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Figure 1. Coronavirus diagnosis process using nanoPCR technology 


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CAPTION

The RNA of the coronavirus was extracted from the patient sample, which then underwent reverse transcription, gene amplification, and detection through nanoPCR to diagnose the COVID-19 infection. For rapid gene amplification and detection, magneto-plasmonic nanoparticles (MPNs) were used to facilitate the temperature change cycle of the existing RT-PCR at high speed. Finally, a magnetic field separated the MPN, and the fluorescent signal of the amplified DNA was detected.


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Institute for Basic Science (IBS)


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코로나19 현장진단을 위한 고속 나노PCR 기술 개발

새로운 기술은 양성 오류나 음성 오류가 전혀 없이 20분 이내에 감염을 정확하게 진단할 수 있습니다.


"나노PCR" 기술은 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)의 진료소(POC) 진단을 위해 개발되었습니다. 이 새로운 기술은 기존 역전사 중합효소 연쇄 반응(RT-PCR) 기술의 정확도를 유지하면서 약 20분 이내에 감염을 진단할 수 있습니다.

한국 서울에 있는 기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단(CNM) 소장인 천진우 교수가 이끄는 연구진은 연세대학교 이재현 교수와 매사추세츠 종합병원 이학호 교수와 협력하여 COVID-19의 분산형 POC 진단에 사용할 수 있는 새로운 나노PCR 기술을 개발했습니다. 이 기술은 바이러스 RNA를 검출하기 위해 표준 진단 방법인 RT-PCR과 동일한 기본 원리를 사용하지만, 하이브리드 나노소재와 휴대성을 허용하는 소형화된 폼 팩터를 사용하여 속도가 크게 향상되었습니다.

현재 사용되는 COVID-19의 골드 스탠다드 검사 방법은 RT-PCR입니다. 이는 RNA 유전자를 검출을 위한 보완 DNA로 바꾼 후 DNA를 증폭하는 검사입니다. RT-PCR은 정확도가 높지만, 대형 계측기를 갖춘 중앙 시설에서 바이러스를 검출하는 데 1~2시간이 걸립니다. 샘플링 사이트에서 검사 시설까지 콜드 체인 운송의 물류 프로세스로 인해 기존 RT-PCR 진단은 더욱 느려져 환자에게 결과를 전달하는 데 1~2일이 걸립니다.

연구팀은 기존 진단 방법의 한계를 극복하기 위해 코어에 자성 물질과 플라스모닉 효과를 나타내는 금 껍질로 구성된 자기 플라스모닉 나노입자(MPN)를 활용했습니다. MPN을 PCR에 적용하여 RT-PCR의 속도를 크게 개선하면서도 정확도가 높은 검출을 유지하는 '나노PCR'을 개발했습니다. MPN의 플라스모닉 특성은 빛 에너지를 열 에너지로 변환하는 능력을 말하며, 이를 사용하여 RT-PCR의 열 순환 단계를 1~2시간에서 11분 이내로 단축할 수 있었습니다. 또한 MPN의 강력한 자기적 특성으로 인해 외부 자기장이 PCR 용액에서 MPN을 제거하여 증폭된 유전자의 형광 검출이 가능합니다. 나노PCR은 소량의 유전자(~3.2개/μl)도 정확하게 검출할 수 있으며, 동시에 높은 민감도와 특이성으로 유전 물질을 증폭하고 검출할 수 있습니다.

연구진은 전남대학교 병원의 최현정 교수 팀과 함께 환자 검체 검사를 통해 임상 환경에서 nanoPCR을 테스트했습니다. 검사 중에 COVID-19 감염 여부에 관계없이 150명의 대상자가 이 기술을 사용하여 정확하게 진단되었습니다(양성 75명, 음성 75명; 거짓 음성 및 거짓 양성 0명). 민감도 및 특이도 수준은 기존 RT-PCR(~99%)과 동일한 것으로 나타났습니다. 높은 신뢰성 외에도 전체 진단 프로세스가 상당히 빠르며 평균적으로 검체 하나를 진단하는 데 약 17분이 걸렸습니다.

또한 연구자들은 페리스 휠 시스템을 적용하여 여러 샘플을 한 번에 적재함으로써 분석 처리량을 개선할 수 있는 가능성을 보여주었고, 이를 통해 여러 환자의 여러 샘플을 동시에 검사할 수 있었습니다. 중요한 점은 나노PCR 장비가 크기(15×15×18cm)와 무게(3kg)가 매우 작아서 휴대하기 편리하다는 것입니다. 이 모든 것이 POC 진단을 위한 환자를 빠르고 분산적으로 검사할 수 있는 길을 열어줄 것입니다.

천 단장은 "PCR 기술의 개량과 소형화를 통해 현장에서 빠르게 PCR 기반 POC 진단을 수행할 수 있음을 보였다"고 말했다. 현재 연구는 개념 증명 단계에 있으며 현장에서 사용할 수 있을 때까지 추가 개발이 필요합니다.

본 연구 결과는 2020년 12월 3일 Nature Biomedical Engineering 에 게재되었습니다.