“빛 투과 한계 뛰어 넘어...생체조직 투과 이미징 기술 개발
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“빛 투과 한계 뛰어 넘어...생체조직 투과 이미징 기술 개발
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2021.03.30 14:39
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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
좌측부터 박정훈 교수, 진형원 연구원, 황병재 연구원, 이상원 연구원 

생체조직 너머의 또 다른 조직을 투시하는 광학현미경 기술이 개발됐다. 일반적으로 생체조직은 100μm(마이크로미터, 10-6m) 두께가 되면 광학현미경 투과 관찰이 힘들다. 생체조직의 구성 물질이 단백질, 지질 등으로 다양해 빛의 산란⁕이 많기 때문이다. 빛이 산란되면 초점이 맞지 않아 이미지가 흐릿하게 된다. 산란된 빛의 경로를 수정해 원래 목표인 초점으로 보내는 파면⁑ 제어 기술이 필요한 이유다. 

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

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. 

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, 형광비드와 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 입사⁂하는 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 고품질을 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. 
(논문명: Limiting the incident NA for efficient wavefront shaping through thin anisotropic scattering media )

<용어 설명>

⁕ 산란: 매질(빛이 통과하는 물질) 굴절률 차이 때문에 빛이 진행방향이 달라지는 현상. 빛이 만나는 입자의 크기와 파장에서 따라 산란 종류가 달라진다. 생체 내 조직인 세포는 그 크기가 가시광선 파장보다 훨씬 커 빛이 산란되더라도 원래 빛의 진행 방향으로 산란된다. 

⁑ 파면(wave front, 波面): 빛은 입자인 동시에 파동의 성질을 지니고 있는데, 파동의 위상(골 또는 마루 등)이 같은 지점을 이으면 파면을 얻는다. 파면 위상(모양)이나 세기를 조절해 빛을 원하는 방향으로 이동시키는 기술을 파면 왜곡 제어 기술이라 한다. 파면 왜곡 제어기술은 빛이 한 초점에 모일 수 있도록 왜곡된 파면을 상쇄 하는 복잡한 파면을 새로 만드는 기술이다. 

⁂ 입사각: 빛이 새로운 매질을 만났을 때 광축을 기준으로 기울어지는 각도. 대물렌즈를 통과해 생체조직으로 입사하는 빛의 경우 렌즈 가장자리를 통과하는 빛 일수록 입사각이 크다. 

 

710μm 두께의 쥐 뇌 조직을 통과한 형광 비드 이미징 과 신호세기 선 그래프
효율적인 파면왜곡 제어 실험 모식도
효율적인 파면왜곡 제어를 적용한 쥐 뇌 속 신경세포 이미징
효율적인 파면왜곡 제어와 기존 파면왜곡제어 방법의 비교 설명

 

 


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