양준모 UNIST 자연과학부 교수 - 중요 생명 현상에 대한 이해 높여줄 초소형 광음향 영상 시스템
양준모 UNIST 자연과학부 교수 - 중요 생명 현상에 대한 이해 높여줄 초소형 광음향 영상 시스템
  • 김윤혜
  • 승인 2017.03.14 13:47
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그간 광학 현미경을 활용해 생체 깊숙이에서 일어나는 현상을 파악하는 데는 한계가 있어왔다. 이에 양준모 교수는 기존 장비들의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 영상 기술을 개발하고 있다. 광음향 이미징 기술 소형화에 성공한 그는 생체 깊숙한 곳의 관찰을 통해 생명 현상의 이해 및 보다 정확한 질병 진단의 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

UNIST 자연과학부 양준모 교수

새로운 생물학적 발견 이끌어낼 생체 접근형 현미경 개발

최근 광학 현미경(optical microscopy)은 생명 현상을 본래의 발현 위치(in situ)에서 살아있는 상태(in vivo) 그대로 관찰할 수 있는 기술을 개발하는 데 포커스를 맞추고 있다. 기존의 테이블탑 방식 광학 현미경으로는 생명 깊숙한 곳에서 일어나는 중요 생명 현상을 제대로 관찰할 수 없었기 때문이다.

이러한 문제를 해소하기 위해 시작된, 일정 깊이 이상에 걸쳐 단층 영상 정보를 제공할 수 있는 공초점 현미경(confocal microscopy)및 다광자 현미경(multiphoton microscopy) 기술 개발은 생체 접근형 현미경 기술의 시발점이다. 생체 접근형 현미경은 생체내현미경(intravital microscopy), 내시경 현미경(endomicroscopy) 등의 용어로 칭해지기도 한다. 양준모 교수는 기존의 테이블탑 광학 현미경의 경우 분해능은 좋으나 영상 깊이가 낮고 장비의 크기가 커, 고정・절편된 생체조직이나 배양된 세포들을 관찰하는데 그쳤다고 지적했다. 즉, 기존의 광학 현미경은 복잡한 생명 현상의 발현과 그 작동 원리를 거시적인 관점에서 이해하는데 한계가 있었다.

최근 광학 현미경에 도입되고 있는 이 새로운 기술은 지금까지 밝혀지지 않았던 중요 생명 현상을 보다 효과적으로 관찰할 수 있는 길을 열었다는 평가를 받고 있다. 양 교수가 진행하고 있는 ‘생체 접근형 초소형 광음향 현미경 시스템 개발’ 연구 역시 그 연장선상에 놓여 있다. 그는 이번 연구를 통해 기존의 공초점 현미경 및 다광자 현미경술에 기반한 생체 접근형 현민경보다 훨씬 더 깊은 부위에 대한 영상을 확보할 수 있는 것은 물론 독성 문제 등의 우려가 있는 조영제(contrast agent)의 도움 없이도 매우 다양한 영상 정보를 확보할 수 있을 것이라 내다봤다. 이러한 기술은 향후 동물 모델을 바탕으로 한 소화기관 내 암 발생 기작 이해와 뇌 심층부 영상을 통한 뇌의 기능 이해에 활용되는 한편, 임상 현장에서도 내시경과 같은 형태로 질환을 보다 정확히 진단하는데 도움을 줄 전망이다.

“아직까지는 소수의 그룹들이 자체적으로 개발한 시스템이 연구에 활용되고 있을 뿐 생체 접근형 현미경이 보편화되지는 않았지만, 이러한 접근법은 기존의 현미경이 갖고 있던 한계점을 극복하는 대안이 될 것이라 기대합니다. 새로운 생물학적 발견을 이끌어내고 있는 만큼 앞으로 그 중요성은 점점 더 증대될 것입니다.”

 

광음향 이미징 기술 활용한 소형화 영상기기 연구

양준모 교수는 한국에서 박사학위를 취득한 후 미국에서 박사후과정을 밟으면서 광음향 이미징 기술 개발에 집중해왔다. 광음향 이미징(photoacoustic imaging or photoacoustic tomography: PAT) 기술은 광학 영상 기술 특유의 높은 이미지 대조 특성과 초음파의 깊은 생체 투과 능력을 결합한 단층 영상 기술이다. 특히 바이오 이미징 분야에서 요구되는 여러 요소들 중 핵심 요소라 할 수 있는 안전성, 이미지 대조, 영상 분해능, 영상 깊이, 영상 속도 등의 성능이 매우 뛰어난 것이 장점이다. 현재 임상에서 쓰이고 있는 MRI, X-ray, PET, 그리고 초음파 등에 이은 차세대 영상 기술로 주목 받고 있다.

PAT 기술의 소형화를 연구해온 양 교수는 광음향 내시경술(photoacoustic endoscopy)을 통해 광음향 이미징 기술을 내시경화하는데 성공하기도 했다. 그는 기존에도 유사한 목적을 추구하는 선행 연구가 있었지만, 자신이 개발한 내시경 기기가 여러 핵심 요소들을 모두 갖추고 살아있는 동물에 성공적으로 적용된 최초의 기기라 평가했다. 또한 현재 임상에서 사용되고 있는 초음파 내시경(endoscopic ultrasound: EUS)의 기능을 통합적으로 구현한 것 역시 이 내시경의 임상 잠재력을 보여준 핵심 결과 중의 하나다.

“PAT 기술은 기존의 어떤 기술보다 다양한 이미지 대조를 제공합니다. 이는 PAT 기술이 갖고 있는 뛰어난 분광 영상(spectral imaging) 능력 때문이죠. 이를 통해 원하는 타깃만을 선별적으로 가시화할 수 있습니다.”

분광 영상 능력을 활용하면 산소 포화도와 같은 PAT 만의 고유한 기능적 정보(functional information)를 영상으로 제공하거나, 초음파 및 광학 피라미터들을 적절히 조절해 분해능과 영상 깊이를 원하는 목적에 맞게 자유롭게 선택할 수 있다. 그간 생체 접근형 현미경 기술은 공초점 현미경술과 다광자 현미경술을 바탕으로 개발되어 왔을 뿐 광음향 이미징 기술에 기반한 연구는 전무하다시피 했다. 광음향 영상 시스템의 소형화가 쉽지 않았기 때문이다. 그렇기에 양 교수가 수행하고 있는 ‘생체 접근형 초소형 광음향 현미경 시스템 개발’ 과제가 향후 해당 분야에서 갖는 의미가 크다. 그는 향후 관련 기술이 임상 내시경 분야는 물론 모바일 통신 기기를 위시한 ICT 분야에도 상당한 영향력을 미칠 수 있을 것이라 내다봤다.

실제 이러한 일환에서 양 교수는 해당 과제 외에도 광음향 내시경술(PAE)을 실용화하는 프로젝트도 진행하고 있다. 그는 만약 이번 프로젝트가 성공한다면 동물이 아닌 실제 사람에게도 관련 기술을 적용할 수 있을 것이라며, 인체 내부에서 암과 같은 대부분의 주요 질환들이 발생하는 만큼, PAT 기술에 있어 이 내시경 분야는 최적의 응용처라 단언했다. 그는 향후 PAT 기술을 활용해 생체 접근형 현미경이나 내시경 등과 같이 소형 영상 기기를 개발하는 데 집중할 계획이다. 이밖에도 결합 조직(connective tissue) 및 신경(nerve)을 영상화할 수 있는 기술 개발에도 의지를 표했다.

 

학문적, 실용적 의미 갖춘 연구 이어갈 것

양준모 교수의 연구는 기존의 기술로는 이해할 수 없었던 여러 중요 생명 현상 및 질환들을 보다 효과적으로 관찰・진단할 수 있는 새로운 형태의 영상 기술을 개발하는데 그 목적이 있다. 그는 자신이 개발하고 있는 기술들을 실생활 속에 접목시키는데 좀 더 노력을 기울이고자 한다고 전했다. 그간 개발해 온 광음향-초음파 내시경 기술을 향후 실제 하나의 새로운 의료기기 형태로 성공시킨다면 이러한 취지에 매우 부합되는 성과가 될 것이라는 기대와 함께였다.

“한국의 의료 수준은 세계 최고를 자랑합니다. 하지만 의사들이 의료 현장에서 사용하고 있는 장비 거의 대부분은 해외 수입에 의존하고 있죠. 한마디로 국내의 의료기기 관련 기술 및 산업 전반이 모두 취약한 상태입니다. 저는 이렇게 중요한 의료 영상 기기 분야를 앞으로 한국이 주도할 수 있도록 기여하고자 합니다.”

양 교수는 자신의 아이디어를 구체화해나가는 과정에서 특허와 학술논문 등을 통해 기술에 대한 긍정적 평가를 이끌어내고, 결과적으로 사업화까지 연결시키겠다는 그림을 그리고 있다. 그의 연구 결과들이 한국의 의료과학기술 발전의 견인차가 되길 기대한다.


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