암 조기 진단을 획기적으로 진전할 수 있는
“고해상도 광학현미경”개발
-피부조직 속 세포의 미세변화를 관찰할 수 있는 ‘고해상도 광학현미경’ 개발-
□ 국내 연구진이 사람 장기나 피부의 조직 속 세포의 미세한 변화를 고해상도로 볼 수 있는 광학현미경을 개발하였다.
ㅇ 이번 개발된 광학현미경은 암세포가 주로 발생하는 피부 속 표피세포의 세포핵 변화까지 관찰할 수 있어, 암과 같은 질병의 조기 진단을 획기적으로 진전시킬 것으로 기대된다.
□ 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업의 일환으로 추진 중인‘파동에너지극한제어연구단(단장 이학주)’의 지원으로 고려대 최원식 교수가 주도하고 같은 대학교 박규환 교수, 이재승 교수 및 건국대 임용식 교수가 공동으로 수행하였다. 연구결과는 광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Nature Photonics’에 3월 10일(화) 온라인으로 게재되었다.
※ 논문명: Imaging deep within a scattering medium using collective accumulation of single-scattered waves
□ 암세포는 대부분(약 80%) 사람 피부나 장??.
ㅇ 현재 암 초기 진단에 사용되는 CT·MRI·초음파 진단은 몸 속 전체를 볼 수 있으나 해상도가 낮아 암세포가 덩어리를 이루어 크게 자라난 이후에야 측정이 가능하다.
ㅇ 이에 반해, 빛을 이용하는 광학현미경은 CT·MRI·초음파 영상과 비교했을 때 몸에 해롭지 않고, 비용도 저렴하며, 세포를 자세히 볼 수 있을 정도의 고해상도 시각화(이미징)가 가능하여, 대장이나 위 내시경 등 다양한 형태로 질병의 조기 진단에 사용 중이다. 그러나 피부조직 속에 있는 세포의 영상은 빛이 피부조직을 통과할 때 왜곡되기 때문에, 현재 광학현미경은 고해상도로 관찰 가능한 깊이는 수십 마이크론(㎛, 10-6m)으로 한계가 있으며 더 깊은 곳의 세포영상을 얻기 위해서는 생체조직의 박편을 잘라내어 관찰해야만 했다.
□ 국내 연구팀은 피부조직에 의해 왜곡되지 않고, 물체의 영상정보를 그대로 가지고 있는 빛(단일 산란파)을 찾아낼 수 있는 새로운 방법을 개발하여, 1㎛(10-6m)의 해상도로 1mm(10-3m) 이상의 깊이까지 생체조직의 세포 영상정보를 얻는데 성공하였다.
o 이 성능은 고해상도 시각화에서 세계 최고 깊이이며, 암세포가 덩어리로 발달하기 훨씬 이전 단계에서 세포핵(보통 5㎛정도 크기)이 커지는 것을 확인할 수 있어, 암과 같은 질병의 조기 진단 시기를 획기적으로 앞당길 것으로 기대된다.
□ 최원식 교수는 “이번 연구는 광학 현미경의 두 가지 성배인 해상도와 이미징 깊이 중, 아직 미해결로 남아있는 이미징 깊이를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시한 연구로서, 향후 질병의 조기 진단이나 수술 시 질병 조직의 분포 범위 확인 등에 광범위하게 응용될 것으로 기대한다.”고 연구의의를 밝혔다.
1. 연구배경
○ 지난 100여 년간 광학 현미경은 의료 진단 및 치료 목적으로 광범위하게 응용되어 왔다. 광학 현미경은 CT, MRI, 초음파 영상 등의 의료 진단장비들에 비해 높은 해상도 (~0.001 mm)를 가지고 있기에, 초기 단계의 암세포 진단, 세포 단위의 극미세 구조 연구 등에 큰 장점을 지니고 있다. 하지만 빛이 피부 조직과 같은 복잡한 구조를 통과할 때는 왜곡이 되기 때문에 생체 조직 속 깊은 곳에 있는 물체의 영상을 획득 하는 데에 한계가 있었다. 이 때문에 고해상도 광학 현미경이 관찰 가능한 생체 조직 내부 깊이는 수십 마이크론 두께로 제한이 되고, 생체 조직 깊은 곳의 고해상도 영상을 얻기 위해서는 얇은 두께의 생체 조직 박편을 잘라내어 관찰하는 수 밖에 없었다.
○ 생체 조직과 같은 복잡한 매질 내부에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행 방향을 바꾸는 다중 산란을 겪게 되고, 이 과정에서 빛이 가진 영상 정보는 잃어버리게 된다. 하지만, 비록 적은 양이더라도 다중 산란을 겪지 않고, 조직 내부 영상정보를 간직하고 있는 단일 산란 성분의 빛, 즉 단일 산라파가 존재한다. 예를 들어 생체 조직 1mm 깊이의 영상 정보를 가지고 나오는 단일 산란 성분의 빛은 초기 입사시킨 빛의 세기에 비해 100억분의 1 정도로 줄어든다. 이러한 극소량의 단일 산란만을 따로 모을 수 있거나 증폭시킬 수 있다면 생체조직 깊은 곳의 광학 영상을 획득할 수 있는 있게 된다.
2. 연구내용
○ 본 연구에서는 단일산란파가 가지는 고유한 성?란파만을 모을 수 있는 CASS 현미경 (단일 산란 집단 축적 현미경, Collective accumulation of single-scattering microscope)을 개발하였다.
○ 단일 산란파는 두 가지 고유한 성질을 지니고 있다. 첫 번째는 빛이 조직 내부로 들어갔다가 되돌아 나오는 시간이 목표 깊이에 의해 결정된다는 점이다. 시분해 측정을 통해, 목표 깊이에 해당하는 시간에 카메라로 들어오는 빛만을 모을 수 있다면, 다른 시간에 카메라로 측정된 다중산란 성분의 빛들을 제거할 수 있다.
○ 두 번째 성질로, 입사된 빛이 목표 깊이의 물체에 의해 반사될 경우 빛은 물체에 의해 운동량 변화를 겪게 된다. 이 운동량 변화량은 빛의 입사각에 무관하며, 오직 물체의 형태에 의해서만 결정이 된다. 즉 여러 각도로 빛을 입사시켜 빛의 운동량 변화를 측정한다면, 다중 산란파는 무작위한 운동량 변화를 보이지만, 단일 산란파는 물체의 형태에 의해 결정된 운동량 변화를 보이게 되므로, 이를 축적하여 단일 산란 성분의 다중 산란에 대한 상대적인 세기를 키워나갈 수 있다. 이 결과 얻어진 단일 산란의 운동량 변화량을 푸리에 역변환 함으로써 물체의 영상을 획득할 수 있다.
○ 본 연구에서는 앞에서 언급한 단일 산란파의 두 가지 성질을 활용하기 위해 반사된 빛의 시분해 운동량을 측정할 수 있는 CASS 현미경을 개발하였다. 시분해 측정을 통해 목표 깊이에서 돌아오는 빛만을 골라내었고, 간섭 현미경을 통해 빛의 운동량을 측정함으로써, 빛의 조직 내에서의 운동량 변화량을 측정할 수 있었다. 생체 조직 모형을 통해 CASS 현미경의 성능을 테스트 한 결과, 기존 반사 현미경에 비해 10배 이상의 깊이 (1mm 깊이) 에서도 0.001 mm의 고해상도 영상을 획득할 수 있었다. 이는최고 심도이다.
3. 기대효과
○ 본 연구의 결과는 암의 조기 진단이라는 측면에서 극히 중요한 의미를 지니고 있다. 초기 단계의 암세포는 생체조직 표면으로부터 1 mm 이상의 깊이에서 형성되며, 이 때 특히 크기가 수 마크로미터인 세포핵의 크기 변화를 수반한다. 이러한 초기 암세포 발현은 기존에 개발된 의료 영?리를 이루어 크게 자라난 이후에 용종 등의 형태로 나타날 때에 이르러서야 측정이 가능했다. 또한 진단된 암세포를 치료 하는 과정에서, 전이된 작은 암세포 조직을 발견하기에도 어려움이 있어왔다. 본 연구는 이러한 초기 단계의 암세포 진단 및 치료에 있어서 획기적인 진전을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
○ 본 연구의 결과는 다양한 의료 영상, 진단 장비 등에 활용이 가능하며, 기존에 불가능했던 병변의 진단 및 치료 가능성을 열어 삶의 질 향상에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 내다본다.
연 구 결 과 문 답
용 어 설 명
1. NATURE PHOTONICS 誌
○ 광학 및 포토닉스 분야의 가장 획기적인 연구 논문을 출판하는 저널로, 피인용지수(Impact Factor)는 2013년 기준 29.958이며, 이는 광학 및 포토닉스(Optics and Photonics) 분야에서 1위이다.
2. 산란 매질
○ 생체 조직과 같이 내부 구조가 복잡한 매질에 빛을 입사시킬 경우 입사된 빛은 다중 산란을 겪게 된다. 이러한 매질을 산란 매질 (scattering media)이라 칭한다. 생체 조직이 이러한 산란 매질의 대표적인 예이며, 내부의 다양한 세포핵, 세포질, 세포벽 등 복잡한 구조에 의해 입사된 빛은 임의의 방향으로 산란된다.
3. 단일 산란파
○ 산란 매질 내부에서 다중 산란을 겪지 않고, 목표 물체에 의해 반사되어 돌아온 빛을 의미한다. 다중 산란을 겪지 않았기에, 목표 물체가 가진 영상 정보를 왜곡 없이 전달시킬 수 있다. 이러한 단일 산란파의 세기는 산란 매질 내부에서 지수함수의 형태로 줄어들며, 이때 줄어드는 정도는 산란 매질의 복잡한 정도에 의해 결정된다. 생체 조직의 경우 목표 깊이가 100마이크론 정도 깊어질 때마다 단일 산란의 세기는 1/10 정도로 줄어든다. 즉, 목표 깊이가 1 mm 정도일 경우 지수 함수 공식에 의해 단일 산란파는 100억분의 1로 줄어든다.
4. 시분해 측정
○ 매질에 빛을 입사시킬 경우, 빛이 반사되어 카메라에 도달할 때까지 걸리는 시간은 매질 내부에서 빛의 진행 경로에 의해 결정된다. 초고속 펄스 레이저 또는 파장 대역이 넓은 레이저 광원을 이용하여 간섭계를 구성할 경우 원하는 시간에 카메라에 도달한 빛만을 선택적으로 측정할 수 있다. 또는 시간에 따라 카메라에 도달하는 빛의 세기를 측정할 수 있다. 이러한 측정을 시분해 측정이라 칭하며, 광학 단층 영상기기 등에서 널리 쓰이고 있다.
5. 간섭 현미경
○ 빛은 전자기파로써 위상과 진폭을 통해 기술된다. 일반적인 광학 현미경에서 획득하는 영상은 목표 물체에서 오는 빛의 세기를 의미하며, 이는 빛의 진폭에 의해 결정된다. 한편, 빛의 위상정보에는 빛의 진행 방향에 대한 정보를 담고 있다. 레이저를 이용하여 간섭계를 구성할 경우 목표 물체에서 반사된 빛의 진폭 뿐 아니라 위상 정보까지 획득할 수 있으며, 위상 정보를 통해 물체에서 빛이 어떻게 굴절되는지에 관한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 현미경을 간섭 현미경이라 칭한다.
그 림 설 명
[그림설명] 단일 산란파의 특징 개념도. (a) 산란 매질에 빛을 입사시킬 경우 반사된 빛은 단일 산란파와 다중 산란파로 나누어 기술할 수 있다. 시분해 측정을 할 경우 단일 산란파는 목표 깊이가 정해져 있다면 항상 일정한 시간으로 측정이 되며, 이 시간은 목표 물체의 깊이에 의해 결정된다. 반면 다중 산란파는 임의 방향 산란에 의해 빛의 진행 거리가 무작위적으로 분포하게 되며, 그 결과 빛이 측정되는 시간 또한 일정하지 못하게 된다. (b) 단일 산란파을 물체에 입사시킬 경우 반사된 빛은 물체에 의해 운동량 변화를 겪게 된다. 이러한 운동량 변화는 물체의 구조에 의해 결정되며, 입사각에 무관하다.
출처: 미래창조과학부 (http://www.msip.go.kr)