나노센서 기술을 활용한 감염병 진단 혁신

2020년 10월 25일

자료제공/ 아나로그디바이스(Analog Devcies, Inc.)

감염병의 발견, 진단, 통제를 향상시키고, 보다 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있는 검사 결과를 얻을 수 있는 진단 장비를 개발하려면 어떻게 해야 할까?

COVID-19 팬데믹 상황을 맞아 전 세계적으로 바이러스 확산을 막기 위해서 의료 일선에서 보다 효과적으로 대량 검사를 수행할 수 있는 기법이 시급히 필요해졌다. 이마에서 체온을 측정해서 발열을 검사하는 현재의 방법은 증상이 나타나지 않는 무증상 감염을 잡아내지 못할 뿐만 아니라 신종 코로나바이러스와 다른 호흡기 질환을 구분하지 못한다. 그 밖의 진단 테스트 기법들은 부정확하거나, 또는 결과를 얻기까지 너무 많은 시간이 걸린다.

이러한 가운데 한 선구적 바이오테크 회사가 대담한 솔루션을 새롭게 고안했다. 혁신적인 휴대 나노센서 기술을 활용하여 진단 시간이 1분도 채 지나지 않아 병원체를 검사할 수 있다. 하지만 이 특허 기술을 상용화하고 컨셉트 플랫폼을 시장에 내놓기 위해서는 관련된 전문성을 축적하고 제조 역량을 갖춘 전략적 파트너가 필요했다. 이러한 파트너로서 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc. 이하 ADI)의 혁신 센터인 아나로그 가라지(Analog Garage) 및 ADI의 힐뷰 팹(Hillview fab) 프로세스 엔지니어링 팀과 손 잡고 이러한 혁신적인 솔루션을 실현할 수 있게 되었다.

개요
핀포인트 사이언스(Pinpoint Science)는 설립 초기 단계인 의료 기술 스타트업으로서, 새로운 나노센서 현장 진료(point-of-care, POC) 진단 기술을 활용해서 빠르게 정확한 검사 결과를 얻을 수 있도록 함으로써 감염병의 발견, 진단, 통제를 혁신적으로 향상시킬 수 있도록 지원한다.

과제
실험실이나 증폭, 샘플 준비가 전혀 필요 없고, 가격대가 저렴하고 사용하기 편리하며 휴대 가능한 리더와 일회용 카트리지를 사용해서 1분 안에 병원체 검사 결과를 제공한다. 센서에 필요한 생화학적 토대를 개발하고 검증 테스트를 실시한다.

애플리케이션
핀포인트의 특허 기술 및 나노기공 기반 센서를 활용할 수 있는 애플리케이션에는 인간 감염병 진단, 농업/목장/수의학/야생동물 관리 분야의 병원체 검사, 식품 가공 분야의 미생물 오염 검사 등이 포함된다.

목표
나노센서 기술을 활용한 진단 플랫폼을 빠르게 상용화하고 일련의 미생물 병원체를 대규모로 좀더 효율적이고 효과적으로 검사할 수 있도록 한다.

감염병과의 싸움

바이러스나 박테리아 같은 미생물 병원체 때문에 해마다 수백만 명이 목숨을 잃는다. 지난 세기에 인류는 감염병을 통제하기 위한 싸움에서 많은 성공을 거둬왔다. 천연두를 박멸하고 홍역, 볼거리, 파상풍을 거의 퇴치할 수 있게 되었다. 하지만 바이러스 유행과 팬데믹은 지금도 여전히 우리 삶과 국가 경제에 영향을 미치고 있다.

다시 시작된 싸움

그렇다면 치명적인 감염병과의 계속되는 싸움에서 어떻게 사람들의 생명을 안전하게 지킬 수 있을 것인가? 그 한 가지 해결책이 현장에서 대량으로 검사하는 것이다. 그런데 현장에서 감염병을 검사하기 위해서 현재 사용하는 기법은 최소 15분, 길게는 4시간까지 시간이 걸리기 때문에, 빠르게 확산되는 팬데믹을 통제하고 억제하기 위해서는 이 시간을 단축할 필요가 있다. 또한 현재의 테스트 방법은 종종 부정확하거나 비용이 많이 들고 실험실에서의 처리, 숙련된 인력, 복잡한 샘플 준비 작업이 필요하다.

현재의 진단 기법
▶ 15분에서 길게는 4시간까지 소요
▶ 대량 검사에 부적합

현재의 대량 검사의 한계
▶ 발열이나 기침 증상만 검사
▶ 증상이 없는 사례는 잡아내지 못함
▶ 호흡기 질환과 구분하지 못함

미국과 같은 나라에서 필요한 규모로 대량 검사를 할 수 있으려면 새로운 방식의 COVID-19 테스트가 필요하다. 항원 검사를 할 수 있는 테스트가 필요한데, 그러려면 대대적인 기술 혁신이 필요하다.

핀포인트의 혁신 기술

핀포인트 사이언스는 북부 캘리포니아에 자리잡고 있는 의료 기술 스타트업으로서, POC 테스트 및 진단을 위한 보다 효과적인 솔루션에 대한 아이디어를 개발했다. 이것은 첨단 나노센서 기술을 활용하는, 사용하기 편리한 휴대형 리더와 플러그인 카트리지이다. 이 디바이스는 항체와 항원 같은 생물지표를 빠르게 식별하고 질병이나 사망을 일으키는 특정한 미생물 병원체를 신속하게 검사할 수 있다. 특정한 병원체를 겨냥한 일회용 검사 카트리지를 삽입하면 리더가 현장에서 빠르게 정확한 결과를 제공한다. 그러므로 실험실 장비, 전문 의료진, 복잡한 샘플 준비가 필요 없다.

핀포인트의 테스트 기법: 핀포인트의 나노센서 기술 진단법은 UC 산타 크루즈의 생물분자공학 교수이자 핀포인트의 최고 과학자인 네이더 포어먼드(Nader Pourmand) 박사가 개발한 기술을 토대로 한다.

핀포인트의 리사 다이아몬드(Lisa Diamond) CEO는 “우리는 COVID-19가 발발하기 수년 전에 연구를 시작했다. 나노센서 기반 테스트를 사용해서 사람의 인플루엔자와 동물의 청설병(bluetongue) 바이러스를 검사하는 것을 목표로 했다. 항체 또는 합성 분자를 사용해서 특정한 단백질을 검출하고 측정함으로써 감염 여부를 알 수 있다. 이 플랫폼은 COVID-19 팬데믹 이후에도 인류에게 유용하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 현재 핀포인트는 이 기술을 상용화하기 위해서 애쓰고 있다. 이 기술은 네이더 포어먼드 박사가 개발한 나노피펫을 토대로 한다.

핀포인트와 ADI의 협력

이 기술의 상용화를 위해 핀포인트는 2019년 초에 아나로그디바이스와 이 회사의 혁신 센터인 아나로그 가라지에 손을 내밀었다. 이에, 아나로그 가라지와 ADI의 힐뷰 팹 프로세스 엔지니어링 팀이 핀포인트와 손 잡고 이 회사의 POC 신속 병원체 진단 기술 개선 및 상용화 작업에 뛰어들었다.

핀포인트 사이언스가 ADI를 선택한 것은, ADI가 MEMS 제조와 센서 개발에 있어서 전문성을 축적하고 있고 새로운 기술에 대한 투자에 적극적이었기 때문이다. ADI의 정밀 데이터 컨버터는 핀포인트가 개발하는 것과 같은 전기화학적 플랫폼에 사용하기에 적합하다. 핀포인트의 휴대형 리더는 이러한 제품의 하나로서 ADuCM355 화학 센싱 제품을 사용한다.

초기 평가 단계

ADI는 이제 막 시작하는 이 스타트업의 설계를 기반으로 센서를 제조하기 위해서 공정을 변경했다. 핀포인트는 이 센서의 성능을 분석하기 위한 시험을 계획하고 있으며, 이 결과가 긍정적이면 본격적으로 나노기공 바이오센서 상용화에 나설 것이다.

ADI의 님로드 모레셋(Nimrode Moreshet) 신규 사업 담당 디렉터는 “핀포인트의 혁신적인 나노센서 기술은 다양한 애플리케이션에 활용할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 특히 신속하고 경제적으로 병원체 검사를 할 수 있다. ADI는 핀포인트와 협력해서 이 혁신 기술을 상용화하기를 기대한다”고 말했다.

새로운 스타트업의 탄생

ADI는 UC 버클리의 인큐베이터 프로그램인 스카이데크(SkyDeck)를 통해서 핀포인트 사이언스를 처음 알게 되었다. 핀포인트 사이언스는 2학기 동안 스카이데크에 속해 있었으며, 이 잘 알려진 엑셀러레이터로부터 창업을 위한 안내와 지원을 받았다. ADI는 초기부터 스카이데크에 투자자로 참여해 왔다. 스카이데크는 창업 지원을 위한 글로벌 허브로서 잘 알려져 있다.

핀포인트 사이언스의 리사 다이아몬드 CEO는 “이번 협력을 통해 우리 회사의 혁신 기술을 상용화할 수 있는 길이 열리게 되었다. 핀포인트는 이제 막 시작 단계에 있다. 시험 평가를 통해서 확실하게 검증이 되고 나면, 우리 회사 플랫폼을 즉시 활용할 수 있게 될 것이다. 특히 신종 코로나바이러스로 인한 팬데믹을 극복하는 데 일조할 수 있을 것이다. 핀포인트의 기술은 COVID-19를 대량으로 검사하기 위해서 필요로 하는 솔루션을 제공할 것”이라고 말했다.

핀포인트의 비전: 간편하고, 유연하고, 신속한 병원체 검사

핀포인트 테스트의 단계별 절차

1단계
카트리지를 핀포인트 리더에 삽입

2단계
샘플을 카트리지에 삽입

3단계
버튼을 눌러서 양성이면 청색, 음성이면 백색 불이 켜진다. 또한 결과는 태블릿 상에도 표시된다.

핀포인트의 비전은 혈액, 침, 코 분비물 같은 샘플을 채취해서 교체형 카트리지에 담아 리더에 삽입, 특정 병원체를 검사할 수 있는 범용 플랫폼을 제공하는 것이다. 이 카트리지의 나노센서는 바이러스와 박테리아 단백질이나 숙주 항체 같은 특정 감염병 지표를 검사할 수 있다. 검사 결과는 1분 안에 화면에 표시된다.

핀포인트의 혁신적인 바이오센서 기술을 사용하면 POC 진단, 팬데믹 검사, 동물 건강, 식품 안전 같은 애플리케이션에서 특정한 생체분자를 비표지 방식으로 높은 정확도와 저렴한 비용으로 빠르게 검사할 수 있다.

“핀포인트는 새로운 감염병 확산에 맞서 싸우기 위한 중요한 무기로서, 의료 일선에 신속하게 배치가 가능하도록 가격대가 저렴하면서도 빠르게 검사할 수 있는 휴대형 검사 장비를 개발하고 있다."
핀포인트 사이언스의 리사 다이아몬드(Lisa Diamond) CEO

인류의 건강 증진에 기여하는 핀포인트의 나노센서 기술 진단법

팬데믹이 전 세계에 확산함에 따라서 핀포인트 사이언스는 COVID-19 바이러스 검사에 역점을 두고 개발을 진행 중이다. 해결해야 할 많은 기술적 및 설계 상의 과제들이 남아 있다. 하지만 핀포인트와 ADI가 협력함으로써 전 세계적으로 감염병 검사를 위한 비용과 시간을 줄이고 환자 치료를 개선하고 생명을 구할 수 있게 되었다.