성균관대학교(총장 유지범) 생명물리학과 김인기 교수 연구팀은 박별리 교수, 박종찬 교수 연구팀 및 포스텍 노준석 교수 연구팀과 협력하여 메타렌즈 기반 3차원 광음향 현미경(photoacoustic microscopy) 기술을 개발했다고 밝혔다. 

이 기술은 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환 연구를 위한 핵심 도구로 주목받고 있다.
 

▲ 왼쪽부터) 성균관대 김인기·박별리·박종찬 교수, 포스텍 노준석 교수

광음향 이미징은 빛과 초음파를 결합한 혁신적인 기술로, 생체 조직의 깊은 부위까지 분자 정보를 시각화할 수 있다. 그러나 기존 기술은 빛의 초점 제한으로 인해 3차원 영상화에 어려움이 있었다. 

이를 극복하기 위해 연구팀은 초점심도를 대폭 확장하면서도 해상도를 유지하는 니들빔(needle beam) 메타렌즈를 설계하고, 이를 이산화 티타늄(TiO2) 소재로 구현했다. 
 

▲ 초점심도가 확장된 니들빔 (Needle beam) 메타렌즈 및 이를 활용한 뇌 오가노이드 이미징 기술

이 렌즈는 기존 렌즈 대비 초점심도가 13.5배 이상 길어지는 성능을 보이며, 혁신적인 설계로 광음향 현미경의 성능을 크게 개선했다.

특히 이 기술은 뇌 오가노이드 내 주요 바이오마커인 뉴로멜라닌의 3차원 분포를 정밀히 시각화하는 데 성공했다.
 

▲ 니들빔 메타렌즈 기반 뇌 오가노이드 내 3차원 멜라닌 분포의 광음향 이미징

연구팀은 전뇌 및 중뇌 오가노이드의 멜라닌 분포 차이를 분석하고, 중뇌 오가노이드의 배양 일수에 따른 변화를 확인하여 파킨슨병 병리 연구 및 약물 반응성 평가 가능성을 제시했다.
 

▲ 파킨슨병 연구를 위한 메타렌즈 기반 뉴로멜라닌 정량화

 

김인기 교수는 “메타렌즈 광음향 현미경은 다양한 오가노이드에 적용 가능하며, 이를 통해 질병 연구와 신약 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

본 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 1월 15일 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 STEAM 글로벌융합연구, 뇌과학 선도융합기술개발사업, 세종과학펠로우십 및 신진연구자지원사업 등을 통하여 수행되었다.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com