(The NAAT platform architecture; a) the closed tube system contains a fluid chamber affixed to a DNA biosensor array, the chamber can receive microbial nucleic acid (NA) extracts and multiplex polymerase chain reaction (PCR) reagents for solution-phase amplification. The DNA capture probes in close affinity to the amplified regions of interest (ROI) in the microbial genome will functionalize individual biosensor pixels in the system, b) each ROI is amplified via PCR to generate amplicons, c) the amplicons bind to specific capture probes on pixels during real-time hybridization (HYB). Thermodynamic stability of these associations is tested with melting curve analysis (MCA) to differentiate between the wild-type and mutant strain signature. Credit: Nature Biotechnology, doi:10.1038/nbt.4179)
(Structure of the biochip and inbuilt components: a) the disposable NAAT module includes a fluidic cap with inlet and outlet ports to b) encapsulate the CMOS biochip mounted on the printed circuit board, c) the biosensor pixels (red highlight) are arranged in a 32 x 32 (1024) array, d) each biosensing pixel is housed with a photodiode, heaters and detectors. Credit: Nature Biotechnology doi: doi:10.1038/nbt.4179)
(Structure of the biosensor pixels: a) the IFT probes contain a modular linker and a dual-fluorophore label (FAM-TAM) to recognize the PCR amplicon analytes, b) schematic illustration of the 3D stack of the biosensor pixel with localized IFT probes, and b) a scanning electron microscope derived cross-section with emission filters, heater, photodiode and detector of a single pixel fabricated on silicon. Credit: Nature Biotechnology doi: doi:10.1038/nbt.4179)
항생제 내성은 21세기 인류를 위협하는 심각한 문제입니다. 항생제 내성 발현을 줄이기 위해서는 결국 항생제 사용을 줄여야 하지만, 노인 인구 증가와 신흥국에서의 의료 서비스 수요 증가 등 여러 가지 요소가 결합해 항생제 사용량은 지속적으로 증가하고 있습니다.
실제 의료 현장에서는 어쩔 수 없이 항생제를 과도하게 사용하는 경우가 많습니다. 내성균에 의한 감염인지 바로 확인하기 어렵기 때문에 바로 내성균에도 사용할 수 있는 항생제를 자주 사용하게 되고 이것이 다시 내성을 만들어 사용할 수 있는 항생제를 점점 줄어들게 만드는 이유가 됩니다. 따라서 과학자들은 항생제 내성을 바로 확인할 수 있는 방법을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
항생제 내성을 신속하게 확인할 수 있는 가장 대표적인 방법은 내성균이 지닌 유전자를 확인해 특정 항생제에 대한 내성을 확인하는 것입니다. 세균을 배양해서 내성을 확인하는 방법은 수일 정도 시간이 필요하지만, 유전자를 이용한 nucleic acid amplification tests (NAATs) 방식은 수시간 이내로 결과를 알려줍니다. 하지만 하나의 세균이라도 유전자는 많다는 문제가 있습니다.
최근 미국의 InSilixa, Inc. (Sunnyvale, California, USA) 의 연구팀은 CMOS 센서와 통합된 일회용 반도체 센서를 통해 검체에서 여러 유전자를 빠르게 확인하는 기술을 네이처 바이오테크놀로지에 발표했습니다. 이 반도체 센서 어레이는 각각 임베디드 photodiode, heater, detector로 구성돼 있으며 32x32 (1024)개의 센서가 존재합니다. 검체에서 미생물의 유전자를 분리 후 PCR을 통해 증폭하고 이후 면역 형광법을 이용해서 특정 염가 서열을 찾는 원리입니다. 현재 기기로는 50개 이상의 항생제 내성 관련 유전자를 검출할 수 있습니다.
이 회사는 바이오칩을 이용해서 2시간 이내에 빠른 세균 동정 및 항생제 내성 확인이 가능하다고 주장하고 있습니다. 비용이 저렴하고 신뢰성 있는 결과를 보여준다면 충분히 가능성이 있지만, 역시 임상에서 검증이 필요할 것으로 보입니다. 아무튼 비슷한 개념의 신속 세균 동정 및 항생제 내성 균주 검사법이 한창 개발 중이어서 결국 가까운 미래에 임상에서 보게 될 것으로 기대합니다.
참고
Multiplexed identification, quantification and genotyping of infectious agents using a semiconductor biochip www.nature.com/articles/Nbt.4179 Hassibi et al, 16 July 2018, Nature Biotechnology
Evaluation of Oxford Nanopore's Minion Sequencing Device for Microbial Whole Genome Sequencing Applications www.nature.com/articles/s41598-018-29334-5 Tyler et al, 19 July 2018
World Health Organization Department of Communicable Disease Surveillance and Response. WHO Global Strategy for Containment of Antimicrobial Resistance (Health Organization, Geneva, 2001) www.who.int/drugresistance/WHO … Strategy_English.pdf
World Health Organization: Global antimicrobial resistance surveillance system (GLASS) report, Early implementation 2016-2017 www.who.int/glass/resources/pu … mentation-report/en/
Better tests, better care: improved diagnostics for infectious diseases www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24200831 Caliendo et al, 2013, Oxford Academic, Clinical Infectious Diseases.
Molecular mechanisms of antibiotic resistance www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25435309 Blair et al, 2015, Nature Reviews Microbiology.
A CMOS Electromechanical Impedance Spectroscopy (EIS) Biosensor Array ieeexplore.ieee.org/document/5625928/ Manickam et al, 2010, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems.
Comparative advantages of mechanical biosensors www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3839312/ Arlett et al, 2013, Nature Nanotechnology.
A Fully Integrated CMOS Fluorescence Biochip for DNA and RNA testing ieeexplore.ieee.org/document/8082158/ Manickam et al, 2017, IEEE Journal of Solid-State Circuits.
Preparation of electrode-immobilized, redox-modified oligonucleotides for electrochemical DNA and aptamer-based sensing www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18007622 Xiao et al, 2007, Nature Protocol.
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