검출한계를 가지고 있지만, 샘플을 먼저 채취한 후 기기가 놓인 실험실로 운반해야 하며 워싱 혹은 추출과 같은 복잡하고 반복적인 전처리 과정이 필요하므로 현장측정이 불가능하다.
	항생제 내성균은 어떠한 경로를 통해 수중으로 유입되는가?	항생제 내성균의 생성을 예방하기 위해서는 병원에서의 적절한 처방과 환자들의 올바른 섭취뿐만 아니라 약물이 자연환경에 최대한 노출되지 않도록 하는 게 중요하다[6-7]. 그러나 많은 의약물질들이 병원이나 가정 또는 의약품 생산 공장에서의 폐기, 항생제가 함유된 사료의 폐기와 같은 직접적인 유출뿐만 아니라 사람이나 동물의 체내에서 미처 대사되지 못한 배설에 의한 유출 등 다양한 경로를 통하여 수중으로 유입되고 있다[8].

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저자의 다른 논문 :

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].

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