고려대학교 바이오의공학부

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  • Where Engineering Meets Medical Science!바이오의공학부 School of Biomedical Engineering

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학부 소식

2022.06.10 성준경 교수 연구팀 기초연구실 (BRL) 과제 선정
성준경 교수 연구팀 기초연구실 (BRL) 과제 선정 성준경교수 연구팀(ACE lab: AI with Causal Explainability for Bio-Socio complex data analysis)은 "2022년도 과학기술정보통신부 기초연구실 상반기 신규과제"에 선정되어 오는 6월 9일에 15억(3년)의 연구비를 지원받는 협약을 체결 하였다. 해당 사업은 국가 기초연구 역량 강화를 목적으로 하며, 고도화된 연구집단을 체계적으로 육성하는데 그 의의가 있다. 본 연구팀은 ICT융합연구-인공지능(응용) 분야에 선정되어 AI와 보건의료 사이의 융합 연구를 이끄는 선도그룹으로서 기능할 예정이며, 인공지능학과 석흥일교수 연구팀과 사회학과 신은경교수 연구팀과 함께 진행할 예정이다. 본 기초연구실 팀은 “인과성 학습 AI 기술”을 개발하여 Genomics, Biomics, Sociomics로 구성되는 “데이터 복잡계를 분석 및 추론”한다. 기존 생물학적 관점으로만 바라 봐왔던 다중 오믹스 분석의 프레임을 사회적 관점으로 확장하고, 이를 통해 Bio-Socio 통합 마커를 발굴할 계획이다. 최근 대두되고 있는 AI 기반의 네트웍 모델을 활용해 생물학적, 사회학적 연결망으로 확장된 복잡계 데이터 간 이질성을 극복할 수 있는 정교한 통합 벡터 표현 기술을 개발하고자 한다. 또한 모델의 설명력을 극대화하기 위해서 복잡계 내 여러 요인 간 인과관계를 추론하는 AI 기술을 개발한다. 인간의 사전 지식과 복잡계 통합 모델의 상호작용을 통한 무한 순환 연구 메커니즘을 구축하여 인간-AI의 협업체계를 완성하고, 궁극적으로는 인간 지능 증폭(Intelligence Amplification) 및 AI-인간 협력(Huma in the loop) 체계로의 패러다임 전환을 목표로 한다.
2022.04.21 알츠하이머 치매 치료 골든타임을 밝히는 기술 최초 개발 인공지능학과/바이오의공학부 성준경 교수팀, Cell Neuron 논문 게재
알츠하이머 치매 치료 골든타임을 밝히는 기술 최초 개발 인공지능학과/바이오의공학부 성준경 교수팀, Cell Neuron 논문 게재 □ 고려대학교(총장 정진택) 인공지능학과/바이오의공학부 성준경 교수(교신저자)와 이화진 박사(제1저자)의 연구 논문이 세계적인 권위의 과학저널 ‘셀 뉴런(Cell Neuron: IF=17.17)’에 미국 현지시간 4월 19일 게재됐다. □ 게재된 성준경 교수팀의 논문 「Regional Aβ-tau interactions promote onset and acceleration of Alzheimer’s disease tau spreading」은 알츠하이머 치매를 유발하는 베타-아밀로이드(β-amyloid)와 타우(tau) 단백질의 이상 침착 과정을 밝히고, 뇌 영상 분석을 통해 두 단백질 사이의 상호작용이 알츠하이머 질병을 어떻게 진행시키는지 설명할 수 있는 핵심 기전을 최초로 제시하였다. □ 알츠하이머 치매는 베타-아밀로이드 단백질이 대뇌에 이상 침착되면서 시작된다고 잘 알려져 있다. 베타-아밀로이드의 침착은 대뇌 신경세포가 소멸하고 인지기능 저하와 같은 증상이 나타나는 시기보다 10년에서 20년 정도 일찍 발생하기 때문에 조기진단에 매우 중요한 바이오마커로 인식되고 있다. 최근에는 실제 신경세포의 죽음은 독성을 띠는 타우 단백질의 뭉침 현상에 더욱 크게 연관된다는 사실이 알려지면서 베타-아밀로이드와 타우 단백질 간 관계를 밝히기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 지금까지 이들 사이의 상호작용을 설명할 수 있는 모델은 없었으며, 타우 단백질의 전파 과정에 베타-아밀로이드가 어떤 역할을 하는지에 대해서는 명확하게 알려진 바가 없었다. □ 이번에 개발된 아밀로이드-타우 상호작용 모델은 알츠하이머 치매가 처음 시작되는 과정에서 대뇌 특정 영역에 응집된 타우 단백질에 아밀로이드가 원격으로 영향을 주어서 주위 영역으로 전파가 시작되도록 유도한다는 사실을 밝혀냈다. 뿐만 아니라, 타우 단백질의 응집 현상은 신경망으로 연결된 주위 영역으로 조금씩 전파되는데, 어느 시점을 지나면 대뇌의 대부분 영역으로 슈퍼전파가 일어난다. 본 논문에서는 이러한 타우의 급격한 전파가 발생하는 것이 아밀로이드와 특정 영역에서 직접 만나면서 부스팅되기 때문이라는 것을 새롭게 밝혀냈다. 대뇌의 대부분 영역에 타우 단백질의 슈퍼전파가 일어나면 신경세포가 죽어서 소멸하는 현상을 막을 수가 없게 되어 결국 치매를 되돌리지 못하게 만든다는 측면에서 이 시기를 밝히는 것이 치매 치료에 매우 중요할 것으로 생각되고 있다. □ 성준경 고려대 교수는 “지금까지 알츠하이머 치매를 치료하기 위해서는 원인 물질인 베타-아밀로이드를 제거하면 된다는 생각에 글로벌 제약회사들이 25년 넘게 50조에 가까운 예산을 들여 치료제를 개발했으나 실패했다”라며 “이번 논문에서는 베타-아밀로이드를 표적으로 하는 치료제라도 타우의 슈퍼전파가 일어나기 전까지만 효능이 있으리라는 것을 세계최초로 밝힌 것”이라고 말했다. 또한, “세계최초로 미국 FDA로부터 조건부 승인을 받은 바이오젠의 알츠하이머 치료제(아두헬름, Aduhelm)와 같이 베타-아밀로이드를 표적으로 하는 약물이 향후 여러 제약회사에서 출시되고 국내에도 들어오게 된다면 이들 약물의 효과를 극대화할 수 있는 환자들이 누구인지 알려줄 수 있는 동반진단 기술이 반드시 필요할 것”이라며 “뇌 영상을 기반으로 개인별 알츠하이머 치료의 골든타임을 알려줄 수 있는 이 기술이 치료제 부작용이나 시기를 놓쳐 안타깝게 치료의 효능을 보지 못하는 환자들을 막을 수 있다는 측면에서 향후 고령화 시대에 치매의 정밀의료를 실현하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다”라고 연구 의의를 밝혔다. □ 이번 연구는 University of California at San Francisco의 William Seeley 교수 연구 팀과 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부의 ‘중견연구자지원사업’과 ‘인공지능대학원지원사업’ 지원을 받아 수행됐다. ※ 첨부 : 1. 논문소개 1부. 2. 그림설명 1부. 3. 연구진 소개 1부. 끝. [ 논 문 소 개 ] 제목 : Regional Aβ-tau interactions promote onset and acceleration of Alzheimer’s disease tau spreading ■ 뇌의 베타-아밀로이드(β-amyloid) 침착 및 타우(tau) 신경섬유 다발(neurofibrillary tangle) 형성은 알츠하이머병에서 볼 수 있는 병리학적 특징이다. 이 중 타우가 쌓인 정도나 퍼진 양상은 증상의 종류나 중증도와 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌고, 베타-아밀로이드는 이런 타우의 확산을 유발한다고 여겨져 왔다. 하지만 알츠하이머병 초기에 베타-아밀로이드와 타우가 서로 다른 뇌 영역에서 관찰되는 현상은 이 가설에 의문을 제기해왔고, 타우 전파 현상의 기전을 밝히기 위해 많은 시도가 이루어졌다. 특히 최근에는 타우가 시냅스를 통해 다른 신경세포로 전파된다는 가설이 힘을 얻으면서 뇌 신경망 기반의 모델들이 많이 제안되었다. 그러나 어떻게 멀리 있는 베타-아밀로이드가 초기 타우 병리에 영향을 미쳐서 주변으로 퍼지게 만드는지, 또 후기의 광범위한 타우 전파에 베타-아밀로이드가 어떤 역할을 하는지, 이 두 가지를 모두 설명하지는 못했다. ■ 성준경 교수 연구팀은 타우 전파의 시작과 가속 현상을 모두 설명할 수 있는 두 가지 아밀로이드-타우 상호작용 모델을 제안하였다. 각 상호작용 모델은 두 주요 영역에서 타우 전파가 일어날 때의 아밀로이드-타우 간 분포 양상을 토대로 정의되었는데, 하나는 타우가 쌓이기 시작하는 뇌 영역이고 다른 하나는 타우 슈퍼전파에 가장 큰 역할을 하는 것으로 추정되는 뇌 영역이다. 이 중 두 번째 영역은 뇌 신경망 네트워크와 해부학적 특징을 고려하여 영역 간 연결성을 새로 정의하고 타우 슈퍼전파에 가장 유리한 연결성 구조를 가지는 허브 영역을 선택하였다. 제안된 두 아밀로이드-타우 상호작용의 시간적 순서와 시점을 결정할 수 있어 각 알츠하이머병 환자가 병 진행 과정에서 어느 단계에 있는지 알 수 있으며, 이는 해당 환자의 치료 전략을 세우는 데 큰 도움이 된다. 치료 방법의 부작용과 저렴하지 않은 비용 등을 고려하면 환자에게 해당 치료법이 효과가 있을지 가이드를 주는 것은 매우 중요한 문제이며, 환자뿐만 아니라 새로운 치료 약물을 개발하는 제약회사에서도 임상시험 시 적합한 약물 투여 대상자를 고르는 것은 해당 임상시험의 성공률을 높이는 가장 중요한 요소이다. 본 연구는 기존에 설명하지 못했던 타우 전파의 시작과 가속 두 현상의 기전을 각 현상에 알맞은 아밀로이드-타우 상호작용 모델을 도입하여 제시하고 이를 기준으로 환자들을 분류할 수 있다는 점에서 중요한 의미를 가지며, 환자의 치료 전략 결정, 임상시험 대상자 기준 제시, 예후 예측 등 다양한 의료 분야에서 도움을 줄 것으로 예상한다. [ 그 림 설 명 ] 그림1. 알츠하이머 진행과정에서 결정적인 두 가지 시기 생물지표 이상(Y축)은 이상 단백질이 뇌에서 퍼진 정도를 나타내고, 질병 진행(X축)은 알츠하이머병의 진행 정도를 나타낸다. 결정적시기1: 타우가 쌓이기 시작하는 발생 영역(epicenter)에서 멀리 떨어져 있는 영역의 아밀로이드와 원격 상호작용을 함으로써 처음 주변 영역으로 전파가 일어난다. 전파가 시작되기 전까지는 아밀로이드와 타우 모두 작용을 하지 않아 백신을 통한 예방 정도의 전략이 필요할 것으로 예상된다. 결정적시기2: 타우가 주변 영역으로 퍼지다가 슈퍼전파 영역(propagation hub)에 도달하면 해당 영역에 이미 축적된 아밀로이드와 지역 상호작용을 거쳐 전파가 가속되어 슈퍼전파가 일어난다. 전파가 시작되고 슈퍼전파가 일어나는 시점까지는 타우보다는 아밀로이드의 영향력이 커서 아밀로이드를 중점적으로 치료하는 전략이 필요할 것으로 예상된다. 타우의 슈퍼전파가 일어나고 나면 타우가 빠른 시간 안에 광범위하게 퍼져 나가게 되므로 타우의 치료 없이 아밀로이드만 치료해서는 효과가 좋지 않을 것으로 예상된다.
2021.11.25 정아람 교수 'BioChip Journal 학술상(최다 피인용)' 수상
제주 신화월드에서 열린 2021 (사)한국바이오칩학회 추계학술대회에서 바이오의공학부 정아람 교수님께서 "BioChip Journal 학술상(최다 피인용)"을 수상하셨습니다.
2021.07.12 윤대성 교수팀, 정확하게 통풍 조기진단 가능한 나노바이오센서 개발
윤대성 교수팀, 정확하게 통풍 조기진단 가능한 나노바이오센서 개발 신장세포막을 전극에 코팅하는 방식 활용 분석화학분야 최고 권위지 Biosensors & Bioelectronics 논문 게재 ▲ 왼쪽부터 고려대 바이오의공학과 김인수 박사(공동 제1저자, 현 기초과학연구원), 가천대 바이오나노학과 김영임(공동 제1저자), 고려대 생명정보공학과 이규도 교수(교신저자), 고려대 바이오의공학과 윤대성 교수(교신저자) 보건과학대학 바이오의공학과 윤대성 교수 연구팀은 기존의 전기화학센서에 신장 세포막을 코팅하여 혈액 내의 요산 선택적 투과도를 높여 정확한 통풍 조기진단을 가능하게 했다. 이번 연구결과는 Elsevier에서 발행하는 분석화학(Analytical chemistry)분야 최고 권위지인 「Biosensors & Bioelectronics」(IF=10.257, JCR 분야 상위 0.581%)에 한국시간 6월 10일(목) 오전 온라인 공개됐다. 통풍은 주로 손가락 및 발가락 관절 마디에 요산이 축적되어 생기는 질병이다. 요산은 퓨린의 최종 대사물질로써, 퓨린은 육류, 어류에 풍부하게 존재한다. 그렇기 때문에 기름진 음식을 자주 즐기는 상류층 사람이 걸린다는 의미로 ‘황제병’, ‘귀족병’ 등의 명칭이 붙었으나 서구화된 식습관으로 최근엔 ‘서민질환’으로 분류되고 있다. 혈액 내 요산의 농도가 높아지면 요산은 관절에 요산 결정체를 형성하여 염증을 유발한다. 요산 결정체는 관련 관절부를 움직일 때마다 고통을 수반하여 일상생활에 지장을 준다. 현재 통풍 진단을 하기위해 광학현미경과 X-ray를 활용하고 있다. 광학현미경으로는 환자의 관절에서 윤활액을 주사기로 추출하여 요산결정체가 있는지 확인하는 방식으로 윤활액의 추출시 환자의 고통을 수반한다. X-ray 진단방식은 비침습적으로 환자의 고통을 수반하지 않으나, 해상도가 낮아 통풍의 조기진단이 불가능하다. 이를 극복하기 위해 혈액 내 요산의 농도를 측정하여 조기진단에 활용하는 연구가 활발히 일어났다. 하지만 요산은 항산화 물질이며 체내 농도가 비교적 낮은 편이라 체내 다른 항산화물질의 간섭현상에 의해 농도를 정밀하게 측정하기 어려움이 있어왔다. [그림1] 신장세포막이 코팅된 요산센서의 측정원리. 연구팀은 사람의 신장에서 요산이 배설되는 현상을 주목하여 신장의 요산 수송체가 핵심적인 역할을 하는 것을 파악 후, 요산 수송체라는 막단백질을 가지는 신장세포의 세포막을 고농도로 추출 및 정제했다. 그 후 신장세포막을 기존의 전기화학센서에 코팅하여 그 성능을 검증했다. (그림1) 신장세포막을 코팅한 요산 전기화학센서는 기존의 요산 전기화학센서와 비슷한 민감도를 나타냈으며, 요산의 탐지를 방해하는 체내의 항산화물질들 (아스코르브산 (비타민C), 바르비투르산, 리포산, 글루타티온, 니코틴아마이드)에 영향을 받지 않고 안정적인 신호 값을 나타냈다. (그림2) 뿐 만 아니라 0-1000 µM의 요산 범위 내에서 8.5 µM의 검출 한계로 요산을 조기 진단할 수 있으며, 3주간의 보관에도 성능을 잃지 않았다. [그림2] 요산세포막 센서와 일반센서의 요산 선택적 측정 성능 비교 윤대성 교수는 “이번 연구에서 고안한 신장세포막 코팅 요산 전기화학센서는 기존의 통풍 진단의 문제점이었던 통풍 환자의 고통 수반 및 조기진단의 불가능성을 극복하는 데 기여할 수 있을 것”이라며 “정확한 수치의 요산 진단을 방해하는 체내의 항산화 물질 이외에 다양한 종류의 방해 물질들에 대한 방어도 고려해야한다.”고 말했다. 글쓴이 : 커뮤니케이션팀 출처 : 고대소식ㅣ고대뉴스ㅣ연구 http://www.korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&siteId=university&page=1&id=university_060108000000&boardSeq=490351&command=albumView
2021.07.05 구자현 교수, Nature Biotechnology (IF=54.908)논문 게재
구자현 교수, Nature Biotechnology (IF=54.908)논문 게재 구자현 교수는 Nature Biotechnology 저널에 '몸 속에서 녹는 심장박동 조율기 개발'에 대한 논문을 게재하였다. Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries, Nature Biotechnology, 2021. (논문 링크 : https://www.nature.com/articles/s41587-021-00948-x) Nature Biotechnology 저널은 Biotechnology & Applied Microbiology 분야 저널로 상위 1%(0.943) 이내(IF=54.908, 2020 JCR 기준)에 속한다. 해당 논문의 관련 기사 : http://dongascience.donga.com/news.php?idx=47585
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