싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구팀이 처음으로 눈의 야간 시력 세포가 빛을 감지할 때 발생하는 미세한 기계적 움직임을 포착했습니다. 이번 발견은 실명을 유발하는 질병을 조기에 비침습적으로 진단하는 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대됩니다.
싱가포르 난양공과대학교 연구팀이 눈이 빛을 감지하는 바로 그 순간 발생하는 미세한 기계적 움직임을 포착했습니다. 이 발견은 시력 상실이 발생하기 훨씬 전에 의사들이 실명을 유발하는 질병을 발견하는 방식을 바꿀 수 있을 것으로 기대됩니다.
국제 연구팀은 첨단 영상 기술을 이용하여 살아있는 사람과 설치류의 눈 모두에서 야간 시력을 담당하는 간상세포가 급격히 수축하는 것을 관찰했습니다. 이 세포들은 어두운 곳에서 사물을 볼 수 있게 해 주며, 노화성 황반변성이나 망막색소변성증과 같은 질환에서 가장 먼저 손상되는 세포 중 하나입니다.
이번 연구를 이끈 통 링(Tong Ling) 난양대학교 화학·화학공학·생명공학부 조교수는 새롭게 관찰된 움직임을 시각에 대한 일종의 점화점이라고 설명했습니다.
"눈의 야간 시력 세포의 '경련'은 시각의 점화 스파크와 같습니다. 우리는 이 세포들이 빛을 흡수할 때 전기 신호를 생성한다는 것을 오랫동안 알고 있었지만, 지금까지 살아있는 사람이나 설치류의 눈 안에서 이 세포들이 기계적으로 수축한다는 사실을 보고한 사람은 아무도 없었습니다."라고 그는 보도 자료에서 밝혔습니다.
막대 광수용체는 눈 뒤쪽 망막에 위치하며 빛을 감지하는 세포의 대부분을 차지합니다. 이 세포들은 매우 민감하여 아주 약한 빛에도 반응할 수 있기 때문에 야간 시력에 필수적이지만, 동시에 조기에 손상되기 쉽습니다.
링은 이 연구가 눈이 빛을 뇌가 이해할 수 있는 신호로 바꾸는 기본적인 단계를 밝혀준다고 언급했습니다.
"이번 연구 결과는 막대 광수용체가 빛을 감지하고 시각 정보를 뇌로 전달하는 과정의 근본적인 단계를 밝혀냈습니다. 이 세포들은 인간 망막에 있는 모든 광수용체의 약 95%를 차지합니다."라고 그는 덧붙였다.
링 박사는 2024년 시력 및 안과학 연구 협회 연례 회의에서 연구팀의 결과를 발표했습니다. 출판 저널 Light: Science & Applications에 게재되었습니다.
연구진은 이 발견을 위해 광망막검사법(ORG)이라는 최첨단 방법을 사용했습니다. 전기적 기록에 의존하거나 밝은 섬광을 이용하고 눈에 접촉해야 하는 기존의 시력 검사와 달리, ORG는 염료나 표지자 없이, 또는 눈에 접촉하지 않고도 망막 세포의 아주 미세한 움직임을 감지할 수 있습니다.
ORG를 이용해 과학자들은 빛이 망막에 닿은 후 약 10밀리초 만에 막대 세포가 최대 약 200나노미터(사람 머리카락 굵기의 약 1/1000)까지 빠르게 수축하는 것을 측정했습니다. 이는 벌새 날갯짓 한 번보다도 빠른 속도입니다.
연구팀은 이러한 측정값을 생물물리학적 모델링과 결합하여 이 움직임이 막대세포 내부에 있는 빛에 민감한 분자인 로돕신의 활성화와 관련이 있음을 밝혀냈습니다. 로돕신이 빛을 흡수하면 일련의 사건이 시작되어 궁극적으로 시신경을 통해 뇌로 전달되는 전기 신호가 생성됩니다. 새롭게 관찰된 기계적 "경련"은 이러한 과정이 시작되는 가장 초기의 물리적 징후 중 하나인 것으로 보입니다.
공동 교신 저자인 워싱턴 대학교 의과대학 안과 조교수 람쿠마르 사베산은 실시간으로 활동하는 간상세포를 관찰하는 것이 얼마나 강력한 효과를 가져올 수 있는지 강조했습니다.
"생체 눈의 간상세포에서 이러한 현상을 관찰한 것은 이번이 처음입니다. 간상세포 기능 장애는 황반변성(AMD)과 망막색소변성증을 비롯한 여러 망막 질환의 초기 징후 중 하나입니다. 빛에 대한 간상세포의 반응을 직접 모니터링할 수 있게 됨으로써, 기존의 어떤 진단 장비보다 더 빠르고 정확하게 질병을 진단하고 치료 반응을 추적할 수 있는 강력한 도구를 확보하게 되었습니다."라고 그는 보도자료에서 밝혔습니다.
오늘날 간상세포 기능 평가에 사용되는 많은 임상 도구들은 다소 투박합니다. 환자들이 불편한 검사를 견뎌야 하거나, 손상이 상당히 진행된 후에야 발견할 수 있는 경우가 많습니다. ORG는 비접촉식 및 비침습적 검사이기 때문에 환자들을 더 자주 검진하고 증상이 나타나기 전에 간상세포 건강의 미묘한 변화를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이번 연구는 동일 연구팀이 2024년에 발표한, 희미한 시각 자극에 대한 느린 막대세포 움직임을 측정하는 기존 기술을 기반으로 합니다. 이러한 접근 방식을 통해 막대세포가 다양한 시간 척도와 조도에서 어떻게 작용하는지에 대한 보다 완전한 그림을 얻을 수 있으며, 잠재적으로 임상의에게 질병 추적에 사용할 수 있는 더욱 풍부한 신호를 제공할 수 있습니다.
독립적인 전문가들은 이 기술이 과학과 의학 모두에 획기적인 변화를 가져올 수 있다고 말합니다. 독일 하이델베르크 대학교 안과 학과장인 안과의사이자 임상 과학자인 요스트 요나스는 이 접근법이 참신하면서도 유망하다고 평가했습니다.
"새로운 기술인 광망막검사는 임상적으로나 과학적으로 매우 흥미롭고 유망합니다. 살아있는 사람의 눈 속 세포 구조의 움직임을 나노 규모에서 비침습적으로 시각화할 수 있게 해주기 때문입니다. 이는 광수용체인 막대세포뿐만 아니라 망막의 다른 세포들에도 적용됩니다."라고 그는 말했다.
그는 또한 이 방법이 "망막 세포의 작동 방식과 주변 세포와의 관계를 더 잘 이해하는 새로운 길을 열어줄 뿐만 아니라, 임상적으로는 망막 질환, 특히 광수용체에 주로 영향을 미치는 질환을 보다 상세하고 잠재적으로 더 일찍 진단할 수 있게 해줄 것"이라고 덧붙이며, 이 방법이 막대 세포에만 국한되지 않고 더 넓은 범위에 적용될 수 있음을 강조했습니다.
이 프로젝트에는 싱가포르 안과 연구소와 듀크-NUS 의과대학을 비롯한 여러 기관의 생의학 엔지니어, 물리학자 및 임상 과학자들이 참여했으며, 이들은 망막 영상 및 설치류 모델 분야의 전문 지식을 제공했습니다.
앞으로 연구진은 ORG가 더욱 정교해지고 안과 진료에 적용될 수 있기를 기대하고 있습니다. 만약 향후 연구를 통해 간상세포의 미세한 "경련" 변화가 질병의 초기 징후를 확실하게 나타낼 수 있다는 것이 확인된다면, 의사들은 언젠가 빠르고 통증 없는 검사를 통해 시력 보존 가능성이 가장 높은 단계에서 망막 질환을 발견할 수 있을 것입니다.
실명 위험이 있는 환자들에게 있어 이는 단순하지만 매우 중요한 의미를 가질 수 있습니다. 바로 시력의 불꽃을 오랫동안 지켜나가는 것입니다.
출처: 난양 기술 대학교, 싱가포르