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생체 내부환경을 세포 단위까지 관찰할 수 있는 생체현미경 개발해
실시간으로 생체 내부 미세 환경을 관찰할 수 있는 초고속 생체현미경 기술 개발로 세포 간 상호작용 확인 및 신약개발 기간 단축
[444호] 2018년 02월 27일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

  나노과학기술대학원 김필한 교수 연구팀이 생체 내부조직을 관찰할 수 있는 초고속 생체현미경(Intra-Vital Microscopy, IVM)을 개발했다. 연구팀이 개발한 생체현미경 기술은 미래 글로벌 바이오헬스 시장과 차세대 신약 개발을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

분해능 향상된 생체현미경 기술 개발
  이번 연구는 특별한 조작 없이도 생체 내부조직을 구성하는 세포의 움직임을 직접 관찰할 수 있어 전통적인 조직 분석 방법의 한계를 극복했다는 의의가 있다. 기존에는 생체 조직을 관찰하기 위해 세포 배양 등의 방식으로 생명체 외부에서 세포를 검사하는 방법을 사용했다. 하지만 이런 방식으로 생체 조직을 관찰할 경우에는 세포의 움직임이 없어, 생체 내 세포와 조직의 상호작용을 관측하기 어려웠다. 또한, 기존 생체영상 기술인 엑스레이(X-ray)나 컴퓨터 단층촬영(CT, Computed Topography)은 분해능*이 떨어져 세포 하나하나를 구분할 수 없다는 문제점이 있었다.

세포 움직임을 3차원으로 영상화해

  이번에 연구팀이 개발한 생체현미경은 기존 기술과 달리 1μm 이하의 분해능을 가져 생체 내 환경을 구성하고 있는 세포를 각각 구분할 수 있으며, 각 세포의 움직임을 3차원 영상으로 관찰할 수 있다. 연구팀은 여러 파장의 레이저를 이용해 세포와 단백질, 그리고 조직을 구성하는 다양한 미세 환경의 영상을 동시에 얻을 수 있도록 설계했다.
이를 활용하면 생체 외부에서 연구한 결과들이 생체 내부에서도 동일하게 적용되는지 검증할 수 있으며, 생체 내 다양한 세포 현상의 움직임을 실시간으로 영상화해 세포 발생 과정 등도 이해할 수 있다. 또한, 내시경이나 형광표지 등을 활용해야 했던 기존 연구 방식과는 달리 연구팀이 자체적으로 개발한 제작 시스템 및 설계가 다양한 동물 모델의 생체 내 영상 획득에 최적화되어있어 범용성이 높다는 장점이 있다.

신약 개발 분야에서 높은 활용 가능성
  연구팀은 이번 연구가 장기와 같은 큰 조직 단위가 아닌, 생체 내부의 미세 단위를 조작하거나 분자 하나를 대상으로 치료를 진행하는 등 미래 의료기술의 발전 방향을 제시할 것으로 전망했다. 이번에 개발한 생체현미경을 통해 신약 개발 시에 생체 내부에서 약물의 효능을 세포 단위로 확인할 수 있다. 따라서 약물이 개발 의도대로 작동하는지 신속하고 정확하게 평가할 수 있으며 선도물질**을 최적화하기 위한 시간과 비용 절감 또한 가능하다. 더불어, 면역치료제, 세포치료제 등 세포 수준에서 복합적으로 작용하는 미래 바이오의약품 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

큰 조직 관찰엔 기술적인 한계 존재해
  지금의 현미경은 한 번에 넓은 영역을 관찰할 수 없다는 기술적인 한계가 있어, 큰 조직을 관찰할 때에는 여러 장의 사진을 찍은 후에 모자이크 형태로 이를 합치는 방법이 사용되고 있다.

  김 교수는 “현재 개발한 생체현미경의 분해능을 유지하면서 더 빠르게 조직의 이미지를 얻을 수 있는 기술을 개발하겠다”고 밝혔다. 또한, “이번에 연구한 기술을 활용하여 진단할 수 있는 질환의 수와 관찰할 수 있는 세포의 종류를 늘릴 수 있을 것이다”고 전망했다.

   
▲ 초고속 생체현미경 영상 결과 (김필한 교수 제공)
생체 내부의 세포 상태 변화를 초고속 생체현미경으로 촬영한 결과, 세포 수준에서 3차원 영상화가 가능하다.

분해능*
서로 떨어져 있는 두 물체를 구분할 수 있는 능력. 광학기기의 성능을 나타낼 때 사용한다.

선도물질**
신약개발 과정에서 연구 대상이 되는 후보 물질.

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