고려대학교 이과대학

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) 최원식 부연구단장 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 개발하였다. CLASS(closed-loop accumulation of single scattering) 이미징으로 명명한 이 방법에서는 생체조직에 의한 단일산란파의 수차를 폐루프 최적화 방법을 통해서 찾아내었고, 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 획득하였다. 이러한 이미지들로부터 빛의 입사하는 각과 반사하는 각에 대한 정보를 담은 반사행렬을 구성하였고, 이로부터 샘플이 만드는 운동량의 변화가 잘 축적될 수 있도록 입사각에 대한 각도별 수차를 보정해 주었다. 나아가 이 반사행렬의 전치행렬을 구함으로써 입사와 반사의 역과정을 고려하였고, 이 경우에도 각도별 수차를 보정하였다. 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.

본 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.