시각 자료를 활용한 다학제간 팀의 커뮤니케이션 향상

개요

다음 연사이신 Guillermo Tearney 박사님을 소개하게 되어 매우 기쁩니다. Tearney 박사님은 하버드 의과대학 병리학 교수로서 연구, 의료 영상, 공학 분야에서 폭넓은 배경을 갖추고 계십니다. 박사님은 100건 이상의 특허를 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 상용 의료 기기를 개발해 오셨습니다. 또한 40건 이상의 연구 과제에서 책임 연구자로 활동하셨고, 동료 심사를 거치는 중재적 저널에 150편 이상의 논문을 발표하며 과학적 내용을 시각화하고 전달하는 데 있어 매우 높은 기준을 고수해 오셨습니다. 오늘 세션에서 박사님의 말씀을 듣게 되어 매우 기대가 큽니다. 그럼 Tearney 박사님, 부탁드립니다.

말씀하신 대로 저는 병리학자이자 엔지니어입니다. 제 경력은 영화 '바디 캡슐(Fantastic Voyage)'에서 큰 영감을 받았습니다. 현재 병리학의 표준 진료 방식은 신체에서 조직을 채취한 뒤, 이를 처리하고 염색하여 현미경으로 관찰함으로써 질병을 진단하는 것입니다. 하지만 '바디 캡슐'은 우리에게 '현미경을 소형화하여 몸속에 넣을 수 있다면 어떨까?'라는 상상력을 불어넣어 주었습니다. 그렇게 된다면 질병의 징후인 세포와 같은 미세 구조를 직접 관찰할 수 있을 것입니다. 더 나아가 몸속을 여행하며 세포 수준에서 치료까지 수행할 수 있다면, 질병을 훨씬 조기에 발견하고 수많은 생명을 구할 수 있을 것입니다.

이러한 비전은 '마이크로 이미징(micro-imaging)'이라는 분야를 탄생시켰습니다. 살아있는 환자의 몸속, 보이지 않는 곳을 들여다보는 것이 핵심입니다. 현재의 영상 기술인 X-ray, CT, MRI는 장기 수준의 질병을 관찰하는 데 그칩니다. 하지만 저는 미세한 규모에서 질병을 보고 싶었습니다. 이 마스터 슬라이드에는 10밀리미터에서 1옹스트롬까지의 크기를 보여주는 스케일 바가 있습니다. 상피 샘, 신경, 혈관, 핵, 미토콘드리아는 해상도를 높일수록 조직 내에서 확인할 수 있는 서로 다른 특징들입니다. 인체 내부에서 이러한 미세 구조를 관찰하기 위해 우리가 개발한 기술 중 하나인 광간섭단층촬영(OCT)은 약 10마이크론 해상도로 영상을 제공합니다. 더 높은 해상도에서는 개별 세포를 볼 수 있는데, 이를 분광 부호화 공초점 현미경(SECM) 및 사선 후방 산란 현미경이라고 합니다. 마지막으로, 1마이크론 해상도의 OCT 또는 마이크로 OCT 기술을 사용하면 훨씬 더 높은 해상도와 동적인 정보를 얻을 수 있습니다.

조직을 채취하는 대신 살아있는 환자의 몸속을 직접 촬영하는 것의 또 다른 큰 장점은 신체 전체를 영상화할 수 있다는 점입니다. 이러한 기술을 사용하면 장기 전체를 촬영할 수 있습니다. 따라서 환자의 질병을 대표하지 못할 수도 있는 작은 조직 조각 대신, 장기 전체를 촬영하여 가장 심각한 병변 부위를 찾아낼 수 있습니다.

먼저 OCT에 대해 간단히 설명하겠습니다. 앞서 언급했듯이 이는 10마이크론 해상도의 영상 기술입니다. 우리가 이 기술로 처음 시도한 것 중 하나는 미세 관상동맥 진단 분야를 개척하는 것이었습니다. 관상동맥은 심장 근육에 혈액을 공급하는 혈관인데, 이곳이 막히면 심장마비가 발생합니다. OCT 이전에는 관상동맥의 미세 구조를 볼 수 없었습니다. 그런데 심장마비를 일으키는 플라크의 근본 원인이 바로 이러한 미세 구조에 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 그래서 우리는 카테터를 제작하여 환자의 관상동맥에 삽입했습니다. 이것은 2007년 이 기술로 촬영된 첫 번째 환자의 데이터입니다. 왼쪽 하단에는 카테터가 회전하며 혈관 내부를 이동할 때 획득한 영상이 있습니다. 조직의 구성 성분을 색상화한 후 3D로 렌더링하면, 오른쪽 하단 이미지처럼 관상동맥 내부를 가상으로 비행하는 듯한 영상을 얻을 수 있습니다. 영화 '바디 캡슐'에서 보던 것과 매우 유사합니다.

우리는 소화기 분야에서도 이 기술을 활용하고 있습니다. 우리가 사용하는 방법 중 하나는 끈이 달린 캡슐을 이용하는 것입니다. 큰 비타민 알약 크기의 캡슐을 삼키면, 끈을 통해 현미경 관찰을 위한 빛을 전달하고 몸속에서 장치를 제어할 수 있습니다. 실제 첫 번째 시술 사례를 보여드리겠습니다. 당시 포스트닥터 한 분이 캡슐을 다소 의심스럽게 쳐다보더니 삼키기로 결정했습니다. 몇 초 후, 캡슐이 위장관을 따라 이동하면서 매우 선명한 단면 영상이 나타나기 시작했습니다. 모든 층을 놀라울 정도로 명확하게 볼 수 있습니다. 중요한 점은 이러한 캡슐 기반 영상으로 질병을 진단할 수 있다는 것입니다. 왼쪽은 층 구조를 가진 정상 식도이고, 오른쪽은 식도암의 전구 단계인 바렛 식도입니다. 층 구조가 많이 사라진 것을 볼 수 있는데, 이것이 바로 이 전암성 상태를 진단하는 간단한 기준입니다. 우리는 이를 통해 바렛 식도 환자를 조기에 선별하여 면밀히 관찰하고 암을 초기에 발견하고자 합니다.

위장도 흥미로운 영역입니다. 앞서 보여드린 포스트닥터의 위장 내부 모습인데, 소화된 음식물이 아름다운 소용돌이 패턴을 이루고 있습니다. 오른쪽 하단에서 위장 벽과 소화된 음식물 사이의 점액을 확인할 수 있습니다.

우리는 소화기의 다음 구간인 소장 내부도 촬영했습니다. 소장은 음식물 흡수를 돕는 융털이라는 손가락 모양의 돌기로 덮여 있습니다. 캡슐이 소장을 따라 이동하면서 융털의 움직임을 놀라울 정도로 생생하게 볼 수 있습니다. 이런 영상을 작은 캡슐로 얻을 수 있다는 것이 놀랍습니다. 이것은 데이터를 3D로 렌더링하여 가상으로 비행하는 3D 영상입니다. 융털 때문에 스펀지처럼 보입니다. 여기를 보시면 장내에 고인 담즙을 볼 수 있습니다. 그 아래를 렌더링하면 바터 팽대부라는 소장의 개구부가 보이는데, 이곳을 통해 담즙과 췌장액이 소장으로 배출됩니다. 말씀드렸듯이 이 모든 것은 캡슐을 삼킨 후 몇 분 만에 촬영된 것입니다. 셀리악병 진단, 췌장암 선별 검사 등 다양한 질병 진단에 활용될 수 있으며, 환자에게 진정제를 투여할 필요도 없습니다. 환자들은 복잡한 내시경 검사보다 이 캡슐을 삼키는 것을 훨씬 선호합니다.

더 높은 해상도의 기술로 넘어가서, 개별 세포를 관찰할 수 있는 분광 부호화 공초점 현미경에 대해 말씀드리겠습니다. 이것은 일반적인 분광 부호화 공초점 현미경 영상인데, 10만 x 10만 픽셀에 달하는 거대한 이미지입니다. 구글 어스처럼 확대하고 이동하며 볼 수 있습니다. 지금 세포들의 핵을 보고 계신데, 핵과 세포막을 확인할 수 있습니다. 몸을 위한 구글 어스라고 할 수 있죠. 낮은 배율에서 전체를 보다가 특정 세포의 핵까지 확대하고 이동할 수 있습니다. 이 기술이 유망한 분야 중 하나는 호산구 식도염입니다. 이는 음식 알레르기로 인해 식도에 염증이 생기는 질환입니다. 알레르기 유발 음식을 먹으면 호산구라는 염증 세포가 식도로 들어와 손상을 입힙니다. 현재 이 질환을 앓는 환자들은 여러 번의 내시경 검사를 받아야 합니다. 매우 고통스럽고 시간도 많이 걸리며, 환자 중에는 어린이도 많습니다. 우리는 생검 없이 캡슐을 삼키는 것만으로 동일한 영상을 얻을 수 있는 기술을 개발 중입니다. 캡슐을 삼키면 세포 영상을 얻을 수 있고, 치료가 효과가 있는지 확인할 수 있습니다. 여기 환자가 캡슐을 삼키는 모습이 있습니다. 매우 간단한 절차이며, 오른쪽의 위장에서 왼쪽의 목까지 20cm에 달하는 식도 전체의 거대한 미세 영상을 얻을 수 있습니다. 특정 지점을 확대하면 위장의 다양한 세포를 볼 수 있습니다. 정상 식도 부위는 회색빛으로 평범해 보이지만, 염증 세포가 있는 부위는 흰색 점들이 나타나 염증이 있음을 보여줍니다.

우리가 개발 중인 또 다른 기술은 캡슐의 끈을 없애는 것입니다. 이것은 OBM이라는 기술을 사용하는 완전 무선 현미경으로, 인체 조직에서 작동하는 위상차 현미경 기술입니다. 포스트닥터가 끈이 없음을 보여주고 있습니다. 배터리로 작동하며 데이터를 무선으로 전송합니다. 자석으로 활성화되는데, 자석 디스크 근처에 두면 비즈가 들어있는 팬텀 위에 놓이게 됩니다. 뒤집어 보면 세포 크기인 10마이크론 비즈를 볼 수 있고, 팬텀 내 비즈 영상을 컴퓨터 모니터로 무선 전송하고 있습니다. 이러한 기술은 '바디 캡슐'을 현실로 만들어 줄 잠재력이 있습니다. 무선 현미경을 몸속에서 제어하고, 자기 제어 시스템으로 위치를 이동시킬 수 있습니다. 3D 영상을 가상 현실 시스템에 넣어 캡슐을 조종하고, 세포 수준에서 치료할 수 있는 수술용 레이저를 제공할 수도 있습니다. 언젠가 이 비전이 실현되어 마이크로 로봇이 몸속을 돌아다니며 절개 수술 없이 치료하는 날이 올 것입니다.

이제 우리가 보유한 가장 높은 해상도의 기술인 마이크로 OCT에 대해 말씀드리겠습니다. 이는 파란색 영역의 OCT를 발전시킨 형태입니다. 마이크로 OCT 영상과 표준 OCT 영상을 비교하면, 이 새로운 기술이 제공하는 놀라운 화질과 해상도 향상을 확인할 수 있습니다. 여기서는 개별 핵과 세포 경계를 볼 수 있으며, 염증 세포를 관찰하는 경우입니다. 보시다시피 표준 OCT로는 아무것도 보이지 않습니다. 우리는 마이크로 OCT를 심혈관계에 적용하여 10마이크론이 아닌 1마이크론 해상도로 영상을 얻고 있습니다. 이를 통해 평활근 세포, 대식세포(염증 세포의 일종), 혈관 표면을 덮는 내피세포, 혈관 내 결정체, 혈소판 등 죽상동맥경화증에 기여하는 모든 세포를 볼 수 있습니다. 또한 혈관을 넓히기 위해 삽입하는 스텐트 임플란트에 세포가 어떻게 반응하는지도 놀라운 디테일로 확인할 수 있습니다.

우리는 이를 수행하는 카테터도 개발했습니다. 특수 빔을 사용하여 고해상도를 구현하는 여러 개의 고리를 생성합니다. 이것은 카테터로 촬영한 관상동맥의 일부인데, 3D 관점에서 보면 표면이 매우 거칠다는 것을 알 수 있습니다. 이 거칠기는 혈관 벽을 공격하며 표면에 달라붙은 세포들 때문입니다. 단면 영상을 보면 대식세포들이 서로 소통하는 모습을 볼 수 있습니다. 여기 다른 대식세포는 혈관 벽에 박힌 결정체를 공격하고 있습니다.

마이크로 OCT의 장점 중 하나는 조직 구조뿐만 아니라 역동적인 움직임도 파악할 수 있다는 것입니다. 이것은 기도 세포 위에 있는 섬모라는 작은 구조를 관찰하는 예입니다. 섬모는 노를 젓듯이 앞뒤로 움직이며 폐에서 점액을 배출하는 역할을 합니다. 마이크로 OCT로는 섬모를 볼 수 있습니다. 다른 기술로는 불가능한 일입니다. 이것은 세포 배양 상태이며, 섬모와 점액의 움직임을 볼 수 있습니다. 인간 조직 배양에서도 섬모가 움직이고 점액이 이동하는 것을 확인할 수 있습니다.

최근에는 코 내부에서도 이 작업을 시작했습니다. 코의 섬모는 폐의 섬모 상태를 알려주기 때문입니다. 이것은 코에 작은 탐침을 넣어 생체 내에서 코 내부 영상을 얻는 절차입니다. 조직 표면에서 섬모가 깜빡이는 것을 볼 수 있습니다. 낭성 섬유증과 같이 섬모가 비정상적이고 점액이 비정상적인 질환 상태도 관찰할 수 있습니다. 왼쪽 하단 이미지처럼 섬모가 사라지고 점액이 움직이지 않는 등 다양한 소견을 볼 수 있습니다. 오른쪽 하단 이미지에서는 염증 세포와 점액의 이상을 볼 수 있는데, 반사율이 훨씬 높고 표면이 거칠게 파여 있습니다.

마이크로 OCT의 또 다른 장점은 세포 내부의 분자와 소기관이 어떻게 움직이는지 관찰하고, 그 움직임의 속도에 따라 영상 대비를 특성화하고 변경할 수 있다는 것입니다. 조직의 마이크로 OCT 영상을 시간 경과에 따라 여러 프레임으로 획득하면, 영상의 각 부분에서 움직임이 다르게 변조되는 것을 볼 수 있습니다. 이를 색상으로 코딩하면(예: 빨간색은 느린 움직임, 파란색은 중간, 녹색은 빠른 움직임), 원래의 흑백 영상보다 훨씬 뛰어난 대비를 가진 합성 영상을 얻을 수 있습니다. 이 대비는 의미가 있습니다. 즉, 세포 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알려줍니다. 파란색과 녹색의 움직임은 대사 활동과 관련이 있습니다. 세포가 대사적으로 활발하면 파란색과 녹색으로 나타나고, 세포가 정지해 있거나 죽은 부분은 빨간색으로 나타납니다.

이것이 그 예입니다. 상단은 표준 흑백 마이크로 OCT 영상이고, 하단은 동적 마이크로 OCT 영상입니다. 훨씬 더 많은 구조가 보이며, 우리가 사용하는 기존 조직학 영상과 거의 똑같아 보입니다. 조금 더 확대해 보면, 하단 층은 매우 파란색인데 이는 대사적으로 활발하다는 뜻이며 실제로 그렇습니다. 중간 층은 여전히 어느 정도 파란색이지만, 상단 층에서는 파란색이 사라집니다. 이는 조직이 어떻게 성장하는지 알려줍니다. 세포는 하단에서 분열하고 성숙하며, 상단에서 죽어 떨어져 나갑니다. 우리는 동적 마이크로 OCT 기술로 이를 직접 보고 있습니다. 이는 매우 흥미로운 일이며, 암 진단 및 신체 장기 내벽의 이상을 진단하는 새로운 기회를 열어줄 것입니다.

이것이 우리가 해온 일에 대한 요약입니다. 우리는 '바디 캡슐'을 현실로 만들기 위해 노력해 왔습니다. 모든 영상 기술을 개발하고, 환자 몸속에 들어갈 수 있는 탐침과 캡슐을 만들었습니다. 세포를 볼 수 있는 무선 캡슐도 연구 중입니다. 이 모든 것은 우리 연구실의 파이프라인 덕분에 가능했습니다. 우리는 현미경을 발명하고, 이를 소형화하는 방법을 찾아내며, 3D 프린터와 컴퓨터 제어 선반 및 밀링 머신 등 첨단 장비를 갖춘 작업장에서 부품을 제작합니다. 그런 다음 클린룸에서 최종 임상 장치로 조립합니다. 마지막으로 매사추세츠 종합병원에서 환자를 대상으로 테스트합니다. 이것은 우리 연구실에서 사용하는 훌륭한 파이프라인입니다. 환자에게서 배우고, 이를 다시 발명 과정으로 가져와 순환시키는 장점이 있습니다.

우리는 BioRender를 많이 사용하고 있으며, 이 프로그램에 매우 만족하고 있습니다. 이 슬라이드는 BioRender가 우리에게 얼마나 유용한지 보여줍니다. 첫째, 전문적인 개념도를 빠르게 만들 수 있는 간단한 인터페이스를 갖추고 있습니다. 최소한의 텍스트로 과학적 내용을 전달할 수 있게 해줍니다. 폭넓은 청중이 쉽게 이해할 수 있고, 전문 용어를 최소화하며, 이미지와 데이터를 쉽게 추가할 수 있습니다. 우리는 이 도구를 매우 높게 평가합니다. 우리가 시각화하는 방식과 잘 맞습니다. 우리는 시각적인 그룹이며 이미지를 많이 다룹니다. 이것은 출판물에서 BioRender를 사용한 예인데, 마이크로 OCT 탐침을 소위 '원형창'을 통해 내이로 삽입하여 달팽이관과 코르티 기관을 시각화하는 방법을 보여줍니다. 템플릿을 사용하여 개념을 간단하게 보여주는 매우 효과적인 방법이었습니다. 또한 연구 과제 작성에도 도움이 됩니다. BioRender 템플릿을 사용하여 내시경이 해부학적 신체 내부로 들어가는 모습을 보여주며 단일 그림으로 과정을 설명할 수 있었습니다. 연구 과제를 쓸 때는 어렵습니다. 발표나 영화처럼 과정을 보여줄 수 없기 때문입니다. 하지만 BioRender의 시각화 도구와 레이아웃은 과정을 제대로 보여줄 수 있게 해줍니다. 이 경우에는 새로운 기술을 개발하여 첨단 영상 기술로 폐 내부를 시각화하는 방법을 보여주고 있습니다. 마지막으로, 제 연구실에서 일하는 모든 분, 협력자, 그리고 이 연구를 지원해 준 모든 자금 지원처에 감사드립니다. 이것은 최근 우리 연구실의 줌 사진입니다. 제 발표를 들어주셔서 대단히 감사합니다. 추가 정보가 필요하시면 연락처로 문의해 주십시오. 지금 질문을 받겠습니다.