A biobarcode assay incorporated lab-on-a-chip for highly sensitive and multiplex biological agent detection

Abstract

오늘날 생화학테러로 인한 사상자의 발생 및 경제적 손실 등의 피해가 크게 퍼지는 것을 막기 위해, 고위험병원체의 조기 진단이 매우 중요한 주제로 떠오르고 있다. 바이오바코드 어세이는 고위험병원체의 고속, 고감도 및 다중 검출에 적합하며, 이를 랩온어칩 기술과 접목시킬 경우 차세대 휴대용 진단 기기로써 쓰일 가능성이 있다. 본 연구에서는, 다섯 가지의 고위험병원체(Bacillus anthracis, Francisella tularensis, Yersinia pestis, Vaccinia virus, Botulinum toxin A)를 동시에 검출하기 위해 바이오바코드 어세이가 결합된 통합형 마이크로디바이스를 개발하였다. 바이오바코드 어세이 통합형 마이크로디바이스의 개발에 앞서, 바이오바코드 어세이 및 모세관 전기영동 기술을 이용한 고효율, 고감도 및 다중 고위험병원체 검출 플랫폼을 개발하였다. 이를 통해 단일 병원체 검출뿐만 아니라 다중 병원체 검출 또한 확인할 수 있었다. 우선 바이오바코드 어세이를 통하여 자성 마이크로입자-병원체-폴리스티렌 마이크로입자 복합체가 형성되었으며, FAM이 결합된 단일 가닥 바코드 DNA가 복합체로부터 해리 되었다. 길이가 다른 각각의 바코드 DNA는 특정 고위험병원체를 의미했으며, 칩 위에서의 모세관 전기영동을 통해 얻은 피크의 용리 시간에 따라, 높은 정확성으로 타겟을 구별해 낼 수 있었다. 또한 두 개의 래더 프로브를 항상 같이 넣어줌으로써, 타겟 바코드 DNA의 정확한 위치를 정할 수 있었다. 이 시스템을 통하여 Bacillus anthracis, Francisella tularensis, Yersinia pestis, Vaccinia virus 단일 병원체를 50 CFU/mL의 농도까지 검출할 수 있었으며, Botulinum toxin A는 12.5 ag/mL까지 검출할 수 있었다. Phosphate buffered saline뿐만 아니라 여러 병원체와 함께 혈청에 섞인 타겟 고위험병원체의 다중 검출 또한 성공적으로 확인하였다. 결론적으로, 바이오바코드 어세이 및 온칩 모세관 전기영동에 기반한 본 분석 플랫폼은 고속, 고감도, 다중 및 정확성 높은 고위험병원체 검출을 가능케 하였다. 검출 플랫폼 확립 후, 통합형 고위험병원체 검출 마이크로디바이스를 개발하였다. 마이크로디바이스는, 샘플 및 프로브입자를 디바이스에 주입시킬 마이크로펌프, 프로브입자 및 고위험병원체 사이의 결합을 유도해 자성 마이크로입자-병원체-폴리스티렌 마이크로입자 복합체 형성을 돕는 수동혼합기, 복합체를 정제할 자성 분리 챔버, 및 바코드 DNA를 분리하고 확인할 모세관 전기영동 채널로 이루어져있다. 단일 병원체는 102 CFU/mL의 농도까지 분석 가능했으며, 103 CFU/mL 농도로 섞인 다중 병원체들 또한 분석 가능하였다. 이에 더불어, 혈청 혹은 다른 여러 병원체들과 섞인 F. tularensis의 존재 또한 명확히 검출해 낼 수 있었다. 샘플 주입부터 검출까지의 모든 과정을 30분 이내로 확립하였으며, 이러한 마이크로디바이스는 고속 샘플 현장 진단 등의 분야에서 응용될 수 있을 것이다.