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KAIST-고려대, 심혈관 진단 정밀도 높이는 영상기술 개발 및 임상 성공
우리 대학 기계공학과 유홍기 교수팀이 고려대학교 구로병원 심혈관센터 김진원 교수팀과 협력해, 관상동맥 질환의 진단 정밀도를 혁신적으로 높일 수 있는 영상기술을 개발하고, 이를 세계 최초로 사람을 대상으로 한 임상시험에 성공했다.
이번 연구에서는 광간섭단층촬영(OCT)과 형광수명영상(FLIm)을 결합한 차세대 다중 모달 영상 기술을 실제 환자에게 적용해, 심장 혈관 속 동맥경화반*의 구조뿐만 아니라 그 내부의 생화학적 조성까지 실시간으로 정밀하게 파악할 수 있음을 입증했다.
*동맥경화반: 콜레스테롤과 염증 세포 등이 동맥 벽에 쌓여 혈관이 좁아지게 만드는 병변.
기존 영상기술로는 경화반 내부의 복잡한 병변을 정확히 구분하거나 정량화하기 어려웠지만, OCT-FLIm 기술을 통해 염증, 치유반(손상 회복 흔적), 칼슘 침착 등 다양한 병리 정보를 정밀하게 구분할 수 있다. 특히, FLIm의 형광 수명 정보를 활용함으로써, 이러한 생화학적 특성이 환자의 임상 상태와 밀접하게 연관되어 있음을 확인했다.
연구진은 급성 심근경색과 같은 급성 관상동맥 증후군 환자에서는 염증 지표가 높게 나타났으며, 급속히 진행되는 병변에서는 반복된 경화반 파열과 치유로 인해 치유반이 높은 빈도로 뚜렷하게 분포하는 특징을 발견했다. 이는 심혈관 질환의 진행 정도나 개별 경화반의 상태를 보다 정밀하게 파악할 수 있는 단서를 제공한다.
이번 임상에서는 OCT와 FLIm을 완전히 통합한 융합 영상 카테터(Catheter)가 사용되었다. 연구진은 국내 환자 40명을 대상으로 실제 혈관 재개통 시술 중 해당 카테터를 삽입하여 병변을 분석했고, 모든 환자에서 시술이 안전하게 완료되었다. 이는 세계 최초로 융합 영상 카테터를 임상에 성공적으로 적용한 사례다.
*영상카테터: 관상동맥 내부에 삽입되어, 끝단에 부착된 렌즈를 통해 영상을 촬영하는 가느다란 관 모양의 의료기기
동맥경화반의 병태생리는 매우 복잡하며, 단순한 해부학적 정보만으로는 향후 심혈관 질환 발생 여부나 치료 예후를 예측하기 어렵다는 사실이 여러 연구를 통해 밝혀지고 있다. 이번 연구는 실제 환자의 혈관에서 병리학적 위험 요소를 실시간으로 시각화하고 정량화한 세계 최초로 임상 사례로, 심혈관 질환의 정밀 진단과 개인 맞춤형 치료 전략 개발에 있어 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.
유홍기 교수가 공동 교신저자, 남형수 연구교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 심장학 분야 최고 권위 학술지인 미국의학회 심장학 저널, 자마 카디오로지(JAMA Cardiology, Journal of the American Medical Association)에 2025년 5월 7일 자로 게재되었다.
※ 논문명: Intracoronary Structural-Molecular Imaging for Multitargeted Characterization of High-Risk Plaque
DOI: 10.1001/jamacardio.2025.0928
이번 연구는 삼성미래기술육성사업 및 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원으로 수행되었다.
2025.05.08 조회수 4661 -
스트레스 위험 혈관 변화 실시간으로 잡아낸다
심혈관 질환은 전 세계 사망 원인 1위로 매우 심각한 건강 문제다. 특히, 정신적 스트레스가 심혈관 질환을 더 악화시킨다는 것이 보고되어 왔다. 한국 연구진이 그동안 관찰하기 어려웠던 스트레스로 인한 혈관 변화를 실시간으로 알아내는 데 성공했다.
우리 대학 기계공학과 유홍기 교수 연구팀이 고려대학교 구로병원 심혈관센터 김진원 교수 연구팀과 협력해 심장 박동으로 인한 혈관의 움직임을 보상해 실시간으로 혈관 내 세포의 움직임을 관찰할 수 있는 새로운 생체 내 영상 획득 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.
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.
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”라고 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.
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.
(논문명: Real-time imaging assessment of stress-induced vascular inflammation using heartbeat-synchronized motion compensation)
한편 이번 연구는 한국연구재단, 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행됐다.
2025.01.22 조회수 6041 -
기계공학과 유홍기 교수 연구팀, 빛으로 동맥경화반 동시 진단 및 치료 기술 개발
관상동맥 내 고위험 동맥경화반은 파열과 협착을 유발하여 빠르게 혈관을 막을 수 있어 진단과 동시에 즉각적인 치료가 필요하다.
우리 대학 기계공학과 유홍기 교수 연구팀은 고려대학교구로병원 심혈관센터 김진원 교수팀, 중앙대학교 시스템생명공학과 박경순 교수팀과의 공동연구를 통해, 빛을 이용하여 동맥경화반 진단과 치료를 동시에 할 수 있는 새로운 원천 기술을 개발하였다.
이 기술은 유홍기 교수 연구팀이 개발한 광단층-분자영상 결합 카테터 기반 정밀 영상 시스템과 광치료 카테터를 이용해 빛을 조사하여 고위험 병변을 정확히 진단하고 치료하는 방법이다.
동맥경화반 내 대식세포의 특정 수용체를 표적하는 전달체와 광활성체를 결합한 테라노스틱 제제를 혈관에 투여한 후 혈관내 카테터를 이용해 위험 부위를 찾아내고 그 부위에 빛을 조사하였다. 그 결과, 고위험 동맥경화반을 실시간 정밀 영상으로 진단하였고 동시에 성공적으로 치료할 수 있었다.
치료 후 효과를 정밀 영상 시스템을 통해 생체 내에서 추적 검증했으며, 광활성에 의한 자가소화를 유도해 사멸 세포를 탐식 및 제거, 콜레스테롤 유출로 염증을 해소하고 콜라겐 조직 증가를 유도해 병변이 치료 및 안정화 됨을 밝혔다.
연구진은 “이번 연구를 통해 기존 방법의 한계였던 고위험 동맥경화반의 정밀 진단을 가능케 하였고, 동시에 광치료 시스템을 이용해 빛을 전달하여 고위험 동맥경화반을 치료하고 안정화하는 데 성공했다는 점에서 큰 의의가 있다.”라고 밝혔다. 또한 “기존 동맥경화반 치료법인 스텐트 치료가 가지는 이물질 잔존 위험을 극복할 수 있으며, 심혈관 진단 및 치료 분야에서 새로운 가능성을 제시했다.”고 했다. 연구진은 “이번 연구 결과를 바탕으로, 추후 임상 적용을 위한 시제품 개발을 적극적으로 추진할 계획”이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 기계공학과 김연훈 박사과정생이 공동 제1저자로, 유홍기 교수가 공동교신저자로 참여하였으며, 국제학술지 Circulation Research (5-year IF: 20.3) 에 게재되었다.
한편 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2024.08.23 조회수 7794 -
박용근·신종화·유홍기 교수, 김세정 박사, 한국광학회 스타 연구자 30인 선정
우리 대학 물리학과 박용근 교수, 신소재공학과 신종화 교수, 기계공학과 유홍기 교수, 물리학과 졸업생 김세정 박사가 한국광학회(OSK) 창립 30주년을 기념해 제정된 한국광학회 라이징 스타 30에 선정됐다.
한국광학회는 설립 30주년을 기념하고 광학발전에 활력을 불어넣기 위해 한국광학 및 광산업의 미래를 책임질 떠오르는 스타 연구자를 발굴해, 이들을 격려하고 참신한 비전을 세상에 널리 알리고자 만 40세 이하 국내 과학자중 총 27인을 선정했다.
수상자는 만 40세 이하의 국내 광학 및 광산업 분야 연구자를 대상으로 연구업적의 우수성, 국내 광학 및 광산업 진흥에 대한 기여도 등을 평가해 선정했다.
박용근 교수는 미국광학회(OSA)와 국제광전자공학회(SPIE) 석학회원으로 국제적으로도 촉망받는 과학자이다. 무작위적인 광 산란을 이용해 3차원 영상을 측정하고 재현하는 새로운 기술을 개발 중으로, 기초연구 성과를 바탕으로 ‘토모큐브’를 설립해 살아있는 세포를 3차원 입체영상으로 관찰이 가능한 레이저 홀로그래피 현미경을 출시하는데 성공, 현재 미국·일본을 비롯한 여러 국가에 수출 중이다.
신종화 교수는 광대역 메타물질 분야를 개척한 공로를 인정받았다. 신 교수는 우수한 연구성과를 인정받아 교내 융합연구상을 수상하기도 했다.
한국공학한림원 대한민국을 이끌 미래 10대 기술 주역으로도 선정된 바 있는 유홍기 교수의 연구는 심혈관 질환 진단에 큰 파급 효과를 창출할 것으로 기대된다.
김세정 박사는 2차원 물질을 활용한 광소자 연구와 활발한 국제 학술활동의 공로를 인정받았다.
2020.03.17 조회수 15743