^*펨토초(femtosecond): 10-15초

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

생체 조직을 3D로 관찰하고 분석하는 광학 현미경 기술은 의학과 생명과학 전반에 걸쳐 매우 중요한 역할을 하고 있다. 3D 이미징을 구현하기 위해서는 서로 다른 깊이에서 나온 빛을 분리할 수 있는 기술이 필요하다. 기존 방법으로는 물리적인 핀홀(작은 구멍)을 이용하여 선택 깊이에서 나온 빛만을 측정하는 공초점 현미경 방식, 빛의 간섭을 이용하여 깊이별 신호를 분리하는 광간섭 단층 촬영(OCT) 방식, 그리고 초고속(펨토초 펄스) 레이저를 이용해 여러 광자를 특정 깊이에서만 흡수시키는 다광자 형광 현미경 방식 등이 사용돼 왔다.

그러나 공초점 현미경과 OCT는 생체조직 깊숙한 곳까지 관찰하기 어렵고, 다광자 형광 현미경은 침투 깊이와 해상도 면에서는 뛰어나지만, 수억 원대의 고가 펨토초 레이저가 필수이며 광학계도 매우 복잡해 일반 병원이나 실험실에서 사용하기 어렵다. 또한 다광자 흡수는 자연 상태에서 발생 확률이 매우 낮기 때문에, 광자 밀도를 순간적으로 폭발적으로 높일 수 있는 레이저가 필요하다는 점에서 기술적·경제적 제약이 크다.

최근 주목받고 있는 상향변환 나노입자(UCNPs)는 근적외선(NIR) 빛을 흡수해 자외선(UV)이나 청색광으로 방출하는 상향변환 발광 특성을 갖는다. 이 과정은 광자를 하나씩 흡수해 에너지를 축적한 뒤 방출하는 비선형 광학 메커니즘으로, 입사 광의 세기에 따라 발광 강도가 제곱 혹은 세제곱으로 증가해 초점에서만 강한 형광이 유도될 수 있다. 본 연구는 이러한 UCNP의 비선형 특성을 이용하여, 초고속 펄스 레이저 없이도 깊이 선택적 형광 이미징과 광자극이 가능한 새로운 접근법을 제시하고자 했다.

2.연구내용

연구팀은 UCNPs를 만들기 위해 NaYF₄ 결정에 Yb³⁺와 Tm³⁺ 희토류 이온을 도핑해 합성한 뒤, 안정적인 셸을 형성해 생체 용액 내 분산성과 생체적합성을 확보했다. 이로 인해 해당 입자는 혈류를 통해 생체조직 내부로 주입되며, 구성 성분은 생체 독성이 낮아 의료 영상 및 치료 용도로 사용이 가능하다.

이 나노입자는 976 nm 파장의 적외선 연속파(CW) 레이저를 흡수해 자외선(350 nm), 청색광(450 nm), 근적외선(800 nm) 대의 빛을 방출하도록 설계됐다. 특히 조사되는 빛의 세기가 증가할수록 방출되는 형광 세기가 2~3 제곱 형태로 급격히 증가하는 비선형 특성을 보이므로, 초점 영역에서만 선택적으로 강한 형광이 발생한다.

이러한 특성을 기반으로 연구팀은 별도의 초고속 펄스 레이저 없이도 UCNP와 일반 연속파 레이저만으로 3차원 다광자 형광 현미경 시스템을 구현했다. 기존 형광 염료 및 단백질이 펨토초 레이저 없이는 비선형 형광을 유도하기 어려웠던 것과 달리, 본 시스템은 저가의 레이저 포인터 수준의 연속파 레이저만으로도 동일한 비선형 효과를 유도할 수 있다.

해당 기술은 살아있는 생쥐에 적용돼 뇌혈관의 고해상도 3D 영상을 약 800μm 깊이까지 획득하는 데 성공했다. 이는 공초점 현미경보다 5~6배 깊고, 다광자 형광 현미경과 유사한 수준이다. 3D 영상은 레이저 초점을 층층이 이동시키며 형광 신호를 수집한 뒤, 이를 누적·재구성하는 방식으로 얻어졌으며, 시야가 넓은 와이드 필드 모드에서는 초당 30프레임의 고속 영상으로 생쥐 뇌혈관 내 혈류 흐름을 실시간으로 추적하는 것도 가능했다.

이 기술은 기존 광역학 치료의 부작용도 최소화 할 수 있다. 기존 광역학 치료는 빛이 통과하는 전영역에 영향을 끼쳐 목표 지점을 뒤덮고 있는 모든 세포들이 영향을 받는다는 한계가 있었다. 이와 같은 한계 때문에 또한, 광역학 치료를 가할 수 있는 깊이 또한 제한되어 왔다.

실제 연구팀은 UCNP와 자외선 반응성 광감작제를 함께 투입한 뒤, UCNP에서 나오는 형광으로 특정 깊이에서만 광감작제를 선택적으로 활성화할 수 있음을 실험적으로 입증하였다.

3.기대효과

본 기술은 고가의 펨토초 레이저 없이도 고해상도 3차원 형광 이미징을 구현할 수 있는 새로운 비선형 광학 접근법을 제시했다. 연속파 레이저만으로도 초점 부근에서만 형광을 유도할 수 있어, 장비 구성의 간소화와 비용 절감은 물론, 일반 실험실이나 병원에서도 다광자 수준의 영상 기술을 활용할 수 있는 실용성을 확보했다.

특히 초점에서만 형광이 발생한다는 특성은 영상뿐 아니라 치료 광자극에도 응용될 수 있으며, 실제로 광감작제를 이용한 실험에서도 병변 부위만을 선택적으로 자극하는 깊이 선택적 광역학 치료가 가능함을 보여주었다. 이는 표면 조직 손상을 최소화하면서 종양 등 깊숙한 병변을 정밀하게 치료할 수 있는 새로운 전략이 될 수 있다.

향후 MRI나 OCT 등 기존 영상 기술과 병행하면 구조 정보와 기능 정보를 동시에 제공할 수 있어, 국소 혈류나 대사 반응 같은 생리학적 변화를 실시간으로 정밀하게 추적할 수 있는 진단·치료 융합 기술로의 확장이 기대된다. 고해상도 생체영상, 광역학 치료, 정밀 수술, 종양 분석, 세포 간 상호작용 관찰 등 다양한 의료·바이오 융합 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보인다.

[붙임]  용어설명

1.상향변환 나노입자(UCNPs, Upconverting Nanoparticles)

근적외선(NIR)과 같이 에너지가 낮은 빛을 여러 단계로 흡수해, 자외선(UV)이나 청색과 같은 더 높은 에너지의 빛으로 변환하는 나노 크기 입자.

2.비선형 광학

빛의 세기가 증가할 때, 그에 비례해 단순히 2배, 3배로 발광하는 선형 관계가 아니라, ‘거듭제곱’ 식으로 세기가 급격히 변하는 광학 현상. 예) 레이저 세기를 2배로 높였을 때 발광이 2배 이상(예: 4배, 8배 등)으로 증가하는 경우를 말한다.

3.초고속(펨토초) 레이저

매우 짧은 시간(~10-15초 단위)의 레이저 펄스를 쏘는 장비. 다광자 현미경이나 초고속 분광 분석에 쓰이지만, 유지 비용이 높고 설치가 까다롭다.

4.연속파(CW) 레이저(Continuous-Wave Laser)

펄스(pulse) 방식이 아니라, 일정 시간 동안 레이저가 계속 켜져 있는 형태의 레이저. 구조가 단순하고 비용이 저렴해 광학 실험이나 의료용뿐만 아니라 일상 생활에서도 널리 사용되는 레이저 포인터, 마우스, DVD 플레이더 등 우리 주변에서 다양하게 쓰인다.

5.3차원 광학 이미징

조직 내부를 얇은 단면 단위로 하나씩 촬영한 뒤, 이를 층층이 쌓아 입체 구조를 재구성하는 방식. 공초점 현미경이나 다광자 현미경에서 주로 쓰이며, 이번 연구에서는 UCNPs의 비선형 특성만으로도 고가 장비 없이 유사한 깊이 분해능과 해상도를 구현할 수 있음을 입증했다.

6.광역학 치료(Photodynamic Therapy, PDT)

특정 파장의 빛을 조사해 광감작제(photosensitizer)를 활성화하고, 이를 통해 주위 세포나 조직에 화학 반응을 유도해 손상을 주는 치료법. 보통 종양·암세포 치료에 많이 활용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 연속파 레이저 기반 상향변환 나노입자를 활용한 비선형 형광 영상 원리와 응용 예시. 연구팀이 설계한 NaYF₄ 기반 상향변환 나노입자(UCNP)는 Yb³⁺ 감광체가 적외선(CW 976 nm)을 흡수해 Tm³⁺로 에너지를 전달한 뒤, 자외선(UV) 및 청색광으로 발광하는 상향변환 형광을 유도한다. 이 형광은 비선형 특성을 지녀 레이저 초점 부근에서만 강하게 발생한다. 이를 활용해 살아 있는 생쥐의 뇌조직에 나노입자를 주입하고, 외부에서 적외선 레이저를 쏘아 뇌 혈관을 고해상도로 3차원 영상화하거나, 깊이 선택적으로 자극하는 정밀 광자극 치료가 가능하다.