질병 조기 진단에 한 발 더 다가가다
생체 조직에 의한 이미지 왜곡 제거가능한 초고심도 이미징 기술 개발
연구결과, 국제학술지 Nature Communications 게재돼

▲ 왼쪽부터 강성삼(Massachusetts Institute of Technology 연구원, 제1저자),  강필성 (IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 대학원생 연구원, 제 2 저자), 최원식 (IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장, 교신저자)

질병의 조기 진단 시기를 획기적으로 앞당기기 위해서는 생체 조직을 구성하는 개별 세포를 관찰할 수 있을 정도의 높은 분해능을 가지는 이미징 기술이 필요하다. 하지만 광학 이미징 방법들은 조직 내부로 들어갈수록 빛의 난반사와 이미지 왜곡 때문에 그 분해능이 급격히 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 이 때문에 현재의 방법들로는 조직 표층에 있는 세포들만 제대로 관찰할 수 있다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행 고려대 교수) 최원식 부연구단장(고려대 교수) 연구팀은 기존에 물체의 이미지 정보를 가지는 단일산란파만을 이용하여 다중산란을 효과적으로 줄이는 이미징 방법인 CASS현미경(단일 산란 집단 축적 현미경, Collective accumulation of single-scattering microscope) 방법을 개발하여 조직 심부에 있는 물체를 이미징할 수 있음을 보인 바 있다. 이번 연구에서는 이러한 방법을 발전시켜 다중산란 뿐 아니라 생체조직에서 발생하는 이미지 왜곡까지 보정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. CLASS(closed-loop accumulation of single scattering) 이미징으로 명명한 이 방법에서는 생체조직에 의한 단일산란파의 수차를 폐루프 최적화 방법을 통해서 찾아냈고, 이를 통해 기존 CASS 현미경 대비 두 배 높은 해상도를 얻을 수 있었다.

생체조직에서 수차는 단일산란파의 진행 각도에 따라 빛의 위상 차이를 만드는 현상인데, 이 때문에 이미지가 왜곡이 되고 이미지의 밝기가 줄어든다. 두꺼운 유리 뒤편의 물체가 어른거려 보이는 것도 같은 이유인데, 생체조직의 경우 그 정도가 훨씬 심하다. 고해상도 이미징에서 이러한 수차를 보정하기가 어려운데, 그 이유는 빛이 입사할 때와 물체에서 반사된 후 되돌아 나올 때 각각 수차가 발생하기 때문이다.

연구진은 이러한 수차를 제거하기 위해 우선 빛의 입사각을 바꾸면서 조직에서 반사되어 되돌아 나오는 빛의 이미지들을 획득했다. 이러한 이미지들로부터 빛의 입사하는 각과 반사하는 각에 대한 정보를 담은 반사행렬을 구성했고, 이로부터 샘플이 만드는 운동량의 변화가 잘 축적될 수 있도록 입사각에 대한 각도별 수차를 보정해줬다. 나아가 이 반사행렬의 전치행렬을 구함으로써 입사와 반사의 역과정을 고려했고, 이 경우에도  각도별 수차를 보정했다. 이러한 보정을 반복적으로 수행함으로써 최종적으로 입사와 반사의 각도별 수차를 분리해서 획득해낼 수 있었다.

CLASS 이미징을 이용하여 생체조직 내부 약 700 마이크로미터 깊이에 있는 물체를 600 나노미터의 해상도로 이미징할 수 있음을 보였다. 그리고 바이오 응용의 한 예로 POSTECH의 김기현 교수팀 및 서울 아산병원의 김명준 교수팀과 공동으로 토끼의 눈 내부 깊은 곳에 감염된 곰팡이 균의 필라멘트 구조를 고해상도로 이미징할 수 있음을 보였다. CLASS 이미징 방법은 공초점 현미경이나 이광자 현미경 등 현재 널리 이용되고 있는 이미징 기술에도 접목이 가능하고, 내시경에도 탑재가 가능해 앞으로 다양한 바이오 응용이 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구의 교신 저자인 최원식 부연구단장은 “이번 연구는 광학 현미경을 질병 조기 진단에 이용하기 위해 필수적으로 극복해야할 생체조직에 의한 이미지 왜곡 문제를 해결한 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.124)에 12월 18일 게재됐다.

[ 그   림   설   명 ]

[그림 1] a와 같이 빛이 입사하는 경우를 가정하여 각각의 입사각에 대하여 b와 같은 행렬을 획득하고 여기에서 신호의 세기가 가장 커질 수 있게 각각의 각도에 대하여 위상(c)을 구하여 이미지에 적용하면 d와 같이 된다. 이번에는 빛이 반대로 입사한다고 가정(e)하고 마찬가지로 행렬을 구하면 f와 같은 행렬을 구할 수 있고 이 경우에도 g와 같은 맵을 획득할 수 있다. 이를 통해 이미지를 보정하면 h와 같이 된다. 이를 각각의 수차 맵이 수렴할 때까지 반복 시행하면 각각 i와 j같은 입사와 반사의 수차 맵을 획득 할 수 있다. 이 획득한 수차 맵을 제르니케 다항식으로 전개해보면 50차항의 성분까지 있음을 확인할 수 있다. 최종적으로 이 수차를 보정하여 이미지를 획득하면 l과 같이 되고 수차가 보정되어 왜곡되지 않은 샘플의 구조를 확인할수 있다.

[그림 2] 위 그림은 개발한 현미경을 이용하여 곰팡이에 감염된 토끼 눈의 각막(a)을 촬영한 것이다. 곰팡이는 b에서 보듯이 균사라는 실처럼 가늘고 긴 구조를 가지고 있는데 이 구조가 토끼 눈에서부터 비롯된 수차로 인하여 c줄의 그림과 같이 곰팡이의 균사가 정확히 보이지 않는다. 개발한 현미경을 통해 e와 같은 수차정보를 획득하고 이를 통해 이미지를 보정해주면 d와 같이 선명한 균사의 모습을 확인할 수 있다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)