표면 탄화 은 나노와이어 기반 소변의 라만신호를 이용한 암 진단 방법 연구 = A study on cancer diagnosis method using Raman signal in urine based on surface carbonized silver nanowires

국문 초록 (Abstract)

대사체학(Metabolomics)이란 세포 또는 조직 내 대사체의 변화 등을 확인 및 정량하고, 그 결과로부터 대사체군(Metabolome)을 다양한 생리․병리학적 상태와 관련지어 대사체 메커니즘을 밝히는 중요한 연구이다. 최근, 인체 유래의 저분자 대사물질을 연구하는 대사체학이 암의 조기 진단 및 모니터링을 위한 바이오마커로써 큰 잠재력을 보여주고 있다. 그러나 효과적인 진단 도구로서의 임상 적용을 위해서는 복잡한 생물학적 산물에 대한 개선된 분석 방법이 필요하다.
본 연구에서는 유리 섬유 필터(Glass fiber filter, GFF)에 은 나노와이어(Silver nanowire, AgNW)를 진공 환경에서 3차원으로 적층시킨 뒤, 적층된 은 나노와이어의 표면 코팅 물질(폴리머 층)을 탄화시켜 표면증강 라만 기판을 제작하였다. 제작된 기판은 은 나노와이어를 고밀도로 적층시킴으로써, 은 나노와이어 사이의 많은 교차점과 표면적을 포함할 수 있어, SERS 신호를 크게 향상시킬 수 있고, 은 나노 와이어의 표면 탄화 층은 소변 내 대사물질의 흡착을 향상시킬 수 있다. 표면 탄화 AgNW-GFF 기판을 기반으로 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)을 통해, 빠르고 신뢰할 수 있는 소변의 대사체 분석 시스템을 개발하였고, 이를 췌장암 및 전립선암의 스크리닝 연구에 적용하였다. 본 연구에서는 비극성물질을 분리 추출하고, 극성이 낮은 물질의 용해 및 분산도를 높이기 위해 소변을 원심분리한 후 클로로포름과 메탄올을 첨가한 후 분리 추출하는 방법을 시도하였다.
표면 탄화 AgNW-GFF 기판을 사용한 비표지 비침습적 소변의 SERS 검출은 정상 대조군(n=29), 췌장암 환자군(n=35), 전립선암 환자군(n=36)의 세 그룹에서 서로 다른 스펙트럼 패턴과 구별 가능한 특정 피크를 나타내었다. 주성분 분석(Principal component analysis, PCA) 및 직교부분 최소제곱 판별 분석(Orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA)을 사용한 SERS 스펙트럼의 다변량 분석은 정상 대조군과 암 그룹 환자군의 구분을 효과적으로 가능하게 해 주었다. 그 결과, 정상 대조군에 대해 췌장암은 민감도 100 % (35/35), 특이도 86 % (25/29)로 구별되었고, 정상 대조군에 대한 전립선암은 민감도 94 % (34/36), 특이도 79 % (23/29)로 구별되었으며, 전립선암에 대한 췌장암은 민감도 94 %, 특이도 89 %로 구별되었다. 표면 탄화 AgNW-GFF 기판의 SERS 검출법에서는 전립선암 환자 보다는 췌장암 환자에서 민감도 및 특이도가 높은 것으로 확인되었다.
표면 탄화 AgNW-GFF 기판 기반 소변 대사체 진단법은 비표지 비침습적인 저비용 검사 방법으로 상시 진단 및 모니터링이 가능하여, 암 환자 스크리닝을 통한 조기 진단에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metabolomics is an important study to identify and quantify changes in metabolites and to correlate groups of metabolites with various physiological and pathological conditions from the results to reveal metabolic mechanisms. Recently metabolomics, which studies small-molecular metabolites derived from the human body, shows great potential as a biomarker for early diagnosis and monitoring of cancer. However, an improved analysis method in complex biological products is required for clinical application.
In this study, a surface-enhanced Raman substrate was fabricated by silver nanowires on a glass fiber filter as three dimensions in a vacuum environment, and carbonizing the surface coating material (polymer layer) of the AgNWs. The fabricated substrate can contain a large number of intersections and surface areas between AgNWs, so that the SERS signal and the surface carbonization layer of the AgNWs’s adsorption can be greatly improved. Based on the surface carbonized AgNW-GFF substrate, a fast and reliable urine metabolite analysis system was developed through surface-enhanced Raman spectroscopy. In this study, chloroform and methanol were added to increase the dissolution and dispersibility of urine.
The detection of SERS in unlabeled, urine using AgNW-GFF platform was determined by different spectral patterns in the three groups: normal control (n=29), pancreatic cancer patient group (n=35), and prostate cancer patient group (n=36). It shows a specific peak that can be distinguished. Multivariate analysis of the SERS spectrum using PCA and OPLS-DA made it possible to effectively distinguish between the normal control group and the cancer patient group. As a result, pancreatic cancer was distinguished with a sensitivity of 100% and a specificity of 86% compared to the normal control group, and the prostate cancer to the normal control group had a sensitivity of 94% and a specificity of 79%. In the SERS detection method was confirmed that sensitivity and specificity were higher in pancreatic cancer patients than in prostate cancer patients.
The surface carbonized AgNW-GFF platform based urine metabolite diagnosis method is a non-labeled, non-invasive, low-cost test method that enables constant diagnosis and monitoring, and is expected to contribute to early diagnosis through cancer patient screening.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 5
• 제2장 연구 방법 8
• 1. 연구 준비 8
• 가. 소변 검체 전처리 최적화 8
• 나. 표면증강 라만 산란(SERS) 기판 최적화 12
• 2. 연구 과정 17
• 가. 소변 내 대사물질 SERS 측정 17
• 나. 다변량 분석법 적용 23
• 제3장 연구 결과 27
• 1. 결과 데이터 분석 27
• 가. SERS 스펙트럼 분석 결과 27
• 나. PCA 분석 결과 36
• 다. OPLS-DA 분석 결과 41
• 2. 추가 데이터 분석 47
• 제4장 결론 및 고찰 53
• 참고문헌 56