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- 조직검사를 대체 할 공초점 현미경 내시경 개발
- 권대갑 교수(KAIST 기계공학부)
- ̸ :dggweon
kaist.ac.kr - : N7-3 4205호실
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안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
지금까지는 소화기내시경 검사를 받을 때 염증, 궤양, 혹은 암이 의심되는 경우 조직검사를 통해 확진을 해왔습니다. 그런데 최근에 개발된 공초점 현미경 내시경의 경우 기존 내시경 장비에 특수 레이저를 장착 내시경 검사를 하면서 조직을 현미경으로 좀 더 정확하게 관찰 할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있는데요. 오늘 인터뷰에서 만나 보실 분은 공초점 현미경 내시경을 연구하고 계시는 카이스트 기계공학과 권대갑 교수님이십니다. 교수님께서는 질병 조기 진단을 위한 복합 이미징 시스템도 구축하셨는데요. 교수님을 직접 만나 뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.
우리 실험실은 학생이 한 20명 정도 됩니다. 하는일은 나노구동과 나노측정 분야입니다. 나노구동 분야는 나노 스테이지, 즉 나노정밀도에 포지션 스테이지에 쓰이는 연구이며, 쓰이는 곳은 반도체 LCD 생산라인입니다. 측정 분야는 주로 반도체 디바이스의 3차원 측정이며, 고속이면서 고분해능으로 하는 방향으로 연구하고 있습니다. 오늘 인터뷰의 관심은 바이오 메디컬 일 듯 한데, 그 분야는 주로 고분해능, 하이 콘트라스트, 고속 내시경 쪽으로 연구를 하고 있습니다.
2. 교수님께서는 주로 공초점 현미경을 연구하고 계신 걸로 아는데, 공초점 현미경이 다른 고분해능 현미경(전자선 현미경, X-선 현미경)들에 비해 생화학분야에 적합한 장점이 있나요?
다른 고분해능의 현미경하면 주로 SEM(주사전자현미경)하고 TEM(투사전자현미경), X-선 현미경, AFM(원자간력현미경) 등이 있습니다. SEM, TEM과 X-선현미경은 아주 고차원의 진공이 필요합니다. SEM, TEM 는 표면 처리를 해주어야 해요. 표면에 전기가 통할 수 있도록 도체로 표면 피막을 입혀줘야 됩니다. AFM 같은 경우는 접촉식입니다. 접촉식이라면 속도가 상당히 느립니다. 그래서 실제 사용하는 면에 대해서는 제약이 상당히 많고 고가입니다. 이에 반해 우리가 연구 하고 있는 광학 현미경은 아무런 처리가 필요 없습니다. 상온에서 일반 대기환경에서 사용하기 때문에 상당히 접근성이 좋습니다. 물론 분해능은 아무래도 좀 떨어집니다. 다른 현미경은 서브 나노까지 갈 수 있는데 그런 수준까지는 불가능 하죠.
3. 공초점 현미경의 회절 한계로 인해 그 분해능이 200nm정도여서 수십 nm인 단백질이나 세포에 대한 관찰은 불가능한데 STED방식으로 수십 nm의 세포를 볼 수 있다고 들었습니다. 교수님의 공초점 현미경에도 이런 STED방식이 사용되는 것으로 알고 있습니다. STED 방식에 대해서 간단한 설명을 부탁드립니다.
지금 우리가 하고 있는 연구는 광학현미경으로 바이오 메디컬용으로 쓰이는 고분해능 현미경을 만드는 것이 궁극적인 목표입니다. 고속으로 분해능을 높여야 하는데 지금 광학현미경으로는 회절 한계 때문에 400nm 정도 파장의 레이저를 쏜다면 200nm 수준밖에 구현이 되지 않습니다. 그래서 이러한 회절 한계를 극복하기 위해 여러 가지 방법을 사용합니다. 그 중에서 고분해능으로 할 수 있는 방식이 STED 방법입니다. STED방법은 일반적으로 익사이테이션 빔(Excitation Beam)을 쏴주고, 익사이테이션 빔은 시편에 가서 초점사이즈와 회절한계만큼 이미징을 해주거던요. 거기에 STED 빔을 포개어 주는 것입니다. STED빔이라 하는 것은 간섭현상을 이용하여 도넛형태의 포컬 스팟(focal spot)을 만드는 것입니다. 도넛처럼 속이 비어있는 상태로 간섭을 만들어서 빔을 포칼 스팟에 쏴주는데 그 도넛형태의 안쪽 홀이 굉장히 작습니다. 이것이 빔을 어떻게 만드는가에 따라서 수십nm 이하까지도 만들 수 있어요. 처음에 익사이텐션빔으로 포커싱을 일루미네이션(illumination)해주면200nm 수준의 포컷스팟이 일루미네이션 됩니다. 예를 들어 STED방식을 사용하지 않으면 거기서 나오는 정보를 그대로 받게 되는데, STED방식을 그 위에 수초 간격으로 쏴주면 STED 도넛형태의 빔이 있는 곳 에서는 빛이 나오지 않고, 그 센터에서만 빛이 나오게 됩니다. 이것이 특수한 기법이죠. 센터 사이즈를 40nm, 20nm로 줄일 수 있거든요. 센터 사이즈만큼을 한번에 보기 때문에 STED방식으로 구현 할 수 있는 세계최고 기술은 20nm 정도입니다. 일반적으로 대개 단백질 구조는 다 볼 수 있고 DNA같은 경우는 길이 방향은 수백 nm정도 볼 수 있지만 폭을 보기엔 아직 무리가 있습니다. 그렇지만 20nm 정도로 구현된다면 바이오메디컬 이미지는 거의 다 볼 수 있을 것입니다. 그래서 STED방법은 현존하는 광학현미경에서는 분해능이 가장 높은 것이 되는 것이죠. 그러나, 이방법도 깊이로는 들어갈 수 없다는 점에서 조직이 살아있는 상태에서 구현하기가 상당히 어렵습니다. 이런 한계가 있지만 일반 대기상태의 상온에서 할 수 있다는 것은 엄청난 장점이겠죠.
4. 소화기 내시경 검사를 받을 때 궤양 혹은 암이 의심되는 경우 보통 조직검사를 통해 확진해왔는데요. 최근 연구하신 공초점 현미경 내시경의 경우는 조직검사를 어느 정도 대체 할 만큼의 성능을 보이는지요?
일반적으로 지금 조직검사는 병리과에서 하는 것으로 조직을 떼 내어 샘플링하여 검사하는 것으로 공초점 현미경을 많이 쓰고 있습니다. 반면 공초점 내시경은 살아있는 사람 속 내장에 집어넣어서 바로 현장에서 검사할 수 있기 때문에 상당한 장점이 있습니다. 문제는 공초점 현미경이 내장 속에 들어가기 때문에 들어가는 프루브(probe) 사이즈가 커서는 안 됩니다. 현미경을 전부 집어넣을 수도 없는 것이고, 일단 들어갈 프루브 사이즈는 작으면 작을수록 좋은데 지금 나오는 것은 300㎛ 정도의 크기정도입니다. 300㎛는 사람이 통증을 느끼는 경계입니다. 300㎛ 이하의 내시경을 만들면 통증 없이 찔러서 바로 그 속에서 검사할 수 있는 상태가 되는 것입니다.
예를 들어 내장까지 관을 집어 넣을 수는 없겠지만 척추검사 등 바늘정도만 들어가서 할 수 있는 검사종류가 상당히 많거든요. 뇌, 척수 등 찔러서 바로 검사를 할 수 있으면 얼마나 좋지 않겠습니까. 통증도 없고 샘플링도 안하고 이런 차원에서 내시경이라 하는 것이 상당히 작게 만드는 것이 매우 중요합니다.
단지 단점이라면 정밀도 면에서는 일반 테이블탑 형태의 공초점 현미경보다는 떨어집니다. 왜냐하면 정밀도라 는 것은 렌즈의 대물렌즈의 NA(Numerical Aperture)값과 비교를 하는데, NA가 크다하는 것은 렌즈가 크다는 얘기입니다. 그런데 자그마한 바늘을 넣으니 렌즈가 몇mm 수준밖에 안되는 것입니다. 렌즈가 작다보니 NA가 작아지면 분해능에 손해를 볼 수밖에 없습니다. 일반적으로 공초점 내시경이 테이블탑 수준까지는 안되지만 거의 비슷한 수준까지는 나온다는 의견이 대체적입니다. 사람에게 직접 적용하기에는 레이저 등 여러 가지 문제가 아직 검증이 되어 있지 않기 때문에 검증기관을 통과되어야 실제 사람에게 적용할 수 있는 단계까지 갈 수 있을 것 같습니다. 아직까지는 완벽하게 기술이 구현 되지는 않은 상태입니다.
5. 공초점 현미경의 경우 레이져를 사용하기 때문에 방사능이나 조직검사보다는 부작용이 적을 것 같은데 혹시 신체나 세포에 대한 변이 등의 부작용은 전혀 없는 건가요?.
레이저를 활용해서 검사하는 것이 많이 있죠. 의료기기에 레이저 수술도 있고, 레이저 샘플채취 하는 것도 있습니다. 이런 종류는 하이파워 레이저를 사용해서 조직을 태우는 방식인데 레이저는 매우 강도가 높기 때문에 측정기로 레이저를 쓰더라도 화상이라든지 조직에 대한 위험이 있을 수가 있습니다. 그러나, 다른 알려진 부작용 같은 것은 없습니다. 그런 부작용 보다는 접근성이라든가 실용성, 분해능 이런 차원에서 해결해야하는 문제점이 있다고 생각합니다.
6. 교수님께서는 질병 조기 진단을 위한 복합 이미징 시스템도 구축하셨다고 들었습니다. 이에 대한 자세한 설명을 부탁드립니다.
기존에 이미징 시스템 종류가 많습니다. 광학 이미징, SEM, TEM, X선 현미경 등도 있지만 조금 다른 부류이고요. 광학 현미경만 보더라도 이미징 시스템 종류가 상당히 많습니다. 콘포칼(Confocal), FLIM, 투포턴, 스팩트럴 이미징 등 굉장히 다양합니다. 이미징 시스템이 각각 상용화된 상태에서 시판되고 있는 장비들이 많습니다.
이런 장비의 단점은 전부 다 수㎛, 수nm 정도로 어떤 세포를 보고자 한다면, 각 이미징 시스템의 기능이 조금씩 다 달라집니다. 가령 어떤 것은 세포의 형태를 봄으로 인해 형태학적으로 암인지 정상세포인지를 구분하는 게 있습니다. 암이면 조직이 망가져서 형태도 망가지게 됩니다. 그러나, 형태학적으로 구분이 되지 않는 경우 화학적 성질(chemical property)을 측정할 수가 있어요. 화학적 성분과 이온농도, 빛의 흡수 정도라든가 이런 것을 봄으로 인해서 화학적 성질이 어떤 특성을 가지고 있다라는 것을 측정을 할 수가 있습니다. 여러 가지 생물의 변이과정에서 정상세포에서 암세포로 변할때 산도가 높아지거나 형태가 안 바뀌더라도 화학적 성질이 바뀌는 경우가 많이 있습니다. 이미징 시스템이라고 하는 것은 세포의 형태를 관찰을 할 수 있는 장치가 있고, 특성이 다른 화학적 성질을 측정하는 그런 장비들이 시판되고 있습니다. 어떤 조직을 봤을 때 형태학적으로 보아도 확실히 구분 되지 않는 경우, 이런 경우 화학적 성질(Chemical Property)을 측정을 해서 진단의 정확도를 높이고, 이마저도 확실하지 않을 경우는 또 다른 장치를 봐야만 진단의 정확도를 높여갈 수 있는 거죠. 그러나, 그 장치를 전부 사용 할 수도 없겠지만 전부 구비했다 하더라도 어떤 조직 시편을 A장치, B장치, C장치로 옮겨 다니며 볼 때 한 번에 볼 수 있는 시야가 수백 ㎛ 밖에 안 됩니다. 그 작은 점을 보고 다음 장치로 옮겼을 때 그 점을 다시 찾기가 거의 불가능합니다. 그러므로 형태학적인 측면의 검사와 화학적 성질의 검사를 동시에 하고 싶은데 방법이 없다는 것이 문제죠. 복합적으로 다 볼 수 있는 장비를 만들고자 하는 것이 현재 세계적인 추세입니다. 여러 가지 장비를 복합적으로 시야를 공유하려면 대물렌즈는 같이 쓰고 여기서 나오는 신호를 기계(콘포칼)에도 보내고 다른 기계(FLIM)에도 보내고, 스팩트럼에도 보내 대물렌즈로 공유하는 것이죠. 이렇게 된다면 공유할 것이 상당히 많아집니다. 디텍터부분만 따로 분리하면 되기 때문에 소스도 공유를 많이 할 수도 있고, 또한 경제적으로도 가격도 싸지고, 시야을 공유하고 이동하지 않아 오염이나 변질도 없어 굉장히 환상적이죠. 지금 연구하고 있는 것은 이렇게 두 개씩 조합하는 것입니다. 최대 조합개수가 4개 인 것도 있습니다.
어떤 장비를 조합할지는 연구학자들의 관심에 따라 다릅니다. 우리가 이번에 국책과제로 수행한 것도 4개를 조합하는 것인데요. 형태학적인 것을 관찰하는 콘포칼(Confocal), 투포턴 ㎛스코프와 조합하고, 화학적 성질은 FLIM하고 스팩트럼 이미징을 통해 합니다. 결국 총 4가지를 조합하면 형태학적인 것과 화학적 성질의 모든 것을 측정 할 수 있을 것이라 봅니다. 실제 과학구조로는 이렇게 4가지를 목표로 했지만 과학구조를 변화시키지 않고 할 수 있는 연구가 상당히 많습니다. 플래시라는것도 소프트웨어만 집어넣으면 할 수 있고, second harmonic generation(제2 고조파 발생)이라 하는것도 투포턴구조가 들어가 있기 때문에 할 수 있으며 그 시스템 자체가 상당히 다양하게 기능을 수행할 수 있는 상태이기 때문에 결과가 좋으면 상당히 많이 활용 될 수 있을 것이라 생각하고 있습니다.
2단계로 생각하고 있는 것은 장비의 접근성을 좋게 하기 위해 내시경 구조를 그 앞에 부착을 하는 것입니다. 그러면 테이블 탑에서 검사할 수 있는 기능을 내시경으로 바로 멀티 모달리티(Multi Modality)로 측정할 수 있게 됩니다. 이것이 구현만 된다면 매우 환상적이죠. 세계 수준의 멀티모달(Multimodal) 내시경을 현미경처럼 구현하는 예는 없었니 말이죠. 물론 쉽지는 않습니다. 광섬유를 통해 들어가면 그 신호가 왔다 갔다하면서 변질이 생길 수 있습니다. 변질이 생기지 않도록 광섬유 구조를 어떻게 설계해야 하는가와 스캔 메커니즘을 섬유 끝에 작게 만들어서 넣어주는 것, 등 여러 가지 어려운 점이 있는데요. 이것 또한 2단계 사업으로 국책과제에서 연구하고 있습니다.
6-1 이미징 시스템으로 했을 때 조기진단에서의 정확성은 어떤가요?
굉장히 정확해집니다. 멀티모덜 마이스로스코프를 구현함으로 변질과 오염을 막는 장점도 있겠지만 경제적으로도 봐서도 조기진단을 저렴하게 할 수가 있습니다. 암은 구조학적으로 봤을 때 1기, 2기는 암의 구조가 매우 작고 3, 4기가 되면 커집니다. 세포단위로 작은 초기단계의 암의 구조는 조직검사에서 잘 안 드러날 정도입니다. 이렇게 작은 것을 콘포칼, 투포턴으로 보면 볼 수는 있지만 한계가 있습니다. 이게 암인지 아닌지 헷갈리는 수준일 때 화학적 성질도 같이 측정하면 더욱 정확하게 진단을 할 수 있습니다. 이렇듯 여러 장비로 각각 다른 관점에서 봐서 암인지 아닌지 진단할 수 있는 것입니다.
결국 멀티모덜 ㎛스코프를 내시경으로 가져감으로 우리 질병상태를 초기에 발견할 수 있게 되는 것입니다. 하지만 멀티모덜 ㎛스코프는 굉장히 시야가 좁습니다. 1mm이내의 것만 봅니다. 실제로 내시경 프로브를 가져다 집어넣으면 캄캄해서 아무것도 안보여요. 그래서 일반 내시경과 같이 넣어서 사용해야 해요. 일반 내시경 프루브 채널 속에 툴을 넣는 포트가 있습니다. 이 포트에 멀티모달 내시경 프루브를 같이 넣어서 보는 것이죠. 이렇게 일반내시경으로 시야를 확보하고 어떤 부분에 의심스러운 부분이 있다면 바로 공초점, 멀티모달내시경을 사용하여 검사를 하는 것이죠. 조직을 떼내서 한달 걸려 나오던 것이 그 자리에서 살아 있는 상태에서 바로 검사가 되니 얼마나 좋아요. 이렇게 된다면 정확한 진단률이 엄청 높아지는 것이죠.
7. 의료생명 분야 뿐 만 아니라, IT 기술에 있어서도 작은 것들을 보는 기술이 대단히 중요한 것으로 생각됩니다. 이를 위해 많은 고성능의 현미경들이 나오고 있는데, 현재 고분해능 현미경은 어느 수준까지 발전했는지 궁금합니다?
지금 광학현미경은 STED기술이 최고입니다. 일반상온에서 사용가능한 STED기술이 최고인데요. 20nm 수준이고, X선, SEM, TEM, AFM 이런 것들은 서브나노까지 이론적으로 가능합니다. 서브나노는 원자길이를 잴 때 옴스트롱(Angstrom)이라는 단위를 쓰는데 1옴스트롱은 0.1nm입니다. 따라서 원자사이즈를 잴 수 있을 정도로 발전되어있습니다. 하지만 바이올로지 메디컬 용으로는 그 정도의 정밀도는 필요 없습니다. 순수 물리학을 연구하는 장비라고 봅니다. 이렇듯 광학현미경 말고는 서브나노까지 잴 수 있는 장비들이 현재 많이 있습니다.
8. 앞으로 교수님이 진행해 나갈 연구의 방향과 현재 해결해야 할 문제점이 있다면?
광학현미경분야에서 보면 우리가 지금까지 추구 했던 것과 마찬가지로 정밀성이 높아지고 서브나노까지 간다면 엑스레이들은 다 사라질 것입니다. 정밀도를 얼마나 높게 가져갈 수 있는가가 궁극적인 도전방향입니다. 아주 재미있는 것은 나노미터 정밀도의 현미경을 만들어서 내시경이 나노단위까지 볼 수 있다고 한다면 세포상태를 볼 때 세포는 가만 있지 않고 움직입니다. 나노단위를 보려고 하는데 세포가 막 움직이면 볼 수가 없는 것이죠. 모든 세포가 비교적 빠른 속도로 움직이고 고속으로 피도 흐릅니다. 즉 움직이는 상태에서 적혈구 같은 것의 모양을 보려면 보는 속도가 움직이는 속도보다 빨라야 한다는 것이죠. 대략 세포가1cm/sec 으로 움직이면 우리가 1m/sec으로 보면 가만히 있는 것처럼 보인다는 겁니다. 아무리 빠른 움직임도 하이스피드 카메라도 보면 정지영상으로 볼 수 있는 것도 마찬가지입니다. 이처럼 고분해능도 중요하지만 고속도도 구현이 되어야합니다. 고속도는 산업용에서도 마찬가지지만 모든 측정 장비에서 중요한 성능입니다.
또한 세포 구조를 보려고 한다면 물인지 세포인지 막이 분명하지 않기 때문에 잘 안보입니다. 그 경계를 확인할 수 있는 콘트라스트 향상문제와 내시경은 아주작게 만들어야 하는데 이렇게 만드는 것은 보통 어려운 기술이 아닙니다. 내시경쪽으로 여러 가지 작으면서도 정밀하고, 고속이면서 분해능도 뛰어난 사이즈로 만들기 위해 계속 도전을 하고 있습니다.
9. 교수님께서는 현재 nm와 생명공학 둘 다 다루고 있어서 BT(Biology Technology) 와 NT(Nano Technology)를 포괄해서 공부해야 하기 때문에 많은 장점과 단점이 있을 것 같습니다. 어떠신가요?
지금 기술은 NT, BT, IT, ET 여러 가지 용어가 많이 나오고 있습니다. 제가 볼 때는 복합하면 할수록 시너지효과가 큽니다. 그러나. 이것을 다 복합하는 것이 너무 어렵다는 것입니다. 사람의 능력에도 한계가 있으며 저희도 NT, BT를 하고 있지만 더 하고 싶은 게 많습니다. 추가로 연구하고 싶은 게 한없이 많은데, 이것을 계속해서 하다 보면 한계에 부딪치는 것이죠. 여러 가지를 함께 복합할 수 있으면 좋지만 아무래도 한계가 있으니, 자기 능력에 맞춰서 능력이 허락되는 한 융합하는 것이 좋다고 봅니다. 세계적인 추세도 융합해 나가는 상황입니다.
10. 이 영상을 보고 있을 METRIC회원들과 같은 분야를 공부하고자 하는 후학들에게 한마디 부탁드립니다.
실제로 제가 지금 30년 이상을 기계분야에서 연구를 해왔지만 마지막으로 느끼는 점은 모든 학문 분야가 많지만 특히, 기계분야는 하나의 기계공학이라고 하기보다는 시스템공학이라고 생각이 듭니다. 기계가 들어가지 않는 곳이 없습니다. 기계분야에서 모든 것이 녹아서 하나의 시스템으로 만들어집니다. 그래서 기계공학을 하는 사람이 한쪽을 깊이 들어가는 거보다는 조금 얕더라도 넓게 많이 아는 것이 훨씬 좋을 것이라고 생각됩니다. 예를 들어 열역학 하나만 파고들어서는 어디 오라고 하는 곳도 없고 할 일도 없습니다. 유체역학도 마찬가지입니다. 기계공학을 넓게 하다보면 모든 것이 다 들어옵니다. 다 조금씩은 알아야 결과가 좋게 나옵니다. 따로 다른 사람에게 다 맡기고 합칠 생각으로는 아무것도 안됩니다. 자기가 다 알아야 가장 최고가 나옵니다. 최소한 한사람은 전체를 볼 수 있어야 앞으로는 더 높은 단계로 올라갈 수 있는 것이죠. 이것을 할 수 있는 사람이 기계공학도라는 것입니다. 시스템엔지니어라는 생각을 가지고 가급적 IT, BT, NT, ET 모든 것을 자기 능력이 닿는 한 조금씩은 알고 있는 것이 좋다라고 말하고 싶습니다.
* 참고 용어:
1. 공초점 주사레이저현미경 [ Confocal scanning laser microscope ] : 단일 파장의 레이저에서 나온 빛이 시료의 특정 수위 표면을 주사(scan)하고 한 번에 한 점만 비추면서 상을 구성하는 광학현미경. 시료의 다른 부분에서 나온 산란된 빛은 차단하기 때문에 매우 선명하고 고해상도의 상을 만들어낸다.
2. 회절한계 : 렌즈의 초점거리와 크기가 정해지면 그 렌즈를 써서 분간해낼 수 있는 크기가 정해지지요. 그 한계를 회절한계라고 합니다(배율과는 상관없는 개념임).
3. NA(Numerical Aperture) : N.A는 일반적인 광학용 렌즈(lens)에서 렌즈의 초점을 통과하는 광선중에서 렌즈 구경내(口徑內)로 들어가는 최대 입사(入射)각도 α를 사용하여 nsin α로 표시된다.
* 관련 링크:
실험실: KAIST Nano-Opto-mechatronics Lab.
* 인터뷰 진행: 장지현 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@nate.com)
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