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[기술기고] 폐계면활성제의 입자를 이용한 호흡기 시뮬레이션 및 연구

바이오콜로이드 및 바이오인터페이스 연구소는 폐계면활성제의 입자를 이용한 호흡기 시뮬레이션 및 연구를 10년 넘게 진행해왔습니다.

Yi Zuo 교수 주도하에 학부생, 대학원생, 박사 과정 수료생 등 여러 분야의 전공자로 구성된 연구팀은 폐기능에 대한 벤치탑 분석이 가능한 광학 시스템을 개발했습니다. 이러한 아이디어는 건강한 개인의 폐에서 생성되는 인지질-단백질 복합체인 폐계면활성제를 비말 입자로 시뮬레이션하면 큰 노력 없이도 호흡이 가능하다는 사실에서 비롯됐습니다. 호흡기 시뮬레이션을 면밀히 관찰하려면 입자의 표면적 특성 분석을 위해 광학 시스템으로 반드시 비말의 선명한 이미지를 얻을 수 있어야 합니다. 연구 초기에는 주로 신생아 호흡증후군과 같은 유아 병리의 폐계면활성제 치료를 위한 임상 목적으로 연구가 진행됐습니다. 이후 환경적 유해 에어로졸 및 COVID-19이 호흡 과정에 미치는 영향 등 다양한 분야로까지 연구 범위가 확대됐습니다. Zuo 교수의 연구팀은 젋은 세대에 과학에 대한 열정을 불어넣어 준 EO 설립자 노르만 에드몬드의 사업 철학을 구현한 공로로 에드몬드 옵틱스의 2020 Norman Edmund Inspiration Award를 수상했습니다. 특히 이 연구팀은 10년 이상 진행해온 연구를 위해 에드몬드 옵틱스의 광학 부품을 적극 활용했습니다.

[기술기고] 폐계면활성제의 입자를 이용한 호흡기 시뮬레이션 및 연구 - 산업종합저널 동향
Zuo 교수와 그의 연구팀이 개발한 surfactometer는 호흡기의 특성 분석을 위해 에드몬드 옵틱스의 텔레센트릭 렌즈, 텔레센트릭 조명기, 카메라, 광기계 부품을 활용(Image courtesy of Yi Zuo of the University of Hawaii at Manoa’s Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces)

광학 시스템_텔레센트릭 조명과 이미징
Zuo 교수와 그의 연구팀은 비말 입자의 외형을 정밀 측정하는 방식으로 표면 장력을 산출하는 낙하 형상 분석 연구법을 사용합니다. 이와 같은 입자 연구에 있어 가장 중요한 점은 가장자리의 선명한 대비를 통해 입자의 형태와 경계를 명확하게 시각화 하는 데 있습니다. 따라서 이를 구현하려면, 텔레센트릭 조명기로 입자의 후면에 빛을 조사하고 이때 카메라는 조명기의 반대쪽에 위치해야 합니다. 카메라에는 시차 오류 제거를 위한 텔레센트릭 렌즈가 장착돼 있어 입자의 크기 및 형태를 정확하게 측정할 수 있습니다. 그 다음 시스템이 구동을 시작하면, 호흡기 시뮬레이터가 폐의 움직임을 그대로 모방하는 동시에 이미징 시스템은 움직임이 있는 입자의 시시각각 변화하는 특성을 포착하게 됩니다.

텔레센트릭 조명기는 피사체를 영상화 할 때 모서리 부분을 선명하게 보여주는 시준 평행광을 방출함에 따라 시스템의 성공 여부를 결정하는 가장 핵심적인 부분을 차지합니다. 시스템 내부의 텔레센트릭 조명기를 장착하면 입자의 형상이 보다 선명하게 포착돼 라플라스 모세혈관 방정식을 이용할 경우 입자의 표면 장력을 구할 수 있습니다. 더 나아가 텔레센트릭 이미징 렌즈는 기존의 이미징 시스템에 존재하던 시차 혹은 원근법 오류(원거리 피사체가 근접 피사체보다 작아 보임)를 제거해 정확도 또한 향상시켜줍니다.

Zuo 교수의 연구실에서 사용된 해당 시스템 레이아웃에는 아래와 같이 에드몬드 옵틱스의 텔레센트릭 백라이트 조명기, 텔레센트릭 이미징 렌즈, 카메라, 관련 광기계 부품이 기본적으로 사용됐습니다

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텔레센트릭 백라이트 조명과 이미징을 둘 다 접목한 광학 시스템의 기본 세팅

해당 연구의 응용 분야_폐계면활성제 연구
폐계면활성제 연구에는 정제된 동물성 폐계면활성제의 표면 장력과 계면활성제막의 압축 및 팽창 시 계면활성제가 인간의 호흡 시뮬레이션에서 어떻게 작용하는지에 관한 실험이 포함됩니다. 수년간 주목을 받아온 이 같은 응용 기법은 현재 미국 신시내티 아동 병원과 SUNY 업스테이트 의과대학 등 미국 전역의 의학 병원에서 활용되고 있습니다. 특히 미숙아의 경우 호흡곤란 증후군에 취약하기 때문에 신생아 중환자실(NICU)에 있는 환아들에게 큰 수혜가 될 것으로 내다보고 있습니다.

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폐계면활성제가 충분하지 않을 경우 위 그림과 같이 미숙아의 폐포가 파괴된다. 호흡곤란 증후군으로 불리는 이 같은 증상은 종종 불치병으로까지 이어진다.

COVID-19 대응 방안
COVID-19 팬데믹 초기 단계에서는 바이러스 전파 방식에 대한 정보가 상대적으로 거의 알려지지 않았습니다. 하지만 바이러스가 공기 중에 떠나디고 호흡기 비말 입자를 통해 전염된다는 사실이 명확해지자 바이오콜로이드와 바이오인터페이스 연구소는 코로나바이러스 전염병 대응 방안 마련에 집중하기 시작했습니다. 이 연구팀은 폐계면활성제를 보다 적극적으로 연구하기 위해 기존에 개발된 기술로 바이러스의 에어로졸 전파를 시뮬레이션하는 작업을 착수했습니다. 계면활성제는 이물질과 병원균으로부터 폐를 보호하는 제1 방어선 역할을 함에 따라 이를 실험에 활용할 수 있었습니다. 이에 따라 계면활성제 시뮬레이션에 에어로졸을 주입하고 더불어 기존의 분석 방식을 활용해 미시적 수준의 바이러스 전파 연구 성과를 끌어냈습니다. 이 밖에도 코로나바이러스를 운반하는 에어로졸을 연구해 폐에 미치는 영향 또한 분석했습니다. 코로나바이러스로 인한 치사는 다수의 감염 환자가 폐 감염으로 인해 경험하는 급성 호흡곤란 증후군으로부터 비롯됩니다. Zuo 교수와 연구원들은 현재 코로나바이러스에 감염된 환자를 치료하기 위한 보조 치료법에 폐계면활성제 활용 가능성 여부에 대해 연구 중에 있습니다.

환경 문제
과학 연구진들은 이제 그 어느 때보다 기후 변화와 환경 보존을 최우선 과제로 여기며, 특히 기후 변화의 영향과 인류 보건에 보다 초점을 맞추고 있습니다. 덴마크의 국립 작업 환경 연구 센터는 Zuo 교수와 그의 연구팀이 개발한 시스템을 활용해 호흡을 시뮬레이션하고 대기를 오염시키는 유해 에어로졸에 대한 인체의 반응을 연구했습니다. 이러한 연구는 계면활성제에 에어로졸 입자를 주입하고 반응을 관찰하는 방식으로 수행됐습니다. 연구원들이 에어로졸 입자가 인간의 호흡에 미치는 영향을 연구하고 유해한 영향을 퇴치하기 위한 해결책을 개발하는 것은 운이 좋은 케이스였습니다. 실제 실험 과정은 코로나바이러스에 대한 반응 과정과 상당히 유사하며, 호흡이 전체적으로 어떻게 영향을 받는지 이해하기 위해 폐계면활성제 연구 시 낙하 형태 분석법이 주로 채택됩니다. [기고=Zuo, Y. (2009). Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces.]/ [정리=김지성 기자]


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