Center for Relativistic Laser Science

박테리아보다 작은 생체 구조 3D 이미지 얻었다

2022.09.02 11:25

IBS 분자분광학 및 동력학 연구단

고해상도 광섬유 다발 반사 홀로그래피 내시경의 원리. 이번에 개발한 현미경(a)은 광섬유 다발의 단일 코어를 통해 물체를 조명하고 물체에서 반사된 신호를 다시 같은 광섬유 다발로 수집하여 반사된 빛의 정보를 기록한다. 이 때 일반적인 광섬유 다발 내시경과 다르게 물체와 광섬유 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려(b) 고해상도 이미지를 얻었다. IBS 제공.

모세혈관이나 신경계까지 3차원(3D) 입체로 관찰할 수 있는 초미세내시경이 개발됐다. 

기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자분광학 및 동력학 연구단 부연구단장과 최영운 고려대 바이오의공학과 부교수 공동연구팀이 주사바늘보다 가는 두께의 내시경 기술을 개발하고 이를 활용해 박테리아보다 작은 생체 구조의 입체 이미지를 얻는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 

내시경은 좁은 공간이나 인체 내부 영상을 얻기 위해 만든 장비다. 내시경 내부에 가느다란 영상장비를 삽입해 신호를 받아들인다. 끝단(프로브)에 카메라를 부착해 직접 관찰하거나 빛을 이용해 정보를 전달하는 광섬유로 이미지를 얻는다.  카메라 센서를 사용하는 경우 프로브의 두께가 두꺼워져 피부 일부를 절개해 삽입해야하는 경우도 있다. 반면 광섬유 다발을 이용한 내시경의 경우 좀 더 얇은 형태로 제작할 수 있어 절개 부위와 환자의 불편함을 최소화할 수 있다.

하지만 기존의 광섬유 내시경은 광섬유 내에서 빛을 통하게 하는 물질인 광섬유의 코어 간에 생기는 빈 공간 때문에 선명한 이미지를 얻기 어려웠다. 광섬유 다발 끝에서 생기는 자체 반사가 원하는 신호만 관찰하는 것을 방해해 반사율이 낮은 생물 구조를 관찰하기 어려운 단점도 있었다. 관찰을 위해서는 형광 염색을 해야 하지만 인체에 적용하기에는 한계가 있었다.

연구진은 광섬유 다발 말단 부분에 렌즈나 어떠한 장비도 부착하지 않고도 고해상도로 관찰  가능한 아주 얇은 내시경을 개발해 기존 광섬유 내시경의 한계를 극복했다. 연구진은 광섬유 다발 중 하나의 광섬유에 빛을 집속시켜 광섬유에서 일정 거리 떨어져 있는 물체를 조명했다. 물체에서 반사된 빛은 여러 개의 다른 광섬유를 통해 물체에 대한 정보를 전달한다. 이때 얻은 반사 홀로그래피 이미지를 측정하고 각 코어마다 발생되는 왜곡을 보정해 고해상도 이미지를 얻었다. 

개발한 내시경은 광섬유 말단에 어떠한 장비도 부착하지 않아 내시경 프로브의 지름이 350μm(마이크로미터, 100만분의 1미터)로 매우 얇은데, 이는 피부에 놓는 주사 바늘(약 500μm)보다도 가늘다. 이를 이용해 쥐의 융털(소장 안에 있는 구조물)과 같이 반사도가 매우 낮아 관찰하기가 어려운 생물 샘플에서도 형광 염색 없이 이미지 정보를 얻는 데 성공했다. 
  
특히 이번에 개발한 내시경은 일반적인 광섬유 다발 내시경으로는 불가능한 현미경급의 고해상도 이미지 촬영이 가능하다. 물체 간 거리가 850nm(나노미터, 10억분의 1미터) 정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있을 정도다. 박테리아 크기가 1000nm(1μm) 정도다. 측정한 홀로그래피 정보를 보정해 다중 깊이의 3D 이미지도 복원할 수 있는데 물체 간 깊이가 14μm정도 떨어져 있는 것도 구분할 수 있다. 

최원식 부연구단장은 “획기적으로 얇은 고해상도 내시경을 개발했다”며 “기존의 내시경으로 접근하기 어려웠던 폐나 모세혈관, 나아가 뇌 신경계까지 최소한의 피부 절개로 질병을 조기 진단할 수 있는 가능성을 열었다”고 말했다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 8월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

박테리아보다 작은 생체 구조 3D 이미지 얻었다 : 동아사이언스 (dongascience.com)