캘리포니아 대학교 샌디에이고의 연구자들은 암 진단을 전 세계적으로 더 빠르고 정확하고 접근하기 쉽게 만들기 위한 탐구에서 특이한 동맹을 발견했다. 바로 모르포 나비이다. 반짝이는 푸른 날개로 유명한 모르포 나비는 색소가 아니라 빛을 조작하는 미세한 구조 덕분에 뛰어난 빛을 발산한다. 이제 연구자들은 동일한 구조를 활용하여 화학 염색이나 값비싼 영상 장비 없이도 암 생검 샘플의 섬유질 구성에 대한 자세한 통찰력을 얻고 있다. 해당 연구 결과는 어트밴스드 메터리알(Advanced Materials)에 게재된 논문에 자세히 나와 있다. UC 샌디에이고 제이콥스 공과대학 기계 및 항공우주 공학과 교수이자 연구의 수석 저자는 리사 폴리카코스이다.

섬유증, 섬유성 조직의 축적은 신경퇴행성 질환, 심장병 및 암을 포함한 많은 질병의 주요 특징이다. 종양학은 생검 샘플에서 섬유증의 정도를 평가하면 환자의 암이 초기 단계인지 진행 단계인지 판단하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 가장 큰 과제는 현재의 임상적 방법을 사용하여 이러한 단계를 구별하는 것이 극히 어렵다는 것이다. 이러한 방법은 종양 생검에서 핵심 구조를 강조하기 위해 조직 염색에 의존하지만 결과는 주관적일 수 있다. 한 병리학자가 다른 병리학자와 샘플을 다르게 해석할 수 있기 때문이다. 그리고 더 풍부한 세부 정보를 제공할 수 있는 보다 진보된 영상 기술이 있지만, 많은 병원에서 단순히 보유하지 않은 값비싼 특수 장비가 필요하다.

여기서 모르포나비가 등장한다. 폴리카코스와 그녀의 팀은 모르포나비 날개 위에 생검 샘플을 올려놓고 표준 현미경으로 관찰하면 염색이나 값비싼 영상 장비 없이도 종양의 구조가 초기 암인지 말기 암인지 평가할 수 있다는 것을 발견했다. 병원이 이미 가지고 있는 표준 광학 현미경을 사용하여 이 기술을 적용할 수 있다. 그리고 현재 사용 가능한 것보다 더 객관적이고 양적이다.

이 방법에 대한 아이디어는 UC 샌디에이고의 기계 공학 대학원생이자 연구의 첫 번째 저자인 폴라 키리아에게서 나왔다. 키리아는 이전에 파사데나 시립 대학의 학부생 연구원으로서 모르포 나비의 날개와 광학적 특성을 연구했다. 그녀가 UC 샌디에이고로 전학하여 연구자들이 생물학적 조직을 이미지화하기 위해 합성 나노구조를 만드는 Poulikakos의 연구실에 합류했을 때, 그녀는 이 번 연구에 대한 영감을 얻었다.
"저는 나비 날개를 이미지화하고, 나비 날개가 다양한 환경에 어떻게 반응하는지 연구했습니다. 그리고 연구실에서 무엇을 하는지 보고, '모르포는 본래 이런 특성을 가지고 있는데, 왜 사용하지 않을까?'라고 생각했습니다."라고 폴라 키리아는 말했다.

연구자들은 날개의 미세한 나노 구조가 편광광(특정 방향으로 전파되는 일종의 빛)에 강하게 반응한다는 것을 발견했다. 섬유화 조직의 핵심 구조적 구성 요소인 콜라겐 섬유도 편광광과 상호 작용하지만 신호가 약하다. 연구자들은 모르포 나비 날개 조각 위에 생검 샘플을 배치하여 이러한 신호를 증폭시켜 콜라겐 섬유의 밀도와 배열을 분석하기 쉽게 만들었다.

그런 다음 결과 신호는 생검 샘플에서 콜라겐 섬유가 얼마나 조밀하게 조직되어 있는지를 측정하는 데 사용될 수 있다. 이를 위해 연구자들은 편광광을 분석하는 방법인 존스 미적분학을 기반으로 한 수학적 모델을 만들었다. 이 모델은 빛의 강도를 콜라겐 섬유의 밀도와 조직과 상관시켜 조직 내 섬유증을 평가하는 정량적 지표를 제공한다.

이 접근 방식을 사용하여 연구자들은 연구 협력자이자 공동 저자인 UC 샌디에이고 의대의 약리학과 소아과 교수이자 무어스 암 센터의 암 생물학 및 신호 전달 프로그램 공동 책임자인 징과 연구팀의 박사후 과학자인 아이다 메스트레-파레라가 제공한 콜라겐이 풍부한 인간 유방암 생검 샘플과 콜라겐이 부족한 인간 유방암 생검 샘플을 모두 분석했다. 그들의 결과는 기존 염색 방법과 진보된 고비용 영상화 방법과 유사했다.

"기본적으로 우리는 표준 광학 현미경과 모르포 윙의 일부만 필요한 얼룩 없는 대안으로 이러한 절차를 확장하려고 합니다.세계의 많은 지역에서 자원 제한으로 인해 조기 암 검진은 어려운 일입니다. 더 간단하고 접근하기 쉬운 도구를 제공할 수 있다면 암이 공격적인 단계에 도달하기 전에 더 많은 환자가 진단을 받을 수 있도록 도울 수 있습니다."라고 연구원 키리아는 말했다. 현재 연구는 유방암에 초점을 맞추었지만 연구자들은 이 기술이 광범위한 섬유성 질환에도 적용될 수 있다고 믿고 있다.

"우리는 이 기술을 모든 종류의 조직 진단에 활용하게 되어 기쁩니다. 자연이 모르포 나비 날개와 그 자연적인 미세한 나노 구조를 통해 좋은 솔루션을 설계했는지 보는 것은 정말 놀랍습니다. 저희의 연구는 자연이 값비싼 제조 시설 없이도 질병에 걸린 조직을 이미지화하는 데 도움이 되는 무언가를 우리에게 주었다는 것을 보여줍니다."라고 Poulikakos는 말했다.

참조:
Paula Kirya, Aida Mestre‐Farrera, Jing Yang, Lisa V. Poulikakos. Leveraging Optical Anisotropy of the Morpho Butterfly Wing for Quantitative, Stain‐Free, and Contact‐Free Assessment of Biological Tissue Microstructures. Advanced Materials, 2025; DOI: 10.1002/adma.202407728