NanoBioPhotonics Lab.
바이오의공학부 최연호
나노바이오포토닉스 연구실(NanoBioPhotonics Lab.)은 나노기술, 생명과학, 광학의 융합을 기반으로 차세대 바이오의공학 진단 및 치료 기술을 선도적으로 개발하고 있습니다. 본 연구실은 엑소좀, 나노플라즈모닉 센서, 표면 증강 라만 분광법(SERS), 인공지능 기반 신호 분석 등 첨단 융합기술을 활용하여 암, 백혈병, 우울증 등 다양한 질환의 조기 진단 및 예후 예측, 맞춤형 치료 전략 수립에 기여하고 있습니다.
특히, 혈액 등 체액 내에 존재하는 엑소좀을 표적화하여, 비침습적 액체생검 기반의 암 진단 기술을 개발하고 있습니다. 나노플라즈모닉 센서와 SERS를 결합한 고감도 분자 신호 검출 기술은, 기존의 단일 바이오마커 기반 진단법의 한계를 극복하고, 다중 바이오마커 분석을 통한 정밀 진단을 가능하게 합니다. 이러한 기술은 폐암, 백혈병, 다양한 고형암 및 정신질환까지 폭넓게 적용되고 있습니다.
연구실은 나노공정 및 생체모방 구조체를 이용한 의료용 소재 개발에도 앞장서고 있습니다. 혈전 방지 옴니포빅 표면, 나노입자 프린팅, 3차원 나노구조 조립 등 혁신적 나노공정 기술을 통해, 의료기기의 안전성과 성능을 크게 향상시키고 있습니다. 실제로, 혈액과 접촉하는 의료기기에서 혈전 형성을 획기적으로 억제하는 소재를 개발하여, 임상 적용 가능성을 높이고 있습니다.
또한, 인공지능과 딥러닝을 접목한 분광 신호 분석 시스템을 구축하여, 복잡한 생체 신호의 해석과 질병 진단의 자동화·정밀화를 실현하고 있습니다. 대규모 데이터셋과 기계학습 기반의 분석법을 통해, 암, 우울증, 감염병 등 다양한 질환의 조기 진단 및 치료 반응 예측에 성공하고 있습니다.
이처럼 나노바이오포토닉스 연구실은 융합적이고 혁신적인 연구를 바탕으로, 차세대 바이오의공학 진단·치료 기술의 패러다임을 선도하고 있습니다. 앞으로도 정밀의료, 맞춤형 치료, 동반진단 등 미래 의료의 핵심 기술 개발에 지속적으로 기여할 것입니다.
Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)
Exosome Analysis
Quantum Biology
엑소좀 및 나노플라즈모닉 센서를 활용한 암 및 질병 진단
나노바이오포토닉스 연구실은 엑소좀과 나노플라즈모닉 센서를 결합하여 암 및 다양한 질병의 조기 진단 기술을 개발하고 있습니다. 엑소좀은 세포에서 분비되는 나노 크기의 소포체로, 혈액 등 체액 내에 존재하며 암세포의 특성을 반영하는 다양한 생체지표를 포함하고 있습니다. 연구실에서는 표면 증강 라만 분광법(SERS)과 나노플라즈모닉 센서를 이용해 엑소좀의 분자적 신호를 민감하게 검출하고, 이를 기반으로 암세포 유래 엑소좀과 정상세포 유래 엑소좀을 구분하는 기술을 선도적으로 개발하고 있습니다.
특히, 폐암, 대장암, 유방암 등 다양한 암종에 대해 엑소좀의 라만 신호 패턴을 인공지능 및 딥러닝 기반의 분석법과 결합하여, 기존의 단일 바이오마커 기반 진단법보다 높은 정확도와 민감도를 달성하고 있습니다. 이러한 기술은 혈액 한 방울만으로도 암의 존재 여부, 암의 종류, 그리고 진행 단계를 신속하게 판별할 수 있어, 환자 친화적이고 비침습적인 차세대 액체생검 진단법으로 주목받고 있습니다.
더 나아가, 연구실은 엑소좀 내 단백질, microRNA, 돌연변이 등 다양한 분자 정보를 통합적으로 분석하여, 암뿐만 아니라 우울증, 백혈병 등 다양한 질환의 조기 진단 및 예후 예측에도 적용하고 있습니다. 이러한 융합적 접근은 정밀의료 실현과 맞춤형 치료 전략 수립에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
나노공정 및 생체모방 구조체 기반 의료용 소재 개발
연구실은 나노공정 기술과 생체모방 구조체를 활용하여 의료기기 및 바이오소재의 성능을 혁신적으로 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로, 혈액과 직접 접촉하는 의료기기(예: ECMO, 인공혈관 등)에서 발생하는 혈전 문제를 해결하기 위해, 화학적 코팅 없이도 발수성과 발유성을 동시에 갖는 옴니포빅(omniphobic) 표면을 개발하였습니다. 이 표면은 나노 크기의 재진입 구조체를 도입하여, 다양한 액체(물, 혈액, 지방 등)를 모두 튕겨내는 특성을 가지며, 실제 혈액 실험에서 혈전 형성을 99% 이상 억제하는 성과를 보였습니다.
이러한 나노공정 기반 옴니포빅 표면은 기존의 화학적 코팅 방식에 비해 내구성과 안전성이 뛰어나며, 곡면이나 복잡한 구조의 의료기기에도 적용이 가능합니다. 연구실은 나노구조체의 설계, 제작, 물성 평가, 그리고 실제 의료기기 적용까지 전 과정을 아우르는 융합 연구를 통해, 차세대 바이오의공학 소재의 상용화 가능성을 높이고 있습니다.
또한, 나노공정 기술은 단순히 표면 개질에 그치지 않고, 나노입자 프린팅, 3차원 나노구조 조립, 플라즈모닉 나노소재 합성 등 다양한 분야로 확장되고 있습니다. 이를 통해 고감도 바이오센서, 신경세포 조절, 약물전달 시스템 등 다양한 바이오의공학 응용 분야에서 혁신적인 솔루션을 제시하고 있습니다.
딥러닝 기반 분광 분석 및 인공지능 진단 시스템
나노바이오포토닉스 연구실은 분광학적 신호 분석에 인공지능, 특히 딥러닝 기법을 접목하여, 복잡한 생체 신호의 해석과 질병 진단의 자동화·정밀화를 추구하고 있습니다. 표면 증강 라만 분광법(SERS)이나 적외선(IR) 분광법 등으로부터 얻은 분자 지문 신호는 매우 복잡하고 해석이 어렵지만, 연구실에서는 대규모 신호 데이터셋을 구축하고, 이를 딥러닝 기반 분류·예측 모델로 학습시켜 암, 우울증, 감염병 등 다양한 질환의 진단 정확도를 크게 높이고 있습니다.
예를 들어, 혈액 내 엑소좀의 라만 신호를 딥러닝으로 분석하여, 초기 폐암 환자와 건강인을 90% 이상의 정확도로 구분하고, 우울증 환자의 치료 반응 예측에도 성공하였습니다. 또한, t-SNE, SVM 등 다양한 통계적·기계학습 기법을 결합하여, 다중 바이오마커 분석, 단백질 변이 탐지, 바이러스 감염 판별 등 다양한 응용 분야로 확장하고 있습니다.
이러한 인공지능 기반 분광 분석 시스템은 기존의 전문가 의존적, 주관적 진단 방식에서 벗어나, 신속하고 객관적인 진단을 가능하게 하며, 향후 정밀의료와 동반진단, 맞춤형 치료의 핵심 기술로 자리매김할 전망입니다.
1
Early-Stage Lung Cancer Diagnosis by Deep Learning-Based Spectroscopic Analysis of Circulating Exosomes
ACS Nano, 2020
2
Identification of newly emerging influenza viruses by detecting the virally infected cells based on surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and principal component analysis (PCA)
Analytical Chemistry, 2019
3
Correlation between Cancerous Exosomes and Protein Markers Based on Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) and Principal Component Analysis (PCA)
ACS Sensors, 2018
1
액체생검 기반 정밀의료 AI 진단 시스템 구축
2
[최종]나노 입자 프린팅 기술을 이용한 고감도 다중 바이오마커 검출 및 기계학습을 통한 pattern 분석 기반의 폐암 진단 기술개발
3
딥러닝 기반의 엑소좀 라만 신호 분석을 통한 암 진단용 이미징 센서 개발
