국내 연구진이 라만 분광법과 인공지능 기술을 활용해 급성 신장손상을 정확하고 신속하게 진단할 수 있는 기술을 개발했다.
급성 신장손상은 혈액 속에 노폐물이 쌓이고 신체의 전해질, 산성도, 수분 항상성이 깨지면서 신장 기능이 급격히 감소하는 상태를 말한다. 이를 신속히 치료하면 영구적인 신장손상과 만성 진행성 신장질환을 막을 수 있다.
울산의대 서울아산병원 융합의학과 김준기 교수팀은 바이오마커 검출법인 표면 증강 라만 분광법(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)과 인공지능 기반의 통계처리 기법을 이용해 급성 신부전을 평가하는데 성공했다고 최근 밝혔다.
분광분석을 통한 진단은 현미경 영상에 기반해 조직의 미세구조나 분자 단계에서의 화학적 특성 평가가 가능해 다양한 질환의 진단에 응용된다. 라만분광학은 분광분석기법의 일종으로 단색광을 샘플에 조사해 산란광 속에서 비탄성적인 응답 파장의 스펙트럼을 분석하는 기술이다. 특히 샘플조직 성분의 미세한 화학구조 정보까지 제공하므로, 조직학적 진단이 가능한 비파괴 광학 진단기술 중 하나로 기대 받고 있다.
최근에는 나노 기술과 라만분광 기술을 융합한 비표지 기반의 표면 증강 라만 분광법(이하 ‘SERS’)이 개발되면서 진단응용 범위가 더욱 확장되고 있다. SERS는 은이나 금처럼 표면이 거친 금속의 플라즈몬 공명 현상을 이용해 라만분광 신호를 비약적으로 증강시키는 기술이다.
연구팀은 신장 허혈로 급성 신장손상이 발생한 쥐에게서 혈액과 소변을 채취한 후 진단검사와 병리검사를 진행해 신장기능 및 손상 정도를 확인했다.
이어서 금-산화아연(Au-ZnO) 나노 기둥으로 표면이 강화된 라만 센싱 칩 위에 쥐의 혈액과 소변을 올려놓고 SERS를 이용해 라만효과를 중폭시켜 신호를 얻었다. 연구팀은 이번 연구를 위해 나노 구조체를 기반으로 SERS를 위한 센싱칩을 제작했으며 거친 금속 표면에 의한 라만신호 증강을 극대화했다.
이후 라만신호에 주성분 분석(PCA)과 기계학습 알고리즘 중 하나인 기능성분 지도(PLS-DA) 메커니즘을 접목해 신장기능 평가를 진행했다.
혈액과 소변의 SERS 분석 결과, 급성 신장손상 진단을 위한 신장기능 평가에 사용될 수 있는 바이오마커가 페닌알라닌(Phe), 티로신(Tyr) 등으로 검출됐다. 연구팀은 아미노 III형과 달리 페닌알라닌과 티로신이 신장기능을 평가할 수 있는 인자임을 확인했으며, 라만신호 영역을 더 크게 사용하자 평가 정확도가 향상된 점을 발견할 수 있었다.
기존의 PCA 통계분석을 통해서는 라만신호의 데이터 분포와 진단 가능성을 검토할 수 없었으며, 라만신호를 PLS-DA 메커니즘에 접목해 분석했더니 혈액과 소변에서 99.3%, 99.9%의 정확도로 신장기능 평가가 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다.
김준기 울산의대 서울아산병원 융합의학과 교수는 “SERS 칩의 라만신호 증강을 통해 신장기능을 모니터링하고 진단할 수 있었으며, PLS-DA의 머신러닝 분석 알고리즘을 이용해 혈액과 소변에 있는 SERS 바이오마커를 신장기능 이상 진단기준으로 사용할 수 있음을 확인했다. 나노다공성 구조의 신호 강화 감지 및 머신러닝 알고리즘 적용은 다양한 바이오마커의 다중 복합 검출이 필요한 신장기능을 평가하는 데 유용하며 향후 급성 신장손상 진단에 사용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부와 보건복지부의 보건의료기술 연구개발사업 및 과학기술정보통신부 지원사업으로 진행됐으며, 미국화학학회가 발간하는 화학분석학 분야 세계적 권위지인 ‘애널리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry, 피인용지수 8.008)’ 최신호에 게재됐다.