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바이오메디컬 나노신소재 연구실

Biomedical Nanomaterials Laboratory

Homepage: bmnl.hallym.ac.kr
지도교수
성건용
박종민
  • 학위 : 연세대학교 금속시스템공학과 학사, 연세대학교 신소재공학과 공학박사
  • 경력 : 연세대학교 신소재공학과 Post-Doc, 연세대학교 의과대학 진단검사의학교실 연구조교수
  • 교육분야 : 재료기기분석, 의용생체공학개론, 반도체소자공정, 나노-바이오소자
  • 연구분야 : 나노-바이오 소재, 질량분석, 바이오마커 기반 의료진단
  • 이메일 : jongminpark@hallym.ac.kr
  • 연구실 : 자연과학관 7517호
  • 실험실 : 자연과학관 7520호
주요 연구 분야 소개
  • 바이오메디컬 나노신소재 연구실 (BMNL; BioMedical Nanomaterials Laboratory) 에서는 말디톱 질량분석기 (MALDI-TOF MS; matrix-assisted laser desorption/ionization – time of flight mass spectrometry) 를 이용한 바이오마커 (biomarker) 기반 의료진단 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 기존 말디톱 질량분석으로 수행하기 어려웠던 저분자량 바이오마커의 정량, 정성분석을 수행하기 위해 나노입자, 나노선, 기능성 고분자 박막 등 다양한 나노구조체를 질량분석에 적용함과 동시에 각종 생체시료에 포함된 바이오마커의 추출 및 분석법을 연구개발하고 있습니다. 이러한 저분자량 말디톱 질량분석 기술을 기반으로 하여 항생제 내성균의 신속 검출을 위한 항생제 분해 반응 모니터링 및 박테리오파지 (bacteriophage) 기반 내성균 진단/제어법 개발과 관련된 연구도 수행하고 있습니다.



저분자량 말디톱 질량분석 (MALDI-TOF mass spectrometry) 기술
  • BMNL 에서는 고분자 박막, 나노입자, 나노선 등 다양한 나노소재를 이용하여 말디톱 질량분석 (MALDI-TOF MS; matrix-assisted laser desorption/ionization – time of flight mass spectrometry) 에 응용, 기존에 분석하기 어려웠던 저분자량 영역대의 (< 500 Da) 정량분석 연구를 수행중입니다. 말디톱 질량분석법은 단백질, DNA와 같은 고분자 유기물질의 질량분석에 사용되는 기술로, 간편하고 빠른 분석과정 및 고감도로 다양한 생체분자의 분석에 널리 사용되고 있습니다. 말디톱 질량분석 과정은, (1) 시료에 유기 매트릭스를 혼합하여 금속판 위에 건조시킨 후 (2) 진공 하에서 레이저를 조사시켜 시료를 이온화시키고, (3) 전기장으로 이온을 가속시켜 time of flight mass analyzer를 통과하여 검출기에 도달할 때까지의 시간을 측정함으로써 시료의 질량/전하 비 (mass-to-charge ratio; m/z)를 얻습니다.


  • 이러한 말디톱 질량분석기의 단점은 시료에 첨가해주는 유기 매트릭스에 레이저가 조사될 때, 시료를 이온화시킴과 동시에 무작위적으로 분해되어 저분자량 영역 (< 500 Da)에 강한 노이즈 피크를 형성한다는 것입니다. 이에 따라 아미노산을 비롯한 각종 대사체 및 저분자량 약물의 분석이 불가능합니다.


  • BMNL의 연구책임자 박종민 교수는 내화학성 및 물리적 특성이 우수한 파릴렌 (parylene; poly-p-xylylene) 박막을 이용한 파릴렌 매트릭스 칩 (parylene-matrix chip) 및 산화티타늄 나노선 (TiO2 nanowire)을 기존 유기 매트릭스의 보완 및 대체재로 사용함으로써 유기 매트릭스로부터 기인하는 노이즈 피크를 원천적으로 제거하는 연구를 수행해 왔으며, 저분자량 시료의 이온화 및 탈착 효율이 높은 고체 매트릭스용 신소재 개발 연구를 지속적으로 수행중입니다.

저분자량 말디톱 질량분석 기반 의료진단 기술
항생제 내성균 신속 진단기술
  • 다제내성세균 (multidrug-resistant bacteria) 이라고도 불리우는 항생제 내성균은 전세계적으로 법정감염병으로 관리하고 있으며, 요로감염, 위장관염, 폐렴, 패혈증 등 다양한 질병을 유발하는데 기존 항생제를 이용한 치료가 불가능하여 임상적으로 심각한 위협을 끼치고 있습니다. 특히 다제내성세균에 의한 패혈증은 단기간에 80-100%의 높은 사망률을 보이는 위급한 질환으로, 감염 환자에게서 분리한 세균의 항생제 내성 여부를 빠르고 정확하게 판단하는 것이 매우 중요합니다. 항생제 내성균의 기존 검사법은 disk diffusion test, MIC test, Hodge test 등 분리 후 추가적인 배양 과정이 필요하며 결과를 얻기까지 2-3일 이상이 소요되므로 빠른 진단에는 적절치 않습니다.
  • Beta-lactamase 등 항생제 분해효소를 생성하는 항생제 내성균의 신속 진단을 위해 저분자량 말디톱 질량분석 기술을 적용하여, 처리한 항생제의 분해 정도를 정량적으로 측정함으로써 2-4시간 내에 carbapenem을 비롯한 beta-lactam 계 항생제 내성균을 신속하게 검출할 수 있음을 시연하였습니다.
  • 또한 메티실린 내성 황색포도알균 (methicillin-resistant Staphylococcus aureus; MRSA) 검출을 위한 머신러닝 기반 소프트웨어를 국내 질량분석 기업 및 대학병원과의 공동연구로 개발, 임상적 성능을 검증하고 관련 후속 연구를 진행중입니다.

바이오마커 발굴 및 질병 진단을 위한 다중 검출기술
  • 패혈증 (sepsis)은 외상, 화상, 감염 등으로부터 발생되는 전신염증반응증후군 (systemic inflammatory response syndrome; SIRS)이 악화/발전된 질환으로, 수 일 내에 장기부전을 동반하는 중증 및 쇼크로 악화되어 80% 이상의 사망률을 나타내므로 정확하고 빠른 진단이 매우 중요한데, 체온, 심박수, 호흡수, 백혈구 수 등 다른 염증성 질환에서도 나타날 수 있는 현상으로 진단하기 때문에 정확하고 빠른 진단에 어려움이 있습니다.
  • 저분자량 말디톱 질량분석법을 기반으로 패혈증 환자의 혈청 시료를 스크리닝하여 패혈증에 특이적으로 연관된 바이오마커인 lysophosphatidylcholine (LPC) 16:0을 발굴, 정상인과 폐렴, 패혈증 환자를 구분하여 진단할 수 있음을 시연하였으며, 패혈증 입원 이후 혈중 LPC 16:0 농도의 변화로 패혈증 환자의 예후를 예측할 수 있음을 확인하였습니다.


  • 또한 간 내 담관암 (intrahepatic cholangiocarcinoma; IHCC) 및 대장암 (colorectal cancer; CRC) 의 바이오마커로 알려져 있는 N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide (2PY), glutamine, LPC 16:0, LPC 18:0을 각각의 특성에 따라 혈청에서 추출한 후 저분자량 말디톱 질량분석 기술을 이용하여 동시 다중검출함으로써 혈청 바이오마커 분석을 통한 암의 진단이 가능함을 시연하였습니다.



  • 이외에도 다양한 질환에 대한 바이오마커의 탐색과 발굴, 새로운 진단기술의 개발 연구를 수행하고 있습니다.
박테리오파지(bacteriophage) 기반 항생제 내성균 진단/제어 기술 개발
  • 1928년 페니실린의 발견 이래 새로운 항생제들이 지속적으로 개발되어 왔으나, 항생제 내성균이 더욱 빠르게 출현하여 보건의료 분야에 심각한 위협을 가하고 있습니다. 내성균에 대응할 신규 항생제 개발이 시급하지만 후보물질 고갈, 개발에 소요되는 오랜 시간과 높은 비용으로 인해 난항을 겪고 있는 상황입니다. 한편, 박테리오파지 (bacteriophage)는 숙주 특이성을 가진 항균 물질로서, 특정 박테리아를 감염시킨 후 용해 (lysis)를 일으켜 자신의 자손 (progeny)을 번식시키는 기전으로 숙주를 사멸시킨다고 알려져 있는 일종의 세균성 바이러스입니다. 이처럼 특정 종류의 세균을 사멸시키는 박테리오파지가 최근 신규 항균물질로서 주목받고 있으며, BMNL에서는 박테리오파지를 기반으로 한 다제내성세균 진단/제어 기술 연구를 수행하고 있습니다.



BMNL에서는 나노소재 및 질량분석, 바이오마커 기반 의료진단, 박테리오파지 기반 다제내성세균 검출/제어 등 연구에 열정 있는 대학원생 및 학부연구생을 모집 중입니다.
(Contact: jongminpark@hallym.ac.kr)