초음파를 네비게이션으로 사용하는 광학현미경 개발

깊은 곳 보는 초음파와 미세구조 관찰하는 광학현미경 결합

살아있는 제브라피시 생체 내부 근육섬유까지 관찰 성공

▲ 왼쪽부터 최원식 교수(교신저자), 장무석 교수(공동 제1저자), 고학석 고려대 물리학과 박사과정생(공동 제1저자)

생체 내부를 꿰뚫어볼 수 있는 새로운 현미경이 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행 고려대 교수) 최원식 부연구단장(고려대) 연구팀과 한국과학기술원(KAIST) 바이오 및 뇌공학과 장무석 교수팀은 초음파를 이용해 기존 현미경으로 볼 수 없었던 생체 내부의 미세 구조를 관찰하는 기법을 개발했다.

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 2월 5일자 온라인 판에 게재됐다.

* 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 

사람의 눈은 250㎜ 떨어진 거리에 70㎜의 간격을 두고 놓인 물체를 구분할 수 있다. 이보다 작은 미세구조를 관찰하기 위해서는 광학 현미경이 필요하다. 광학 현미경은 눈으로 볼 수 없는 작은 미세구조를 확대해서 보여준다. 하지만 생체조직을 관찰할 때는 이야기가 달라진다. 

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

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

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

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

연구진은 인체 조직에도 사용할 수 있는 공간 게이팅 기술을 구현해나갈 계획이다. 향후 현미경을 소형화하고 이미징 속도를 증가시키면, 실시간 질병 진단에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

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 말했다.

[ 그   림   설   명 ]

[그림 1] 공간 게이팅 현미경의 모습

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 공간 게이팅 현미경의 모습. 조명단과 영상획득단의 대물렌즈(좌, 우)와 초음파 발생 장치(하)를 보여준다. 절단 없이도 소동물 내부 근육결 등 미세구조를 시각화 할 수 있다.

[그림 2] 공간 게이팅 현미경의 작동원리

연구진은 초음파 영상과 광학 현미경을 결합해 생체 내부까지 이미징할 수 있는 현미경을 개발했다. 초음파(초록색 선)를 집속시킨 뒤 초음파의 초점을 지나는 빛만 측정하는 ‘공간 게이팅’ 기술로 산란광의 세기를 100배가량 감쇄시킬 수 있었다. 산란광의 세기가 감소했다는 것은 그만큼 더 선명한 이미지를 얻을 수 있다는 의미다.

[그림 3] 공간 게이팅으로 시각화한 적혈구 이미지

조직-모사 매질 깊은 곳의 적혈구를 일반 현미경(a)과 공간게이팅 현미경(b)으로 관찰한 결과. 산란 효과가 상쇄되며 적혈구의 모습을 뚜렷하게 관찰할 수 있다.

[그림 4] 소동물 이미징 패러다임의 변화

기존 광학 현미경으로 소동물 내부를 관찰하기 위해서는 잘라서 단면화하고, 염색하는 과정이 필요했다(a). 연구진은 초음파를 이용한 공간게이팅 현미경을 통해 소동물이 살아있는 상태에서 내부 구조를 관찰하는데 성공했다(b).

[그림 5] 성체 제브라피시 내 근육 관찰 결과

연구진은 일반 광학현미경(a)과 공간게이팅 현미경(b)을 이용해 부화한지 30일 된 성체 제브라피시 내부를 관찰했다. 기존에는 관찰하기 어려웠던 근육중격(노란 점선), 근육-뼈 접합부(붉은 점선), 근육결(흰색 점선)까지 관찰할 수 있음을 볼 수 있다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)