김인기 교수 연구팀, 알츠하이머병 뇌 오가노이드 바이오마커 검출 기술 개발  

- 성균관대 박종찬 교수, 하버드의대 Luke Lee 교수팀 공동 연구
- 라만분광법으로 뇌 오가노이드 발달 단계·알츠하이머병 유전형별 타우 변이체 동시 검출 기술 개발
- 지능형 오가노이드 배양 플랫폼 및 알츠하이머병 신약 스크리닝 시스템 개발에 기여

▲(왼쪽 위부터) 김인기 교수, 박종찬 교수, 하버드 의대 Luke Lee 교수 (왼쪽 아래부터) 조용재 박사, 김영준 연구원, 강리안 연구원

생명물리학과 김인기 교수 연구팀은 박종찬 교수 연구팀 및 하버드의대 Luke Lee 교수 연구팀과 협력하여 유전자 변이된 뇌 오가노이드에서 검출된 바이오마커를 정량적으로 검출하고 (그림 1), 알츠하이머의 유전적 위험도를 측정할 수 있는 나노플라즈모닉 바이오칩을 개발했다고 밝혔다.(그림 2, 3)

▲ 그림1. 알츠하이머병 오가노이드 표면증강라만분광 센싱 (SERS) 개념

▲ 그림2. 알츠하이머병 오가노이드 표면증강라만분광 센싱 (SERS) 측정실험 개요

▲ 그림3. 알츠하이머병 타겟 유전자 탐색 및 APOE 유전자 조작된 오가노이드 기반 바이오마커 검출 실험 개요

개발된 나노플라즈모닉 바이오칩은 빛을 나노미터 수준의 미세 공간에 강하게 집속시켜 표면증강 라만분광법(SERS) 광학 센싱 방식을 통해 펨토몰 수준의 극미량 바이오마커를 정밀하게 측정할 수 있는 기술로서 최근 퇴행성 뇌질환 진단 핵심 도구로 주목받고 있다.

김인기 교수 연구팀은 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 뇌 오가노이드와 면역결합 표면증강 라만분광법(SERS) 기술을 활용해, 알츠하이머병의 핵심 바이오마커인 타우 단백질의 분비 동역학을 비침습·무표지 방식으로 모니터링하는 플랫폼을 개발했다. SERS 신호의 차원축소법을 적용하여 발생 초기부터 성숙 유지 단계까지 네 가지의 서로 다른 분화 시기를 구분했으며, APOE 유전형별 타우 분비량을 비교함으로써 APOE–타우 축의 연관성을 실험적으로 보여주었다.(그림 4)

▲ 그림4. 알츠하이머병 오가노이드에서 바이오마커 검출 및 유전자형에 따른 분류

특히, 이 기술은 비싸고 시간이 오래 걸리는 기존의 뇌질환 바이오마커 분석에 비해 값싸고, 빠르게 바이오마커를 검출할 수 있어 활용도가 높을 것으로 기대된다.

김인기 교수는 “본 오가노이드 및 SERS기반 플랫폼은 실제 알츠하이머 진단 및 다른 질병 바이오마커 검출 기술에서 핵심적인 역할을 할 수 있을 것 뿐만 아니라 오가노이드의 실시간 상태를 확인할 수 있는 지능형 오가노이드 배양 플랫폼 기술에 사용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

본 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 2025년 9월 18일 호에 속표지 커버(inside front cover) 논문으로 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 세종과학펠로우십, 뇌과학 선도융합기술개발사업, STEAM글로벌융합연구지원사업 등을 통하여 수행되었다.

※ 논문명: Monitoring the Dynamics of Alzheimer’s Disease Biomarkers and the APOE–Tau Axis via Human Cerebral Organoids with Immuno-SERS
※ 학술지: Advanced Science
※ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/advs.202505660