싱가포르 난양기술대학교 과학자들이 동전 크기의 전자 장치를 발명했습니다.

싱가포르 난양기술대학교 과학자들은 단 30분 만에 혈장을 분리할 수 있는 동전 크기의 칩 엑소아크(ExoArc)를 개발해 현재의 다단계 원심분리 공정보다 더 편리하고 사용자 친화적으로 만들었다. 엑소아크(ExoArc)는 99.9% 이상의 혈구와 혈소판을 제거해 높은 혈장 순도를 달성해 바이오마커 스크리닝을 위한 무세포 DNA, RNA, 세포밖 소포체에 대한 신속한 임상 분석이 가능하다. 임상적으로 검증된 ExoArc는 90%의 민감도로 비소세포폐암을 정확하게 진단하며 당뇨병과 같은 만성 대사 질환에 대한 정밀 의학에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

Scientists at Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), have developed a coin-sized chip that can directly isolate blood plasma from a tube of blood in just 30 minutes, which is more convenient and user-friendly as compared to the current gold standard, multi-step centrifugation process.

싱가포르 난양 기술 대학교(NTU Singapore)의 과학자들은 단 30분 만에 혈액관에서 혈장을 직접 분리할 수 있는 동전 크기의 칩을 개발했습니다. 이는 현재의 금본위제에 비해 더 편리하고 사용자 친화적입니다. , 다단계 원심분리 과정.

Named ExoArc, in just one step, it can achieve high blood plasma purity by removing more than 99.9 per cent of blood cells and platelets precisely and gently.

엑소아크(ExoArc)라는 이름의 이 제품은 단 한 번의 단계로 99.9% 이상의 혈구와 혈소판을 정밀하고 부드럽게 제거해 높은 혈장 순도를 달성할 수 있다.

This will greatly speed up clinical analysis of the cell-free DNA and RNA molecules, as well as nanoparticles commonly known as extracellular vesicles. These particles are often used to screen for biomarkers that are tell-tale signs specific to certain cancers and diseases.

이를 통해 일반적으로 세포밖 소포체로 알려진 나노입자뿐만 아니라 무세포 DNA 및 RNA 분자에 대한 임상 분석 속도가 크게 빨라질 것입니다. 이러한 입자는 종종 특정 암 및 질병에 특정한 징후인 바이오마커를 선별하는 데 사용됩니다.

Currently, the only way to isolate blood plasma is through using a centrifuge, which spins blood samples at high speeds, separating the blood cells from the plasma.

현재 혈장을 분리하는 유일한 방법은 혈액 샘플을 고속으로 회전시켜 혈장에서 혈액 세포를 분리하는 원심분리기를 사용하는 것입니다.

However, even after two rounds of spinning in the centrifuge, there will still be some cells and platelets present in the blood plasma which can break down or degrade, releasing additional bio-content, thus leading to unwanted materials that affect the accuracy of diagnostic tests.

그러나 원심분리기에서 두 번 회전한 후에도 혈장에는 여전히 일부 세포와 혈소판이 남아 있어 분해되거나 분해되어 추가적인 바이오 함량이 방출되어 진단 테스트의 정확성에 영향을 미치는 원치 않는 물질이 생성됩니다. .

As a proof-of-concept, the team built a portable prototype device (measuring 30cm x 20cm x 30cm) to house the ExoArc chip (3.5cm x 2.5cm x 0.3cm), which has a large touch-screen interface to adjust settings, as well as internal pumps and pipings for the processing of blood samples and collection of the isolated blood plasma.

개념 증명으로 팀은 설정을 조정할 수 있는 대형 터치스크린 인터페이스가 있는 ExoArc 칩(3.5cm x 2.5cm x 0.3cm)을 수용할 휴대용 프로토타입 장치(30cm x 20cm x 30cm 크기)를 제작했습니다. , 혈액 샘플 처리 및 분리된 혈장 수집을 위한 내부 펌프 및 배관도 포함됩니다.

Together with clinician-scientists from National Cancer Centre Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH), and the Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), the team clinically validated ExoArc by analysing the microRNA profile of blood plasma in healthy people and cancer patients using a biomarker panel and found it was able to diagnose non-small cell lung cancer with a sensitivity of 90 per cent.

연구팀은 싱가포르 국립암센터(NCCS), 탄톡셍병원(TTSH), 과학기술연구청(A*STAR) 소속 임상의-과학자들과 함께 혈장의 마이크로RNA 프로파일을 분석해 엑소아크(ExoArc)를 임상적으로 검증했다. 바이오마커 패널을 사용해 건강한 사람과 암환자를 대상으로 한 결과 민감도 90%로 비소세포폐암을 진단할 수 있는 것으로 나타났다.

As an innovation, ExoArc currently has two patent applications filed through NTUitive, NTU’s innovation and enterprise company and its study findings have been published recently in ACS Nano[1], a journal under the American Chemical Society.

혁신으로서 ExoArc는 현재 NTU의 혁신 및 기업 회사인 NTUitive를 통해 2개의 특허를 출원했으며 연구 결과는 최근 American Chemical Society 산하 저널인 ACS Nano[1]에 게재되었습니다.

Lead scientist of the study, NTU Associate Professor Hou Han Wei, said the team aimed to find a quicker solution that could replace the centrifuge, while still yielding high-quality plasma for disease screening and research.

이번 연구의 수석 과학자인 NTU 부교수 Hou Han Wei는 팀이 원심분리기를 대체할 수 있는 더 빠른 솔루션을 찾는 동시에 질병 검사 및 연구를 위한 고품질 혈장을 생산하는 것을 목표로 한다고 말했습니다.

“It has been nearly 160 years since the invention of the first centrifuge and about 50 years since modern high-speed centrifuges became a standard tool in laboratories [2]for preparing blood samples. Despite these advancements, separating complex liquids like blood, which comprises various cell types and a diverse range of biological materials, remains a challenge,” explained Assoc Prof Hou, a biomedical engineer from the School of Mechanical and Aerospace Engineering and Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

“최초의 원심분리기가 발명된 지 거의 160년이 지났고 현대의 고속 원심분리기가 혈액 샘플을 준비하기 위한 실험실[2]의 표준 도구가 된 지 약 50년이 되었습니다. 이러한 발전에도 불구하고 다양한 세포 유형과 다양한 범위의 생물학적 물질로 구성된 혈액과 같은 복잡한 액체를 분리하는 것은 여전히 ​​​​어려운 과제로 남아 있습니다. 의학 (LKCMedicine).

"By leveraging unique flow phenomenon in tiny channels in a chip that is about the size of a dollar coin, we can now efficiently separate small biological materials based on their size without using any physical membrane or filters. We have transformed this breakthrough technology into a device about size of a small desktop printer, featuring disposable plastic chips to prevent cross-contamination in clinical testing."

"1달러 동전 크기 정도의 칩 내 작은 채널의 고유한 흐름 현상을 활용함으로써 이제 물리적인 멤브레인이나 필터를 사용하지 않고도 작은 생물학적 물질을 크기에 따라 효율적으로 분리할 수 있습니다. 우리는 이 획기적인 기술을 임상 테스트에서 교차 오염을 방지하기 위해 일회용 플라스틱 칩을 갖춘 소형 데스크탑 프린터 크기의 장치입니다."

Co-author of the paper, Professor Darren Lim, Senior Consultant in the Division of Medical Oncology at NCCS and Director of Research at the SingHealth Duke-NUS Lung Centre, explained the importance of high-quality blood plasma.

논문의 공동 저자인 NCCS 종양학부 수석 컨설턴트이자 SingHealth Duke-NUS 폐 센터 연구 책임자인 Darren Lim 교수는 고품질 혈장의 중요성을 설명했습니다.

"Reducing contamination from degraded blood cells is crucial for the accuracy of diagnostic tests. Our study shows that this device allows quicker and more precise clinical diagnoses, significantly decreasing the waiting time for test results, reducing patients’ anxiety and ultimately improving their overall care. This is particularly significant for cancer treatment," said Prof Lim.

"분해된 혈액 세포로 인한 오염을 줄이는 것은 진단 테스트의 정확성을 위해 매우 중요합니다. 우리의 연구에 따르면 이 장치는 더 빠르고 정확한 임상 진단을 가능하게 하며, 테스트 결과에 대한 대기 시간을 크게 줄이고, 환자의 불안을 줄이고 궁극적으로 전반적인 치료를 향상시킵니다. 이는 암 치료에 특히 중요하다”고 임 교수는 말했다.

In another demonstration of its broad application, the team used ExoArc to study microRNA molecules from blood plasma samples from healthy individuals and those with type 2 diabetes mellitus using quantitative polymerase chain reaction (PCR).            

광범위한 적용에 대한 또 다른 시연에서 팀은 ExoArc를 사용하여 정량적 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 사용하여 건강한 개인과 제2형 당뇨병 환자의 혈장 샘플에서 마이크로RNA 분자를 연구했습니다.

From just one tube of blood, they identified 293 different microRNA molecules. The research team also found that the microRNA profile from plasmas and extracellular vesicles from individuals with type 2 diabetes had a different composition as compared to healthy participants. This suggests the potential of ExoArc in helping to isolate and identify disease-related biomarkers.

단 하나의 혈액관에서 그들은 293개의 서로 다른 마이크로RNA 분자를 식별했습니다. 연구팀은 또한 제2형 당뇨병 환자의 혈장과 세포밖 소포체에서 추출한 마이크로RNA 프로파일이 건강한 참가자와 다른 구성을 가지고 있다는 사실도 발견했습니다. 이는 질병 관련 바이오마커를 분리하고 식별하는 데 도움이 되는 ExoArc의 잠재력을 시사합니다.

Associate Professor Rinkoo Dalan, Senior Consultant specialising in diabetes and endocrinology at Tan Tock Seng Hospital, said the initial results are promising and show the potential of ExoArc being able to help drive precision medicine.

Tan Tock Seng 병원의 당뇨병 및 내분비학 전문 컨설턴트인 Rinkoo Dalan 부교수는 초기 결과가 유망하며 정밀 의학을 추진하는 데 도움이 될 수 있는 ExoArc의 잠재력을 보여준다고 말했습니다.

“This technology can help clinicians better predict and manage complications of chronic metabolic conditions like diabetes, by providing more accurate, timely, and individualised information. By detecting specific biomarkers accurately, we can tailor treatments to the unique needs of each patient, potentially improving outcomes and enhancing the quality of care,” said Assoc Prof Dalan, who is also a teaching faculty at LKCmedicine.

“이 기술은 보다 정확하고 시의적절하며 개별화된 정보를 제공함으로써 임상의가 당뇨병과 같은 만성 대사 질환의 합병증을 더 잘 예측하고 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다. 특정 바이오마커를 정확하게 감지함으로써 우리는 각 환자의 고유한 요구에 맞게 치료법을 맞춤화할 수 있으며 잠재적으로 결과를 개선하고 치료의 질을 향상시킬 수 있습니다.”라고 LKCmedicine의 교수이기도 한 Dalan 부교수는 말했습니다.

ExoArc vs conventional centrifuge

ExoArc와 기존 원심분리기 비교

The current gold-standard method of isolating blood plasma relies on centrifuges, which is not foolproof and is highly dependent on the skill of the technicians who manually extract the plasma after each spin.

혈장을 분리하는 현재의 표준적인 방법은 원심분리기에 의존하는데, 이는 완벽하지 않으며 각 회전 후 혈장을 수동으로 추출하는 기술자의 기술에 크게 의존합니다.

Even after two centrifugation rounds, which can take up to an hour, residual biological cells can remain in the plasma, potentially contaminating RNA tests and leading to inaccurate results.

최대 1시간이 걸릴 수 있는 두 번의 원심분리 후에도 잔류 생물학적 세포가 혈장에 남아 잠재적으로 RNA 테스트를 오염시키고 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다.

One of the key reasons is that blood tests are time-sensitive, requiring processing within a day or even a few hours to prevent the rapid degradation of biological material from cells. This breakdown introduces additional DNA, RNA or vesicles into the plasma, which can distort test outcomes.

주요 이유 중 하나는 혈액 검사가 시간에 민감하기 때문에 세포에서 생물학적 물질이 빠르게 분해되는 것을 방지하기 위해 하루 또는 심지어 몇 시간 내에 처리가 필요하다는 것입니다. 이러한 고장으로 인해 추가 DNA, RNA 또는 소포가 혈장에 유입되어 테스트 결과가 왜곡될 수 있습니다.

Laboratories typically wait to accumulate multiple blood samples before using the centrifuge, extending the isolation process by several hours. This delay combined with the extended duration of centrifugation and operator variability, sometimes makes it challenging to compare scientific findings between different research labs.

실험실에서는 일반적으로 원심분리기를 사용하기 전에 여러 혈액 샘플을 축적할 때까지 기다리므로 격리 과정이 몇 시간 연장됩니다. 이러한 지연은 원심분리 기간의 연장 및 작업자의 가변성과 결합되어 때로는 서로 다른 연구실 간의 과학적 연구 결과를 비교하는 것을 어렵게 만듭니다.

Unlike the centrifuge machine which usually process multiple tubes of blood samples, ExoArc technology can be scaled up by designing multiple channels to simultaneously isolate blood plasma as and when blood samples are received in clinics or hospitals in a faster and more consistent manner.

일반적으로 여러 튜브의 혈액 샘플을 처리하는 원심분리기와 달리 ExoArc 기술은 진료소나 병원에서 혈액 샘플을 받을 때 더 빠르고 일관된 방식으로 혈장을 동시에 분리할 수 있는 여러 채널을 설계하여 확장할 수 있습니다.

In future, this process could be automated into a one-step process, which would significantly reduce the time needed to prepare samples for testing and will streamline the diagnostic process, potentially helping to reduce overall cost. By adjusting the size-cutoff, this platform technology can also be used to isolate bacteria or viruses from blood or other biofluids.

앞으로 이 프로세스는 1단계 프로세스로 자동화될 수 있으며, 이는 테스트용 샘플을 준비하는 데 필요한 시간을 크게 줄이고 진단 프로세스를 간소화하여 잠재적으로 전체 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 크기 컷오프를 조정함으로써 이 플랫폼 기술을 사용하여 혈액이나 기타 생체 유체에서 박테리아나 바이러스를 분리할 수도 있습니다.

The development of ExoArc is backed by a Proof-of-Concept and Proof-of-Value grant from the NTUitive Gap Fund, under the NTU Innovation and Entrepreneurship initiative. This initiative seeks to turn research into practical innovations that address societal challenges, like an ageing population, and generate significant economic benefits for Singapore.

ExoArc의 개발은 NTU 혁신 및 기업가 정신 이니셔티브에 따라 NTUitive Gap Fund의 개념 증명 및 가치 증명 보조금으로 뒷받침됩니다. 이 이니셔티브는 연구를 인구 노령화와 같은 사회적 과제를 해결하고 싱가포르에 상당한 경제적 이익을 창출하는 실용적인 혁신으로 전환하고자 합니다.

The study also included contributions from scientists at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Texas Medical Branch (Galveston).

이 연구에는 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)과 텍사스 대학교 의과대학(Galveston)의 과학자들의 기여도 포함되었습니다.

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, Publication Date: February 13, 2024,

[1] ACS Nano 2024, 18, 8, 6623–6637, 발행일: 2024년 2월 13일,

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12862

[2] Marshall Scientific. (n.d.). The history of the centrifuge. Retrieved from https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm

[2] 마샬 사이언티픽. (n.d.). 원심분리기의 역사. https://www.marshallscientific.com/the_history_of_the_centrifuge_a/349.htm에서 검색함