레이저 포인터 광원으로 생체 조직 병변 파악

어드밴스드 머티리얼스 표지 이미지

사무용 레이저 포인터 같은 일반 광원으로 생체 조직 내부를 또렷하게 촬영할 수 있는 기술이 개발됐다. 수억 원에 달하는 진단용 초고속 펄스 레이저를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 박정훈·주진명 UNIST 바이오메디컬공학과 교수팀(이하 박 교수팀)이 특수 나노 입자를 이용한 일반 연속파(CW) 레이저로 생체 조직 내부를 3차원 촬영할 수 있는 비선형 형광 현미경 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

이 기술은 초고속 펄스 레이저에 맞먹는 침투력과 해상도를 갖췄다. 주변 조직의 손상 없이 병변 부위만 선택적으로 자극하는 광역학 치료에도 활용할 수 있다.

생체조직은 빛이 잘 산란돼 또렷한 내부 이미지를 얻기 어렵다. 초점 부근에 형광을 일으켜 산란을 걸러내는 다광자 현미경이 있지만 고가의 펨토초 펄스 레이저를 광원으로 쓰기 때문에 일반 병원이나 실험실에서는 사용하기 힘들었다.

다광자 현미경은 레이저 광원에서 나온 두 개 이상의 광자(빛 입자)가 하나의 분자로 결합할 때 형광을 띠며 초점을 뚜렷하게 보여주는 장치다. 광자의 밀도를 순간적으로 높여야 하기에 펨토초 레이저가 필요다.

박 교수팀은 '상향변환 나노입자(UCNPs)'를 이용해 펨토초 펄스 레이저 없이도 초점에서만 형광을 유도할 수 있는 기술을 개발했다.

연속파 레이저 기반 상향변환 나노입자를 활용한 비선형 형광 영상 원리와 응용 예시

생체 혈류에 나노입자를 주입한 뒤, 일반 연속파 레이저를 쏘면 나노입자가 레이저 속 광자를 하나씩 흡수해 에너지를 축적하고 이를 자외선 또는 청색 형광으로 방출하는 방식이다. 방출 강도는 빛 세기의 제곱 또는 세제곱으로 급격히 늘어나는 비선형 특성을 지녀 초점 부근처럼 빛이 집중된 영역에서만 강한 형광이 나온다.

박 교수팀은 이 기술로 살아있는 생쥐의 뇌혈관을 약 800마이크로미터 깊이까지 고해상도로 촬영하는데 성공했다. 다광자 형광 현미경과 비슷한 침투 깊이다. 또 넓은 시야를 빠르게 영상화하는 와이드 필드 모드에서 초당 30프레임으로 혈류의 흐름까지 실시간 관찰했다.

이 기술은 광역학(PDT) 치료에서 병변 외의 조직이 손상되는 부작용도 줄일 수 있다.

광역학 치료는 빛을 병변에 침투시켜 치료하는 데 빛이 통과하는 경로의 정상 조직까지 함께 손상되는 문제를 안고 있다. 초점 부근에서만 형광이 발생하는 이 기술을 이용하면 병변 부위만 선택해 빛을 침투시킬 수 있다.

박정훈 교수는 “값비싼 초고속 레이저 없이도 고해상도 생체 이미징은 물론 정밀 광치료도 가능하다”며 “MRI 같은 기존 진단 장비에 응용하면 뇌혈류 흐름이나 국소적 대사 반응 등을 정밀하게 추적하는데 도움이 될 것”이라고 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com

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