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한국 연구팀이 현미경 영상에 의한 알츠하이머 질환 진단 방법을 개발하는데 성공했다. 이에 따른 의료기기 상용화 가능성도 밝히며 기대를 모으고 있다.
최근 업계에 따르면 한국과학기술원(KAIST), 포항공과대(POSTECH) 소속 연구팀이 현미경 영상을 이용한 알츠하이머 질환 분석 및 진단 방법을 밝혀내며 주목을 받고 있다.
KAIST 물리학과 박용근 교수와 바이오및뇌공학과 정용 교수팀은 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 개발했다.
뇌의 구조는 뇌 기능 및 질병과 밀접한 관련을 갖고 있다.
특히 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질 및 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖기 때문에 뇌 영상 촬영 기술 신경과학에서 꼭 필요한 기술이다.
뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있지만 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계를 갖는다.
이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했지만 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 왜곡이 발생할 수 있다.
또 조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠다.
이같은 문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했다.
연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있다.
조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪는다. 위에서 얻은 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했다.
연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화 및 정도를 정량적으로 수치화했다.
그 결과 알츠하이머 모델의 해마 및 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했다.
특히 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했는데 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석된다고 연구팀은 전했다.
연구팀은 “이번 연구가 알츠하이머 뿐 아니라 파킨슨 병 등 다른 질병 연구에도 광범위하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
국내 연구진이 발병 원인이 정확히 밝혀지지 않은 알츠하이머 질환을 조기 진단할 수 있는 방법을 개발했다.
POSTECH은 최근 화학과 안교한 교수팀이 서울대 묵인희 교수팀과 함께 이광자 현미경을 이용한 생체 내 영상화(in vivo two-photon microscopy imaging)로 알츠하이머 질환 여부와 진행도를 나타내는 새로운 생체표지 물질 발견에 성공했다고 발표했다.
알츠하이머에 연관된 또 다른 물질은 모노아민 옥시데이즈(Monoamine Oxidase, 이하 MAO)라는 효소로 알츠하이머 질환과 밀접한 상관관계가 있는 것으로 추측돼 왔지만 기존의 단편적인 연구 결과로는 이 사실을 입증하기에 충분치 않았다.
이는 베타아밀로이드가 물론이고 아직 잘 알려지지 않은 MAO를 기존의 생체 내 영상으로 관찰하기란 매우 까다로워 뇌를 적출하여 효소의 양을 정량하거나 활성도 분석을 통한 체외 연구가 대부분이기 때문이다.
연구팀은 이광자 현미경을 사용해 이런 문제를 해결했다.
투과력이 좋은 이광자 현미경은 살아있는 조직 내부에서 일어나는 현상을 오랫동안 실시간으로 관찰할 수 있고 긴 파장을 이용해 빛의 손실 없이 초점 부위에 집중되어 뛰어난 고화질의 영상을 얻을 수 있다.
연구팀은 베타아밀로이드와 MAO를 감지할 수 있는 이광자 형광체를 개발, 진단에 적용하는 이광자 형광 프로브(probe, 탐침) 방식으로 알츠하이머와의 상관관계를 증명했다.
연구팀은 이 기법을 사용해 살아있는 쥐의 뇌 속에서 알츠하이머의 진행에 따라 MAO가 점차 활성화 되는 모습을 실시간으로 추적하는데 성공했다.
베타아밀로이드와 MAO를 동시에 관찰한 결과 알츠하이머가 진행 될수록 아밀로이드 플라크가 늘어나고 그 주변에 MAO의 분포도 더욱 활발해 진다는 사실을 최초로 밝혀낸 것이다.
특히 연구진에 의하면 알츠하이머 질환의 경과에 따라 MAO의 활성 또한 초기-활성화-포화의 세 단계로 진행된다는 것이 알려졌다.
이번 연구는 MAO가 알츠하이머의 발병 여부 뿐만 아니라 진행경과도 나타내는 ‘바이오 마커’로서 조기 진단에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다.
연구팀은 “이번 결과를 바탕으로 알츠하이머 진단을 위한 생체 표지 물질 연구와 관련 메커니즘의 규명, 나아가 치료제의 개발 등 관련 후속 연구가 더욱 활발해질 것”이라고 말했다.
한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실과제, 뇌과학원천기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원 및 보건복지부, 캘리포니아주립대 선도 연구 장학 프로그램의 지원을 통해 수행됐다.
아울러 연구 성과는 최근 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’에 게재됐다./메디컬 한의 기사제휴지 e-헬스통신
최성훈 기자
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