신생아 제대혈 적혈구의 3D 굴절률 및 변형성 비교 연구

초록

본 연구는 광학 홀로그래픽 마이크로‑톰그래피를 이용해 신생아 제대혈 적혈구와 성인(모체 및 비임신 여성) 적혈구의 3차원 굴절률 분포와 막 동적 변동을 측정하였다. 결과는 제대혈 적혈구가 부피·표면적이 크게 늘어나고 평탄한 형태를 가지며, 헤모글로빈 함량이 높지만 농도는 성인 범위 내에 있음을 보여준다. 또한 막 변동 진폭이 성인 적혈구와 유사해 변형성이 크게 차이나지 않음을 확인하였다.

상세 요약

이 논문은 광학 홀로그래픽 마이크로‑톰그래피(Optical Holographic Micro‑Tomography, OHT)를 활용해 개별 적혈구(RBC)의 3차원 굴절률(RI) 분포와 막의 동적 변동을 정량화함으로써 세포의 형태학적, 생화학적, 기계적 특성을 동시에 파악한다. OHT는 레이저 빔을 이용해 세포를 다각도에서 투과시켜 얻은 위상 정보를 복원하고, 역투과 알고리즘을 통해 RI 톰그램을 재구성한다. RI 값은 세포 내 단백질(주로 헤모글로빈, Hb) 농도와 직접 연관되므로, 부피(V), 표면적(SA), 평균 RI(→ Hb 농도) 및 총 Hb 함량을 정확히 추정할 수 있다. 또한, 고속 카메라로 획득한 위상 영상을 시간에 따라 분석함으로써 막의 미세 진동(amplitude of dynamic membrane fluctuations)을 측정한다. 이 진동은 세포막의 탄성·점탄성 특성을 반영하며, 변형성(deformability)의 지표로 널리 사용된다.

연구 대상은 신생아 제대혈(RBC_cord), 산모 혈액(RBC_maternal) 및 비임신 성인 여성 혈액(RBC_adult)이며, 각각 30~50개의 세포를 분석하였다. 통계적으로 유의미한 차이는 Student’s t‑test와 ANOVA로 검증하였다. 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, RBC_cord의 평균 부피는 110 fL(±5 fL)로 성인군(≈90 fL)보다 약 20 % 크게 나타났으며, 표면적도 150 µm²(±7 µm²)로 증가했다. 이는 세포가 더 평탄하고 원반 형태가 얇아진 것을 의미한다. 둘째, 평균 RI는 1.395(±0.003)로 성인군(≈1.390)보다 높았으나, Hb 농도는 34 g/dL(±1 g/dL)로 정상 성인 범위(30–36 g/dL) 내에 머물렀다. 셋째, 총 Hb 함량은 34 pg(±1 pg)로 성인군(≈30 pg)보다 유의하게 높았다. 넷째, 막 동적 변동 진폭은 RMS값이 45 nm(±3 nm)으로, 성인군과 차이가 없었다. 이는 제대혈 RBC가 높은 Hb 함량에도 불구하고 변형성을 유지한다는 중요한 생리학적 의미를 가진다.

이러한 결과는 제대혈 RBC가 산소 운반 효율을 극대화하기 위해 부피와 Hb 함량을 늘리면서도, 모세관 통과와 같은 물리적 스트레스를 견디는 변형성을 보존한다는 가설을 뒷받침한다. 또한, OHT 기반의 비침습적 단일세포 분석이 임상적 혈액학 검사에 적용될 가능성을 시사한다.