암세포를 카메라로 감지한다

광학 현미경 카메라 기술 개발

건강한 삶을 위해서는 질병으로부터 자유로워야 한다. 현대의학은 과거에 비해 획기적으로 발전했지만 아직도 암이나 후천성면역결핍증 같은 많은 질병들은 완전한 치료법이 없어 질병의 조기 발견과 예방이 무엇보다도 중시되고 있다.

특히 수많은 세포 가운데서 특별히 두드러지거나 고립된 희귀 세포를 감지할 수 있는 능력은 질병의 조기 발견이나 치료 과정의 모니터링 등에서 가장 중요한 기능으로 여겨지는데, 대표적인 예로 혈액을 따라 순환하는 ‘암 종양세포’가 있다.

암 종양세포의 사전 감지는 고난도 작업

▲ 암세포의 움직임을 실시간으로 촬영할 수있는 광학 현미경이 개발됐다. ⓒUCLA

암 종양세포는 암의 전이를 알려주는 ‘전구물질(precursor)’로, 이런 종양세포가 증가해 본격적으로 암이 발병되면 대개 환자의 90% 정도가 사망하게 된다.

하지만 불행하게도 이런 세포를 감지하는 작업은 여간 어려운 일이 아니다. 보통 10억 개의 건강한 세포 가운데 단 몇 개 정도만이 암 종양세포이기 때문에 통계학상의 수치를 달성하려면 대량 처리 장비가 필요하다.
 
그뿐만이 아니다. 세포를 분석하는 데 있어서도 디지털 카메라가 장착된 현미경이 현재 수준으로는 최고의 장비이지만 희귀 세포를 촬영하기에는 너무 느려서 제때에 활용하기 어렵다는 단점이 있다.

이런 상황에서 최근 미국의 과학자들이 어려운 임무를 훨씬 쉽게 수행해낼 수 있는 새로운 광학 현미경 카메라 기술을 개발했다고 발표해 업계의 비상한 관심을 끌고 있다.

암세포 관찰할 수 있는 광학 현미경 카메라 기술

과학 전문지인 ‘Science Daily’는 UCLA대학 연구팀이 광학 현미경을 사용해 거의 실시간인 1백만분의 1초 속도로 암세포의 소멸을 관찰할 수 있는 광학 현미경 카메라 기술을 개발했다고 지난 6일 보도했다.

UCLA대 연구팀이 개발한 이 광학 현미경 카메라 기술은 암을 확산시키는 순환 암세포를 포착해 낼 정도로, 짧은 시간 내에 암의 상태를 검사할 수 있는 획기적인 기술인 것으로 알려졌다.

▲ 기존 카메라 방식과 촬영 결과를 비교한 도표 ⓒUCLA


연구팀의 설명에 따르면 이번에 개발된 광학 현미경 카메라 기술은 초당 10만개의 세포를 처리할 수 있어 기존의 분석기보다 100배나 빠른 수준이다. 이는 광학과 고속 전자공학, 그리고 미세 유체공학과 생명공학 분야의 전문가들이 함께 참여하여 나온 결과물이다.

이번 연구는 UCLA대 전기공학과의 바람 잘랄리(Bahram Jalali) 교수와 생체공학과의 디노 디칼로(Dino Di Carlo) 교수가 이끌었는데, 두 교수가 속한 연구팀은 지난 2009년에 연구했던 첨단 용액과 혈액 샘플의 실시간 이미지처리 기술을 결합해 또다른 성과를 거뒀다.

잘랄리 교수는 “암 종양세포 같은 희귀한 세포를 골라내기 위해서는 카메라가 매우 빠른 프레임 속도로 수백만 개의 세포를 포착하고 디지털 방식으로 처리할 수 있어야 한다”면서 “종래의 CCD나 CMOS 방식 카메라는 속도과 감도가 충분치 않아 픽셀들에서 데이터를 읽어내는 시간이 오래 걸리고 고속의 빛에는 감도가 떨어진다”고 설명했다.

그러면서 “현재의 유동 세포 분석법에도 고속 처리 기능은 존재하지만 단일 점 광 산란에 의존하고 있기 때문에, 초기 단계나 전이가 일어나기 전의 암 환자에게 존재하는 비정상적인 암 세포를 감지하기에는 충분히 민감하지 않다”고 덧붙였다.

위양성율이 기록적으로 낮아

UCLA 연구팀의 이번 연구결과는 암 세포를 실제 환자 혈액과 유사하도록 실험실에서 다양한 비율로 일반 혈액에 섞어 배양시킨 다음 얻어졌는데, 가장 먼저 시도한 유방암에 대해서 ‘위양성율(false-positive rate)’이 기록적으로 낮은 백만분의 1정도의 낮은 오류를 보였다.

▲ 유체 광학 현미경 카메라 기술의 개념도 ⓒUCLA

사전 예비 결과에서도 이 광학 현미경 카메라 기술은 많은 양의 피가 흐르고 있어 거의 보이지 않을 것 같은 상황에서도 종양세포를 찾아낼 수 있는 가능성을 보여줬다. 이런 연구결과를 통해 연구팀은 암의 정확한 초기 진단이나 약물 및 방사 치료의 효능을 모니터링하는 데에도 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

한편 이번 연구와 관련해 논문의 선임 저자인 UCLA대 전기공학 및 생체공학 프로그램 매니저 고다 게이스케(Goda Keisuke) 연구원은 “이 기술의 장점은 무엇보다도 의료진단에서 오류와 비용을 많이 줄일 수 있다는 점이다”라고 말했다.

현재 캘리포니아 나노시스템 연구소 멤버이기도 한 고다 연구원은 의료 분야의 유용성을 확인하기 위해 임상의들과 함께 실험을 하고 있다. 그는 “이번 연구로 암의 초기발견을 위한 신기원을 이뤘을 뿐 아니라, 약물 모니터링 및 방사능 임상실험은 물론 소변검사와 수질검사 등 광범위한 응용범위를 가지게 될 것”으로 전망했다.

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