배아 발달 제어 및 착상 효율 향상을 위한 (i) 단일 배아 배양을 위한 동적 공배양 시스템을 개발하고, (ii) 형태적, 물리적, 대사적 특성의 통합 진단이 가능한 바이오센싱 기술구축을 통한 단일 배아 평가 가이드라인을 제시함으로써 체외수정 (in vitro fertilization) 및 난임(infertility) 극복을 위한 해결책 제시.◇ 1차년도:...
배아발달제어
비침습적 동적배양
배아질 평가
형태운동학적 분석
전기화학기반 바이오센서
2
주관|
2021년 5월-2024년 2월
|500,000,000원
음파 제어 기반 단일 배아 특성 연구실
1차년도: 음파 이용 단일 배아 동적 제어 및 비침습적 배아 분석 기술 기반구축
① 폴리머 체임버와 음파 발생 장치가 결합된 단일 배아 동적제어 플랫폼 제작
② 음파 인가시 형성되는 음향장 제어를 통한 단일 배아의 위치, 회전 및 병진 운동 제어 기술 개발
③ 단일 배아의 비침습적 분석 기술 (형태, 대사산물, 물리적 특성) 확보
④ 단일 배아의 AFM 기반 물리적 특성과 배아발달 관련 기능적 유전자 특성과의 상관 관계 도출
2차년도: 음파제어 기반 난관미세환경 모사 동적 공배양시스템 구축 및 동적 배양된 배아의 특성 분석을 통한 데이터베이스 구축
① 컴퓨터 모델링을 이용한 음파제어기반 동적배양 시스템 최적화 및 이를 활용한 난관미세환경 모사 동적 공배양 시스템 구축
② 음파 유도된 각 배아의 병진 및 회전 운동 자극에 따른 물리적 변형력 해석을 통한 배아 발달 단계 분석
③ 동적 배양 조건에 따른 단일 배아의 비침습적 특성(형태, 대사산물, 물리적 특성) 분석을 통한 데이터 베이스 구축
④ 동적 배양된 배아의 기능적 분석을 위한 물리적, 유전적 특성 변화에 따른 전 사체 프로파일링
3차년도: 단일 배아 이식을 위한 동적 배양된 배아의 선별 및 착상 효율 검증
① 단일 배아 이식을 위한 최적 음파제어기반 동적 공배양 시스템 정립
② 배아의 분화 양상에 따른 음파 제어 기반 형태-운동학적 분석을 통한 배아선별 기준 확립
③ 비침습적 특성 분석 데이터 베이스를 이용한 최적 배아선별 바이오마커 플랫폼 정립
④ 배아의 물리적, 유전적 특성 변화에 따른 기능적 분석을 활용한 단일 배아 착상 효율 검증
· 진단 시스템 시제품 제작 및 최적화
- 사용자 편의성(소형화 등)을 위한 제품 디자인의 최적화
- 신규 디자인 기반 맞춤형 PCB 설계 및 제작 최적화
- 시작품 Character LCD를 Custom 혹은 Color LCD 선택 후 최적화
- 임상샘플 전기화학분석을 위한 고감도 측정 모듈(PCB) 최적화
- Custom 혹은 Color LCD 화면구성에 맞게 Flow 제어 변경 최적화
- 최적 센서 스트립 기반 시스템 최적화
- BLE연동 App 개발 최적화
- 작은 LCD화면에서 표현에 한계가 있는 부분을 스마트폰에서 확인
- 측정 기록을 활용한 일별, 주별, 월별 레포트 기능
· 시제품 기기 성능 평가
- 시스템 및 소프트웨어 요구사항 분석 및 설계 후 평가
- 임상샘플 기반 인슐린 저항성 진단기기 성능평가
· 코호트 혈액검체(동산의료원 내분비내과)를 활용하여 임상적 성능검증 및 피드백으로 시스템 최적화
· 임상 전문의로부터 사용성 및 적합성 검증
- GMP 인증 및 인허가 준비
· TRL 8단계 진입을 위한 의료기기 GMP 품질관리 시스템(ISO 13485)의 요구사항 사전 준비
· 개선사항 반영 및 제품 생산 관리 시스템 준비
난임 극복을 위한 유체 특성 기반 미세 패턴 및 입자 분리 시스템이 적용된 생식 세포 공배양 통합 유동 시스템 연구
▶ 연구내용
1) 표면 장력을 통한 반구형 미세 패턴 제작, 난구 세포 (cumulus cell) 분리 배양 기술 확립 및 이를 활용한 반구형 미세 패턴의 기하 구조 해석 및 최적 곡률 확립
2) 입자 분리 유체 시스템을 통한 난관 상피 세포(Oviduct epithelial cell) 분리, 배양 및 이를 이용한 난관 미세환경(micro enviorment)을 모사한 수정란 + 난구세포/난관 상피세포 공배양(co-culture) 플랫폼 구축
3) 수정란에 간접 유동에 의한 전단 응력(shear stress)을 제공할 수 있는 간접 유동 채널 제작, 간접 유동 채널 내 난구세포/난관 상피세포 배양, 이를 통한 수정란 동적 공배양 시스템구축 및 대사작용 측정을 통한 검증
(1) 1차년도
연구 목표: PDMS (Polydimethylsiloxane) 유체 특성 기반 난관 형상 모사 미세패턴 제작 및 난구세포 공배양 조건 확립
연구 내용:
1.PDMS 표면장력에 의해 형성되는 반구형 미세패턴을 활용한 난관 형상 모사 미세패턴 제작
● 온도에 따라 형성되는 반구형 PDMS 미세패턴의 특성화 및 곡률 경향성 분석
● 설계 파라미터 (너비와 높이)를 조절하여 다양한 크기 및 곡률의 미세패턴 제작 및 난관 형상 패턴 모사
2. 난구세포 추출 및 In Vitro 상 공배양 조건 확립
● 난구 세포추출 프로토콜 수립 및 수정란 분화에 작용하는 메커니즘 분석
● 배양 Dish 상 수정란과 난구 세포 상호 작용 조건 분석을 통한 수정란+난구 세포 공배양 조건 확립
(2) 2차년도
연구 목표: 반구형 미세패턴의 수정란 배양 최적곡률 확립, 난관 상피 세포 분리 및 이를 활용한 수정란 최적 공배양 조건 수립
연구 내용:
1. 반구형 미세패턴의 수정란 배양 최적 곡률 확립
● 제작된 미세패턴 곡률의 수학적 분석 및 이를 활용한 수정란과 난구세포 상호 작용 연구
● 실시간 관찰 (Realtime Monitoring)을 통한 미세 패턴 형상과 수정란 분화율 상관관계 분석을 통한 최적 곡률 확립
2. 입자 분리 미세 유동 시스템을 통한 난관 상피 세포 분리 및 수정란 공배양 조건 확립
● 식각확산 모델 적용 간접 유동 채널 제작 및 상피 세포 분리를 위한 표면처리
● 미세 채널 내 난관 상피 세포 분리 및 난관 상피 세포 단독 배양 조건 수립
● 미세 채널 내 분리 배양된 난관 상피세포와 수정란의 공배양 조건수립; 실시간 관찰 (Realtime Monitoring)을 통한 수정란 분화율 분석 및 배양 조건 최적화
(3) 3차년도
연구 목표: 1,2 차년도에서 구현된 미세패턴, 공배양이 가능한 시스템에 수정란의 이동 모델을 구현함으로써 통합 유동 시스템의 완성 및 이를 평가하는 시스템 확립 연구; 동적 제어 시스템(Dynamic system)을 위한 수정란 배양 간접 유동 채널 제작 및 수정란 모사 미세 입자 운동 실험과 수정란 공배양 환경 구축
연구 내용:
1. 간접 유동 입자 이동 제어를 위한 미세 유체 동적 시스템 제작 및 입자 운동 모델 구현
● 간접 유동 구현을 위해 아령 모양 미세채널 제작
● 간접 유동 채널 내 유동 해석 및 입자 이동 예측 모델 구현; 미세입자를 이용한 예측 실험 구현
● 수정란 운동 속도 함수 수립, 운동 예측 모델 최적화 및 생식세포 공배양 통합 유동 시스템으로의 활용
2. 간접 유동 채널에서 난관 상피 세포 분리 및 수정란과 공배양 조건 확립
● 간접 유동 구간에 수정란과 난구 세포, 난관 상피 세포의 공배양 환경 구축
● 유체(배양액)가 흐르는 동적 환경에서 채널 내 수정란 공배양 진행 및 실시간 모니터링을 통한 분화율 분석
● 수정란 분화율 및 대사작용 측정을 통한 상관 관계 분석 및 시스템 최적화
당뇨 전단계에서 당뇨병 및 합병증으로의 진행을 조기에 예측할 수 있는 바이오마커 발굴과 이를 기반으로 한 다중진단칩 플랫폼 및 진료 알고리즘 개발을 목표로 한다. 연구는 (i) 검체 분석을 통한 당뇨병 전단계 이행 예측 바이오마커 후보 도출, (ii) 당뇨병 합병증 예측을 위한 다중진단칩 제작, (iii) 개발된 진단 키트의 효능 검증 및 환자 맞춤형 진료 알고리즘 수립으로 구성된다. 이를 통해 당뇨병 및 합병증의 조기 진단과 예방, 맞춤형 치료 전략 제시는 물론, 새로운 치료 후보물질 발굴과 고부가가치 진단 시장 창출로 이어질 것으로 기대된다. 나아가 본 연구는 당뇨병 관리의 새로운 패러다임을 제시하고, 국내외 진단칩 시장 선점 및 신약 개발 연계 효과를 통해 학문적·산업적 파급효과를 동시에 달성할 수 있을 것으로 전망된다.
홍익대학교가 수행하는 본 연구(2023.06~2026.02, 과학기술정보통신부 지원)는 배아 발달 제어 및 착상 효율 향상을 위한 단일 배아 동적 배양 및 배아질 평가 시스템 개발을 목표로 한다. 연구팀은 난관 모사 미세패턴과 음파 기반의 동적 배양 환경을 구축하고, 형태적·물리적·대사적 특성을 통합적으로 분석할 수 있는 비침습적 바이오센싱 기술을 도입하여 최적의 배아 평가 가이드라인을 제시한다. 이를 통해 체외수정(IVF) 과정에서 다중 배아 이식으로 인한 다태아 발생 문제를 극복하고, 단일 배아 이식의 성공률을 높여 난임 극복 및 저출산 문제 해결에 기여할 것으로 기대된다. 또한 동적 배양 시스템은 줄기세포 분화, 인공조직 및 장기 제작 등 다양한 재생의학 분야로 확장 가능하며, 전기화학 기반 바이오센서 개발을 통한 새로운 바이오마커 발굴은 진단 및 고부가가치 산업 창출로 이어질 수 있다. 나아가 전 세계적으로 성장하는 IVF 시장에서 본 연구 성과는 차세대 배아 배양·선별 플랫폼으로 산업적 파급력을 갖추며, 현장진단(point-of-care) 시스템 및 생식독성시험 대체 플랫폼 개발에도 활용될 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
음파 제어 기반 단일 배아 특성 연구실(ASECL, 2021.06~2024.02, 과학기술정보통신부 지원)은 음향 제어 기술을 활용하여 수정란의 분화를 촉진하고 착상 효율을 높이는 단일 배아 동적 공배양 시스템과 비침습적 배아 분석 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 연구팀은 난관 미세환경을 모사한 음파 기반 동적 배양 플랫폼을 구축하고, 이를 통해 확보된 배아의 물리적·유전적 특성을 데이터베이스화하여 단일 배아 평가 가이드라인을 제시하였다. 이 다학제간 통합 평가 방법은 체외수정(IVF) 성공률을 향상시키고, 다중 배아 이식으로 인한 다태아 발생을 방지하여 난임 극복 및 저출산 문제 해결에 기여할 것으로 기대된다. 더 나아가, 본 플랫폼은 줄기세포 분화 및 인공조직 제작에도 응용 가능한 핵심 기반기술로 확장될 수 있으며, 급성장하는 전 세계 IVF 시장(약 11조 8천억 원 규모)에서 산업적 파급효과와 새로운 수요 창출을 이끌 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
난임 극복을 위한 유체 특성 기반 미세 패턴 및 입자 분리 시스템이 적용된 생식 세포 공배양 통합 유동 시스템 연구
과학기술정보통신부
“난임 극복을 위한 유체 특성 기반 미세 패턴 및 입자 분리 시스템이 적용된 생식 세포 공배양 통합 유동 시스템 연구”(2020.06~2023.02, 과학기술정보통신부 지원)는 미세유체시스템을 활용하여 수정란의 분화를 촉진하는 물리적·화학적 메커니즘을 규명하고, 체외수정(IVF) 및 난임 극복을 위한 공학적 해결책을 제시하는 것을 목표로 한다. 연구는 (i) 표면장력을 이용한 반구형 미세 패턴 제작 및 난구세포 분리·배양 기술 확립, (ii) 입자 분리 유체 시스템을 활용한 난관 상피세포 배양을 통해 난관 미세환경을 모사한 수정란–세포 공배양 플랫폼 구축, (iii) 전단 응력을 가할 수 있는 간접 유동 채널 기반 동적 공배양 시스템 개발 및 대사작용 검증으로 진행되었다. 본 연구 성과는 IVF 배양 기술의 정체를 극복하고, 생체 모사 시스템으로서 종양 미세환경 연구 및 항암제 효능 검증 등 동물실험 대체재로 확장 가능성을 가지며, 극소형·고효율 칩 기반 플랫폼을 통해 향후 현장진단(point-of-care) 시스템 및 마이크로시스템 산업으로 파급 효과를 창출할 것으로 기대된다.
의료기기 기업의 제품 다각화와 비(非)의료기기 기업의 업종 전환을 촉진하기 위해 개방형 의료기기 표준 플랫폼을 개발·보급하는 것을 목표로 하였다. 본 사업은 의료기기 중소기업의 요구를 반영하여 생체신호측정기기, 광 기반 의료기기, 인지재활 프로그램의 3개 유형으로 특성화된 플랫폼 공용 모듈을 구축하고, 이를 활용한 시제품 제작을 지원하였다. 또한 공용기술의 표준화·모듈화를 위한 공정기술 개발과 기업 맞춤형 지원을 통해 개발 비용 절감(최대 1/10 수준), 개발 기간 단축, 공통부품 대량 구매에 따른 원가 절감 등 실질적 효과를 창출하였다. 이와 함께, 하드웨어(H/W) 전문업체와 소프트웨어(S/W) 전문기업 간 협업을 촉진하고, IEC60601-1(3판) 등 국제규격 대응 및 재직자 교육을 통해 중소 의료기기의 경쟁력을 강화하였다. 결과적으로 본 연구는 국내 의료기기 산업의 표준화·개방형 생태계 구축, 신수익 모델 창출, 융합 산업 확장, 미래 성장동력 확보로 이어질 수 있는 기반을 마련하였다.
휴대형(handheld) 전기화학 바이오센서 기반 기기를 임상 현장에 적용 가능한 수준으로 끌어올리기 위해, (1) 혈당과 단백질(인슐린 등) 동시 정량을 위한 듀얼 센서/미세유체(혈장 분리) 모듈의 신뢰성·민감도·재현성 향상, (2) 임상 검체(환자 전혈·혈장) 다기관 성능 평가와 표준 운영 프로토콜(SOP) 수립, (3) 사용자 인터페이스·모바일 연동 및 데이터 해석 알고리즘 고도화, (4) 비교지표(HOMA-IR, ELISA 등) 대비 비열등성/우월성 검증과 규제·사업화 요건(내환경·전자파·내구성 등) 충족을 목표로 한 임상 전(前)·초기 임상 단계의 전주기 실증 과제입니다. 기술적 기반은 ‘휴대용 인슐린 저항성 진단장치 및 방법’ 특허군(포터블 하우징, 혈당/단백질 분리 전극, 신호 증폭·판독·표시 모듈, 마이크로플루이딕 혈장 분리, 암페로메트리·임피던스 면역센서 조합 등)에서 제시된 구조·원리를 계승/개선한 것으로, 제품화 시 현장진단(POCT) 환경에서 전혈 소량으로 인슐린 저항성을 수분 내 정량·판단하는 것을 지향합니다. 최종 산출물은 임상 성능지표(LOD/LOQ, CV<10% 수준 재현성, 교차반응 최소화), 사용자·제조 관점(ToC/DFM) 설계 문서, 인허가 사전검토 자료와 함께 휴대형 시제품(앱·클라우드 연계 포함)이며, 관련 특허(미국 US 11,067,564 B2, 한국 등록특허 10-1691349)를 통해 장치 아키텍처와 측정 메커니즘의 타당성이 뒷받침됩니다.
급증하는 비만 및 그로 인한 만성질환(고혈압, 당뇨병, 심혈관질환, 고콜레스테롤혈증, 암 등)의 조기 진단과 치료 전략을 개발하기 위해 설립되었다. 비만은 인체 면역 반응 이상을 유발하고, 이로 인한 아디포카인(adipokines) 및 사이토카인(cytokines), 지질 신호 분자들의 항상성 변화가 다양한 비만 매개 질환의 공통 병인으로 작용한다. 센터는 이러한 기전을 통합적으로 규명하여 전기화학적 바이오칩 기반 진단기술을 개발하고, 기존 ELISA·RIA에 의존하던 방식보다 간편하고 저비용의 솔루션을 제시하였다. 이를 통해 우리나라 의료비 부담을 획기적으로 경감시키고, 노령 인구의 건강수명 연장과 청소년 비만 문제 해결에 기여할 수 있는 기반을 마련했으며, 나아가 의료기기 산업 경쟁력 강화 및 국가적 손실 감소에 기여할 것으로 기대된다.
본 프로젝트는 특허 “KR20160129937A / WO2016175615A1”을 기반으로, 혈당(glucose) 및 인슐린 또는 그 단백질 바이오마커를 소량의 혈액 시료로 동시에 측정할 수 있는 휴대형 인슐린 저항성 진단기기를 개발하는 것을 목표로 한다. 이 기기는 듀얼 전극(sensor unit) 구조로 혈당과 인슐린 단백질을 각각 측정하고, 신호를 증폭·디지털화하여 인슐린 저항성 여부를 조기에 판별하며, 결과는 디스플레이 유닛에 표시된다. 또한 휴대성과 사용자 편의성, 작은 혈액량으로 즉각적인 판독이 가능하도록 설계되었으며, 임상 적용을 위한 초기 실험실 증명(lab-scale proof), 표준화된 분석 절차 및 비교 기준(HOMA-IR, 기존 혈액 검사 등)과의 상관관계 검토 등이 과제로 예상된다. 다만, 공개된 특허문서에서는 아직 환자 샘플을 사용한 임상시험 결과는 확인되지 않았으며, 사업화 및 규제 승인을 위한 추가적인 감도·특이도 테스트 및 사용자평가 등이 요구된다.
생활환경 속 유해화학물질과 위험 요인을 저가·휴대형 센서 키트와 앱 기반 서비스로 누구나 쉽게 진단·관리할 수 있도록 하는 것을 목표로 수행되었다. 본 연구에서는 센서키트와 플랫폼 간 인터페이스, 서비스 DB 및 Web/App 환경을 구축하고, 대기환경 진단 프로토타입을 개발하여 상품화를 추진하였다. 한국디자인진흥원은 사용자 친화적 제품 디자인과 서비스 모델을, 계명대학교는 AI 기반 데이터 분석 알고리즘을, DGIST는 생활 위험요인 분석용 지식 DB를, 동산의료원은 화학 독성 진단키트 프로토타입을, 금오공과대학교는 가스 센서 및 초소형·초고감도 센서 기술을 각각 담당하였다. 이 연구를 통해 고가 장비와 전문가 의존적이던 기존 화학물질 진단 방식을 대체할 수 있는 자기주도형 생활환경 안전진단 솔루션이 마련되었으며, 일상 속 화학물질 위해성 관리와 국민 건강 보호, 나아가 안전 진단 서비스 산업의 신시장 창출에 기여할 것으로 기대된다.
“초기 배아 생성 모델 연구를 위한 난관 모사 미세유체시스템”(2017.03~2020.02, 과학기술정보통신부 지원)은 초기 배아 발달 과정을 모사할 수 있는 난관 유사 미세유체 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 하였다. 연구는 (i) 식각액 확산 모델을 기반으로 난관 내부의 점막 주름(mucosal folds)과 내강(lumen)을 반복적으로 구현한 미세 패턴 채널을 제작하고, (ii) 해당 패턴을 활용해 난관 상피세포와의 공배양(co-culture) 모델을 확립했으며, (iii) 수정란의 이동 모델을 통합하여 난관 모사 시스템을 완성하고 이를 평가하는 체계를 마련하였다. 이러한 접근은 초기 배아 세포의 분화를 촉진하는 메커니즘 규명에 기여하며, 체외수정(IVF) 및 난임 극복을 위한 공학적 해결책을 제시할 수 있다. 나아가 본 연구에서 개발된 생체 모사 시스템은 IVF 분야뿐 아니라 종양 미세환경 연구, 항암제 효과 검증용 동물실험 대체 플랫폼, 그리고 극소형·고효율화 칩 기반의 현장진단(point-of-care) 시스템 산업 등으로 확장 가능성이 기대된다.
