▲ 각막 신경 및 면역세포 영상화를 위한 차등 위상 대비(DPC) 기반 광학 영상 시스템 개략도 / (좌상, a) LED 조명광을 광섬유를 통해 샘플에 전달하고 투과광을 획득하여 영상화하는 광학 시스템 구성도. (좌하, b) 각막과 접촉하며 적절한 위치에 조명광을 전달하고 안정적인 영상 획득을 가능하게 하는 엔드캡 구조. (중, c) 각막 내부에서 반사되어 경사 후방 조명이 형성되는 조명광 경로 도식도. (우, d) 세포에 의해 굴절된 빛이 영상에 대비를 형성하는 원리를 나타낸 도식도.(그림 및 설명=포항공과대학교 김기현 교수)   © 특허뉴스

살아있는 각막 조직에서 형광 표지 없이 신경과 면역세포를 동시에 선명하게 관찰할 수 있는 고해상도 생체 영상 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 광학 영상의 한계를 극복한 이번 성과는 안구 질환 진단과 신경 손상 연구에 새로운 전환점을 제시할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 포항공과대학교 김기현 교수 연구팀이 서울대학교병원 윤창호 교수, 중앙대학교 김경우 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 각막 내부의 감각 신경망과 면역세포를 비표지 방식으로 동시에 영상화할 수 있는 광학 현미경 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 안과 분야 국제학술지 The Ocular Surface에 지난 2월 2일 게재됐다.

각막은 시력 형성에 핵심적인 역할을 하는 조직으로, 고밀도의 감각 신경과 면역세포가 복합적으로 분포해 있다. 특히 각막 신경은 안구건조증 등 다양한 안구 표면 질환과 밀접하게 연관돼 있어, 이를 정밀하게 관찰하는 기술의 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.

그러나 기존 생체 공초점 현미경은 반사 신호 기반 영상 방식으로 인해 스페클 잡음이 발생하고, 신경 구조의 방향에 따라 신호가 달라져 신경 섬유가 단절돼 보이거나 세포 형태가 불명확하게 나타나는 한계가 있었다. 이로 인해 신경 손상과 면역 반응을 동시에 정확하게 분석하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘차등 위상 대비(DPC)’ 기반의 비표지 생체 영상 기술을 개발했다. 이 기술은 세포에서 굴절되는 빛을 활용해 영상 대비를 형성하는 방식으로, 반사 기반 영상법의 한계를 극복하고 고해상도 이미지를 구현한다.

특히 후방 투과 경사 조명 방식을 적용해 각막 내부 구조를 더욱 선명하게 시각화했으며, 이를 통해 신경망과 면역세포를 동시에 관찰하는 데 성공했다. 기존 대비 신경 섬유가 끊김 없이 연속적으로 나타나고, 면역세포의 형태 역시 명확하게 확인되는 것이 특징이다.

실험에서는 정상 생쥐 모델과 손상 모델 모두에서 기술의 유효성이 입증됐다. 정상 조직에서는 신경망과 면역세포가 고대비로 관찰됐고, 손상 모델에서는 신경 손상과 함께 면역세포의 증가 양상이 정량적으로 확인됐다.

김기현 교수는 “형광 표지 없이도 생체 상태에서 신경과 면역세포를 동시에 고해상도로 관찰할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “안구 표면 질환 진단뿐 아니라 신경 회복 추적, 말초신경 퇴행 질환의 조기 진단 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 생체 조직을 ‘있는 그대로’ 정밀하게 관찰할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 점에서, 향후 의료 영상과 바이오 연구 전반에 중요한 영향을 미칠 것으로 평가된다.

논문명은 High-resolution high-contrast in vivo phase imaging of corneal nerves and immune cells in mice이다.