미국 정부가 시력회복 연구에 대규모 투자를 계획하고 있는 가운데 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립 안연구소(NEI)가 5개의 야심찬 프로젝트를 통해 우리 눈의 영상세포를 비외과적으로 재생 및 회복시키기 위한 새로운 기술 개발에 나섰다.

NEI는 시력 회복을 위한 ‘담대한 목표를 향한 계획’(Audacious Goals Initiative, AGI)의 일환으로 2015년에 380만달러를, 이후 5년 동안에 1790만달러를 투자한다고 최근 발표했다.

NEI의 ‘담대한 목표를 향한 계획’(AGI)은 시력 상실을 초래하는 여러 눈 질환들에 대한 새로운 치료법 개발을 독려하려는 정부와 학계의 공동노력으로 추진되고 있다. AGI의 주된 목표는 우리 눈과 시각체계에서 신경세포들 간의 연결을 재생해냄으로써 시력을 회복시키는 것이다. 특히 중점을 두는 분야는 야간에 빛을 감지하기 위해 기능하는 막대시세포(light-sensitive rod)와 밝은 곳에서 작동하는 원추형 광수용체(cone photoreceptors) 그리고 시신경을 통해 뇌에 광수용체를 연결하는 망막 신경절 등 망막세포에 대한 연구다.

폴 시빙(Paul A. Sieving) NEI 이사는 “이 같은 과감한 연구 프로젝트를 통해 우리는 시각체계를 들여다 볼 수 있는 창을 얻게 될 것”이라며, “이번에 개발되는 툴들은 분자수준에서 실시간으로 일어나는 망막과 시신경의 기능적 변화에 대한 연구를 향상시키고, 새로운 안 질환 재생치료법을 평가하는 필수적인 요소로도 쓰이게 될 것”이라고 말했다.

맹안(盲眼)의 많은 원인들은 망막세포의 이상에 기인한다. 수백개의 희귀 유전성 질환 가운데 망막을 위협하는 병으로는 색소성 망막염과, 황반부 변성에 따라 시력이 약해지는 스타가르트병을 들 수 있으며, 노화에 따른 시력 약화와 녹내장은 흔한 원인에 속한다.

시빙 박사는 최근 열린 2015 국제 시과학 및 안과 연구협회(Association for Research In Vision and Ophthalmology, ARVO) 연례회의에서 AGI의 세부 연구지원에 대해 밝히고, “우리는 이제 AGI의 연구단계에 돌입했으며, 이번의 첫 연구과제들은 현재의 기술공백을 메울 수 있는 후속 연구과제들의 교두보 역할을 할 것”이라고 말했다.

5개 과제들의 주요 내용은 다음과 같다.

● 인간 망막의 상호간섭적 광생리학

주 연구자 : 오스틴 루다(Austin Roorda) 캘리포니아 버클리대 교수

루다 교수 연구팀은 망막에서 각 세포들 간의 상호작용을 보여줄 수 있는 시스템을 디자인하고 있다. 이 시스템은 연구자들이 각각의 신경세포를 자극했을 때 다른 세포들이 어떻게 반응하는지를 관찰할 수 있다. 이같이 복잡한 신호 패턴을 지도화하면 망막이 시각신호를 뇌에 전달하기 전에 이를 어떻게 처리하는지를 알 수 있고, 재생된 세포 내의 여러 기능들을 모니터링할 수 있는 중요한 도구가 된다. 이 시스템은 시표추적(eye tracking) 기능과, 각막과 수정체를 통과하며 왜곡된 빛을 바로 잡는 적응제어 광학기술도 포함할 것으로 보인다.

● 체내에서 망막 기능의 세포 이미징으로 시력 회복 가속화

주 연구자 : 데이비드 윌리엄스(David Williams) 뉴욕 로체스터대 시과학센터 교수

윌리엄스 교수팀은 망막에 있는 수많은 개별 세포들의 빛에 대한 반응을 영상화하는 광학시스템을 고안하고 있다. 이 시스템은 두 가지의 주요 요소를 활용하는데, 첫째는 세포의 칼슘 흐름을 검출할 수 있는 형광 마커이고, 다른 하나는 살아있는 세포를 손상시키지 않고 적외선으로 형광신호를 검출하는 2-광자 현미경검사법이다. 연구팀은 세가지 다른 방법으로 시력 회복을 연구하고 있는 팀들과 공동작업을 통해 시스템을 시험할 계획이다. 세가지 방법이란 광 수용체를 유전자치료법으로 보존하는 방법, 줄기세포를 이용해 손상된 광 수용체를 대체하는 방법 그리고 광 수용체 이외에 빛에 반응하는 다른 세포들을 유전적으로 재조합하는 방법이다.

● 망막 이미징과 기능 테스트를 위한 2-광자 검안경 개발

주 연구자 : 크리츠토프 팔체프스키(Krzysztof Palczewski) 케이스 웨스턴 리저브대 교수

팔체프스키 교수 연구팀은 망막에서 비타민A 파생물을 시각적으로 모니터링 할 수 있는 도구 개발을 모색하고 있다. 비타민A 파생물은 광수용체 안에 있는 빛 감지 기구가 작동하도록 돕는 역할을 한다. 그러나 많은 유전적 망막 질환에서는 돌연변이의 영향으로 비타민 A를 활용하거나 순환시키는 망막의 능력이 제한을 받고 있다. 연구팀은 광수용체 안에서 일어나는 비타민A 파생물의 대사와 분배를 측정할 수 있는 2-광자 현미경을 개발할 예정이다. 이 측정은 여러 망막질환의 진단과 향후 치료법 개발을 위한 기초가 된다.

● 상을 만드는 시신경의 기능과 병리학

주 연구자 : 솅퀘이 송(Sheng-Kwei Song), 용 왕(Yong Wang) 워싱턴대 교수

송교수와 왕교수는 각각 비침습적으로 시신경을 시각화할 수 있는 두 가지 기술, 즉 빛의 산란을 기반으로 한 스텍트럼 이미지와 산란 기능을 이용한 MRI를 채택하고 있다. 비록 시신경의 섬유 뭉치가 망막에서 유래됐어도 대부분의 시신경은 뇌 속의 깊은 곳에 자리하고 있어 흔히 눈을 통해 보는 도구로는 접근하기가 어렵다. 또한 녹내장이나 다른 시신경장애로 인한 시신경 손상은 현재 의료기술 가지고는 원상태로의 회복이 불가능하다. 개발되는 시스템은 생체조직검사를 하지 않고도 환자의 시신경이 새로 나올 치료술의 전 과정을 통해 어떻게 반응하는지를 모니터링 할 수 있게 된다.

● 현미경을 이용한 망막 이미징의 플랫폼 기술: 개발과 응용

주 연구자 : 알프레도 두브라(Alfredo Dubra), 조셉 캐롤(Joseph Carroll) 위스콘신의대 교수

두브라와 캐롤 교수는 여러 연구기관과의 협동연구를 통해 차세대 망막 카메라의 유용성을 확대 증진시킬 수 있는 일련의 핵심기술을 개발하게 된다. 이 기술들에는 실시간으로 눈 동작을 안정화시키고, 이미지 해상도를 배가하며, 모든 색조의 초점을 향상시킬 수 있는 조정 가능한 렌즈 그리고 개별 세포들의 기능을 고효율로 테스트할 수 있는 방법 등이 포함된다.