포스텍, 조직 절단·염색 없이 심장조직 보는 현미경 기술 개발

중적외선 편광 조절 현미경으로 분석 가능
인공 장기 품질 검사·질병 진단 등 활용

왼쪽부터 김철홍·장지나 교수.

포스텍 연구진이 조직을 절단하거나 염색하지 않아도 심장과 힘줄 같은 조직 건강 상태를 정밀하게 분석할 수 있는 현미경 기술을 개발했다.

이 기술은 단백질 섬유의 배열 방향과 밀집 정도를 수치로 확인할 수 있어 인공 장기 품질 검사나 질병 진단 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

연구는 이 대학 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 기계공학과·생명과학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수, IT융합공학과 박사과정 박은우 씨, 바이오프린팅 인공장기 응용기술센터 황동규 박사 연구팀이 수행했다.

연구 논문은 현지 기준으로 지난 4일 광학 분야 학술지인 'Light: Science & Applications'에 게재됐다.

심장 근육이나 힘줄 같은 조직들은 단백질 섬유가 일정한 방향으로 정렬돼야 제대로 작동한다. 마치 밧줄의 실이 한 방향으로 꼬여 있어야 단단한 것과 같다. 하지만 심근경색이나 섬유화, 암 같은 질병이 생기면 이 배열이 흐트러져 조직이 제 기능을 잃는다. 이런 변화를 확인하려면 조직을 떼어내 염색하고 현미경으로 관찰해야 했지만 시간이 오래 걸리고 결과도 연구자마다 달랐다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 '중적외선 이색성 민감 광음향 현미경(MIR-DS-PAM)'을 개발했다. 이름은 복잡하지만 원리는 생각보다 간단하다.

조직에 중적외선 빛을 비추면 단백질이 이를 흡수하며 미세하게 팽창하고 이때 발생한 초음파를 감지해 단백질의 위치를 알아낼 수 있다. 빛의 '편광(진동방향)'을 조절하는 방법도 사용했다. 단백질 섬유가 일정한 방향으로 배열되면 해당 방향의 편광을 더 많이 흡수하는데, 그 차이를 분석하면 단백질 섬유가 얼마나 가지런히 정렬돼 있는지도 정량적으로 측정할 수 있다.

연구팀은 3D 바이오프린팅으로 만든 인공 심장에 이 기술을 적용해 조직이 성숙할수록 단백질이 쌓이고 섬유 배열이 정돈되는 과정을 염색 없이 관찰했다.

또 섬유화가 진행된 조직에서는 정상 조직과 달리 구조적 붕괴에 따른 배열의 불균일성을 정량적으로 구분하는 데 성공했다. 기존 형광 현미경 기술보다 훨씬 더 간단하고 객관적인 방법으로 같은 정보를 얻을 수 있게 된 것이다.

이 기술은 인공 장기 품질 검사나 심근경색, 암 등 질병의 진행 상태를 조기에 파악하는 진단 도구로 발전할 가능성이 크다. 복잡한 염색 과정이 필요하지 않아 연구 시간과 비용을 줄이면서 더 정확하고 일관된 결과를 얻을 수 있다는 점이 큰 장점이다.

김철홍 교수는 "연구는 재생의학과 병리 진단 분야에 새로운 방법을 제시할 것"이라며 연구의 의의를 전했다.

장진아 교수는 "심장뿐 아니라 힘줄, 각막 등 다양한 조직의 변화를 평가할 수 있어 인공 장기 개발과 질병 연구에 큰 도움이 될 것"이라고 했다.

연구는 교육부와 과학기술정보통신부, 범부처전주기의료기기연구개발사업, 범부처재생의료기술개발사업, BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행됐다.


포항=김규동 기자 korea808080@