[세포영상기술 활용한 고속 고민감도 뇌종양 탐지]

뇌종양과 다른 종양을 구별하는 가장 큰 특징은 종양이 두개골 안에서 성장한다는 것이다. 두개골 안에서는 여유공간이 부족하기 때문에 뇌종양이 자라면 뇌압이 상승하여 두통이나 구토 등의 증상이 나타날 수 있고, 특정 부위가 눌리면서 뇌 기능에 장애가 발생하기도 한다. 그래서 뇌종양 수술에서는 두개골을 열고 종양을 제거한다. 성장과 전이가 빠른 악성 뇌종양의 경우 종양의 경계부가 명확하지 않은데, 정상부위 손상은 피하면서 종양을 최대한 제거해야 수술 예후가 좋다. 그러므로 정밀한 종양제거를 위해서는 신속하게 정상조직과 종양을 구분하는 것이 중요하다.

기계공학과·융합생명공학부 김기현 교수·통합과정 이승훈씨 팀은 전남대학교 의과대학 병리과 이경화 교수, 광주과학기술원 의생명공학과 정의헌 교수, 연세대학교 의과대학 신경외과 김의현 교수와 공동연구를 통하여 뇌종양과 정상 뇌 조직을 구별할 수 있는 실시간 고선명도 세포영상기술을 개발했다. 이 기술은 세포 단위 검사를 통해 조기진단 및 수술 가이드 기술로 이용할 수 있어 각막염 조기진단, 정밀 절제가 필요한 뇌종양 제거 수술 등에 활용될 전망이다.

악성 뇌종양 제거 수술에서 뇌종양과 정상 뇌 조직을 구별하는 방법은 성공적인 수술을 위해 필요하지만, 아직 임상에서 사용 가능한 기법은 없었다. 지금까지 임상에서 사용 중인 자기공명영상 (Magnetic Resonance Imaging, MRI), 컴퓨터단층영상 (Computer Tomography, CT), 수술 현미경 (Wide-field Surgical Microscopy) 기술은 종양의 위치 정보는 제공할 수 있으나, 해상도가 낮아 종양과 정상 뇌 조직의 경계 구별은 어려웠다. 종양 경계의 실시간 탐지를 위해 다양한 광학 영상법이 개발됐으나 기존 방법은 민감도가 낮거나, 고속영상이 불가능하거나, 내시경 형태로 개발에 어려움이 있는 등 한계가 있었다.

연구팀은 임상에서 사용되는 항생제인 목시플록사신을 세포 형광 표지자로 사용하는 세포영상법을 뇌종양 경계 탐지기술로 개발해 왔다. 지난 2017년 세포영상법의 뇌종양 경계 탐지 활용 가능성을 바이오메디컬 옵틱스 익스프레스(Biomedical Optics Express)에 보고한 이후 고속화 방법을 개발해 왔으며, 새로이 개발한 영상법은 초당 30프레임 이상의 속도로 실시간 뇌세포 영상화가 가능하다. 또 이 기술은 세포 단위 영상화 기법이어서 기존 방법보다 민감도가 월등히 높은 것으로 나타났다.

연구팀이 새롭게 개발한 세포 영상법을 활용해 전임상 뇌종양 동물모델과 악성 뇌종양 환자의 조직 샘플을 촬영한 결과, 높은 세포 밀도와 불규칙한 분포를 가지는 뇌종양과 정상조직을 구별해냈다.

또한, 연구팀은 실시간 세포영상의 자동 영상 분석을 위해 뇌종양과 정상조직을 구분하여 경계를 탐지하는 알고리즘도 개발했다. 이 기술을 이용, 뇌종양 수술 가이드를 위한 펜 타입의 세포 내시경도 개발할 계획이다.

김기현 교수는 ”이번에 개발된 기술은 정밀 뇌종양 수술에 활용할 수 있어 악성 뇌종양 제거 수술의 성공률을 높이고 수술 후유증을 감소시켜줄 것으로 기대된다“며 기대감을 밝혔다. 또 “아직은 동물 모델과 환자의 조직 샘플에서 검증했지만 지속적으로 개발해서 임상 기술로 발전시킬 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

한편, 이 연구성과는 저널 오브 바이오포토닉스(Journal of biophotonics) 온라인판에 출판됐으며, 한국연구재단의 메조스케일 뇌신경네트워크 고속 초고해상도 광범위 3차원 형광현미경 시스템 사업, 압타머 기반 당뇨병 치료제 개발을 위한 인 비보(IN VIVO) 검사 플랫폼 개발사업의 지원으로 수행됐다.