초록 ▼

연구의 목적 및 내용
▷ 연구의 목적: 혈액으로부터 병원균 유전자 검출까지 전 과정이 일체화된 Lab-on-a-disc 개발
▷ 연구 내용: 최근 분자 진단 분야의 랩온어칩 연구는 많은 발전을 이루어 왔지만 인공적으로 버퍼를 만들어 사용한 연구가 대부분이며, 혈액과 같은 실제 샘플에 적용하기에 많은 문제점이 예상 된다. 또한 감염성 질환의 경우 혈액 내에 극미량으로 존재하여 수 mL의 샘플 처리를 요하는데 이는 미세유체칩에 직접 적용하기에 무리가 있다. 이에 본 연구팀은 실제 혈액 내에 극미량 존재하는 병원균을 분리, 농

연구의 목적 및 내용
▷ 연구의 목적: 혈액으로부터 병원균 유전자 검출까지 전 과정이 일체화된 Lab-on-a-disc 개발
▷ 연구 내용: 최근 분자 진단 분야의 랩온어칩 연구는 많은 발전을 이루어 왔지만 인공적으로 버퍼를 만들어 사용한 연구가 대부분이며, 혈액과 같은 실제 샘플에 적용하기에 많은 문제점이 예상 된다. 또한 감염성 질환의 경우 혈액 내에 극미량으로 존재하여 수 mL의 샘플 처리를 요하는데 이는 미세유체칩에 직접 적용하기에 무리가 있다. 이에 본 연구팀은 실제 혈액 내에 극미량 존재하는 병원균을 분리, 농축하고, 이를 lysis하여 유전자를 분리 정제한 이후에 유전자를 증폭과정을 거쳐 농도를 분석하는 전체 과정이 일체화된 Lab-on-a-disc를 세계 최초로 개발 하고자 연구를 진행 하였다.
연구결과
▷ 연구 결과
● 자성 비드를 활용하여 타겟 분리, 농축 모듈을 개발 및 2종의 박테리아 활용하여 성능 검증
- 샘플: < 1 mL, 시간: < 10분, 회수율: > 90 %
● Laser와 자성 비드를 활용한 lysis법 개발 및 적용
- 최종 샘플 volume: 5 μL, 시간: 10초
● Laser를 활용하여 non-contact heating 방법을 개발하고 PCR을 수행하여 검증 함.
- 샘플: 5 μL, 시간: 30분, 검출 한계: 10 cfu/mL
● 농축 모듈 및 핵산 추출 모듈을 integration 하여 성능 측정
- 시간: 15분, 검출 한계: 10 cfu/mL
● 분자 진단 전 과정을 수행하기 위한 시스템을 integration 하였으며, 성능 최적화 중
- 시간: < 1시간, 검출 한계: 10 cfu/mL
● Whole blood 성능평가 후 Lab-on-a-disc 상 재현성 실험 중
- 시간: < 1시간, 검출 한계: 10 cfu/mL
▷ 연구 성과
● 우수한 SCI 저널 논문 게재: 총 8건 (Lab Chip 3건, Anal. Chem. 2건 등)
● 지식 재산권: 특허 출원 5건 (국내 4건, 국외 1건), 특허 등록 1건 (국내 1건)
● 국제학회 기조강연 1회 및 초청강연 3회, 학술대회 논문 발표 23건 (국내 4건, 국외 19건)
연구결과의 활용계획
▷ 추가 연구의 필요성
● 개발된 분자 진단 디바이스의 활용 가능성을 높이기 위해 실제 환자 샘플을 이용한 후속연구가 필수적이며, 이를 위하여 부산대학병원 진단검사학과와 협력 연구 진행 중임.
● 본 과제 수행을 통해 개발 된 박테리아 포획 및 lysis 법을 활용하고, 본 연구팀에서 보유하고 있는 nanofiber 제작기술을 융합하여 초고감도 박테리아 센서를 만들고자 함. 예를 들어, 칩 표면에 전기방사법으로 nanofiber를 증착하여 항체가 고정화 할 수 있는 표면적을 크게하여 센서의 검출 민감도를 극대화 시키는 연구를 수행하고자 함.
▷ 타 연구에의 응용 가능성
● 본 연구에 의해 개발 된 타겟 농축, cell lysis, 유전자 증폭 및 검출 모듈은 식중독이나 감염성 질환 진단, circulating tumor cell 등 rare cell 검출 등 관련 연구에 높은 활용도를 가짐.
● 이미, 우유로부터 살모넬라 식중독균의 검출 관련 전과정을 자동으로 수행 할 수 있는 랩온어디스크를 개발 중임.
● 본 과제 수행 중에 개발한 핵심 기술들은 특허를 출원하였으며 (국내 4건, 미국 1건), 향후기술 이전 및 실용화로 이어질 수 있도록 할 계획임.

Abstract ▼

Purpose& contents
▷ Research goal: Development of fully integrated Lab-on-a-Disc for molecular diagnostics of infectious disease from whole blood.
▷ There have been great interests in development of tools for the fully integrated, miniaturized, high sensitive molecular diagnostics for biomedic

Purpose& contents
▷ Research goal: Development of fully integrated Lab-on-a-Disc for molecular diagnostics of infectious disease from whole blood.
▷ There have been great interests in development of tools for the fully integrated, miniaturized, high sensitive molecular diagnostics for biomedical applications. However, most of them have used samples diluted in buffers, not real samples such as human whole blood. Moreover, large volume of sample (~ mL) is required to be tested in case of the rare cell detection such as infectious disease. However, it was troublesome to deal with large volume of sample in microfluidic chips. Here, we have developed a fully integrated lab-on-a-disc enabling target concentration, cell lysis, DNA amplification, and final detection for molecular diagnostics of infectious disease from whole blood.
Result
▷ Research results:
● Development of the target separation and enrichment module using antibody modified magnetic particles and evaluation with two kinds of bacteria samples.
- Sample volume: < 1 mL, time: < 10 min, recovery rate: > 90 %
● Development and application of lysis module using the laser and magnetic beads.
- Final sample volume: 5 μL, lysis time: 10 sec
● Implementation of PCR with wireless heating method using a diode laser.
- Sample volume: 5 μL, time: 30 min, detection limit: 10 cfu/mL
● Integration of enrichment module and lysis module and evaluation
- Operation time: 15 min, detection limit: 10 cfu/mL
● Development of fully integrated system for molecular diagnostics and final optimization is in progress.
- Total operation time: < 1 hour, detection limit: 10 cfu/mL
● Evaluation of the feasibility in human whole blood and repeatability test is on going.
- Total operation time: < 1 hour, detection limit: 10 cfu/mL
▷ Accomplishments:
● Publication of papers in high quality SCI journals: Total 8 papers (3 Lab Chip, 2 Anal. Chem., 1 RSC Advances, 1 Sensors and Actuators B, 1 ACS Applied Materials and Interfaces)
● Patents: Patent application 5 (4 KR, 1 USA), patent registration 1 (KR)
● 1 Plenary talk in international conference, MicroTAS, and 3 invited talks, and 23
conference presentation ( 4 Domestic, 19 International conferences)
Expected Contribution
▷ The unit modules developed by our research, e.g. target concentration, cell lysis, DNA amplification and detection module, can be very useful tools for other molecular diagnostic applications such as food pathogen detection or rare cell detection in the applications of infectious diseases or circulating tumor cell detection.
▷ Our group already have been developed a fully integrated lab-on-a-disc for Samonella detection from milk using the proposed techniques.
▷ 5 patents for essential techniques for this researches have been applied and we plan to do technology transfer in the future.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 16
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 23
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 40
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 46
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 47
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 56
• 8. 참고문헌 ... 57
• 9. 연구성과 ... 60
• 10. 기타사항 ... 68