초음파를 네비게이션으로 사용하는 광학현미경
초음파를 네비게이션으로 사용하는 광학현미경
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.26 22:55
  • 조회수 1755
  • 댓글 0
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요약

 

초음파를 네비게이션으로 사용하는 광학 현미경이 개발됐습니다. 연구진은 광학 현미경과 초음파 영상의 장점을 결합해 생체 내부 깊은 곳을 높은 해상도로 관찰할 수 있는 초음파 결합 광학 현미경을 개발했습니다. 생체 조직 내부를 잘 침투하는 초음파를 집속시킨 후, 초음파의 초점을 지나는 빛만 측정하는 방식으로 산란광의 세기를 크게 감쇄시켰습니다. 덕분에 생체조직 내에서 광학 이미지가 흐려지는 문제를 극복할 수 있었습니다. 

생체 내부를 꿰뚫어볼 수 있는 새로운 현미경이 나왔습니다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀과 한국과학기술원(KAIST) 바이오 및 뇌공학과 장무석 교수팀은 초음파를 이용해 기존 현미경으로 볼 수 없었던 생체 내부의 미세 구조를 관찰하는 기법을 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.

공간 게이팅 현미경의 모습. 출처: IBS
공간 게이팅 현미경의 모습. 출처: IBS

광학현미경과 초음파 영상의 장점만 결합했다

 

사람의 눈은 250㎜ 떨어진 거리에 100㎛의 간격을 두고 놓인 물체를 구분할 수 있습니다. 이보다 작은 미세구조를 관찰하기 위해서는 광학 현미경이 필요한데요. 광학 현미경은 눈으로 볼 수 없는 작은 미세구조를 확대해서 보여줍니다. 하지만 생체 조직을 관찰할 때는 이야기가 달라집니다.

 

빛이 생체 조직을 투과할 때 직진광과 산란광이라는 두 종류의 빛이 생겨납니다. 직진광은 말 그대로 생체 조직의 영향 없이 직진하는 빛인데요. 산란광은 생체 조직 내 세포나 세포 내 구조의 영향에 의해 진행 방향이 무작위로 굴절된 빛을 말합니다. 광학 현미경으로 생체 조직 깊은 곳을 관찰하려면 직진광에 비해 산란광이 강해져 이미지 정보가 흐려진다는 치명적인 단점이 있습니다. 안개 속을 볼 수 없듯, 생체 조직의 수 많은 세포와 구조들이 빛을 산란시켜 이미지를 흐리게 만들기 때문입니다. 반면, 초음파 영상은 태아를 감별할 수 있을 정도로 생체 내부 깊은 곳까지 이미징할 수 있지만 해상도가 낮아 미세한 구조를 볼 수 없다는 단점이 있는데요.

 

연구진은 광학 현미경과 초음파 영상의 장점을 결합해 생체 내부 깊은 곳을 높은 해상도로 관찰할 수 있는 초음파 결합 광학 현미경을 개발했습니다. 초음파 결합 현미경은 생체 조직 내부를 잘 침투하는 초음파를 집속시킨 후, 초음파의 초점을 지나는 빛만 측정하는 방식으로 산란광의 세기를 크게 감쇄시킬 수 있었습니다. 초음파가 광학현미경에게 관찰 경로를 알려주는 일종의 네비게이션 역할을 하는 셈입니다.

공간 게이팅 현미경의 작동원리. 출처: IBS
공간 게이팅 현미경의 작동원리. 출처: IBS


초음파는 생체 조직을 응축, 팽창시켜 굴절률을 변조하는 방식으로 빛의 진행에 영향을 줍니다. 연구진은 이런 초음파의 특성을 응용해 초음파의 초점을 통과하는 빛만을 선택적으로 측정하는 기술을 개발하고, 이 기술을 공간 게이팅(space-gating)이라 명명했습니다. 초음파는 생체 내부의 '빛 거름망' 역할을 하며 무작위로 산란되던 빛을 차폐합니다. 공간 게이팅 기술을 통해 연구진은 산란광을 100배 이상 감쇄시키며 생체 조직 내에서 광학 이미지가 흐려지는 문제를 극복할 수 있었습니다.

장무석 KAIST  바이오 및 뇌공학과 조교수. 출처: KAIST
장무석 KAIST 바이오 및 뇌공학과 조교수. 출처: KAIST

 

 

 

장무석 KAIST 교수는 "촘촘한 거름망을 사용하면 더 고운 가루만 남는 것처럼 초음파의 초점을 작게 할수록 산란광을 더 많이 감쇄시킬 수 있다"며 "향후 산란광을 1000~1만 배 수준까지 감쇄시켜 더 선명한 이미지를 얻게 될 것으로 기대한다"고 설명했습니다.

 

 

 

 

개발된 현미경 사용해보니


연구진은 개발한 현미경을 이용해 별도의 형광 표지 없이 부화한지 30일 된 성체 제브라피시의 척추 안쪽 근육 조직 이미지를 얻는 데 성공했습니다. 기존 기술은 제브라피시의 장기, 척추 등 내부 구조에서 산란 현상이 일어나 절단을 통해서만 내부 근육 결을 관찰할 수 있었습니다. 이와 달리 개발된 현미경은 자연 상태 그대로 살아있는 제브라피쉬 내부 조직을 꿰뚫어볼 수 있었습니다. 

성체 제브라피시 내 근육 관찰 결과. 출처: IBS
성체 제브라피시 내 근육 관찰 결과. 출처: IBS

연구진은 인체 조직에도 사용할 수 있는 공간 게이팅 기술을 구현해나갈 계획이라고 합니다. 향후 현미경을 소형화하고 이미징 속도를 증가시키면 실시간 질병 진단에도 응용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

소동물 이미징 패러다임의 변화. 출처: IBS
소동물 이미징 패러다임의 변화. 출처: IBS
최원식 교부연구단장. 출처: KAIST
최원식 부연구단장. 출처: KAIST

 

 

 

이번 연구를 이끈 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)은 "초음파 결합 광학 현미경은 기존 광학 현미경의 얕은 이미징 깊이 문제를 해결하는 획기적인 기술"이라며 "공간 게이팅 기술을 더욱 발전시켜 빛의 산란 현상을 이해하고, 의생명 광학 기술 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것"이라고 밝혔습니다.

 

 

 

 

 


##참고자료##

 

Jang, Mooseok, et al. "Deep tissue space-gated microscopy via acousto-optic interaction." Nature Communications 11.1 (2020): 1-11.

 


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