DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호․황재윤 교수 공동 연구팀이 초음파에 의한 공기방울을 활용해 생체조직을 더 깊고 세밀하게 관찰할 수 있는 광학 현미경 기술을 세계 최초 개발했다고 19일 밝혔다.
광 영상 및 치료 기술은 생명과학 연구와 임상에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 생체 조직 내에서 발생하는 광 산란(optical scattering) 때문에 내리쬔 광이 투과할 수 있는 깊이가 낮아 심부조직의 영상획득과 치료에 태생적 한계가 존재한다. 이로 인해 활용분야 확대에 큰 걸림돌이 되고 있다.
이를 극복하기 위해 지난 2017년에 장진호 교수팀은 초음파를 쬐었을 때 생체조직에 생성되는 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들을 활용했다. 초음파에 의해 일시적으로 생성되는 공기방울들은 빛의 진행방향으로 광산란을 일으키는 현상을 이용해 빛의 투과깊이를 증가시킬 수 있는 기술을 개발한 바 있다.
나아가 장진호․황재윤 교수 공동연구팀은 공기방울을 이용한 광 영상 기술의 적용 범위를 넓히는 데 주목했다.
공초점 형광 현미경은 쬔 빛의 초점면에서 발생하는 형광 신호를 선택적으로 검출해 암세포와 같은 미세조직 구조정보를 고해상도, 고대조도 영상으로 제공해주는 기기이다. 암, 뇌 조직검사를 빠르게 진행할 수 있어 생명과학 연구에서 가장 널리 사용되고 있다.
그러나, 생체조직 내부에서 발생하는 광의 산란에 의해 백 마이크로미터를 초과하는 깊이에서는 광 초점이 흐려져 활용분야와 효용성에 있어 극히 제한적이다.
공초점 형광 현미경과 같은 광학 영상의 획득 가능 깊이를 증가시키기 위해서는 조사한 빛을 구성하는 광자가 생체조직 내에서 광 산란에 의해 진행방향이 왜곡되는 현상이 없어야 하나 이, 문제를 극복하기에는 조직 내에 산재돼 생성되는 공기방울들 만으로는 한계가 있었다.
이에 본 공동연구팀은 초음파를 이용해 생체조직 내부에 공기방울들이 촘촘하게 채워져 있는(공기방울 밀도 90%이상) 공기방울층을 원하는 영역에 생성할 수 있는 기술과 영상을 획득하는 동안 생성된 공기방울들을 유지할 수 있는 기술을 개발했다.
이 공기방울층에서는 광자의 진행방향에 왜곡이 없어 더 깊은 생체조직 내에도 광집속이 가능함을 실험적으로 증명했다.
또한, 이 기술을 공초점 형광 현미경에 적용해 기존 대비 6배 이상의 공초점 형광 현미경의 영상 깊이를 확보할 수 있는 광 투명화 광 투명화(optical clearing): 화학약품 등을 이용해 생체조직 구성 요소들의 광 굴절률의 차이를 최소화해 빛의 투과 깊이를 증가시키는 기존기술로, 개발 기술이 동일한 역할을 하기에 US-OCM으로 명명했다.
개발 기술은 기존 광 투명화 기술과 달리 생체조직의 광 특성을 일시적으로 변화시켜 생체조직에 손상을 주지 않으며, 원하는 영역에 대해서만 일시적으로 광 투명화를 시킬 수 있고, 영상획득 전 투명화 샘플을 만들기 위해 많은 시간이 필요 없다는 장점이 있다. 역할을 하는 초음파 조직 투명화 기술을 적용한 현미경(UltraSound-induced Optical Clearing Microscopy; US-OCM)을 세계 최초로 개발했다. 특히, 본 연구에서 개발한 초음파 조직 투명화 현미경은 초음파 조사를 멈추면 생성됐던 공기방울들이 사라지고 생체조직에 어떠한 손상도 일어나지 않을 뿐만 아니라 공기방울 생성 전의 광학 특성으로 돌아가는 것을 확인해 생체에 무해함을 시사한다.