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Li+@C60 Lithium endohedral fullerene
권은상(權垠相) 박사
카사마 야스히코 Yasuhiko KASAMA 박사
Lithium Endohedral Fullerene
Li+@C60 분자센서
에너지 레벨을 이용한 초정밀 암 진단기술
Next-Generation Healthcare Platform using
Molecular Physical Chemistry
‘리튬내포풀러렌(Li+@C60)’의 특성을 활용한 분자센서 및
폐암센서 등 4개의 핵심 특허 확보 (특허권자 CDBIO)
진단 시간, 정확도, 진단 비용
CDBIO가 선보이는 분자-의료/헬스케어 플랫폼의 핵심기술은 리튬내포풀러렌을 활용한 분자센서 기술입니다.
일본 도호쿠대학교(Tohoku Univ) 거대 분자 분석 연구소 (巨大分子 解析研究, Research and Analytical Center for Giant Molecules)에서 연구 중인 세계적인 석학 권은상 박사와 도호쿠대학 동료이자 Idea International CEO인 카사마 야스히코(Yasuhiko Kasama) 박사가 공동 연구를 통해 세계 최초로 상용화에 성공한 리튬내포풀러렌(Li+@C60 , Lithium Endohedral fullerene)은 새롭게 떠오르고 있는 탄소 나노 물질로 내면체 메탈로풀러렌(Endohedral Metallofullerene)의 가장 중요한 유형입니다.
리튬내포풀러렌은 지금까지 개발 또는 발견된 물질 중 에너지 준위(Energy Level)가 가장 낮은 물질입니다. 에너지 준위는 원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적계에서 형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값을 말합니다.
또한 리튬내포풀러렌이 갖고 있는 전기적 특성을 활용하여, 인체 내에서 질병으로 인해 발생하는 휘발성 유기물질(VOCs)을 분자단위로 초 정밀하게 진단할 수 있는 분자 물리학과 전자화학이 결합된 최첨단 진단센서 입니다.
나노 과학의 시대를 연 노벨상 수상자 해롤드 크로토(Harold Kroto)와 리차드 스몰리 (Richard Smalley), 로버트 컬(Robert Curl)에 의해 1985년에 발견된 탄소 동소체
축구공과 같이 오각형 12개와 육각형 20개로 이루어진 다면체 모양의 각 꼭짓점에 60개의 탄소 원자들이 놓인 구조로 지름은 약 0.7 nm에 불과하며 거의 구에 가까운 형태로 대단히 높은 온도와 압력을 견뎌낼 수 있는 안정된 구조.
특이하게도 속이 비어 있는 진공상태의 분자 성 물질로 C60 풀러렌 내부에 다른 원소나 물 분자를 투입하여 안에 있는 물질 하나를 외부와 격리하여 보관하는 역할을 할 수 있음.
C60 풀러렌의 강점은 화학반응을 통해 수많은 유도체를 만들 수 있으며 표면을 변화시키거나, 풀러렌 안쪽의 비어 있는 공간에 다른 분자를 넣어 물리화학적 특성의 변화를 이끌어낼 수 있다는 점
이를 기반으로 산소와 수소 원자를 부착한 풀러렌 화합물을 전도체로 사용한 연료전지 응용 목적의 전해질 막, 분자 골격 전체에 퍼져 있는 전자계로 인해 빛과 상호 작용하여 광 흡수, 발광, 광 전도성, 광 전기력 효과 등 다양한 광 전자 기능 및 방사성동위원소 전달체, 축전지, 풀러렌 내부에 약 성분을 저장해 운반하는 약물 전달(운반)체로도 활용
리튬내포풀러렌(Li+@C60, Lithium endohedral fullerene)은 진공상태인 C60 풀러렌 내부에 리튬 이온을 넣은 새로운 나노 물질(2006년 신물질 등록)
㈜씨디바이오의 CTO이자 현, 일본 도호쿠대학 대학원 이학 연구과 거대분자해석연구센터 교수로 있는 권은상 박사와 도호쿠대학 동료이자 Idea International CEO인 카사마 야스히코 (Yasuhiko Kasama) 박사가 공동 연구를 통해 세계 최초로 상용화에 성공
리튬내포풀러렌은 정전하를 갖는 내부의 양이온과 부전하를 갖는 외부의 음이온이 탄소골격을 사이에 두는 상당히 흥미 있는 구조로서, 그 구조로부터 유래한 높은 전자 수용성과 뛰어난 이온전도성이라는 물성이 주목받고 있음. 또한 염료 감응이 뛰어나며 전하 분리 상태 지속시간이 안정적이면서도 오랫동안 유지
㈜씨디바이오는 리튬내포풀러렌의 이러한 전기화학적 특성을 활용하여 초 정밀 진단이 가능한 분자 진단 시스템 개발
% : part percentage → 1/102
ppb : part per billion → 1/109
ppt : part per trillion → 1/1012
1회 500cc의 호기에 담긴 전체 분자 중 1ppt에 해당하는 분자 1.19×1022×10-12≒1.19×1010
이때 1전자 산화로 방출되는 전하량 1.6×10-19C×1.19×1010≒1.9×10-9C
이 전하량의 변화를 1.9nA로 검출, 이 중 1%가 이온화되어 검출될 경우 19pA
전기화학을 이용한 분자센서로 pA(ppt의 정밀도)를 측정할 수 있는 고정밀도 측정센서 개발
500cc의 호기에 담긴 타겟 VOCs에 민감하게 반응하면서 인체에 무해한 전해질 수용액을 활용하여 초분자 화합물을 개발한 후, 이 초분자 화합물을 리튬내포풀러렌과 합성하여 싱글 카본-나노 튜브형 전극으로 된 초분자 센서를 개발
이 초분자 센서에는 다양한 전도층이 존재하며 우리가 검출하고자 하는 잠재적 바이오마커 가능성이 높은 타겟 VOCs에 대한 에너지 준위가 미리 설정되어 있으며, 리튬내포풀러렌의 높은 화학반응성과 결합하여 센서의 감응력이 극대화될 수 있음
크기가 2나노인 분자센서를 가로x세로 220미크론(0.2200000mm)의 좁은 공간에 고밀도로 형성하여 초정밀 검출이 가능 (분자 센서부 전체 4mm 공간에 약 1.2×1016 (12,000,000,000,000,000)개의 초분자가 합성된 색소와 리튬내포풀러렌(Li+@C60)이 탑재)
전기화학의 원리를 이용한 세계 최초의 분자센서로 전위 스캔방식 등으로 측정이 가능하며, 이로 인해 기존 검출한계를 넘어 ppt 이상의 초정밀 분석이 가능
초기 상태에서는 anode에서 cathode로 전자가 이동하지 않도록 잠재적 VOCs 바이오마커 물질(Target VOC Molecular), Dye, Li+@C60등의 에너지 레벨이 설정
광 에너지가 Dye에 조사되면 Dye의 homo에 있는 전자가 lumo로 여기되고, Dye의 lumo에 여기 된 전자는 Li+@C60의 lumo를 거쳐 TiO2 cathode로 움직임. 한편, Dye의 homo에 발생된 정공으로 잠재적 VOCs 바이오마커 물질의 homo에 존재하던 전자가 이동하며, 이때 발생된 정공으로 Pt anode에서 전자가 공급되어 전류 폐회로가 형성
이때 흐르는 전류를 측정하여 잠재적 VOCs 바이오마커 물질의 농도 차를 검출. 원리상 잠재적 VOCs 바이오마커 물질 1분자에 대해 전자 1개가 흐르는 극도의 초정밀도를 가지므로, 시스템의 구성에 따라 폐암을 비롯한 질병의 조기 진단은 물론, 투약 효과에 따른 잠재적 VOCs 바이오마커 물질의 증감도 모니터링이 가능하여 환자 맞춤형 처방전 및 치료 방법을 만들 수 있는 첨단 진단 기술.
호흡에 담긴 잠재적 VOCs 바이오마커 물질을 전기화학 원리가 적용된 세계 최초의 분자센서로 초정밀 진단
리튬내포풀러렌(Li+@C60)과 초분자가 합성된 색소를 탑재한 분자센서를 통해 측정된 전류 값을 자체 분석 알고리즘을 통해 질병의 유무, 진행 상태, 치료제 개발 및 투약 효과까지 모니터링
액체 생검(Liquid Biopsy)를 포함, 현재까지 개발된 진단 시스템 중 가장 정확한 정밀도
< 2021년 Nature지에 개제된 High-resolution metabolic 논문 중 >
< 2019년 CDBIO 1차 Prototype 시스템으로 검출한 실제 데이터 추출 예 >
2019년에 개발된 1차 프로토 타입 장비를 통해 실제 데이터 검출 및 분석 완료
해외 논문에서 언급된 바 있는 잠재적 VOCs 바이오마커 물질 검출
현재, 3개의 잠재적 VOCs 바이오마커 물질의 검출이 가능한 분자센서를 탑재한 신규 모델 제품개발 진행 중
< 분자센서 >
< 호기를 이용한 폐암센서 >
< 에너지준위를 이용한 암 진단 시스템 >
< 휴대용 폐암진단 시스템 >
< 호기에 포함된 VOCs 검측 장치 >| 특허출원번호 | 특허명칭 | 특허내용 |
|---|---|---|
| 10-2019-0104071 | 에너지 준위를 이용한 암 센서 | 암기인물질(암을 원인으로 하여 발생하는 물질)에서 공여하는 전자를 매개로 하여 전자가 이동할 수 있도록 산화환원전위의 에너지 레벨을 이용하여 설계된 센서 |
| 10-2019-0104073 | 에너지 준위를 이용한 휴대용 암 진단 장치 | Li+@C60, 색소 및 전극 등의 산화환원전위의 에너지 레벨을 이용하여 PPT 레벨 이상의 정밀도로 정확하게 진단. 모든 종류의 암 검출 가능 |
| 10-2019-0104074 | 스마트폰을 이용한 휴대용 암 진단 시스템 | 스마트폰을 이용하여 암을 검출하는 휴대용 암 진단 시스템 |
| 10-2019-0104075 | 호기를 이용한 휴대용 폐암 진단 장치 | 날 숨에 포함된 폐암기인물질을 검출하여 폐암 발생 여부, 진행 정도 등을 검출하는 폐암센서 |
| 10-2019-0104078 | 빅데이터와 인공지능을 이용한 암 진단 시스템 | 암 검진 데이터를 인공지능으로 분석하여 암 발생 여부, 암 종류, 암 진행 정도에 대한 정보를 제공하는 시스템 |
| 10-2018-0117028 | 암 진단용 호기 포집장치 | 호기에 포함된 암기인물질을 포집하여, 암 발생 여부를 진단할 수 있도록 하는 호기 포집장치 |
| 특허출원번호 | 특허명칭 |
|---|---|
| 특허내용 | |
| 10-2019-0104071 | 에너지 준위를 이용한 암 센서 |
| 암기인물질(암을 원인으로 하여 발생하는 물질)에서 공여하는 전자를 매개로 하여 전자가 이동할 수 있도록 산화환원전위의 에너지 레벨을 이용하여 설계된 센서 |
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| 10-2019-0104073 | 에너지 준위를 이용한 휴대용 암 진단 장치 |
| Li+@C60, 색소 및 전극 등의 산화환원전위의 에너지 레벨을 이용하여 PPT 레벨 이상의 정밀도로 정확하게 진단. 모든 종류의 암 검출 가능 |
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| 10-2019-0104074 | 스마트폰을 이용한 휴대용 암 진단 시스템 |
| 스마트폰을 이용하여 암을 검출하는 휴대용 암 진단 시스템 | |
| 10-2019-0104075 | 호기를 이용한 휴대용 폐암 진단 장치 |
| 날 숨에 포함된 폐암기인물질을 검출하여 폐암 발생 여부, 진행 정도 등을 검출하는 폐암센서 |
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| 10-2019-0104078 | 빅데이터와 인공지능을 이용한 암 진단 시스템 |
| 암 검진 데이터를 인공지능으로 분석하여 암 발생 여부, 암 종류, 암 진행 정도에 대한 정보를 제공하는 시스템 |
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| 10-2018-0117028 | 암 진단용 호기 포집장치 |
| 호기에 포함된 암기인물질을 포집하여, 암 발생 여부를 진단할 수 있도록 하는 호기 포집장치 |
해외에 있는 호흡 분석 회사 및 연구소들의 VOCs 진단 프로세스를 보면 복잡한 절차와 상당한 시간이
소요되지만, CDBIO는 최장 10분 이내에 검사 현장에서 바로 진단 결과를 확인할 수 있습니다.
현재 전 세계 의학계에서는 다양한 기술을 적용하여 호흡을 통한 휘발성 유기물질 분석으로 질병을 진단하는 기술을 개발하고 있습니다.
영국에 있는 호흡 분석 전문 O社의 경우, ppb 레벨 정도의 측정만 가능하며, 반도체 센서, 바이오 칩 등 다양한 기술을 적용해도 ppb 이상의 정확도는 현재까지 불가능한 상황입니다.
하지만, 리튬내포풀러렌을 활용한 초 분자센서의 경우 ppt 레벨 수준의 정확도가 가능한 초정밀 기술입니다.
| 개발주체(회사/기관) | 진단기술 | 정확도 |
|---|---|---|
| N 社 | Cantilever | ppm(1/106) ~ ppb(1/109) |
| A 社 | Semiconductor Sensor | ppb |
| P 社 | Bio Chip | 1,000만 배 농축 후 사용 |
| O 社 | GC-MS analysis | ppb |
| CDBIO | Li+@C60 Molecular Sensing | ppt(1/1012) 레벨 수준의 정확도 (100cc ~ 300cc 호기로 검출 가능) |
| 개발주체(회사/기관) | 진단기술 |
|---|---|
| 정확도 | |
| N 社 | Cantilever |
| ppm(1/106) ~ ppb(1/109) | |
| A 社 | Semiconductor Sensor |
| ppb | |
| P 社 | Bio Chip |
| 1,000만 배 농축 후 사용 | |
| O 社 | GC-MS analysis |
| ppb | |
| CDBIO | Li+@C60 Molecular Sensing |
| ppt(1/1012) 레벨 수준의 정확도 (100cc ~ 300cc 호기로 검출 가능) |
2015년 MIT에서 ‘올해의 혁신 신기술’로 발표된 이래 전 세계 암 정밀 의학계에서 가장 주목받는 ‘액체 생검(Liquid Biopsy)’기술을 활용한 기존 암 진단 시장 경쟁사들과 진단 비용을 비교해 보면, 기존 검사 대비 40배~58배 저렴하며 최근 가장 주목받고 있는 Grail社보다 10배 이상, 기존 PCR 분자진단과 비교해도 8배 이상 저렴합니다.
| 회사/기관 | 제품명 | 관련기술 | 내용 | 검사비용 |
|---|---|---|---|---|
| B 社 | Target Selector | Sequencing /FISH |
ctDNA 및 CTC를 이용하여 13개 ctDNA 및 CTC를 이용하여 13개 유전자 변이 확인 | N/A |
| G 社 | N/A | Sequencing (Deep seq) |
Illumina 기반 진단기술 개발 중 | 1,000달러 |
| GU 社 | Guardant360 | Sequencing (Deep seq) |
70개 유전자 변이 확인 | 5,800달러 |
| O 社 | Oncocyte DX test | Sequencing | 폐, 유방, 방광암 진단 | 4,000달러 |
| GE 社 | Ocotype SEQ | Sequencing | 17개 유전자 변이 확인 | N/A |
| CDBIO | CANCERBOX | Li+@C60 Molecular Sensing |
Li+@C60(리튬내포풀러렌)의 특성을 이용 암 기인물질의 에너지 레벨 측정 |
100달러 미만 |
| M 社 | myRisk | Sequencing | 28개 암 유전자 Panel | 4,500달러 |
| F 社 | FoundationACT™ | Sequencing (Deep seq) |
ctDNA를 이용하여 deep seq 수행(총 61개 유전자) | 5,800달러 |
| Q 社 | REPLI-g Single Cell Kit |
PCR | ctDNA, MIRNA, RNA 등 분리 Kit 개발 | 800달러 |
| T 社 | Trover Test | Sequencing | Urine을 이용하여 암 유전자 변이 모니터링(EGRF, KRAS, BRA) | N/A |
| 회사/기관 | 제품명 | 관련기술 | 검사비용 |
|---|---|---|---|
| 내용 | |||
| B 社 | Target Selector | Sequencing /FISH |
N/A |
| ctDNA 및 CTC를 이용하여 13개 ctDNA 및 CTC를 이용하여 13개 유전자 변이 확인 | |||
| G 社 | N/A | Sequencing (Deep seq) |
1,000달러 |
| Illumina 기반 진단기술 개발 중 | |||
| GU 社 | Guardant360 | Sequencing (Deep seq) |
5,800달러 |
| 70개 유전자 변이 확인 | |||
| O 社 | Oncocyte DX test | Sequencing | 4,000달러 |
| 폐, 유방, 방광암 진단 | |||
| GE 社 | Ocotype SEQ | Sequencing | N/A |
| 17개 유전자 변이 확인 | |||
| CDBIO | CANCERBOX | Li+@C60 Molecular Sensing |
100달러 미만 |
| Li+@C60(리튬내포풀러렌)의 특성을 이용 암 기인물질의 에너지레벨 측정 |
|||
| M 社 | myRisk | Sequencing | 4,500달러 |
| 28개 암 유전자 Panel | |||
| F 社 | FoundationACT™ | Sequencing (Deep seq) |
5,800달러 |
| ctDNA를 이용하여 deep seq 수행(총 61개 유전자) | |||
| Q 社 | REPLI-g Single Cell Kit |
PCR | 800달러 |
| ctDNA, MIRNA, RNA 등 분리 Kit 개발 | |||
| T 社 | Trover Test | Sequencing | N/A |
| Urine을 이용하여 암 유전자 변이 모니터링(EGRF, KRAS, BRA) | |||