04/02/2021

“빛 투과 한계 뛰어 넘어”… 생체조직 투과 이미징 기술 개발

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UNIST 박정훈 교수팀, 710μm(마이크로미터)두께 쥐 뇌 조직 뒤 목표물 이미징 성공
빛 파면제어 영역 줄여 효율성 개선·광치료,광유전자 변형에 응용가능 … Optica 게재

생체조직 너머의 또 다른 조직을 투시하는 광학현미경 기술이 개발됐다. 일반적으로 생체조직은 100 μm(마이크로미터) 두께가 되면 광학현미경 투과 관찰이 힘들다. 생체조직의 구성 물질이 단백질, 지질 등으로 다양해 빛의 산란이 많기 때문이다. 빛이 산란되면 초점이 맞지 않아 이미지가 흐릿하게 된다. 산란된 빛의 경로를 수정해 원래 목표인 초점으로 보내는 파면 제어 기술이 필요한 이유다.

UNIST 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀은 현미경 대물렌즈 중앙 영역을 통과하는 빛의 경로를 선택적으로 수정해 또렷한 초점을 만드는 새로운 파면제어 기술을 개발했다. 박 교수팀은 이 기술로 710 μm 두께의 쥐 뇌 조직 뒤에 숨겨진 형광비즈(구슬)를 또렷이 관찰하는 데 성공했다.

그림1. 710μm 두께의 쥐 뇌 조직을 통과한 형광 비드 이미징과 형광신호세기 선 그래프

그림 1. 710 μm 두께의 쥐 뇌 조직을 통과한 형광 비드 이미징과 형광신호세기 선 그래프

연구진은 생체 조직 내에서는 대부분의 빛이 진행 방향으로 산란된다는 점에서 착안했다. 이 때문에 대물렌즈 가장 자리를 통과해 조직으로 비스듬히 들어오는 빛일수록 조직 내에서 가장 많은 거리를 이동하고 조직 내부의 세포 등과 부딪히면서 에너지 소모가 많게 된다는 가설이 성립한다.

그림2. 효율적인 파면왜곡 제어와 기존 파면왜곡제어 방법의 비교 설명

그림 2. 효율적인 파면왜곡 제어와 기존 파면왜곡제어 방법의 비교 설명

연구진은 개발한 파면 제어법은 대물렌즈 가장 자리를 통과하는 ‘저에너지 빛’은 버리고 중심 영역을 통과하는 ‘고에너지 빛’만 골라 초점으로 보내 초점 세기를 강화하는 효율적인 방식이다. 실제로 동일한 파면제어 시간을 소모한 경우, 기존 기술 대비 형광신호 세기는 8.9배, 형광비즈와 주변 배경 간 신호 대비는 2.1 배나 상승하는 효과를 얻을 수 있었다.

제1저자인 바이오메디컬공학과 진형원 연구원은 “생체 조직과 같은 매질(빛이 통과하는 물질)에서는 기존의 방식을 벗어나 고에너지 빛(낮은 각도로 입사하는 빛)만 선택적으로 파면제어 하는 것이 훨씬 효율적인 이미징 방식이라는 사실을 입증했다”고 설명했다.

박 교수는 “이번에 개발된 기법은 생체조직내로 빛을 투과시켜 병변을 치료하는 기술이나 생체 조직의 세포를 조절하는 광유전학 기술 등으로 확장 가능할 것”라고 기대했다.

한편, 이번 기술은 개구수(NA; numerical aperture)를 줄였음에도 고품질의 이미지를 얻었을 수 있었다는데서 기존 이론과 대비되는 결과다. 일반적으로 개구수는 이미지 해상도와 비례하는 값이다.

UNIST 바이오메디컬공학과 황병재 연구원, 이상원 연구원이 함께 참여한 이번 연구는 광학 분야의 저명한 국제 학술지인 옵티카 (Optica) 4월호에 출판될 예정이다. 연구수행은 한국연구재단(NRF)과 포스코청암재단의 지원을 받아 이뤄졌다.