물리학과 최원식 교수,
생체 내부까지 꿰뚫어보는 초음파 결합 광학 현미경
- 초음파와 빛의 상호 작용을 결합한 새로운 현미경 개발 -
▲ 왼쪽부터 이번 연구에 참여한 최원식 교수(교신저자), 장무석 조교수(공동 제 1저자, 교신저자), 고학석 박사과정생(공동 제 1저자)
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장 연구팀과 한국과학기술원 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀은 초음파를 이용해 기존의 현미경으로 볼 수 없었던 생체 내부의 미세 구조를 관찰하는 기법을 개발했다.
광학 현미경은 눈으로 볼 수 없는 작은 미세 구조를 확대하여 보여주지만 생체 조직 내부를 볼 수 없다는 치명적인 단점이 있다. 이는 마치 안개 속을 볼 수 없듯이 생체 조직의 수많은 세포와 세포내 구조들이 빛을 산란시켜 이미지를 흐리게 만들기 때문이다. 반면 초음파 영상은 태아를 감별할 수 있을 정도로 인체 내부 깊은 곳까지 이미징할 수 있지만 해상도가 낮아 미세 구조를 볼 수 없다는 단점이 있다. 광학 현미경과 초음파의 장점을 결합하여 생체 내부 깊은 곳을 높은 해상도로 이미징할 수 있는 새로운 초음파 결합 광학 현미경이 등장했다.
빛이 생체 조직을 진행할 때는 직진광과 산란광 두 가지 성분이 생성된다. 직진광은 말 그대로 생체 조직의 영향이 없이 직진하는 빛이고 산란광은 생체 조직 내의 세포나 세포 내 구조의 영향에 의해 진행 방향이 무작위적으로 굴절 된 빛이다. 기존 현미경으로 생체 조직 깊은 곳의 혈관을 보려고 하면 직진광에 비해 산란광이 강해져 이미지 정보가 흐려지게 된다.
초음파 결합 광학 현미경은 생체 조직 내부를 잘 침투하는 초음파를 집속 시킨 후, 초음파의 초점을 지나는 빛만 측정하는 방식으로 산란광의 세기를 크게 감쇄시켰다. 얼핏 생각하면 초음파와 빛은 서로 독립적인 파동으로 생각되지만 초음파는 생체 조직을 응축, 팽창시켜 굴절률을 변조하는 방식으로 빛의 진행에 영향을 줄 수 있다. 이러한 현상을 광학-음향 효과라고 일컫는데, 연구진은 이 효과를 이용해 초음파 초점을 통과하는 빛을 선택적으로 측정하였다. 공간 게이팅(space gating)이라고 명명한 이 새로운 이미징 방식을 이용해 산란광을 100배 이상 감쇄 시킬 수 있었고, 생체 조직 내에서 광학 이미지가 흐려지는 문제를 극복하였다.
장무석 교수는 “초음파의 초점을 작게 할수록 산란광을 더 많이 감쇄시킬 수 있어 향후 1000배, 10000배 이상으로 감쇄 시킬 수 있을 것으로 기대된다”고 공간 게이팅 기술의 잠재력을 설명했다. 더하여 고학석 연구원은 “이번에는 공간 게이팅 기술을 투과 현미경에 적용하였는데, 향후 인체와 같은 조직에 사용이 용이하도록 반사 형태에도 공간 게이팅 기술을 구현할 것”이라고 발전 방향을 설명하였다.
연구진은 초음파 결합 광학 현미경을 이용해 형광 표지 기법을 사용하지 않고 온전한 전신 상태의 제브라피쉬의 척추 너머의 근육 조직 이미지를 얻는데 성공했다. 기존에는 제브라피쉬 장기, 척추 등의 내부 구조에서 산란 현상에 의해 제브라피쉬 내부의 근육결을 볼 수 있는 방법이 없어 절단 과정을 거쳐야했지만 이제는 제브라피쉬를 자연 상태 그대로 볼 수 있는 방법이 생긴 것이다. 향후 현미경을 소형화하고 이미징 속도를 증가시키면 실시간 질병 진단에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구를 이끈 최원식 부연구단장은 “초음파 결합 광학 현미경은 기존 광학 현미경의 얕은 이미징 깊이 문제를 해결하는 획기적인 방식”이라고 연구의 파급력을 설명하였다. 더하여, “광학-음향 효과를 이용한 공간 게이팅 기술을 더욱 발전시켜 빛의 산란 현상을 이해하고 의생명 광학 기술의 활용 범위를 넓혀나갈 것”이라고 비전을 제시했다.
연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 2월 5일자 온라인 판에 게재됐다.
연구 추가설명 |
논문명 | Deep tissue space-gated microscopy via acousto-optic interaction / Nature Communications |
저자정보 | Mooseok Jang, Hakseok Ko, Jin Hee Hong, Won Kyu Lee, Jae-Seung Lee & Wonshik Choi |
연구내용 보충설명 | 본 연구는 초음파와 빛의 상호작용을 이용하여 공간 게이팅 현미경을 구현하여 생체 조직내 광학 현미경의 이미징 깊이를 향상시켰다. 본 연구진은 초음파와 빛의 상호작용을 새로운 방식으로 이용하여 산란광을 100배이상 감쇄시키는 기술을 개발하였다. |
연구이야기 | [연구 배경] 생체조직에서 진행하는 빛은 세포와 세포 내 구조체에 의해 산란 현상을 겪는다. 이러한 산란 현상은 무작위 적으로 빛의 진행 방향을 교란시켜 현미경으로는 생체 조직 내부의 깊은 곳을 볼 수가 없다. 마치 안개 너머의 물체를 볼 수 없는 것처럼 우리 맨 눈으로 생체 조직 내부의 혈관을 볼 수 없는 것이다. 생체 내부 깊은 곳의 이미지를 보기 위해서는 산란 현상을 감쇄 시켜야한다. 이러한 기술이 없이는 생체 내부를 보기위해서 생체 조직을 잘라서 단면화 해야하고, 이는 생체의 살아 있는 현상을 볼 수 없다는 치명적인 단점을 야기한다. [어려웠던 점] 기존엔 산란 현상을 감쇄시키기 위해 생체 조직 외부에서 빛의 특성 – 도착 시간, 도착 위치, 편광 –을 이용하여 산란광을 차폐하였으나 이러한 방식은 비간접적인 방식으로 산란 차폐효과가 여전히 생체 깊은 곳을 보기에는 충분하지 않았다. 따라서, 새로운 방식으로 산란광을 차폐하는 방식의 필요성이 대두되었다. [성과 차별점] 공간게이팅 기술은 생체 내부에서 산란광을 걸러내는 좀 더 직접적인 방식으로 산란광을 차폐한다. 이 때 거름망의 역할을 하는 것이 초음파 이다. 초음파는 생체 조직의 굴절률을 변조하여 빛의 주파수를 변조시키는데 이 방식으로 초음파 초점을 ‘생체 내부’의 빛 거름망으로 사용할 수 있다. 연구진은 이 공간 게이팅 기술로 산란 현상을 100배 이상 감쇄하였고 이를 통해 기존에 볼 수 없었던 제브라피쉬 내부의 미세 근육결을 시각화 하였다. [향후 연구계획] 본연구진은 이 거름망을 좀 더 촘촘하게 만들어 산란 현상을 더욱더 억제하는 연구를 진행할 계획이며 더하여 공간 게이팅 기술을 소동물이 아닌 일반 조직에도 사용할 수 있도록 반사 현미경에 공간 게이팅을 적용하는 연구를 적용할 계획이다. |
그 림 설 명 |
[그림 1] 공간 게이팅 현미경의 모습
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 공간 게이팅 현미경. 조명단과 영상획득단의 대물렌즈(좌, 우)와 초음파 발생 장치(하)를 보여주고 있다. 소동물 내부의 근육결과 같은 미세구조를 자르지 않고 있는 그대로 시각화 할 수 있다.
[그림 2] 공간 게이팅으로 시각화한 조직-모사 매질 내부의 적혈구.
일반 현미경으로 관측이 불가능했던 (d) 조직-모사 매질 깊은 곳의 적혈구를 공간게이팅을 적용하여 산란 효과를 상쇄 하였을 때 (e)시각화되었다.
[그림 3] 소동물 이미징 패러다임의 변화
기존의 현미경을 이용할 땐 소동물 내부를 보기위해 잘라서 단면화 하고 염색화 하는 과정이 필요했다. (a). 연구진은 초음파를 이용한 공간게이팅 현미경을 통해 소동물을 있는 그대로 보는 기술 (b)을 개발했다.