중국 연구진이 한 방울의 혈액만으로 초기 암 바이오마커를 검출할 수 있는 휴대용 암 진단 장치를 개발했다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 등 외신이 최근 보도했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 포토닉스에 게재됐다.

중국 웨스트레이크 대학 연구진이 개발한 이 기술은 기존 냉장고 크기의 실험실 장비를 휴대용 기기로 소형화하면서도 검출 정확도를 크게 높인 것이 특징이다.

연구진은 “기존 방식보다 민감도를 약 1만 배 향상시켰다”고 설명했다. 새 시스템은 3차원 ‘연속체 내 묶음 상태(Bound States-in-the-Continuum·BIC)’ 센싱 칩을 기반으로 작동하며, 필요한 핵심 부품은 칩과 LED 광원, 광 검출기 정도에 불과하다.

빛의 속삭임 측정

간단한 혈액 채취만으로 종양의 미세한 흔적을 찾아내는 생검(biopsy) 기술은 오랫동안 현실적인 한계에 부딪혀 왔다. 초기 암세포가 내는 극미세 신호를 감지하기 위해 복잡한 광학 장치와 고가의 분광기, 정밀 프리즘 등이 포함된 대형 장비가 필요했기 때문이다. 검사 비용도 높아 전문 연구기관이나 대형 병원에서만 활용되는 경우가 많았다.

이번 연구에서 연구진은 기존처럼 빛의 파장 분석 대신 강도 변화에 주목하는 새로운 접근법을 도입했다. 특히 부피가 큰 기존 장비를 ‘Q-변조 굴절계 센싱(Q-modulated refractometric sensing)’이라는 고감도 기술로 대체했다.

이를 구현하기 위해 연구진은 3차원 메타물질 칩을 새롭게 설계했다. 이 칩은 암 바이오마커가 존재할 때 빛이 굴절되는 방식에서 나타나는 극미세 변화를 감지한다. 또한 느리고 비용이 많이 드는 기존 반도체 제조 공정을 대신해 혁신적인 알루미늄 기반 제작 기술을 적용했다.

연구진은 이 장치의 정밀도를 설명하기 위해 흥미로운 비유도 제시했다. 빛이 굴절되는 전체 범위를 1m 길이의 자로 표현한다면, 이 장치는 그 안에서 수백만분의 몇 m 수준의 미세한 변화까지 감지할 수 있을 정도로 민감하다는 설명이다.

표준 검사보다 높은 정확도

연구진은 기존처럼 칩을 하나씩 개별 제작하는 방식에서 벗어나 활판 인쇄와 유사한 대량 생산 공정을 도입했다. 이를 통해 단일 웨이퍼 위에서 수천 개의 동일한 3D 센싱 칩을 생산할 수 있게 됐으며, 칩 당 생산 비용도 약 5달러 수준으로 낮췄다. 이 칩은 LED와 광 검출기만으로도 빛의 강도를 측정할 수 있어, 가정에서도 사용할 수 있는 소형•저비용 장치 제작이 가능하다.

실제 성능 검증을 위해 연구진은 샤먼대학교와 협력해 기존 실험실 장비로 탐지하기 어려웠던 극미량의 폐암 바이오마커를 추적하는 실험을 진행했다.

그 결과 휴대용 장치는 초기 폐암 바이오마커 검출에서 기존 ELISA(효소결합면역흡착분석법) 대비 약 1만 배 높은 민감도를 기록했다. 실제 환자 혈청 샘플 171개를 분석한 결과, 초기 암 진단 정확도는 94.9%, 수술 후 모니터링 정확도는 92.1%에 달했다. 반면 기존 실험실 측정 방식의 정확도는 74.7% 수준에 머물렀다.

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외신은 이번 결과가 휴대용 장치 기반 조기 암 진단과 환자 추적 관찰 기술의 가능성을 크게 높여준다고 평가했다.

연구진은 향후 이 기술이 대도시 대형 병원은 물론 의료 인프라가 부족한 농촌 지역에서도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 나아가 환자가 집에서 직접 검사를 수행하는 수준까지 발전시켜, 전 세계 어디서나 쉽고 빠르게 조기 질병 진단을 받을 수 있도록 하는 것이 목표라고 밝혔다.