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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.31 No.6 pp.585-590
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2020.1093

Recent Research Trend in Lateral Flow Immunoassay Strip (LFIA) with Colorimetric Method for Detection of Cancer Biomarkers

Sooyoung Lee, Hye Jin Lee†
Department of Chemistry, Kyungpook National University, Daegu 41566, Republic of Korea
†Corresponding Author: Kyungpook National University, Department of Chemistry, Daegu 41566, Republic of Korea Tel: +82-53-950-5336 e-mail: hyejinlee@knu.ac.kr
November 11, 2020 ; November 20, 2020 ; November 21, 2020

Abstract


Successful early diagnosis of cancer diseases such as lung, prostate, liver and adrenocortical carcinoma is a key step in determining the cost of treatment, survival rate, and cure rate. Most of current cancer diagnosis systems including biopsy, computed tomography (CT), positron emission tomography (PET)-CT, magnetic resonance imaging (MRI), ultrasonography, etc., require expensive and complicated equipment with highly trained human resources. Global medical and scientific communities have thus made numerous efforts on developing effective but rapid disease management system via introducing a wide spectrum of point-of-care medical diagnosis devices. Among them, a lateral flow immunoassay strip technique has gained a great attention due to many advantages such as cost-effectiveness, short inspection time, and user friendly accessibility. In this mini-review, we will highlight recent research trend on the development of colorimetry based LFIA strips for cancer diagnosis and discuss the future research direction and potential applications.


Cancer diseases , Biomarkers , Colorimetry , Lateral flow immunoassay , Noble metallic nanomaterials

암 바이오마커 검출용 비색법 기반 측면 흐름 면역 크로마토그래피 분석법(LFIA) 스트립의 최신 연구 동향

이수영, 이혜진†
경북대학교 자연과학대학 화학과

초록


암(예: 폐암, 전립선암, 간암, 부신겉질샘암종 등)의 조기 진단은 치료비용, 생존율, 완치 여부를 결정짓는 아주 중요한 단계다. 현재의 암 진단 시스템(예: 조직검사, 컴퓨터단층쵤영, 양전자방출단층쵤영, 자기공명영상, 초음파촬영 등)은 고가의 장비를 사용하거나 훈련된 고급 인력만이 수행 가능하기 때문에 신속한 조기 진단에 적합하지 못하다. 국제 의과 학 사회는 현장검사(point of care) 디바이스 개발을 통한 효과적인 질병 관리 시스템 개발을 지향하고 있으며, 다양한 분석법 기반의 디바이스가 개발되어왔다. 이 중에서도 측면 흐름 면역 크로마토그래피 분석법 스트립은 경제적인 비 용, 짧은 검사 시간, 사용자의 쉬운 접근성 등의 많은 이점들이 있다. 본 논문에서는 LFIA 스트립의 최신 연구 동향을 바탕으로 암 진단 관점에서의 비색법 기반 LFIA 스트립의 연구 방향 및 잠재적 응용에 대해 논의하고자 한다.


    1. 서 론

    암 치료는 조기 진단 성공 여부에 따라 치료비용, 생존율, 완치 여부 가 대부분 결정된다. 대부분의 암 진단 검사는 훈련된 인력만이 수행 할 수 있는 고가의 장비를 이용한 병원 기반 실험실에서 수행된다[1]. 그 중 가장 보편적인 방법은 종양표지자 검사이며 혈액검사를 통해 비교적 쉽게 암의 진단 및 예후 판정을 할 수 있다는 장점이 있으나, 대다수 병원에서 사용중인 종양표지자인 알파태아단백(α-fetoprotein, AFP), 전립선 특이항원(prostate specific antigen, PSA), 암항원 125 (cancer antigen, CA125), 암배아항원(carcinoembryonic antigen, CEA), 탄수화물항원 19-9 (carbohydrate antigen 19-9, CA19-9)[2]는 특이도 와 민감도가 낮아 정확한 진단을 위해서는 조직검사, 영상 의학적 검 사 등을 병행하여야 한다. 조직검사의 경우 매우 높은 정확도를 갖지 만, 침습적인 검사 방법으로 시료 채취 과정의 난이도 및 검사 결과 도출까지 필요한 시간을 고려했을 때, 암 조기 진단 방법으로 적합하 지 못하다.

    가장 이상적인 암 조기 진단법은 경제적인 검사 비용, 빠른 진단 시 간, 높은 신뢰도, 높은 유저 친화성, 비침습적 바이오 시료 채취 등의 특성을 갖는 것이다. 이러한 이유로 암 진단 의료 시스템 및 분석 프 로세스 개발자들은 현장 검사(point-of-care, POC) 진단 시스템을 개발 하는데 중점을 두고 있다[3]. 이상적인 POC 장치는 세계 보건 기구인 WHO에서 제공하는 가이드라인인 ASSURED를 따르며 이는 affordable (경제적), sensitive (민감도), specific (특이성), user-friendly (편리 한), rapid (신속성), equipment-free (장비프리), delivered (최종 사용자 에게 제공 가능한)의 약어이다[4]. 현재의 많은 POC 장치는 ASSURED 가이드라인에 가장 적합한 측면 흐름 면역 크로마토그래피 분석법 (lateral flow immunoassay, LFIA) 기반으로 개발되며 적용되고 있다[1].

    LFIA는 경제적인 비용, 짧은 검사 시간, 사용자의 쉬운 접근성 등 의 여러 가지 장점으로 인해 현재 암 조기 진단의 한계를 극복할 수 있는 진단 방법 중 하나로 대두되고 있다[1]. LFIA는 어떤 검출 라벨 을 사용하는가에 따라 색상, 발광, 라만 산란 등의 신호 기반으로 크 게 분류할 수 있으며, 디자인 변화 및 유동 흐름 제어를 통해 여러 포 맷으로 개발 가능하다[5,6]. 여러 포맷 중에서도 비색법 기반 LFIA 칩 은 진단 결과를 별도의 리더기 없이 사용자가 육안으로 확인할 수 있 다는 장점이 있다. 하지만 비색법 기반 LFIA의 경우, 다른 검출 라벨 기반 LFIA 포맷에 비해 신호의 세기가 약하여 검출 한계가 좋지 못해 정량 분석에 한계가 있다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해, LFIA 개발자들은 칩 디자인 변경, 분석 시료 처리 방법, 유동 흐름 제어, 신 뢰도 향상, 새로운 검출 라벨 개발 등을 통해 신호 세기 증폭에 대해 활발히 연구 중이다[6]. 본 미니총설에서는 LFIA의 간단한 원리 및 귀 금속 나노 입자를 검출 신호 형질로 적용한 비색법 기반 LFIA 스트립 의 연구 동향을 소개하고 이를 바탕으로 4종의 암(폐암, 전립선암, 간 암 및 부신겉질샘암종) 바이오마커 검출 관점에서의 비색법 기반 LFIA 스트립의 연구 방향 및 잠재적 응용에 대해 논의하고자 한다.

    2. LFIA 스트립의 기본 원리 및 제작 방법

    LFIA 스트립의 기본 원리 및 제작에 대한 개략도를 Figure 1에 단 순화하여 나타냈다. 대부분의 LFIA 스트립은 샘플패드(sample pad), 축합(conjugate)패드, 멤브레인(membrane)패드 및 흡습(absorbent)패드 로 부분적으로 나누어지며 이들을 감압 접착제로 주로 폴리염화비닐 소재의 백킹카드(backing card)에 부착한 형태를 갖고 있다[7]. 샘플패 드의 경우 분석물의 흡수가 용이하도록 일정한 두께나 밀도를 갖는 소재를 사용하는데 주로 셀룰로오스 섬유(cellulose fiber) 또는 직조 메시(woven mesh)가 활용되어왔으며 각 소재의 특성이 다르므로 분 석물에 맞게 선택하여 사용할 수 있다[7,8]. 직조 메시는 분석 시료 흡 착 부피(bed volume)가 적지만 제작비용이 높고, 샘플 컨디셔닝을 적 용할 수 없는 반면, 셀룰로오스 섬유는 분석 시료 흡착 부피가 많고, 경제적이며, 샘플 컨디셔닝을 적용할 수 있는 장점을 갖고 있어서 선 호되어 사용되고 있다[7]. 축합패드는 일정한 양의 분석 시료가 유지 될 수 있도록 낮은 비특이적 결합, 높은 흡수력, 일정한 시료 흡착 능 력을 갖추어야하며 주로 검출 표지(label)가 건조된 상태로 부착되어 있는 유리 섬유로 구성되어 검출 표지 보존 및 분석 시료를 균일하게 전달하는 역할을 하므로 LFIA 스트립의 분석 성능을 결정하는 중요 한 인자이기도 하다[6,7]. 다른 구성 성분 중에 하나인 멤브레인(membrane) 패드는 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 불화비닐리덴 수지(polyvinylidene, PVDF), 폴리에테르 술폰(polyether sulfone, PES) 등 여러 가지 소재로 구성될 수 있지만 가장 보편적으로 사용하는 소재 는 니트로셀룰로오스(nitrocellulose)다[8]. 니트로셀룰로오스가 가장 이 상적인 멤브레인 소재는 아니지만 저렴한 비용, 모세관 흐름 특성, 높 은 단백질 결합 능력, 용이한 취급 등의 많은 장점을 가지므로 사용 되고 있다. 또한, 멤브레인의 종류에 따라 모세관 흐름 속도는 변화할 수 있으며, 모세관 흐름 속도가 빠른 경우, 검사 시간은 단축되지만 민 감도가 감소될 수 있으며 반대로 모세관 흐름 속도가 느릴 경우, 검사 시간은 연장되지만 민감도가 향상될 수 있다[9]. 마지막으로 흡습패드 는 대체로 셀룰로오스 필터로 구성되며 스트립의 백그라운드 신호를 감소시킬 수 있도록 분석 시료와 워싱 용액 흡수 및 역흐름을 방지하 는 역할을 한다[7,9]. 이렇게 제작된 LFIA 스트립은 스트립 본체의 파 손 방지 및 사용자가 검사선(test line)과 대조선(control line)의 신호에 집중할 수 있도록 플라스틱 카세트 안에 보관하기도 한다[7,9].

    LFIA 스트립은 적용한 신호 레이블링 재료에 따라 신호 판독 방법 이 정해지며, 비 광학적 신호 레이블링과 광학적 신호 레이블링으로 나 뉜다[9]. 비 광학적 신호 레이블링 방법은 자기 신호, 열 복사 에너지 신호, 전기화학 신호 등이 있다[5,9,10]. 자기 신호 기반 LFIA 스트립은 자기 나노 입자를 사용하며, 이는 더 섬세한 샘플 전처리 과정을 수행 가능하며 비색법 신호 및 자기 신호 판독이 가능하다는 장점이 있지 만 자기 신호를 판독하기 위해서는 별도의 리더기가 필요하다[11]. 열 복사 에너지 신호 기반 LFIA 스트립의 경우, 비색법 레이블링 재료로 주로 사용되는 금 나노 입자를 레이저로 들뜨게 만든 후 방출하는 열 에너지 신호를 판독하여 비색법 및 열 에너지 신호 두 가지를 이중 분석 가능하다는 장점이 있지만 별도의 레이저 및 적외선 감지용 리 더기가 필요하므로 비용이 매우 높아진다[12,13]. 전기 화학 신호 기 반 LFIA 스트립의 경우, 다양한 증폭 전략이 가능하다는 장점이 있지 만 증폭 전략을 수행하기 위해서는 전기 활성 물질로 멤브레인 패드를 수정해야하는 등의 추가 제조 공정 및 전기 신호 판독이 가능한 별도 의 리더기가 필요하다는 단점이 있다[14].

    반면에, 광학적인 신호 레이블링 방법은 대표적으로 형광, 라만 산 란, 비색법을 들 수 있다. 형광법 및 라만 산란 기반의 LFIA 스트립은 신호 레이블링 재료로 양자점(quantum dots, QD), 업 컨버팅 나노 입 자(up converting nanoparticles, UCNPs) 등을 사용하며 미량 표적물의 정량 분석에 용이하지만 별도의 리더기가 필요하므로 비용이 높게 책 정된다[9,10]. 비색법 기반의 LFIA 스트립은 별도의 리더기 없이 분석 이 가능하므로 비용이 경제적이지만 정량 분석에 적용하기에는 많은 연구가 필요하다[15]. 다양한 신호 레이블링 방법들의 장점 및 단점을 고려해보았을 때, 비색법 기반일 때 간편함 및 좋은 경제성을 갖는 LFIA 스트립의 장점들이 온전히 나타날 수 있다. 비색법 기반 LFIA 스트립의 한계를 극복하기 위해 여러 금속 나노 소재들이 개발되었다 [5,16]. 비색법 기반 LFIA 스트립의 신호 레이블링 재료로는 다양한 형 태의 귀금속(금, 백금, 은 등) 나노 입자, 탄소 나노 튜브, 라텍스 비드 등[5,9,16-18]이 사용되며 본 논문에서는 금속 나노 입자를 비색법에 서 검출 신호 형질로 적용한 LFIA 스트립의 연구 동향에 대해 중점적 으로 소개하고자 한다.

    비색법에 기반한 LFIA 스트립을 이용한 진단 분석 과정은 다른 바 이오센서에 비해 상대적으로 간편하며 다음과 같다[7,9,19]. 우선 분석 시료가 담긴 용기에 LFIA 스트립을 담군 후, 일반적으로 10~15 min 정도 기다려주면 된다. 분석 시료가 충분히 스트립에 흡수되어 반응 이 완료된 것을 확인한 후, 워싱 용액을 용기에 넣고 스트립의 백그라 운드 신호를 최대한 제거해주면 된다. 분석 시료는 샘플패드, 축합패 드, 멤브레인패드 및 흡습패드의 순서대로 흡수되며 축합패드에서 타 겟에 특이적인 바이오리셉터(예: 항체, 압타머 등) 가 부착된 검출 라 벨과 결합하게 되며 멤브레인의 검사선과 대조선에서 상호 작용 후 흡습패드로 최종으로 흡수된다. 대조선의 신호변화의 유무를 확인하 여 LFIA 스트립이 제대로 작동했는지 확인할 수 있으며, 검사선이 나 타나지 않을 경우를 음성(negative), 나타날 경우를 양성(positive)으로 분석 검사 결과를 확인할 수 있다.

    3. LFIA 스트립 검출 방식 및 암 진단 적용에서 도전 과제

    LFIA 스트립 검출 방식은 샌드위치 형식, 경쟁적 형식으로 크게 두 가지이며 분석하고자 하는 생분자의 특성에 따라 선택하면 된다. 샌 드위치 형식은 다수의 항원결정기(epitope)를 가진 높은 몰질량(> 1 kDa)을 가진 중대형 생분자에 적합하며 분석 타겟의 검출 농도가 높 을수록 신호의 세기도 강해진다[9]. 하지만 경쟁적 형식에 비해 위양 성(false-positive) 결과 발생 가능성이 높고, 매우 진한 농도를 가진 분 석 시료의 경우 후크 효과(hook effect)가 발생할 가능성이 높아 진한 농도의 분석 시료는 적합하지 않다[7,9]. 경쟁적 형식은 항체나 수용체 에 결합하나 몰질량이 작아서(< 1 kDa) 면역 반응을 유발할 수 없는 불완전항원 검출에 적합하며 분석 타겟의 검출 농도가 높을수록 신호 의 세기는 감소한다. 시료 안에 과량의 분석물 존재로 인한 후크 효과 에 영향을 상대적으로 적게 받아 매우 진한 농도의 분석 시료 검출에 적합하나 샌드위치 형식에 비해 민감도가 낮은 편이다[9].

    LFIA 스트립을 암 관련 바이오마커 분석에 적용하여 암 질환을 진 단하기 하는데 어려운 문제 중에 하나는 대다수의 암 바이오마커들은 체액 속에서 다른 방해 단백질에 비해 (극)미량으로 존재하며 이를 검 출하기 위해서는 LFIA 스트립의 선택성을 향상시켜야 한다. 이를 위 해 샘플패드 내의 필터 기능을 강화하여 체액 속 방해 단백질을 필터 링하는 방법, 바이오리셉터(예: 항체)를 자성 비드에 컨쥬게이션하여 사용하는 방법, 검사선에서의 반응시간을 연장하는 방법, 분석물에 따 른 진단 포맷 변경 등이 있다[6]. LFIA 스트립을 암 바이오마커 분석 용으로 사용하기 위한 선택성 향상외에도 낮은 민감도를 개선하는 것 이 절실히 필요하다. 즉, 낮은 민감도로 인해 현재 정성이나 반 정량 분석만이 가능하다는 한계를 갖고 있는데 (극)미량으로 존재하는 암 바이오마커를 검출하기 위해서는 정량 분석도 가능해져야 한다. 민감 도를 향상시킬 수 있는 방법은 스트립 디자인 포맷을 변경하거나, 별 도의 리더기를 사용하여 신호를 정확하게 읽는 방법 등이 있다. 그 중 에서 가장 대표적인 방법은 검출 라벨의 신호 세기를 강화하여 검출 한계를 낮추고, 검출되는 분석물의 농도 차이를 쉽게 확인할 수 있도 록 하는 것이다[1].

    4. 암 진단용 비색법 기반 LFIA 스트립 연구 동향

    암 진단용 LFIA 스트립에 사용되는 암 바이오마커 타겟으로는 효소, 단백질, DNA, RNA, 엑소좀, 미세 소포 및 세포 사멸 체를 포함한 순 환 종양 세포 및 세포 외 소포 등으로 여러 가지 형태를 갖는 생분자 들이 사용되어왔다[10]. 검출 방식의 특성에 따라 검출 가능한 생분자 형태도 달라지는데 LFIA 스트립의 경우, 단백질 형태의 바이오마커가 검출하기 제일 적합하므로 본 리뷰에서는 단백질 형태의 암 바이오마 커 검출 위주로 특히 4가지 암(폐암, 간암, 전립선암 및 부신겉질샘암 종)에 대해서 LFIA 스트립의 연구동향에 대해서 소개하고자 한다. Table 1은 비색법 기반 LFIA 스트립을 4종의 암 바이오마커 검출용으 로 사용한 연구 동향을 정리한 것이다. 금, 플라티늄, 팔라듐, 금-은 나 노입자 등의 다양한 금속성 나노물질이 비색법에 신호를 나타내는 신 호 형질로 사용되어왔다. 그 중에서 핑크 또는 자주색을 띄는 금 나노 입자가 독보적으로 가장 많이 비색법 기반의 암진단용 LFIA 스트립 에 활용되어 왔다[5,10].

    4종의 암중에서, 먼저 전립선 암 진단을 목표로 많은 연구자들이 전 립선 암의 대표적인 바이오마커인 PSA를 LFIA 스트립으로 검출하는 연구들을 다수 보고해왔다[20-26]. 그 중에서도 금 나노 입자 라벨을 적용한 LFIA 스트립 연구가 가장 많이 보고되었는데, 여러 가지 처리 과정을 통해 금 나노 입자의 신호를 강화했다. Rodríguez et al.은 스트 립을 은 하이드로 퀴논/시트레이트 용액에 담그기, 샌드위치 면역 반 응, 은으로 처리된 축합패드 사용, 금 강화 처리 등의 4가지 신호 증폭 방법을 비교했다. 이를 확인하기 위해 낮은 농도의 PSA를 분석물로 사용하였고, 그 결과 스트립을 은 하이드로 퀴논/시트레이트 용액을 1 : 1 비율로 담근 경우가 0.1 ng/mL의 검출 한계를 얻을 수 있었다 [20]. 또한, Shen et al.은 보편적인 구형의 금 나노 입자를 사용하였지 만 아치형의 멤브레인 패드와 원심 디스크를 이용하여 혈청 샘플에서 PSA를 검출할 수 있었고, 0.067 ng/mL의 검출 한계에 도달했다[22]. Fernández-Sánchez et al.은 구형 금 나노 입자를 라벨로 사용하여 혈청 에서 f-PSA 및 t-PSA를 동시에 검출할 수 있으며 1 μg/mL의 검출 한 계를 도달했다[23].

    신호 증폭을 위해 금 나노 입자의 표면을 다른 금속으로 처리하여 하는 방법이 최근 보고되었는데 이들의 대표적인 사례를 Figure 2에 나타내었다. Figure 2A는 Gao et al.이 발표한 연구내용으로 기존의 금 나노 입자 표면에 초박형 백금 스킨을 코팅하여 플라즈모닉 및 촉 매 속성이 나타나게 했다. 저감도 모드에서의 검출 한계는 일반 구형 금 나노입자와 2 ng/mL로 동일했지만 고감도 모드에서는 20 pg/mL까 지 검출 가능했다[25]. 형광 재료를 이용하여 금 나노 입자로 비색법 으로 정성분석, 형광 검출로 정량 분석이 가능하게끔 듀얼 센싱이 가 능하도록 한 연구도 있는데 이는 Figure 2B에 나타낸 것으로 You et al.의 연구 결과이다. 그림에서 보듯이 금 나노로드 입자 표면에 고분 자 점(polymer dot, Pdot)을 처리하여 비색법 및 형광 검출이 가능하도 록 했다. 비색법으로는 5 ng/mL까지 테스트 라인의 신호를 확인할 수 있었으나, 형광 신호를 같이 사용할 경우 검출 한계는 5 ng/mL 이하 로 감소하는 것을 확인할 수 있었다[26]. 그 외에도, Zhao et al.은 금 나노입자 대신에 백금 나노입자를 라벨로 사용하고, LFA 눈금자를 개발하여, PSA를 복잡한 외부 기기 없이 30 min 이내에 검출이 완료 되게 하였으며 0.54 ng/mL의 검출 한계를 달성했다[21].

    간암 진단의 경우 대표적인 간암 바이오마커는 AFP로 현재 혈액검 사를 통해 진단 가능한 종양표지자 중 하나이며[33], AFP를 검출하는 LFIA 스트립 연구는 다음과 같다. Lu et al.은 구형 금 나노 입자를 실리카 쉘로 안정화된 코어쉘 구조로 단백질 AFP의 검출 한계를 300 pg/mL까지 낮추었다[27]. 또한, Preechakasedkit et al.은 효소 연결 면 역 흡착 분석(ELISA) 대체 접근 방식으로 왁스 인쇄 종이 기반 LFIA 를 개발하여 장치의 흐름 시간을 지연시켜 인간 혈청에서 0.1 ng/mL 의 검출 한계를 보여주었다[28]. DHEA는 부신겉질샘암종(adrenocortical carcinoma)의 바이오마커로 콩팥 위에 위치한 부신에서 대부분이 생 산되는 스테로이드 호르몬이다. Yang et al.은 갈색의 백금 나노 플라 워를 사용하여 기존의 금 나노 입자 라벨 대비 10배 감소한 LOD인 1.3 ng/mL의 검출한계로 DHEA를 검출하였다[29].

    폐암의 경우 폐에서 발생하는 가장 흔한 악성 종양으로서 크게 비소 세포 폐암(non-small cell lung carcinoma, NSCLS)과 소세포폐암(small cell lung carcinoma, SCLC)으로 분류되며 이 중 비소세포폐암(NSCLS) 은 다시 평편상피세포암(squamous cell carcinoma, SCC), 선암(adenocarcinoma), 대세포신경내분비암(large cell neuroendocrine carcinoma, LCNEC)으로 나눌 수 있다. 이들 중 가장 흔한 유형은 평편상피세포 암 (SCC)으로 알려져 있다[34,35]. 여러 폐암 바이오마커가 존재하지만 그 중에서 비색법 기반 LFIA 스트립을 이용하여 검출된 바이오마커 는 암 억제 단백질로 알려진 p53 단백질[36]과 CEA이다. p53의 경우, Jiang et al.의 연구에서 다공성(mesoporous) 백금 및 팔라듐의 바이메 탈 나노 입자 라벨을 LFIA 스트립에 적용하여 검출되었다. 이 연구에 서 백금-팔라듐 바이메탈 나노 입자는 강력한 퍼옥시다아제 유사 활 성으로 과산화 효소 유사 촉매 작용이 강화되어 시각적 색상 강도를 강화하였으며 그 결과 0.05 ng/mL의 검출 한계를 나타냈다[30]. CEA 의 경우 Yao et al.의 연구에서 기존의 금 나노 입자로 비색법을 통해 정성분석을 Cy5를 이용하여 형광 정량분석을 동시에 진행하여 검출 할 수 있었다. 이 연구에서 LFIA 스트립은 역 형광 판독 기능을 가지 므로 CEA의 농도가 높을수록 형광 신호가 감소하며 비색법의 경우 CEA 농도가 높을수록 신호 또한 강해진다. 인간 혈청 샘플에서 검출 가능하며 5 ng/mL의 검출 한계를 가진다[31]. 또한, Liu et al.은 자기 나노 입자를 라벨로 사용하여 biotin-streptavidin 시스템을 적용해 신 호를 향상시켰으며 다양한 비소세포폐암 표지자(cytokeratin 19 fragment, CYFRA21-1), troponin I (cTnI), 미오글로빈 등의 간섭 단백질 존재하에서도 CEA에 대한 뛰어난 선택성을 보여주었다[32].

    5. 비색법 기반 LFIA 스트립의 신호 증폭 연구 동향

    비색법 기반 LFIA 스트립은 많은 장점을 갖지만 낮은 민감도라는 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 신호 증폭 기술 이 개발되어 왔다. 신호 증폭 기술은 대표적으로 2가지인데 금 나노 입자 자체의 색상을 향상시키거나 보조 색상 신호를 강화하는 방법으 로 나뉜다. 금 나노 입자의 색상 신호를 향상시키는 방법에는 입자 응 집 및 이중 금 나노 입자 라벨 및 금 나노 입자 캐리어 사용을 통해 테스트라인의 분석물 주변 금 나노 입자 밀도 증가 및 은 또는 금 강 화와 함께 금 나노 입자의 크기를 확대하는 것이 있다[16,17]. 금 나노 입자의 색상 신호 보다 보조 색상 신호를 강화하는 방법은 발색 기질 을 촉매함으로써 착색 분자를 생성할 수 있는 효소로 금 나노 입자 표면을 변형하거나 효소 모방체 역할을 하는 촉매 금속으로 코팅하는 단계가 있다[17].

    이외에도 Dzantiev et al.은 일반적인 구형 금 나노 입자와 달리 점 진적 성장 기법으로 얻은 초 구형 금 나노 입자를 사용하여 심혈관질 환 바이오마커인 cTnI를 검출하였고 그 결과 초 구형 금 나노 입자의 분석 결과가 일반 구형 금 나노 입자보다 8배 더 낮은 검출 한계인 1.2 ng/mL를 얻을 수 있었다[37]. 또한, 동 연구그룹은 동일한 부피의 하이드록실 아민 및 염화 금산 용액으로 이루어진 증폭 용액을 혼합 한 직후, 테스트 스트립에 추가하여 17 nm의 지름의 금 나노 입자를 100 nm까지 확대하여 R. solanacearum의 검출 한계를 33배 감소시켰 다[38]. Kang et al.은 금 나노 입자에 접합된 단일 가닥 DNA 결합 단 백질을 개발하여 표적에 결합할 수 있는 제한된 금 나노 입자 수를 증가시켰다. 이를 통해, 고정된 포획 항체 및 앱타머 당 여러 개의 금 나노 입자를 부착하여 신호 강도를 증폭시킬 수 있었고, 혈청에서의 cTnI의 검출 한계 0.23 pg/mL를 달성할 수 있었다[39].

    6. 결론 및 미래 전망

    본 논문에서는 비색법 기반의 LFIA 스트립의 신호 증폭 기술 개발 동향 및 이들 스트립을 4종의 암 질환(폐암, 간암, 전립선암 및 부신겉 질샘암종) 진단용의 단백질 바이오마커 검출용으로서 활용한 개발 현 황에 대해 소개하였다. 의료 분석 시스템의 세계 시장은 빠르게 성장 중이며 2017년에는 미화 180억 달러 이상에 도달했다[15]. 또한, 바이 오센서 연구 개발 추세는 웨어러블 디바이스와 함께 융합되어 진정한 의미의 POC 디바이스에 도달하는 것으로 LFIA 스트립은 웨어러블 디바이스에 가장 적합한 센싱 플랫폼 중 하나다[40]. 하지만 아직 실 제 임상에서 LFIA 스트립을 암 바이오마커 검출용 바이오센서로 사 용하기 위해서는 극복해야 될 많은 도전과제들이 존재한다. 첫 번째 는 미량의 암 바이오마커도 정량 분석이 가능해질 만큼 LFIA 센서의 민감도, 선택성을 향상시켜야 한다. 암을 조기 단계에 진단할 때, 관련 바이오마커는 아주 미량으로 존재하므로 민감도를 높여 검출 한계를 최대한으로 낮추어야하며 다른 간섭 단백질들에 의해 검출하기 어려 워지므로 선택성 향상이 필요해진다. 두 번째는 동시에 다중의 바이 오마커들을 검출할 수 있어야 한다. 복잡한 암 생태에서 진단 정확성 을 높이기 위해서는 단일 바이오마커 검출만으로는 한계가 있다. 예 를 들어, 현재 보편적인 종양표지자인 CEA, AFP 등은 특정 암에서만 발현되는 것이 아니라 여러 암종에서 나타나며 또한 암 단계가 3기나 4기 정도 진행되었을 때, 검출 시 의미 있는 발현량을 나타내므로 조기 진단에는 적합하지 않다. 세 번째는 검출하기 좋은 민감도 및 선택성 을 가진 이상적인 암 바이오마커의 발굴이다. 바이오센서 제작 시에 분 석물의 크기, 무게, 샘플의 전처리 과정의 난이도 등에 따라 분석 포 맷 및 센서 기술을 선정하므로 분석물의 특성은 아주 중요한 요소다. 따라서 다양한 학문 분야의 융합 및 사회의 지속적인 관심을 통해 이 러한 과제를 극복한다면 LFIA 스트립의 상용화 및 보편화를 통해 궁 극적인 POC 시스템을 구축할 수 있으므로 긍정적인 경제적 파급효과 및 국민의 삶의 질을 높이는데도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

    Acknowledgements

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (Grant number: NRF-2020R1A4A1018393).

    Figures

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    (A) Schematic illustration of the basic principle and fabrication of LFIA strip (B) Procedure of dip-stick assay. The upper right image (C) is a representative transmission electron microscopy image of gold nanoparticle which can be used as a colorimetric signal detected by naked eyes.
    ACE-31-6-585_F2.gif
    Representative LFIA strip research works for measurements of PSA using (A) Pt-decorated Au nanoparticles [25] and (B) Pdots-decorated Au nanorod [26] as a detection label. (A) and (B) are reprinted with permission from refs. [25,26], respectively (Copyright American Chemical Society 2017 and 2019, respectively).

    Tables

    Summary of Various Colorimetric LFIA Strips for Cancer Diagnosis via the Detection of Cancer Biomarkers. Cancer Diseases Listed Here are Limited to Prostate, Liver, Lung, Adrenocortical Carcinoma. Abbreviation Used are Prostate Specific Antigen (PSA), Free Prostate Specific Antigen (f-PSA), Total Prostate Specific Antigen (t-PSA), α-fetoprotein (AFP), Dehydroepiandrosterone (DHEA) and Carcinoembryonic Antigen (CEA).

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