면역센서

면역 분석은 항원(antibody, Ab)과 항체(antigen, Ag) 사이의 특이적 상호 작용을 검출한다. 기존에 잘 알려진 면역 분석법은 항원-항체 반응과 더불어 효소 반응을 이용하여 발색으로 항원을 검출하는 방법으로 효소 결합 면역 침강 분석법(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)이라고 한다. 아래 그림은 대표적인 ELISA 방식들을 보여주고 있으며, 그중 두 종류의 항체를 통해 가장 높은 특이성을 갖춘 샌드위치(sandwich) ELISA가 가장 널리 쓰이고 있다.

ELISA의 종류()

그런데 기존 ELISA는 분석이 간단하지 않고, 여러 단계의 분석 과정이 오래 걸리는 단점으로 인해서 새로운 면역분석법인 면역센서(immunosensor)가 개발되고 있다. 다른 바이오센서와 마찬가지로 면역센서는 항체를 검출하기 위해 항원을 고정하는 부분, 항원-항체(Ab-Ag) 복합체를 검출하는 센서 부분, 센서에서 얻어낸 신호를 전기 신호로 변환 및 증폭하는 부분으로 구성된다. 특이적 상호 작용은 독특한 항원의 구조에 해당 항체만이 결합할 수 있기 때문에 가능하며, 그 결과 결합력을 나타내는 결합 상수(binding constant)가 10⁸ 이상으로 매우 크다. 원리적으로는 항체를 만들 수 있는 물질은 모두 면역센서의 측정대상이 된다.

면역센서는 검출 방식에 따라서 표지(label) 방식과 비표지 방식으로 크게 나눈다. 항체에 결합하는 표지로는 효소, 형광 물질, 산화-환원 물질, 발광 물질, 방사성 물질 등이 사용되고 있다. 먼저 비표지 방식으로는 석영 미세 저울(quartz crystal microbalance, QCM)과 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)이 잘 알려져 있다. 두 기술 모두 항체에 표지가 필요하지 않기 때문에 장점이 있으나, 감도와 검출 한계에서 약점이 있다. 표지 방식은 표지의 종류에 따라 검출 방법이 결정되는데, 즉 형광 물질을 표지로 사용하면 형광으로, 산화-환원 물질을 사용하면 전기 화학적으로 검출하는 것을 뜻한다. 효소의 경우 항체에 결합한 Horseradish peroxidase (HRP), alkaline phosphatase 등을 주로 활용한다. 그중 HRP의 경우 기존 ELISA에서 이미 활용되어 여러 종류의 항체에 결합한 것을 손쉽게 구할 수 있다. 이를 면역센서에서도 활용하여 HRP 기반의 화학 발광, 전기 화학, 전기 화학 발광(electro-chemiluminescence, ECL) 등 여러 검출 방식 기반의 센서가 개발되었다. 더불어 HRP는 촉매성이 있기 때문에 항원의 고감도 검출(낮은 검출 한계)이 가능하여 주목을 받고 있다.

HRP의 구조()