기존 기술 대비 1 천 배 높은 민감도로 20분만에 신속하게 암을 진단할 수 있는 기술이 개발돼 향후 다양한 의료 현장에서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 바이오·헬스재료연구본부 정호상 박사 연구팀이 혈액 내에 존재하는 아주 적은 양의 암세포 DNA를 고감도로 검출해 암 조기진단이 가능한 광학 기반 바이오센서를 개발했다.

이 기술은 기존 액체생검(liquid biopsy) 방식보다 민감도와 정확도가 월등히 뛰어나며, 인공지능(AI)과 빛을 활용해 간단한 방식으로 암을 조기에 진단할 수 있다는 점에서 차별화된다.

암세포가 발생하면 혈액 속 DNA의 표면에 화학적 변화(메틸화)가 생긴다. 반면에 초기 암 단계에서는 메틸화된 DNA의 농도가 매우 낮아 기존 바이오센서로는 이를 정확하게 검출하기 어려웠다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 빛의 신호와 AI 분석을 활용한 고감도 바이오센서 소재를 개발했다. 이 센서는 플라즈모닉 소재를 적용해 빛을 증폭시킬 수 있으며, 이를 통해 DNA의 광학 신호를 기존보다 1억 배 이상 증폭할 수 있다.
 

이 덕분에 연구팀은 암이 발생한 초기 단계에서도 메틸화된 DNA를 25fg/mL(펨토그램 퍼 밀리리터) 수준으로 검출할 수 있게 됐다.

이는 한 방울의 물에 설탕 1천분의 25 알갱이를 넣은 정도의 극미량을 감지할 수 있는 수준으로, 기존 바이오센서보다 1천 배 더 정밀한 검출 능력을 갖춘 것이다.

연구팀은 개발한 바이오센서를 대장암 환자 60명을 대상으로 테스트한 결과, 암의 유무를 99% 정확도로 판별했다. 뿐만 아니라 암의 진행 단계도 1기부터 4기까지 구분하는 데 성공했다.

해당 분석 과정에서 필요한 혈액량은 100uL(마이크로리터)로 매우 적으며, 검사 시간도 20분 이내로 빠르다. 기존 방식처럼 복잡한 분석 과정을 거치지 않고도 신속한 조기 진단이 가능한 것이 특징이다.

이 기술은 전처리 없이 극소량의 암 DNA를 검출할 수 있어 조기 암 진단 시장에서 높은 경쟁력을 가질 것으로 평가된다.

특히 병원, 건강검진센터, 자가진단 키트, 이동형 진단 장비 등 다양한 의료 환경에서 적용 가능하며, 정밀 의료뿐만 아니라 현장진단(POCT)에도 활용할 수 있을 전망이다.

연구책임자인 정호상 선임연구원은 “이번 기술은 암 조기진단뿐만 아니라 예후 예측 및 치료 반응을 분석할 수 있는 차세대 진단 플랫폼”이라며 “앞으로 자가면역 질환, 신경계 질환 등 다양한 질병으로 적용 범위를 확대할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 바이오의료기술개발사업, 소재글로벌영커넥트사업, 한국재료연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 세계적인 학술지 ‘어드밴스트 사이언스(Advanced Science, IF:14.3)’ 2025년 5월호에 5월9일자로 게재됐다.