한국과학기술원(KAIST)은 박용근 물리학과 교수와 정용 바이오및뇌공학과 교수 공동연구팀이 홀로그래픽 영상기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

뇌 구조는 뇌 기능, 뇌 질환과 밀접한 관련을 갖는다. 알츠하이머에 걸린 뇌의 경우에도 회백질과 해마가 비정상적 구조를 갖고 있어, 질병의 진단을 위해 자기공명영상(MRI)나 양전자단층촬영(PRT)을 활용한다. 하지만 MRI, PET는 0.1㎜ 이하의 세밀한 구조를 관찰하기 힘든 것이 한계다.

이러한 영상의 한계는 조직 병리학 기법으로 보완한다. 뇌 조직의 단면 구조를 현미경으로 직접 관찰하는 것이다. 문제는 이 과정에 투명한 뇌 조직을 염색하면서 왜곡이 발생할 수 있다는 것이다. 또 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이라 질병 진단에 필요한 정략적, 객관적 기준을 제공하기도 어렵다.

KAIST 연구팀은 홀로그래피 현미경 기술을 이용, 뇌 구조 정보를 정량적으로 분석해 이 문제를 해결했다.

홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치를 계산할 수 있다. 또 조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 연구진은 홀로그래피 현미경으로 얻은 굴절률 분포를 토대로 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.

연구진은 알츠하아머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에는 해마와 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것으로 확인했다. 특히 해마 내 산란되는 평균 거리가 약 40% 감소했다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다.

연구팀은 이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 내다봤다.

박용근 교수는 “최근 창업한 토모큐브의 제품을 이용해 관련 연구자들이 더 쉽게 새로운 방법을 적용시켜 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 토모큐브는 박 교수가 공동창업자로 참여한 홀로그래피 현미경 제작 회사다.

한편, 이번 연구는 이무성 연구원과 이익성 박사를 공동 1저자로 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.

[테크M = 도강호 기자(gangdogi@techm.kr)]