카이스트(KAIST) 물리학과 박용근 교수와 바이오 및 뇌공학과 정용 교수(KI 헬스사이언스 연구소)의 공동 연구팀은  홀로그래피 영상기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 기술을 개발했다고 17일  밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)의 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 8월 3일자 온라인판에 게재됐다.

뇌의 구조는 뇌 기능과 질병에 밀접한 관련이 있다. 특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조로 되어 있다. 따라서 뇌 영상 촬영 기술은 신경과학에서 필수적인 기술이다. 뇌 관련 질병 치료는 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 영상 촬영 기술을 많이 활용한다.  그러나 0.1mm 이하의 세밀한 구조는 관찰이 힘들다는 한계가 있다.

이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법(조직, 세포 변화 등을 육안, 현미경 등을 이용하여 신체조직을 중심적으로 연구하는 병리학의 한 분야)을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰하는데, 뇌 조직이 투명하여 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다. 또한, 조직 병리로 얻은 정보는 정성적, 주관적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어렵다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 홀로그래피 현미경 기술로 뇌 구조 정보를 정량적으로 분석했다. 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭으로 별도의 염색 과정이 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다. 이는 조직 샘플을 투과한 빛이 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪기 때문이다.

얻은 굴절률 분포 결과를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다. 또한, 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화하는 데 성공했다.

그 결과 알츠하이머 모델의 해마와 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델보다 더 낮아졌다. 특히 해마 내 산란되는 평균거리가 약 40% 감소했다. 연구팀은 이 결과가 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문이라고 해석했다.

박 교수는 최근 창업한 Tomocube(토모큐브, 의료기기 제조 기업) 사의 제품을 이용해 관련 연구자들이 이 기술을 편리하게 적용하여 다양한 조직 병리 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 전했다. 연구팀은 이번 연구가 알츠하이머뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구까지 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

글. 황현정 기자 guswjd7522@naver.com
사진제공. KAIST