국내 연구진이 사람 장기나 피부의 조직 속 세포의 미세한 변화를 고해상도로 볼 수 있는 광학현미경을 개발했다. 

이번 개발된 광학현미경은 암세포가 주로 발생하는 피부 속 표피세포의 세포핵 변화까지 관찰할 수 있어, 암과 같은 질병의 조기 진단을 획기적으로 진전시킬 것으로 기대된다. 

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업의 일환으로 추진 중인 ‘파동에너지극한제어연구단(단장 이학주)’의 지원으로 고려대 최원식 교수가 주도하고 같은 대학교 박규환 교수, 이재승 교수 및 건국대 임용식 교수가 공동으로 수행하였다. 연구결과는 광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Nature Photonics’에 3월 10일(화) 온라인으로 게재됐다.(논문명: Imaging deep within a scattering medium using collective accumulation of single-scattered waves) 

  ▲CASS 현미경 개략도: CASS 현미경은 파장대역이 넓은 레이저 광원(SLD)을 이용한 간섭계와 입사각을 조절할 수 있는 공간광변조기(SLM)로 구성되어 있다. 광원에서 나오는 빛은 기준빔(Reference wave)과 조사빔(Incidence wave)으로 나누어지며, 조사빔(Incidence wave)은 공간광변조기에 의해 진행 방향이 변조되어 샘플로 입사된다. 샘플에서 반사된 빛(Reflected wave)은 기준빔과 합쳐진 후 CCD 카메라를 통해 측정된다.

암세포는 대부분(약 80%) 사람 피부나 장기의 외피에서 1~3mm 깊이에 있는 표피세포에서 발생되며, 초기에 암세포의 세포핵이 커지면서 세포분열을 통해 나중에 덩어리(용종)으로 발전된다. 

현재 암 초기 진단에 사용되는 CT·MRI·초음파 진단은 몸 속 전체를 볼 수 있으나 해상도가 낮아 암세포가 덩어리를 이루어 크게 자라난 이후에야 측정이 가능하다. 이에 반해, 빛을 이용하는 광학현미경은 CT·MRI·초음파 영상과 비교했을 때 몸에 해롭지 않고, 비용도 저렴하며, 세포를 자세히 볼 수 있을 정도의 고해상도 시각화(이미징)가 가능하여, 대장이나 위 내시경 등 다양한 형태로 질병의 조기 진단에 사용 중이다. 

하지만 피부조직 속에 있는 세포의 영상은 빛이 피부조직을 통과할 때 왜곡되기 때문에, 현재 광학현미경은 고해상도로 관찰 가능한 깊이는 수십 마이크론(㎛, 10-6m)으로 한계가 있으며 더 깊은 곳의 세포영상을 얻기 위해서는 생체조직의 박편을 잘라내어 관찰해야만 했다. 

국내 연구팀은 피부조직에 의해 왜곡되지 않고, 물체의 영상정보를 그대로 가지고 있는 빛(단일 산란파)을 찾아낼 수 있는 새로운 방법을 개발하여, 1㎛(10-6m)의 해상도로 1mm(10-3m) 이상의 깊이까지 생체조직의 세포 영상정보를 얻는데 성공했다. 

이 성능은 고해상도 시각화에서 세계 최고 깊이이며, 암세포가 덩어리로 발달하기 훨씬 이전 단계에서 세포핵(보통 5㎛정도 크기)이 커지는 것을 확인할 수 있어, 암과 같은 질병의 조기 진단 시기를 획기적으로 앞당길 것으로 기대된다. 

최원식 교수는 “이번 연구는 광학 현미경의 두 가지 성배인 해상도와 이미징 깊이 중, 아직 미해결로 남아있는 이미징 깊이를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시한 연구로서, 향후 질병의 조기 진단이나 수술 시 질병 조직의 분포 범위 확인 등에 광범위하게 응용될 것으로 기대한다.”고 연구의의를 밝혔다.