신약 후보물질과 의료기기 결함 등을 걸러내기 위한 전임상시험에서는 소동물의 살아있는 조직과 세포를 실시간 관찰할 수 있는 생체현미경 영상이 많이 활용된다. 

이때 영상이 선명할수록 전임상시험에서 이뤄지는 각종 진단과 치료법 평가가 고도화될 수 있는데, 국내 연구진이 고해상도 생체현미경 영상을 얻을 수 있는 기술을 개발해냈다.

울산의대 서울아산병원 융합의학과 김준기(좌) · 마취통증의학과 김성훈(우) 교수팀은 진정효과가 있는 덱스메데토미딘 약물을 소동물에 주입해 움직임을 최소화하고 생체현미경으로 고품질의 형광 생체 조직 영상을 획득하는데 성공했다고 최근 밝혔다.

이번 연구는 현미경 분야 저명 학술지 ‘마이크로스코피 앤 마이크로애널리시스(Microscopy and Microanalysis, 피인용지수 4.099)’ 최신호에 게재됨과 동시에 약물 진정효과로 얻은 고품질의 형광 생체 조직 영상이 표지로 채택되는 영예를 얻었다.

전임상 단계에서 동물실험을 통한 유효성 및 안전성 평가가 효율적으로 이뤄져야 임상시험으로 원활히 이행할 수 있다. 고해상도 생체현미경 영상을 바탕으로 진단과 치료법 평가가 진행된다면, 막대한 비용과 시간이 소요되는 임상시험에 대한 부담은 줄이고 궁극적으로 신약과 의료기기의 성공적인 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 이광자 여기 현미경(two-photon excitation microscopy)과 덱스메데토미딘(dexmedetomidine) 약물을 이용해 소동물의 형광 생체 조직 영상을 획득한 후 연구를 진행했다.

이광자 여기 현미경은 생체현미경 중에서도 고사양으로 기존 생체현미경에서 발생하는 광표백이나 광손상 현상을 해결했다. 주로 공초점 현미경을 쓰는 기존 생체현미경은 백색광 사용으로 인해 형광 신호가 사라지거나 생체 조직이 손상을 입는 단점이 있다. 이광자 여기 현미경은 이러한 한계를 극복했으며 생체 조직에 깊숙이 투과하는 적외선 파장을 사용함으로써 보다 깊은 영역의 생체 조직 영상을 얻을 수 있다.

덱스메데토미딘 약물은 이미 미국식품의약국(FDA)의 승인을 받은 안전한 약물이다. 여러 포유류 종에서 유사한 효과를 내며 내약성(임상피험자가 부작용이나 불편을 견딜 수 있는 정도) 또한 우수하다.

▲진정효과 약물 이용해 고해상도 생체현미경 영상 기술 개발

전임상시험에서 소동물의 생체현미경 영상을 얻으려면 마취가 필수다. 그런데 마취 상태에서도 소동물은 호흡과 폐순환을 이어가므로 영상을 얻으려는 조직 내에 비자발적인 움직임이 발생할 수밖에 없다. 이로 인해 생체현미경 영상의 초점이 맞지 않거나 형광 신호가 균일하지 않게 되면서 영상의 해상도가 떨어질 수 있다.

그동안은 접착제나 여러 가지 고정 장치(스트로보스코피, 클램프, 핀, 정위 마운트), 영상의 운동보상 알고리즘과 같은 해결책을 써왔다. 하지만 이 방식들은 현미경의 광학 설정을 변경하거나 데이터를 왜곡시킬 우려가 있으며 추가 수술로 이어질 염려도 있다.

덱스메데토미딘 약물 주입은 앞선 방법에 비해 덜 침습적이면서 비교적 간단하게 소동물의 호흡과 같은 비자발적 움직임을 감소시킨다.

소동물에게 덱스메데토미딘을 주입하기 전과 후에 생체 내 이광자 형광 현미경 측정값을 비교한 결과, 약물 주입 후에는 소동물의 호흡이나 심장 움직임이 안정화되면서 형광 이미지와 동영상의 해상도가 개선된 것으로 나타났다. 또 덱스메데토미딘 효과로 조직 내 혈류 속도가 감소한 모습도 관찰됐다.

김준기 울산의대 서울아산병원 융합의학과 교수는 “이미 FDA 승인을 받은 덱스메데토미딘 약물을 이용해 전임상시험에서 고정 장치나 추가 수술 없이도 생체 조직 영상의 비자발적 움직임을 줄이고 고품질의 생체현미경 영상을 얻을 수 있었다. 

이 기술은 다양한 전임상 동물모델에 적용되는 것은 물론 임상 내시경의 고해상도 영상 촬영에도 충분히 활용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 보건복지부 보건의료기술 연구개발 사업과 과학기술정보통신부 지원 사업으로 진행됐다.