-KAIST 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구진

-내시경보다 10만배 작은 나노와이어기반 세포내시경 개발

실제 내시경보다 10만배 작은 나노와이어 세포내시경이 개발돼 세포내 생물학적 현상을 정확히 관찰할 수 있어 질병을 효과적으로 치료할 수 있게됐다.

KAIST는 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구진이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

박 교수 연구진이 개발한 광학 나노와이어는 지름이 100나노미터(1나노미터는 10억분의 1m)로 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들었으며 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체를 사용했다.

연구진은 자체개발한 광학 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호를 검출하는 데 성공했다.

연구진은 자체개발한 광학 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호를 검출하는 데 성공했다.

연구진은 나노내시경을 이용해 세포내 특정부위로 빠르게 형광나노물질인 양자점(quantum dot)을 전달하고, 이렇게 전달된 양자점을 나노내시경으로 전달되는 미세한 빛으로 고해상도로 영상화할 수 있었다. 또한 세포내에 위치한 양자점에서 나오는 미세한 형광신호를 세포내 삽입된 나노내시경을 통해 실시간 정밀하게 검출할 수 있었다.

나아가 나노내시경을 이용해 세포내 중요한 소기관인 단일 미토콘드리아를 영상화하는데 성공했다.

특히 이 나노내시경은 세포내 삽입 및 조명시 세포막 및 세포기능에 손상을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.

이와 함께 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안해 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했다. 그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포내로 침투하는 것을 확인했다. 따라서 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했다.

이 기술 개발로 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있게 됐다. 이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대된다.

그동안 배양된 세포를 관찰하는 데는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도 현미경을 사용해왔으나, 이 경우 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요해 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었다.

박지호 교수는 “이번 연구에서는 생체 외에서 배양된 세포에만 적용했지만 곧 이 기술을 생체 내에 위치하는 특정세포를 아주 미세하게 광학적으로 자극하고 조정할 수 있게 될 것”이라며 “앞으로 생체 내 특성부위의 세포 안에서 일어나는 생물학적 현상을 연구해 질병을 효과적으로 치료하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotech nology)’지난해 12월 18일자 온라인 판에 게재됐다.

한편, 이번 연구는 다학제간 협력을 통해 수행됐으며, KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대학교 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사 및 바이오공학과 루크 리(Luke Lee)교수가 참여했다고 KAIST는 밝혔다.

/육심무기자 smyouk@dailycc.net