▣ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 □ 생체 방사선 피폭에 대한 정량적 피폭량올 기존의 방법이 아닌 새로운 분광학적 방법 중 라만 분광학올 활용하여 비침습적, 비파괴적으로 실시간 진단할 수 있는 생체 방사선 피폭 진단 센서를 개빌하고자 함 □ 본 센터가 보유하고 있는 방사선 조사기와 라만 분광기를 비롯한 공동활용기자재를 이용하여 방사선 노출 전·후의 생체 변화 감지가 가능한 새로운 분석법올 제시하고, 실용화하여 방사선 종사자들의 일상 점검 및 라돈올 비롯한 생활 방사선 피폭 유무를 조기에 진단할 수 있는 센서를 개발하고자 함 ◼ 전체 내용 본 연구에서는 분광학적 방법올 통하여 의료 전문가의 참여로 인한 생체 샘플 채취 과정이나 기존의 진단 장비를 통한 장시간의 결과 도출 과정이 없는 비침습적이고, 비파괴적으로 방사선 노출에 대한 생체 손상 실시간 진단올 위한 고감도 분석기술올 개빌하고자 함 □ 신속 정확한 방사선량 측정올 위한 지표 발굴: 방사선량 측정용 지표 발굴올 위해 방사선량 및 조사 빈도에 따른 정상 세포와 피폭 세포 간의 손상 정도를 라만 및 SERS 스펙트럼 측정하여 비교 분석 □ 새로운 피폭 방人버량 측정 지표 검출 방법 개발: 방사선 노출 시 생성되는 세포 별 활성산소종(Reactive Oxygen Species, ROS)의 라만 및 SERS 스펙트럼올 측정하여 분광학올 이용한 활성산소종 정량 표준화 시스템 구축 □ 동물 모델에서의 방사선량 진단 센서 개발: 방사선 노출에 따른 동물 모델 반음 평가 및 단백질 구조 변하를 분석. 라만 및 SERS 분석법올 적용하여 동물 모델에서의 방사선량 피폭 진단 센서 개발 ▣ 연구개발성과 □ 세포별로 방사선 조사에 따른 autophagy 유도 및 reactive oxygen species (R0S) 발현이 다르지만, 선량 증가에 따라 증가함올 확인함. 또한 라만 스펙트럼 올 통해 R0S 발현과 지질이 연관됨올 확인함 □ 방사선 조사 전·후의 생체 지표 표준화를 위해 방사선 조사로 인한 각질세포와 멜라닌세포의 지질 과산화 정도 비교 분석, 세포 노화 신호 전달 관련 단백질 검출, 각질 세포 구성 단백질의 라만 스펙트럼 분석하였음. 결과적으로 지질 변화를 생체 지표로 활용 가능함올 확인함 □ 동물 모델에서의 방사선량 진단 센서 개발올 위해, 방사선에 피폭된 쥐의 골수 세포와 피부 조직올 분석함. 라만 스펙트럼 분석 결과 생존율 감소가 DNA/RNA의 감소와 선형 관계로 나타남올 확인함. 또한 피부 조직의 변화를 외피와 내피로 나눠 분석하였으며, 5 Gy 이상에서 뚜렷한 징후가 나타남올 확인하였고, 콜라겐과 지질의 변화로 방사선량 피폭 진단의 마커로 사용할 수 있음올 확인함 ▣ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 □ 방사선 조사 전·후의 변화를 검출 할 수 있는 비파괴적·비침습적 새로운 방법에 대한 기초 지식 제공 □ 본 센터에 집적화된 방사선조사기와 분광분석장비/생물학적 분석장비/환경·에너지소재 연구 장비 등의 효율적·체계적 공동활용올 통해 수준 높은 연구성과 달성 □ 본 연구 과제의 성공적인 수행으로 바이오-나노 분석 화학 분야의 국제 연구 경쟁력 강화에 기여 □ 방사선조사기와 집적화된 분광분석/생물학적 분석 장비를 활용한 다학제간 공동 연구 활성화로 나노분광학 및 방사선의과학 연구성과 극대화 □ 본 연구의 성공적인 산학 공동 연구 수행으로 현장에서 바로 검출 가능한 이동식 라만 분광기용 진단 장비 개발에 기여 □ 세계적 수준의 방사선 융복합 연구 장비 활용 공동 연구 거점 역할올 통하여 방사선 연구 분야 역량 강화에 기여 □ 라만분광학 및 SERS 분광학올 이용한 새로운 유형의 방사선 검출 기술 개발에 따라 시장 점유율 증대 및 고부가가치 참출 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 박연주
• 주관연구기관 : 강원대학교
• 발행년도 : 20240500
• Keyword : 1. 라만분광학;방사선;진단센서;비침습적;실시간진단; 2. Raman spectroscopy;Radiation;Diagnostic sensor;Non-invasive;Real-time detection;

□ 연구개요 < 필요성 > ○ 두경부암 방사선치료로 인한 침샘 기능 저하 및 삶의 질 저하 - 침샘스캔을 이용하여 침샘 기능을 평가할 수 있으며, 기저상태의 침샘의 섭취 및 침분비 자극후 침샘의 분비양상을 통해 기능이상을 확인함. 방사선 치료 영역 및 선량에 따른 침샘 부위별 기능 평가를 위해서는 3차원 SPECT 기법을 사용해야 하나, 기존의 침샘 스캔은 2차원 검사법으로 각 침샘의 부위별 이상 유무 평가에 제한적 임. 최근 개발된 CZT SPECT/CT를 활용하면 실시간 침샘 SPECT 촬영을 통해 방사선 치료영역 및 선량에 따른 침샘 부위별 기능 평가가 가능함. < 연구내용 및 추진전략 > ○ 이종영상 융합 및 영상 분석 ① 방사선 치료 전후의 침샘 기능 변화를 3D SPECT/CT로 분석 - 기능 저하를 보이는 침샘 영역과 방사선 치료영역 및 선량의 연관성 정량적 분석 - 침샘의 부피 및 저선량 영역에 관한 영향 분석 가능 - 침샘 SPECT/CT 영상 parameter의 측정 및 계산 ‣ CT volume, SUVmax, SUVmean; Metabolic volume, uptake/recovery ratio, ejection fraction ‣ 치료전 및 치료후 변화값 ○ 환자군 모집 및 추적 검사 ① 치료후 침샘 기능을 평가할 수 있는 예측인자 발굴 - 치료 전후 및 추적관찰시 침샘 SPECT/CT양상 비교 분석 및 여러 임상적 인자들(ESR, CRP, amylase 등의 혈액학적 인자)을 이용 : 방사선치료전후 침샘기능 설문지 통해 실제 증상과도 비교분석함 ② 기존 연구들과 비교 시 해당 연구는 단기간 및 장기간의 변화를 동시에 추적 관찰하여 그 양상을 비교: 최종적인 침샘 평가를 통해 방사선 유발 침샘기능 저하의 호전 또는 비가역성 등의 만성적 변화를 분석함 ○ 침샘기능 평가 프로그램 구축 ① 해당 연구로 두경부암 환자의 치료 후 침샘 기능 변화 예측 프로그램의 구축 : 딥러닝 기반 침샘 SPECT/CT 학습용 데이터셋 프로그램 구축 - SPECT/CT장비에서 측정된 수치 및 영상데이터를 학습 서버로 전송하여 데이터셋 DB화 - 딥러닝 학습 프레임워크 구현 및 모델 알고리즘 구현 ② 구축된 프로그램을 통한 임상적 검증 및 환자 맞춤형 방사선치료(patient-specific radiation therapy) 가능 □ 연구 목표대비 연구결과 < 정성적 연구개발 결과 > - 이종 영상 융합 시스템의 구축 완료: 방사선 치료시 얻는 모의 영상과 침샘 기능 평가용 침샘 SPECT/CT의 융합 시스템 - 침샘 영향과 연관된 선량 한도의 설정 < 정량적 연구개발 결과 > - 특허 출원 및 등록 1건: 이종 영상 융합 시스템의 분석 방법 및 장치에 대한 특허 등록 완료 (목표성과대비 50% 달성) - 관련 논문 출간 (SCI) 2건 달성 (목표성과대비 100% 달성) 특허 출원을 제외한 나머지 연구 성과는 목표 성과를 충분히 달성함. 또한 특허는 출원을 목표로 하였으나 등록까지 되는 결과를 얻을 수 있었음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ① 의학적 측면 - 3차원 침샘 SPECT/CT의 침샘기능 평가에 대한 임상적 유용성 확보 및 두경부암의 새로운 치료 가이드라인 확보의 기반이 됨. - 해당 연구의 데이터셋 구축 프로그램을 통해 치료 후 침샘 기능 저하의 위험성이 높은 환자를 사전에 예측 가능. - 환자 맞춤형 방사선 치료법 적용을 통해 두경부암의 방사선 치료에 있어 새로운 방향을 제시함. ② 기술적 측면 - 해당 연구의 이종 영상 융합 + 추가적인 의료 데이터와 상관관계 연구. 환자의 혈액학적 샘플과 병리 샘플을 추가한 이종 융합 오믹스 분석을 위한 기틀 마련 ③ 경제·산업적 측면 - 통상적으로 방사선치료 후 발생하는 침샘기능 관련 합병증 감소를 통한 의료비용 및 연관된 사회경제적 비용 감소. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 유익동
• 주관연구기관 : 순천향대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 이종의료영상 융합;두경부암;방사선치료;침샘기능;환자맞춤형 치료; 2. integration of heterogeneous medical imaging;head and neck cancer;radiation therapy;salivary gland function;patient-specific radiation therapy;

□ 연구개요 연구가설: 종양 제어를 위해 필요한 X-선 및 중입자치료 선량을 유전자발현을 통해 예측할 수 있음 연구목적: 다양한 인간 유래 암 세포주들의 X-선 및 중입자치료에 대한 반응성을 측정하고 RNA sequencing을 시행하여 치료 반응성과 연관된 핵심적인 유전자들을 찾고 이를 토대로 유전자 발현에 기반을 둔 환자 맞춤 선량 결정 모델을 만들고자 함 연구목표: 최종목표: 유전자 발현 기반의 X-선 치료 및 중입자치료의 필요선량 예측 모델 개발 세부목표: -X-선 치료 및 중입자치료 저항성 세포주 확립 -차세대염기서열분석을 통한 X-선 및 중입자치료의 반응성 조절 핵심 유전자 분석 -종양제어를 위해 필요한 방사선량 결정모델 개발 및 임상적 효용성 검증 □ 연구 목표대비 연구결과 X-선 치료 저항성 세포주 확립: -방광암세포주/대장암세포주/췌장암세포주/신장암세포주/흑생종세포주/구강암세포주/후두암세포주에서의 방사선 저항성 세포주 확립 및 surviving fraction 확인함 -각 저항성 세포주에서의 방사선치료 반응성에 따른 유전자 발현 분석함 차세대염기서열분석을 통한 X-선 반응성 조절 핵심 유전자 분석: -Radiation Resistance Target Gene Screening 시행함: RNA seq data 를 기반으로 GSEA 분석 및 Gene ontology 분석을 해서 SF2 value 혹은 Radioresistant vs. WT cancer 에서 Gene expression 차이가 있는 유전자를 분석함 -Prediction algorithms of Radiation Resistance with Target Gene Screening data 제시함: AI 를 바탕으로 Gene expression 패턴에서 방사선 저항성과 관련 있을 것으로 예상되는 타겟을 분석하여 그것을 바탕으로 방사선저항성을 예측 모델을 제시함 인공지능기반 x-선 방사선민감성 예측 모델 개발 및 방사선민감성 예측관련 유전체 발현 정보 추출 -구축된 코호트를 활용하여 인공지능기반의 방사선 민감성 예측 모델 구축 -예측모델 기반 특정 유전자 발현 정보 추출 및 방사선 민감성 예측 방정식 개발 중입자 치료기를 활용한 실험법 확립 -기존 방사선치료와 동일한 효과를 보이는 중입자선의 선량을 기존 방사선 선량과 매칭함 -중입자 조사 시 세포 배양 조건 등을 확립하고, 본 실험법을 토대로 실험 계획서를 구축함 -방사선 저항성 세포주를 활용하여 pilot test 진행함 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 방사선종양학의 맞춤 의료 기반 기술 마련 -연구는 시행되고 있으나. “아직까지 구현되지 못한” 맞춤 X-선 방사선치료를 위해 필요한 기반이 되는 선량 예측모델을 제시함 -최적의 방사선치료선량 결정을 통해 종양 제어율 증가 및 부작용 발생 감소에 기여함 -암 치료 향상에 기여 추가 연구 계획: 중입자 기반 방사선치료의 선량 결정 모델 연구 계획함 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 금웅섭
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선치료;유전체발현;방사선저항성;예측모델; 2. radiotherapy;gene expression;radiation resistance;prediction model;

□ 연구개요 • 체외충격파치료를 이용하여 피부섬유화에 주로 관여하는 근섬유모세포에 기계적 변환을 일으켜 방사선 조사에 의한 피부 섬유화로의 진행을 차단시키고, 섬유화된 피부를 가역적으로 회복시키려고 함. • 방사선 피부섬유화 동물모델을 이용해 체외충격파를 효과적으로 전달하여 실제 임상에서 적용될 수 있는 프로토콜을 제안하려고 함. □ 연구 목표대비 연구결과 A. 체외충격파치료에 의해 발생하는 기계적 변환이 방사선 손상 섬유모세포에 끼치는 영향에 대한 연구 • 방사선 20 Gy의 single dose 로 2 Gy/min의 rate로 조사한 뒤 4Hz의 frequency, 0.1mJ/mm²의 energy flux density, 1000 impulses/cm2로 체외충격파치료를 cell에 시행함 = 체외충격파 세포모델을 정립함. • cell proliferation test = 체외충격파의 다양한 세기에서 세포독성이 없는 것을 확인하였고, 방사선 조사 후 체외충격파 치료에 의해 proliferation이 유의하게 증가한 것을 확인함 • wound healing assay = 방사선 조사 후 체외충격파 치료에 의해 세포의 이동성이 유의하게 증가한 것이 확인됨 B. 체외충격파치료가 방사선 피부 섬유화에 관여하는 세포신호전달체계에 주는 영향을 밝히기 위한 연구 • 방사선 손상 섬유모세포에서 TGF-beta/Smad pathway 인자들에 대한 qPCR과 westen blot = 방사선 피부섬유화에 관여하는 성장인자인 TGF-beta의 억제를 확인할 수 있었으나, TGF-beta/Smad 세포신호전달체계의 간섭효과는 확인할 수 없었음. 고찰상 체외충격파 세기에 따라 Smad-independent pathway를 따를 수 있음을 확인함. • 방사선 동물모델에서 TGF-beta/Smad pathway 인자들에 대한 protein assay = Smad3의 phosphorylation 억제를 통해 방사선 피부섬유화에 관여하는 성장인자인 TGF-beta의 억제를 확인할 수 있었음. C. 방사선 피부 섬유화 모델을 이용하여 체외충격파치료를 방사선 피부손상 치료에 실제 임상에서 적용할 수 있는 프로토콜 개발에 대한 연구 • 방사선 피부섬유화 동물모델 = 방사선 조사 후 mouse back skin에서 fibrosis가 감소하는 것을 M-T stain을 통해 확인. • 면역조직화학검사 = TGF-beta와 myofibroblast의 감소를 조직에서 확인할 수 있었고, 형광 염색을 통해 성숙혈관의 증가에 의한 치유촉진 원리를 이해할 수 있었음. ※ 상기결과들을 취합하여 국제학술대회 발표1회와 논문 투고 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 종양 환자의 방사선 항암 치료 후 체외충격파 치료를 통해 방사선 손상시 가장 흔하게 발생하는 피부 손상을 줄일 수 있어 방사선 치료에 대한 환자 순응도를 매우 높일 수 있을 것임. • 방사선 치료시 발생할 수 있는 피부 손상을 줄임에 의해 치료가 지연되어 생길 수 있는 방사선 치료의 결과나 환자의 삶의 질의 변화를 최소화할 것임. • 방사선 조사 피부 부위의 발암 가능성과 상처치유에 대한 문제점이 사라질 것이고, 이를 치료하는데 드는 많은 비용을 줄일 것임. • 체외충격파치료는 현재 여러 의료분야에서 널리 사용되고 있고, 그 부작용이 미비하여 손쉽게 임상에서 적용할 수 있음. • 연구가 성공적으로 진행되었고, 실제로 임상에서 적용할 수 있는 프로토콜로 연구를 진행하였기 때문에 다른 시행착오 없이 손쉽게 임상에서 적용할 수 있을 것으로 사료됨. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 박상우
• 주관연구기관 : 성균관대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 피부섬유화;체외충격파치료;기계적 변환;근섬유모세포; 2. Radiation-skin fibrosis;Extracorporeal shock wave therapy;Mechanotransduction;Myofibroblast;

□ 연구개요 항암 면역세포치료제의 체내 분포와 표적 종양 및 비표적 장기의 이동을 생체 분자영상을 이용하여 추적하고 평가하는 기술을 개발함. 당 대사공학 기술을 이용하여 항암 면역세포치료제에 표적능을 부가하고 생체 분자영상을 통해 표적능 분석을 수행함. □ 연구 목표대비 연구결과 1차년도 연구개발목표 1. 면역세포 표지기술 개발 및 최적화 • 세포표지용 방사성추적자 후보 3종 중 최종 2종 선정 • 세포 내 이입 또는 세포막 단백질 표지를 이용한 표지 기술 개발 완료 • 각 방사성추적자의 접합체의 방사성동위원소 표지 조건 최적화 완료 2. 항암 면역세포 방사성추적자의 생물학적 특성 및 안정성 평가 • 면역세포 후보 2종 중 1종 선정 • 방사성추적자의 혈청 내 안정성 평가 완료 • 방사성추적자의 세포독성 평가 완료 • 방사성추적자 처리에 따른 세포 특성 변화 평가 완료 • 방사성추적자 세포표지 효율 최적화 완료 2차년도 연구개발 목표 1. 당대사공학 기반 표적리간드 결합기술 개발 • 당대사공학 기질 (기질 후보 2종 중 1종 선정) 기반 세포 표면 아민기 도입 및 표적 리간드 결합 기술 개발 완료 • 당대사공학 기질(2종)에 대한 세포독성 평가 및 표지반응 최적화 완료 • 표적리간드 결합 과정에 대한 세포독성 및 특성변화 평가 완료 • 표적리간드 결합 면역세포의 표적능 평가 완료 표적 항암 면역세포 방사성추적자의 약동학 및 표적능의 분자영상평가 • 소동물 PET/CT 분자영상을 이용한 체내분포 평가 완료 • 비임상 소동물 종양 모델에서 약동학 평가 (미수행) □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 당 대사공학 기반 표적리간드가 결합된 표적 항암 면역세포를 방사선동위원소로 표지하여 체내거동을 추적할 수 있도록 하는 기반 플랫폼 기술을 개발함. 이를 이용하여 유전자 조작 등의 복잡한 과정 없이 다양한 표적 리간드를 이용하여 적응증 맞춤형 표적 항암 면역세포치료제의 생산이 가능함. 항암 면역세포치료의 체내 거동을 핵의학 분자영상을 통해 확인함으로써 세포치료제의 약동학 및 약동학 분석이 가능하며, 이를 바탕으로 세포치료제의 치료효능을 예측하고 부작용을 최소화할 수 있도록 하는 용량결정에도 중요한 정보를 제공할 것으로 기대함. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 송인호
• 주관연구기관 : 서울대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 항암;세포치료제;핵의학;분자영상;당대사공학; 2. Anti-cancer;Cell therapy;Nuclear medicine;Molecular imaging;Metabolic glycoengineering;

□ 연구개요 미세유체 칩열량계를 개발하여 세포에서 발생하는 열을 측정하고 이를 통해 세포대사율을 정량측정함. 기존에 개발하였던 칩열량계를 세포대사열을 측정하기 용이하도록 미세유체기능을 추가하고, 측정민감도 및 측정안정성을 개선하여 다양한 약물을 처리하였을 때 세포대사율 변화를 분석하는 방법을 확립함. □ 연구 목표대비 연구결과 - 칩열량계 성능 개선: Thermistor 온도센서의 전기적 특성을 분석하고 온도측정 민감도를 10 μK 수준으로 향상. Parylene bonding기술을 사용하여 측정챔버부피를 개선하여 volume-specific power resolution을 세계최고수준으로 확보. Droplet microfluidic를 접목하여 droplet을 이용한 유체조작. 항체를 이용한 세포포획 및 분리. - 측정환경 개선: Radiation shield를 on-chip 진공에 적용하여 열손실 감소. 온도 안정성이 10 μK 수준의 thermostat 개발. - 세포의 대사율 정량분석: 대사열 측정 민감도 100 pW 수준 확보. 부착세포와 부유세포에 대한 세포대사열 측정. 약물 처리시 대사열 변화 측정. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 세포대사열을 높은 민감도로 측정할 수 있는 미세유체 기반의 열량계는 대사관련 질환뿐 아니라, 암, 노화 등 다양한 영역에서 기초연구 및 응용연구에 활용될 수 있음. 특히 신약개발 시에 약물의 효과를 검정하기 위한 세포기반 검정법으로 활용될 수 있어 상용화 가능성도 높은 원천기술 개발연구임. 향후 기술을 더 발전시키고 처리량을 높여 실질적인 세포기반 검정이 가능한 기법으로 발전시키고 다양한 응용연구에 활용하고자 함. 이를 통해 새로운 세포대사율 측정기법으로 활용되어 의학 및 생물학 전반에 활용될 수 있을 것으로 기대함. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이원희
• 주관연구기관 : 한국과학기술원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 세포대사열;칩열량계;패릴린;미세유체; 2. cell metabolic heat;chip calorimeter;parylene;microfluidics;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 구민희
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 삼중음성유방암;단세포 BioPhysical 분석;방사선치료 저항성;바이오마커 표적 나노프로브;방사선 감응성; 2. triple negative breast cancer;single cell clone biophysical analysis;radiation therapy resistance;biomarker-targeted nanoprobe;radiosensitivity;

□ 연구개요 선행적 재활치료를 통해 방사선 치료 후 발생하는 림프부종을 감소시키고, 치료 후 발생한 림프부종 증상완화를 통해 유방암 환자의 삶의 질을 높이며, 더불어 유방암 치료 후 발생하는 수술흉터 구축, 유착성 관절낭염, 근위축, 피로도 증가 같은 근골격계 합병증 또한 예방하여, 최종적으로 기존의 유방암 환자 방사선 치료요법과 함께 시행할 수 있는 병용 재활치료 프로토콜을 정립하고자 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 1. 방사선-재활치료 프로토콜 확립 - 유방암 방사선 치료 후 림프순환 마사지 및 운동프로그램 설립 - 4주간의 단계적 재활운동 프로그램 정립 2. 방사선-재활치료 연구 진행 - 사전 검사(부종, 어깨관절 운동범위 평가) 진행 - 연구 전, 후 림프신티그래피 진행 - 림프부종 예방 재활치료 시행(도수림프배출법 및 근골격계 회복운동) - 삶의 질 및 피로도 설문 진행 3. 환자군 모집 - 총 31명의 환자 등록, 6명 환자 중도탈락, 최종 25명 환자가 최종 등록됨. 4. 연구 현황 및 관련 논문 - 최초의 편측의 유방암 수술 후 방사선 치료가 예정된 환자 중 연구를 희망하는 환자를 대상으로 연구를 진행함으로써, 환자 모집에 있어 시간이 많이 소요되는 점 감안하여 연구 3년차 종료시점까지 환자군 모집을 진행하였음 - 3년차 종료시점까지 모집된 환자 31명의 데이터를 분석 및 논문 초안 작성 중에 있으며, 1년 이내에 논문으로 출판할 예정임. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 유방암 환자에게 방사선 치료와 병행하여 선행적 림프부종 재활치료를 적용함으로써, 림프부종의 발생률을 감소 또는 완화시키고 동반되는 많은 근골격계 후유증들을 조기에 억제 및 예방하여 유방암 환자들의 삶의 질을 크게 향상시키며, 지속적인 유방암 치료 진행에 있어 치료 순응도를 높일 수 있을 것임. 재활의학과, 방사선종양학과 및 핵의학과 등 유방암 치료의 다학제적 연계를 통해 환자에게 보다 효율적인 의료서비스를 제공하고, 의료만족도와 삶의 질의 높은 향상을 가져올 수 있을 것임. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 도환권
• 주관연구기관 : 인제대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 림프부종;유방암;재활;방사선치료;회복운동; 2. Lymphedema;Breast cancer;rehabilitation;Radiation therapy;Remedial exercise;

□ 연구개요 1) 기존 Gaussian 빔의 회절 한계를 뛰어넘는 non-diffracting, self-healing(ND-SH) 빔을 형성하고 이를 집적 어레이로 형성 2) 이 laser 빔 집적 어레이와 radiation physics를 결합하여 기존의 optical trapping의 한계를 뛰어넘는 optical transportation (광학적 수송) 연구 3) 이와 같은 광학 기술을 활용하여 1, 2, 3 차원 optically-bound material (광학적으로 구속된 물질)을 형성하고 그 물리적 특성을 규명 □ 연구 목표대비 연구결과 ● 1차년도 목표: Non-diffracting self-healing (ND-SH) 빔 개발 및 이 빔을 기반으로 1차원 어레이 (1×N) 형성기술 개발 연구 결과: Fiber optic 기반 ND-SH 빔 형성 기술 개발 성공, 이를 바탕으로 1×2, 1×3, 1×4 어레이 형성 성공 ● 2차년도 목표: 고굴절율 입자로 1차원 (1×N) 어레이 광구속 물질 구현 및 물리적 광학적 특성 분석 연구결과 : 광구속 조건 (광세기, 유체 점도, 흡수도, 온도)등 실험으로 파악 ● 3차년도 목표: Non-diffracting self-healing (ND-SH) 빔에 의한 2차원 광구속 물질 형성 기술 개발 연구결과: 2차원 다각형 optical trap형성, 광학적 궤도 운동 실험 성공 ● 4차년도 목표: 거시 3차원 Optically bound material을 위한 ND-SH 빔 및 Non-diffracting self-accelerating (ND-SA) 빔 연구 개발 연구결과: 광섬유 기반 ND-SA 빔 형성 기술 개발 성공, 특성 이론적 실험적 분석 ● 5차년도: ND-SA 빔을 이용한 3차원 미시입자로 구성된 Optically bound material을 거시공간에 형성 연구결과 : NS-SA 빔을 활용하요 미시입자 (nano-particle)을 광학적으로 trap하고 이를 transport하여 나노 입자 어레이를 형성하는 성공 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ● 본 연구를 통해 기존의 non-diffracting, self-healing(ND-SH) 빔을 형성하는 방식과 전혀 다른 새로운 방식, Fiber Optic based Micro-scale 방식을 자체 개발에 성공하였음. ● 또한 기존의 ND-SH 빔으로 불가능하였던 미소 물방울 내부에서 공간적으로 multiplexing이 본연구 결과물로는 가능함을 실험적으로 증명하였음 ● 기존 Bulk-optic 으로 형성된 ND-SH 빔의 비회절구간의 거리에 유사한 거리를 Fiber Optic Micro-scale 방식으로도 도달할 수 있음을 이론적으로 실험적으로 증명하였음. ● 새로운 형태의 laser 빔 shaping 기술을 개발하여 이를 활용한 극미세 기계적 물질 가공 및 생물조직의 광학적 조작에 새로운 기반을 확보. 관련 원천 기술 확보 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 오경환
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 회절 한계;비회절빔;자기치료빔;광학집게;광학수송;Non-diffracting 빔;Self-healing 빔; 2. Diffaction limited;Optical Tweezer;Optical transport;

□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 세로토닌-N-아세틸전이효소 (SNAT)는 멜라토닌 생합성의 직전 단계(penultimate) 효소로 멜라토닌 생합성의 rate-limiting enzyme으로 작용한다. 벼에서 SNAT 유전자는 두 개의 isogene으로 존재하지만, 벼 SNAT isogene의 분화 기원 연구는 전혀 없는 상태이다. 벼 SNAT 유전자의 phylogenetic tree 분석을 수행한 결과, 벼 SNAT ortholog 유전자가 동·식물 세포의 공통 기원세포로 알려진 단세포 녹조류인 Chlamydomonas의 genome에 존재하였고, 동시에 동물 SNAT ortholog 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. 또한, 다세포식물의 기원 종으로 알려진 Gonium sp. genome에는 벼 SNAT homolog 유전자 SNAT1과 SNAT2 유전자만 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 벼 SNAT isogene 유전자의 분화가 단세포에서 다세포로 분화되는 시점에서 분화된 것임을 추정할 수 있었으나, 이 가능성은 이들 SNAT 유전자들의 기능이 검증되지 않는 상태에서는 단정할 수 없는 상태이다. 본 연구는 Chlamydomonas에 존재하는 동물 SNAT homolog, 식물 SNAT homolog, 및 Gonium sp. 에 존재하는 두 종의 벼 SNAT 유전자를 in vitro에서 발현시켜 SNAT 효소 특성을 분석하고, 벼에 형질전환하여, 형질전환 벼에서 멜라토닌 생합성 능력과 생리생태적 특성을 검정하여 벼 SNAT1 & SNAT2 유전자의 기능과 비교 분석하려고 함으로서, 식물에서 멜라토닌 생합성 SNAT 유전자의 추가적인 isogene 획득 및 분화기원 경로를 규명하고자 한다. ◼ 전체 내용 1) Chamydomonas와 Gonium sp.로부터 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 클로닝 및 효소특성 분석 -단세포 녹조류 Chlamydomonas로부터 plant SNAT 유전자(CrSNAT2)와 animal SNAT 유전자(CrAANAT) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 & SNAT 효소 기질특이성 분석 -다세포 녹조류 Gonium sp.로부터 SNAT1 유전자 (GpSNAT1)와 SNAT2 유전자 (GpSNAT2) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 & SNAT 효소 기질특이성 분석 2) 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -CrSNAT2, CrAANAT, SNAT1, GpSNAT2 바이너리벡터 클로닝 및 벼 형질전환 -CrSNAT2, CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T₁ 형질전환 벼 육성 및 유전자 발현 확인 -T₁ 및 T₂ 형질전환 벼에서 transgene copy 분석 및 유묘 특성 분석 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T₂ 형질전환 벼 screening 및 유전자 발현 확인 3) SNAT ortholog 유전자 발현과 멜라토닌 생합성 연계성 규명 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 단백질의 세포 내 위치 분석을 위한 confocal analysis -SNAT ortholog 단백질의 과다발현 형질전환 벼에서 SNAT 효소의 멜라토닌 합성 능력 확인 -4종의 T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 전구체 HPLC 분석 (트립토판, 트립타민, 세로토닌, 아세틸세로토닌, 및 멜라토닌) -4종의 T₂ 형질전환벼에서 멜라토닌 대사체 분석 (2-hydroxymelatonin, 3-hydroxymelatonin, AFMK, 및 AMK) 4) 4종의 SNAT 발현 T₂ 형질전환 벼의 스트레스 저항성 분석 및 수량 특성 등 생리·생태적 특성 연구 및 유전자 기능 규명 ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 벼 SNAT1 유전자의 phylogenetic tree 분석을 수행한 결과, 벼 SNAT1 ortholog 유전자가 동·식물 세포의 공통 기원세포로 알려진 단세포 녹조류인 Chlamydomonas의 genome에 존재하고 동시에 동물 SNAT ortholog 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. Chlamydomonas 와는 다르게 다세포식물의 기원 종으로 알려진 Gonium sp. genome에는 벼 SNAT homolog 유전자 SNAT1과 SNAT2 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. 본 연구는 Chlamydomonas에 존재하는 동물 SNAT homolog 유전자, 벼(식물) SNAT homolog 유전자, 및 Gonium sp. 에 존재하는 두종의 벼 SNAT isogene 유전자를 클로닝 하여, 대장균에 발현하고, 정제하여 SNAT 효소 특성을 비교 분석하며, 벼에 형질전환하여, 형질전환 벼에서 멜라토닌 생합성 능력 검증하여 cyanobacteria에서 녹조류(단세포에서 다세포로)로 진화하는 과정에서 멜라토닌 생합성 SNAT유전자의 추가적인 isogene 획득 및 분화기원 경로를 규명하고자 한다. ❏ 연구 내용 1) Chamydomonas와 Gonium sp.로부터 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 클로닝 및 효소 특성 분석 -단세포 녹조류 Chlamydomonas로부터 plant SNAT 유전자 (CrNAT2)와 animal SNAT 유전자 (animal CrAANAT) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 및 SNAT 효소 기질특이성 분석 -다세포 녹조류 Gonium sp.로부터 SNAT1 유전자 (GpSNAT1)과 SNAT2 유전자 (GpSNAT2) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 및 SNAT 효소 기질특이성 분석 2) 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, GpSNAT2 바이너리벡터 클로닝 및 벼 형질전환 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 단백질의 세포내 위치 분석을 위한 confocal analysis -T₁ 형질전환 벼에서 transgene copy 분석 및 유묘 특성 분석 -T₂ 형질전환 벼에서 homozygous 분석 및 유묘 특성 분석 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T2 형질전환 벼 screening 및 유전자 발현 확인 3) SNAT ortholog 유전자 발현과 멜라토닌 생합성 연계성 규명 -SNAT ortholog 단백질의 과다발현 형질전환 벼에서 SNAT 효소의 멜라토닌합성 능력 확인 -T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 전구체 HPLC 분석(트립토판, 트립타민, 세로토닌, 아세틸세로토닌, 및 멜라토닌) -T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 대사체 분석 (2-하이드록시멜라토닌, 3-하이드록시멜라토닌, AFMK, 및 AMK) ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 멜라토닌을 합성에 관여하는 SNAT는 분화과정을 거치는 과정에서 매우 잘 보존되어 있으며 멜라토닌합성에 매우 중요한 효소이다. 식물에서 멜라토닌은 생물적, 비생물적 스트레스에 대한 방어기작에 관여할 뿐만 아니라 뿌리 생장, 개화, 2차 대사산물에 관여하는 것으로 알려져 있다. 벼에서 SNAT1과 SNAT2 유전자는 모두 멜라토닌 합성능력을 가지고 있지만 두 유전자의 기능은 공통 표현형인 성장억제를 제외하면 유전자의 발현 시기, 발현 위치, 스트레스에 대한 반응성, 호르몬 연관성 등에서 차이를 보여주고 있다. 2단계 연구는 1단계에서 확보한 4종 SNAT 발현 형질전환 벼의 내재 멜라토닌 증가로 인한 스트레스 반응성 검정 및 생리·생태적 특징을 비교하고 동시에 전사체분석을 이용하여 4종의 SNAT 유전자 과발현에 의한 유전자군의 변화를 확인하여, 기존에 보고된 SNAT 과발현 식물의 전사체분석 결과와 비교 분석하여 4종 SNAT 유전자들의 분화와 진화 관계를 규명하고자 한다. ❏ 연구 내용 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼의 스트레스 저항성 검정 및 생리·생태적 특성 검정 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼 radical scavenging activity 분석 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼의 전사체분석과 그 결과를 활용한 멜라토닌 신호전달 후보 유전자 발굴 및 멜라토닌 반응성 연관성 조사 -스트레스 조건에서 SNAT 유전자의 발현 및 단백질 조절기작 조사 -GpSNAT1 및 GpSNAT2 과발현 형질전환 벼의 스트레스 저항성 검정 및 생리·생태적 특성 검정 -GpSNAT1 및 GpSNAT2 과발현 형질전환 벼의 radical scavenging activity 분석 -GpSNAT 과발현 형질전환 벼의 전사체분석과 그 결과를 활용한 멜라토닌 신호전달 후보유전자 발굴 및 멜라토닌 반응 연관성 조사 □ 연구성과 - Chlamydomonas의 SNAT ortholog 유전자 (CrSNAT2, CrAANAT) 및 Gonium sp.의 SNAT 유전자 (GpSNAT1, GpSNAT2)의 효소기질특이성을 분석한 결과 기질인 세로토닌에 대한 Km은 CrSNAT2, CrAANAT alc GpSNAT1 각각 358 μM, 247 μM, 442μM이고, Vmax는 185 pmol/min mg protein, 325 pmol/min mg protein, 937 pmol/min mg protein GpSNAT2는 효소활성이 매우 낮아 측정이 불가하였음. -단세포 및 다세포 녹조류 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -CrAANAT 및 CrSNAT2 단백질이 세포질 내에 localization 됨을 확인 -기질인 5- methoxytrptamine (5-MT)을 처리하여 멜라토닌 합성능력을 확인한 결과 CrAANAT, CrSNAT2, GpSNAT1 과다발현 형질전환 벼에서 각각 39.8%, 19.1%, 12.5 % 멜라토닌 양이 증가하는 것을 확인 -CrAANAT 과다발현 형질전환 벼의 종자크기가 증가된 것을 확인함 □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 식물에서 멜라토닌 생합성의 핵심유전자인 벼 SNAT 유전자는 cyanobacteria에서 발견되며, 이후 내공생과정 (endosymbiosis)을 통해 홍조류의 엽록체 genome에 존재하다가, 단세포 녹조류에서 nuclear genome에 안착된 것으로 보이고, 이후 분화과정 중에 최소 2종류의 SNAT isogenes을 획득한 것으로 추측된다. 단세포녹조류 Chlamydomonas, 다세포녹조류 Gonium sp.에서 발견되는 SNAT 유전자 연구는 SNAT 유전자의 기원과 분화과정 「Cyanobacteria → Red algae → Chlamydomonas → Gonium sp. → plants」 evolution에 대한 결정적인 유전적인 정보를 제공하게 될 것이며, 연구과정 중 육성된 고멜라토닌 함량 생산 벼를 육성하여 스트레스 저항성 작물 개발의 자원으로 활용될 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 황옥진
• 주관연구기관 : 전남대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 멜라토닌 분화;세로토닌아세 틸전이효소;클라미도모나스;고니움;형질전환 벼; 2. melatonin evolution;serotonin N-acetyltran sferase;Chlamydomonas;Gonium;transgenicrice;