다수의 질환에 연루된 유전자들의 사후 전사(post-transcriptional) 조절에서의 핵심적 역할로 인해 miRNA는 유망한 질환 바이오마커이자 치료 표적이다. 우리는 특정 miRNA를 가로채어 새롭게 지정된 표적 mRNA를 선택적으로 하향 조절하는 새로운 올리고뉴클레오타이드 프로브인 miRNA-trigger를 도입한다. miRNA-trigger를 BCL-xL의 항(抗)세포사멸(anti-apoptotic) 유전자를 억제하도록 공학적으로 설계함으로써, 특정 miRNA를 과발현하는 유방암 세포에서 선택적으로 세포사멸을 유도하고, 꼬리정맥(tail-vein) 주사 후 이종이식(xenograft) 마우스의 종양 부피를 유의하게 감소시켜 생체 내에서의 치료 효능을 추가로 검증한다. 이 접근법은 질환 관련 miRNA를 재지향함으로써 자기 조절형 올리고뉴클레오타이드 치료를 위한 새로운 플랫폼을 구축한다.

본 연구에서는 다색성 양자점 어레이(PQDA)를 기술하여, 다중화된 방식으로 miRNA를 정확하고 정밀하게 정량할 수 있는 커뮤니티 신호 앙상블을 구성하는 방법을 제시한다. 자가조립 기반 poly(methyl methacrylate)(PMMA) 패터닝 후 캡슐화 보조 전달 프린팅(capsulation-assisted transfer printing)을 통해 달성되는 고도 다성분 초고해상도 패터닝 기술을 활용하여 PQDA를 제조하였으며, 이 장치는 이중가닥 특이적 뉴클레아제(duplex-specific nuclease, DSN)의 작용을 통해 표적 miRNA-특이적 형광 양자점(QD) 세트를 방출하도록 설계되었다. 방출된 QD 프로파일로부터 생성된 커뮤니티 신호 앙상블에 기초하여, 표적 miRNA는 넓은 동적 범위(최대 6자릿수)에 걸쳐 다중화 방식으로 펨토몰 수준까지(1.27 fM) 매우 특이적으로 검출된다. 또한 본 전략의 실제 진단 가능성은 이질적인 암세포 용해물로부터 유방암-특이적 miRNA를 신뢰성 있게 식별하는 것으로도 입증되었다.

본 연구에서는 표적 RNA에 하이브리드화된 두 개의 인접한 절단 프로브에서 무결찰(ligation-free) DNA 신장 방법을 규명하여, 무결찰 핵산 증폭 반응 개발을 위한 기반을 제시한다. 이 반응에서 DNA 신장은 표적 RNA가 존재하는 경우 결찰과 무관하게 순방향 프로브에서 phosphorothioated-hairpin 프로브로 진행한다. 이어지는 두 번째 DNA 신장은 phosphorothioated 프로브의 니크(nick) 부위와 self-priming 영역에서 동시에 일어난다. 따라서 clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein(Cas) 12a의 결합 부위가 반복적으로 증폭되어, CRISPR-Cas12a 존재 하에서 형광 신호를 유도한다. 이러한 무결찰 등온 유전자 증폭 방법은 표적 RNA를 49.2 fM의 감도로 검출할 수 있다. 또한 두 가지 유형의 mRNA 검출이 가능하여, 본 방법이 암 동반진단(cancer companion diagnostics)에 적용될 잠재력을 보여준다. 특히, 제안된 방법은 사람 세포에서 추출한 mRNA 및 종양 보유 마우스 조직과 요(urine) 시료의 mRNA 검출에도 적용 시 효능을 나타낸다. 따라서 새로 개발된 무결찰 등온 핵산 증폭 시스템은 다양한 유전자 검출 플랫폼에서 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

본 연구에서는 개인용 혈당측정기(personal glucose meter, PGM)를 검출 장치로 사용하여 크레아틴 키나아제(creatine kinase, CK) 활성을 검출하는 간단하고 표지(label-free) 없는 방법을 개발하였다. 이 방법은 CK와 헥소키나아제(hexokinase, HK)의 결합 활성이 촉진하는 연쇄 효소 반응(cascade enzymatic reaction, CER)에 의해 표적 유도성으로 포도당이 소모되는 과정에 기반한다. 먼저 표적 CK는 크레아틴 인산( creatine phosphate, CP )을 인산 공여체로 사용하여 아데노신 5’-이인산(adenosine 5’-diphosphate, ADP)을 아데노신 5’-삼인산(adenosine 5’-triphosphate, ATP)으로 인산화한다. 이어서 HK는 생성된 ATP를 다시 ADP로 전환하여 포도당을 포도당-6-인산(glucose-6-phosphate)으로 인산화하며, 이 ADP는 시료 내에서 포도당을 추가로 인산화하기 위해 CER의 또 다른 순환에 들어갈 수 있다. 그 결과, 포도당의 수준은 CK 활성에 따라 감소하며, 이는 PGM을 통해 매우 편리하게 검출할 수 있다. 이러한 독특한 설계 원리를 바탕으로 우리는 다양한 비표적 효소에 대해 높은 특이성을 유지하면서 CK 활성을 0.0147 U/mL까지 정량적으로 확인하였다. 또한 본 개발 전략이 이질적인 사람 혈액에서도 CK 활성을 신뢰성 있게 검출할 수 있음을 검증하여, 다양한 임상 응용에서의 견고한 유용성을 확보하였다. 사용자 친화적인 이 방법은 CK의 현장(point-of-care) 검출을 가능하게 하여 근육 건강을 모니터링하기 위한 실용적인 도구를 제공한다. 동일한 PGM 장치로 CK와 포도당 수준을 동시에 추적할 수 있게 함으로써, 이 접근법은 당뇨병(diabetes mellitus, DM) 환자에게 특히 유익하며, 자신의 건강을 적극적으로 관리하고 근육 관련 합병증의 위험을 감소시키는 데 기여할 수 있다. • 개인용 혈당측정기(personal glucose meter, PGM)를 검출 장치로 사용하여 크레아틴 키나아제(creatine kinase, CK)를 검출하기 위한 새로운 전략을 개발하였다. • 본 방법은 검출한계(limit of detection, LOD) 0.0147 U/mL에서 CK의 민감한 검출을 달성하였으며, 사람 혈액 시료에서 CK를 신뢰성 있게 동정할 수 있음을 확인하였다. • 본 방법은 단일 장치로 당뇨 환자가 포도당과 CK 수준을 동시에 모니터링할 수 있게 하여, 가정에서의 선제적 건강 관리 역량을 향상시킨다.

다수의 질환에 연루된 유전자들의 사후 전사(post-transcriptional) 조절에서의 핵심적 역할로 인해 miRNA는 유망한 질환 바이오마커이자 치료 표적이다. 우리는 특정 miRNA를 가로채어 새롭게 지정된 표적 mRNA를 선택적으로 하향 조절하는 새로운 올리고뉴클레오타이드 프로브인 miRNA-trigger를 도입한다. miRNA-trigger를 BCL-xL의 항(抗)세포사멸(anti-apoptotic) 유전자를 억제하도록 공학적으로 설계함으로써, 특정 miRNA를 과발현하는 유방암 세포에서 선택적으로 세포사멸을 유도하고, 꼬리정맥(tail-vein) 주사 후 이종이식(xenograft) 마우스의 종양 부피를 유의하게 감소시켜 생체 내에서의 치료 효능을 추가로 검증한다. 이 접근법은 질환 관련 miRNA를 재지향함으로써 자기 조절형 올리고뉴클레오타이드 치료를 위한 새로운 플랫폼을 구축한다.

본 연구에서는 다색성 양자점 어레이(PQDA)를 기술하여, 다중화된 방식으로 miRNA를 정확하고 정밀하게 정량할 수 있는 커뮤니티 신호 앙상블을 구성하는 방법을 제시한다. 자가조립 기반 poly(methyl methacrylate)(PMMA) 패터닝 후 캡슐화 보조 전달 프린팅(capsulation-assisted transfer printing)을 통해 달성되는 고도 다성분 초고해상도 패터닝 기술을 활용하여 PQDA를 제조하였으며, 이 장치는 이중가닥 특이적 뉴클레아제(duplex-specific nuclease, DSN)의 작용을 통해 표적 miRNA-특이적 형광 양자점(QD) 세트를 방출하도록 설계되었다. 방출된 QD 프로파일로부터 생성된 커뮤니티 신호 앙상블에 기초하여, 표적 miRNA는 넓은 동적 범위(최대 6자릿수)에 걸쳐 다중화 방식으로 펨토몰 수준까지(1.27 fM) 매우 특이적으로 검출된다. 또한 본 전략의 실제 진단 가능성은 이질적인 암세포 용해물로부터 유방암-특이적 miRNA를 신뢰성 있게 식별하는 것으로도 입증되었다.