▲ 최원식 고려대학교 물리학과 교수

고려대 물리학과 최원식 교수팀은 사람 장기나 피부 조직 속 세포의 미세한 변화를 고해상도로 볼 수 있는 광학현미경을 개발했다. 광학현미경은 피부 속 표피세포의 세포핵 변화까지 관찰할 수 있어 암을 조기 발견하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

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

연구팀은 피부조직에 의해 왜곡되지 않고, 물체의 영상정보를 그대로 가지고 있는 빛을 찾아낼 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이에 따라 1㎛(10-6m)의 해상도로 1mm(10-3m) 이상의 깊이까지 생체조직의 세포 영상정보를 얻는데 성공했다. 이 성능은 고해상도 시각화에서 세계 최고 깊이다. 암세포가 덩어리로 발달하기 이전 단계에서 세포핵(보통 5㎛정도 크기)이 커지는 것을 확인할 수 있다.

최원식 교수는 "광학 현미경의 두 가지 성배인 해상도와 이미징 깊이 중, 아직 미해결로 남아있는 이미징 깊이를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시한 연구"라며 "질병의 조기 진단이나 수술 시 질병 조직의 분포 범위 확인 등에 광범위하게 응용될 것"이라고 기대했다.

연구결과는 광학분야 국제 학술지인 네이처 포토닉스 (Nature Photonics)에 10일자 온라인 판에 게재됐다.

용어설명

1. NATURE PHOTONICS 誌 ○ 광학 및 포토닉스 분야의 가장 획기적인 연구 논문을 출판하는 저널로, 피인용지수(Impact Factor)는 2013년 기준 29.958이며, 이는 광학 및 포토닉스(Optics and Photonics) 분야에서 1위이다.

2. 산란 매질 ○ 생체 조직과 같이 내부 구조가 복잡한 매질에 빛을 입사시킬 경우 입사된 빛은 다중 산란을 겪게 된다. 이러한 매질을 산란 매질 (scattering media)이라 칭한다. 생체 조직이 이러한 산란 매질의 대표적인 예이며, 내부의 다양한 세포핵, 세포질, 세포벽 등 복잡한 구조에 의해 입사된 빛은 임의의 방향으로 산란된다.

3. 단일 산란파 ○ 산란 매질 내부에서 다중 산란을 겪지 않고, 목표 물체에 의해 반사되어 돌아온 빛을 의미한다. 다중 산란을 겪지 않았기에, 목표 물체가 가진 영상 정보를 왜곡 없이 전달시킬 수 있다. 이러한 단일 산란파의 세기는 산란 매질 내부에서 지수함수의 형태로 줄어들며, 이때 줄어드는 정도는 산란 매질의 복잡한 정도에 의해 결정된다. 생체 조직의 경우 목표 깊이가 100마이크론 정도 깊어질 때마다 단일 산란의 세기는 1/10 정도로 줄어든다. 즉, 목표 깊이가 1 mm 정도일 경우 지수 함수 공식에 의해 단일 산란파는 100억분의 1로 줄어든다.

4. 시분해 측정 ○ 매질에 빛을 입사시킬 경우, 빛이 반사되어 카메라에 도달할 때까지 걸리는 시간은 매질 내부에서 빛의 진행 경로에 의해 결정된다. 초고속 펄스 레이저 또는 파장 대역이 넓은 레이저 광원을 이용하여 간섭계를 구성할 경우 원하는 시간에 카메라에 도달한 빛만을 선택적으로 측정할 수 있다. 또는 시간에 따라 카메라에 도달하는 빛의 세기를 측정할 수 있다. 이러한 측정을 시분해 측정이라 칭하며, 광학 단층 영상기기 등에서 널리 쓰이고 있다.