▲ 만성 스트레스에 의한 혈관 염증도 추적 영상 획득을 위한 실험 설계 모식도.

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 유홍기 교수 연구팀이 고려대학교 구로병원 심혈관센터 김진원 교수 연구팀과 협력해 실시간으로 혈관 내 세포의 움직임을 관찰할 수 있는 새로운 생체 내 영상 획득 기술을 개발했다고 20일(월) 밝혔다.

심혈관 질환은 전 세계 사망 원인 1위로 매우 심각한 건강 문제다. 특히, 정신적 스트레스가 심혈관 질환을 더 악화시킨다는 사실도 보고된 바 있는데 한국 연구진이 관찰하기 어려웠던 스트레스로 인한 혈관 변화를 이번에 실시간으로 알아내는데 성공한 것이다.

연구팀은 초점 가변 렌즈를 생체 내 광학 현미경에 도입해 동맥의 움직임을 추정했고, 이를 현미경의 초점 평면과 동기화하는 기법을 개발했다. 이 기술을 통해 동맥의 움직임으로 인한 이미지 간의 상관 계수(이미지들 간의 유사성을 나타내는 통계적 지표)를 4배 높일 수 있었고, 시간해상도(단위 시간당 촬영 가능한 이미지 수)를 57% 향상해 혈관 내 면역세포의 빠른 움직임을 실시간으로 관찰했다.

즉, 이 기술을 통해 동맥의 움직임으로 인한 영상 왜곡을 크게 줄이고 초점을 안정적으로 유지함으로써, 영상을 놓치지 않고 혈관 내에서 빠르게 움직이는 면역세포를 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

연구팀은 만성 스트레스에 노출된 실험군 쥐와 대조군 쥐의 경동맥에서 생체 내 영상 획득에 본 기술을 적용했고, 동맥경화 병변의 진행 정도를 세포 수준의 해상도에서 정량적으로 평가할 수 있었다.

만성 스트레스에 노출된 쥐의 경동맥에서 골수 세포의 침윤이 대조군 대비 6.09배 증가했으며, 추적 영상에서는 골수 세포가 2.45배 더 증가하는 것을 확인했다. 또한, 조직학적 분석을 통해 스트레스가 동맥경화반의 크기와 염증을 증가시키고, 섬유성 막을 얇게 만들어 경화반의 불안정성을 높인다는 것을 입증했다.

KAIST 유홍기 교수는 “이번 연구를 통해 비접촉 방법으로 동맥의 움직임을 정확하게 추정할 수 있었고, 이 방법은 실험동물의 높은 생존율을 보장할 수 있어 만성 스트레스가 미치는 영향을 종단 연구로 입증할 수 있었다”고 말했다.

이어 유 교수는 “이 기술은 우수한 시간 해상도를 제공해 스트레스가 심혈관 질환에 미치는 영향을 세포 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있어 앞으로 스트레스 관련 심혈관 질환의 발병 기전을 규명하고 새로운 치료법을 개발하는 데 중요한 도구로 활용될 것으로 기대하고 있다”라고 강조했다.

KAIST 기계공학과 장민석 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘동맥경화, 혈전, 혈관 생물학(Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology)’에 지난해 10월 10일 온라인판 게재됐고, 44권 12호에 표지논문과 에디터픽으로 선정됐다

한편 이번 연구는 한국연구재단, 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행됐다.