배경

유방암은 암세포만의 질환이 아니다. 암세포를 둘러싼 세포외기질(extracellular matrix, ECM), 특히 콜라겐의 밀도와 배열도 침윤과 전이에 관여한다. 종양 인접 콜라겐이 곧고 조밀한 다발로 재편되거나 암 경계에 수직으로 정렬되는 ‘종양 연관 콜라겐 표지(tumor-associated collagen signature, TACS)’는 불량한 예후와 연관된 것으로 알려져 있다.

그러나 통상적인 조직병리 검사는 절편 제작 과정에서 3차원 구조를 훼손하며, 염색 영상만으로는 콜라겐의 분자·초분자 배열을 정량화하기 어렵다. 염색 없이 섬유성 콜라겐을 관찰하는 이차조화파 발생(second-harmonic generation, SHG) 현미경이 대안으로 쓰이지만, 편광 분해 SHG(pSHG) 데이터 분석에는 대개 콜라겐이 원통형이나 삼방정계 대칭을 따른다는 수학적 가정이 들어간다. 조직마다 구조가 다른 만큼 특정 대칭 모델에 맞춘 결과가 항상 유효하다고 보기는 어렵다.

이탈리아 연구진은 Scientific Reports에 발표한 연구에서 이론적 구조 모델 없이 정렬된 콜라겐 다발을 식별하는 광학 지표를 제시했다.

핵심 발견

연구진은 유방암 환자 4명의 수술 잔여 검체로 만든 두께 30마이크로미터의 포르말린 고정 파라핀 포매 절편을 분석했다. 병리의가 표시한 종양 기질과 병변 주위 조직에서 레이저 편광각을 바꾸며 pSHG 영상을 얻고, 편광 곡선에서 연속된 두 최솟값의 정규화된 SHG 세기 차이를 ‘편광 비대칭성(polarization asymmetry, PA)’으로 정의했다. 180도 주기의 두 신호가 같으면 PA는 0에 가깝고, 차이가 벌어질수록 콜라겐의 국소 대칭성이 무너졌다는 뜻이다.

물결 모양의 균질한 콜라겐은 PA 분포가 0을 중심으로 단일 봉우리를 보였다. 반면 종양 내부의 곧고 정렬된 다발에서는 높은 절댓값 영역이 양쪽에 나타나는 이봉 분포가 관찰됐다. 이 비대칭은 장비 오차가 아니었다. 180도 구간에서는 곡선이 달랐지만 레이저 편광을 360도 회전했을 때 전체 SHG 세기는 재현됐다.

연구진은 PA와 함께 곡선 최솟값의 각도인 위상 이동 φ0, 삼방정계 대칭 모델을 적합해 산출한 이차 비선형 감수율 성분 |χyyy|도 비교했다. 적합 분석에는 결정계수 R²가 0.99 이상인 화소만 포함했다. 정렬된 다발에서는 PA와 |χyyy|가 높았고, φ0는 약 90도 차이의 이봉 분포를 형성했다. 20×20제곱마이크로미터 타일별 표준편차 SD_PA와 SD_φ0 역시 종양 조직에서 병변 주위 조직보다 높았다(p<0.001). 서로 다른 방향의 미세 섬유가 국소적으로 교차하고 얽힌 초분자 구조가 거시적으로는 정렬된 다발을 이룬다는 해석이다.

의미와 전망

PA는 복잡한 곡선 적합이나 사전 대칭 가정 없이 두 신호의 차이만으로 계산할 수 있다. 연구진이 구조와 역학 특성이 잘 알려진 사람 각막에서도 같은 분석을 시행하자, 봉합성 층판처럼 콜라겐 배열이 복잡한 영역에서 유방암 기질과 유사한 신호가 재현됐다. 특정 종양에 한정되지 않고 섬유화 질환이나 다른 콜라겐 풍부 조직에도 적용할 가능성을 보여준다.

다만 이번 결과는 환자 4명의 조직을 대상으로 한 탐색적 분석이다. PA가 암의 등급, 분자 아형, 재발 또는 생존을 예측하는지는 검증되지 않았다. 여러 편광각에서 같은 시야를 반복 촬영해야 해 획득 시간이 길다는 pSHG 자체의 제약도 남는다. 콜라겐 신호와 실제 조직 강성의 관계 역시 직접 측정하지 않았으므로, 생체역학 검사와 대규모 임상 코호트의 교차 검증이 뒤따라야 한다.