국내연구진, 관상동맥질환 예측 AI 앱 개발 

뇌경색 환자에서 숨어있는 관상동맥질환을 예측할 수 있는 AI가 개발됐다.

세브란스병원 신경과 남효석 교수, 영상의학과 허준녕 임상연구조교수 연구팀이 뇌경색 환자에서 숨어있는 관상동맥질환의 발생 위험을 80%의 정확도로 예측함으로써 치료 계획 수립을 돕는 인공지능(AI) 애플리케이션을 개발했다고 7일 밝혔다. 

연구 결과는 미국신경과학회 대표 국제학술지 뉴롤로지(Neurology, IF 11.8) 최신 호에 실렸다. 

뇌경색은 뇌혈관이 막혀 공급되는 혈액량이 줄어서 뇌세포가 죽는 질환이다. 콜레스테롤, 혈전(피떡) 등이 혈관에 쌓이는 동맥경화가 대표적인 원인으로 팔다리 마비, 얼굴 마비, 발음 장애와 같은 증상을 보인다. 뇌경색 환자에서 심장혈관이 막히는 동맥경화에 의한 관상동맥질환이 동반되는 경우가 많다. 심장에 산소와 영양분을 공급하는 혈관인 관상동맥이 막히면 심근경색으로 급사에 이를 수 있다.

이를 예방하기 위해 관상동맥 CT 검사 등으로 뇌경색 환자에서 관상동맥질환을 검사한다. 하지만 방사선의 유해성과 조영제 부작용, 검사 비용 등이 환자에게 부담이 될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 뇌경색 환자에서 관상동맥질환의 발생 가능성을 예측하는 인공지능 기술을 개발했다. 2008~2012년 세브란스병원에 입원한 관상동맥질환 병력이 없는 뇌경색 환자 1710여 명의 데이터를 기반으로 개발했다. 2013~2015년 환자를 348명을 대상으로는 인공지능 모델의 유효성을 검증했다.

연구팀은 인공지능 모델로 관상동맥 협착의 유무와 50% 이상의 심한 협착이 있는 환자들의 관상동맥질환을 예측했다. 환자의 과거력, 검사 결과, 뇌경색 분류, 뇌혈관 협착 등의 변수를 이용했다. 개발된 인공지능 모델은 약 80%의 정확도로 관상동맥질환이 숨어있는 환자를 구분할 수 있었다. 인공지능 모델보다 더 많은 변수를 이용해 신경과 전문의가 같은 환자를 대상으로 예측했을 때 약 60%의 정확도를 보인 반면, 인공지능은 더 적은 변수로도 80%에 달하는 정확도를 보였다.

이와 함께, 연구팀은 같은 검증 집단에서 인공지능이 앞으로 관상동맥질환 발병 가능성이 높다고 판단한 위험군의 실제 심혈관 질환 합병증 발생 위험률을 조사했다. 5년간 추적 조사한 결과, 위험군에서는 비 위험군 대비 합병증 발생 위험률이 1.5~2배 더 높았다.

연구팀이 개발한 인공지능 애플리케이션은 뇌경색으로 입원 시 나이, 병력 등 일반적으로 확인할 수 있는 환자의 임상 정보를 입력하면 쉽고 빠르게 관상동맥질환 예측이 가능해, 임상 현장에서도 쓰일 수 있다. 이번 인공지능 애플리케이션은 뇌경색 환자에서 관상동맥질환을 예방할 수 있는 선제적 치료 계획 수립에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다. 

남효석 교수는 “뇌경색 환자에서 관상동맥질환이 발생하면 급사의 위험이 크지만 이를 빠르고 정확히 예측하는 방법이 없어 안타까운 상황이 많았다”며 “이번에 개발한 인공지능 애플리케이션이 관상동맥질환 진단과 발병 가능성을 예측해 치료 계획 수립에 도움이 되길 기대한다”라 말했다.

진피 줄기세포, 출생 직후 모낭생성능력 소실

태아 때만 갖고 있는 모낭 재생능력을 성인의 피부에서도 회복할 수 있는 가능성이 제시됐다. 국내 연구진이 모낭 재생능력의 소실 과정과 핵심인자를 최초로 규명해냈다.

서울대병원 피부과 권오상·조성진 교수 연구팀(김진용 박사, 박민지 박사과정)은 태아기 모낭 생성을 담당하는 성체 줄기세포인 ‘상부진피 섬유아세포’를 대상으로 출생 직후 모낭 재생능력이 사라지는 기전에 대해 연구한 결과를 7일 밝혔다.

모낭은 태아기 3~7개월에 완성된 후 더 이상 생성되지 않는다. 모낭 생성을 담당하는 진피 줄기세포가 출생 후 기존의 모낭 재생능력을 잃어버리기 때문이다. 그러므로 사는 동안 모낭에 손상을 입으면 그 개수가 줄어 영구적인 탈모로 이어지게 된다.

연구팀은 출생 후 진피 줄기세포에서 모낭 재생능력이 사라지는 기전을 확인하고 원인을 찾기 위해 쥐의 진피 줄기세포인 ‘상부진피 섬유아세포(이하 섬유아세포)’를 분석했다.

그러자 섬유아세포의 모낭 재생능력은 출생 직후 급격히 감소하여 생후 4일째 완전히 없어지는 것으로 나타났다.

이처럼 급격한 변화의 원인을 찾기 위해 섬유아세포의 유전자 발현 양상을 날짜별로 확인한 결과, 세포를 성숙시키는 유전자 발현은 급증한 반면 재생능력과 관련된 것은 급감하는 모습이 관찰됐다.

연구팀은 불과 4일 만에 유전자 발현 양상이 급변한 원인을 후생유전적 조절 기전의 일종인 ‘히스톤 단백질 탈아세틸화’에서 찾았다.

후생유전적 조절 기전은 DNA 염기서열의 변형 없이, 스위치처럼 유전자 발현을 열고 닫는 조절을 통해 유전자 발현 패턴이 변하는 것을 말한다.

출생 직후 발생한 히스톤 단백질 탈아세틸화 현상은 섬유아세포 내 염색질 재구조화를 일으켰고, 이로 인해 재생능력 관련 유전자 발현이 감소하는 방향으로 전반적인 발현 패턴이 변화했다.

반면 의도적으로 탈아세틸화를 억제한 경우 염색질 재구조화가 발생하지 않아서 유전자 발현 패턴에 변화가 없었다. 그에 따라 섬유아세포의 모낭 재생능력도 유지되는 것으로 나타났다.

나아가 연구팀은 이 기전의 핵심 조절인자를 확인하기 위해 추가 실험을 진행했으며, ‘Twist2 전사인자’가 탈아세틸화를 유발하는 효소와 결합해 염색질 재구조화를 조절한다는 사실을 확인했다.

이를 바탕으로 Twist2 전사인자가 섬유아세포의 모낭 재생능력이 소실되는 기전에 있어서 결정적으로 관여하는 ‘마스터 조절자’라고 연구팀은 결론지었다.

이번 연구는 그동안 정확히 알려진 바 없었던 진피 줄기세포의 모낭 재생능력 소실 기전을 최초로 규명했다는 점에서 중요한 성과다.

특히 마스터 조절자인 Twist2 전사인자를 조절해 성인기에도 모낭 재생능력을 활성화시킬 수 있다는 가능성을 제시하여 의미가 크다고 연구팀은 강조했다.

피부과 권오상 교수는 “연구로 밝혀진 기전을 활용한다면 성인기에도 모낭을 갖춘 온전한 피부를 재생할 수 있을 것으로 기대된다”며, “이 결과는 영구 탈모를 겪고 있거나 피부 조직이 심하게 손상된 환자들에게 재생의학 관점에서 새로운 치료의 길을 열어줄 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구과제의 지원으로 이뤄졌으며, 셀 학술지의 오픈 액세스 저널인 ‘셀 리포트(Cell Reports)’에 온라인 게재됐다.

삐뚤거리는 치아, 유전 성향 낮아 

자녀의 치아가 비뚤거리면 엄마나 아빠를 닮아서라고 생각할 수 있는데, 실제로 비뚤거리는 치아는 유전 성향이 낮다는 재미있는 연구결과가 발표됐다.

아주대 임상치의학대학원 김영호 교수와 채화성 강의 교수 연구팀은 지난 2011년부터 2018년까지 가족 중에 쌍둥이를 둔 553명의 가족 중 일란성 쌍둥이 36쌍, 이란성 쌍둥이 13쌍 그리고 형제 26쌍(평균 연령 39.8세, 모두 동성) 총 150명을 대상으로, 옆얼굴 방사선 사진 즉, 측모두부방사선사진(Lateral cephalogram)을 촬영해 다양한 수평·수직 길이, 각도와 비율을 측정했다. 

측정한 수치는 유전역학에 근거한 통계 방법을 이용하여 대상자 간의 일치도를 찾아내고, 그 일치도를 통해 유전적 연관성을 예측했다. 

그 결과 얼굴의 유전율은 크기보다는 모양을 그리고 수직적 길이와 비율에서 높은 유전율을 보이는 데 반해, 치아의 유전율은 앞니와 송곳니의 수직적 위치 외에는 상대적으로 유전율이 낮았다. [그림 1]은 치아의 유전율을 연구하기 위한 계측점을 표시한 것이다. 

예를 들어 한국인의 얼굴에서 높은 빈도를 보이는 주걱턱은 유전 성향이 강해, 부모로부터 유전될 확률이 높고, 크기보다는 모양이 더 유전되는 것으로 밝혀졌다. 

반면 치아는 유전 성향이 낮아 부모의 치열이 가지런해도 자녀의 치아는 비뚤거릴 수 있으며 형제간에도 다른 치열 양상을 흔히 볼 수 있는 것으로 확인됐다. 

연구 대상 중 일란성 쌍둥이의 경우 유전자가 100% 동일하므로 동일한 치열 양상을 보일 것으로 예상했으나, 흥미롭게도 치열의 양상이 거울을 보듯 대칭적으로 나타났다. [그림 3]은 일란성 쌍둥이의 치열 상태로, 일란성 쌍둥이 중 한 명은 상악의 왼쪽 송곳니가 튀어나와 비뚤거리고, 다른 한 명은 반대쪽인 오른쪽 송곳니가 튀어나와 있는 것을 볼 수 있다. 아마도 자궁 내에서 서로 반대쪽에 대칭으로 위치하며 자라서 거울상(mirror image)을 보이는 것으로 추측된다고 연구팀은 설명했다.

김영호 교수(아주대 임상치의학대학원장 겸 치과병원장)는 “자궁 내에서 아이의 얼굴과 치아가 형성되는 과정에서 유전적 요소 외에 환경적 요소가 복합적으로 작용하는 것으로 확인됐다. 특히 치아는 유전 성향이 낮아 부모가 자녀의 비뚤거리는 치아에 대해 미안해 하지 않아도 된다”라고 말했다.

또 ”치아 중 비교적 유전율이 높은 앞니와 송곳니의 경우, 8~9세 경 치과교정과 검진을 통해 비뚤거리거나 위치 이상이 있는 치아로 인해 맹출(돋아남)이 방해받지 않도록 공간부족, 악습관, 교합 이상 등의 원인을 미리 차단하는 교정치료를 받을 것을 권장한다“라고 덧붙였다.

연구팀은 지난 8년간 치아의 수와 형태 이상부터 안면 골격, 연조직, 오목형, 볼록형 얼굴 패턴 등에 관한 논문 10여 편을 국내외 학술지에 발표했다.

한편 이번 연구는 2022년 6월 치과 분야 SCI급 국제학술지인 Clinical Oral Investigations에 ‘Heritability of maxillary dental cephalometric variables among monozygotic twins, dizygotic twins and their siblings(쌍둥이 연구를 통한 한국인 측모두부방사선사진 상악 치아 계측치의 유전적 연관성 고찰)’란 제목으로 게재됐다.

한양대학교병원, '연구자주도 혁신형 심포지엄’ 개최

한양대학교병원은 오는 15일 온라인 생중계로 혁신형 의사과학자들의 연구 역량 강화와 연구 증진 교류를 위한 ‘2022 제8회 연구자주도 혁신형 심포지엄’을 개최한다. 

윤호주 병원장은 “혁신형 의사과학자 공동연구사업에서는 임상 현장 기반 실용화 연구를 추진하고 있고, 지난해에 이어 올해까지 사업 2단계인 연구자주도 혁신형 심포지엄을 개최하고 있다”면서 ”이번 심포지엄에서는 소화기 분야에서 인공지능을 이용한 대사체학 연구에 대해 준비하였으니 관심있는 연구자들의 교류가 활발해지는 시간이 됐으면 한다”고 말했다.

최성지 교수의 주도로 진행되는 이번 심포지엄은 ‘소화기 연구의 새로운 영역, 인공지능을 이용한 대사체학의 연구’를 주제로 두 개의 세션으로 나뉘어 세션별로 3명의 연자들이 최신연구 동향을 발표한다.

첫 번째 세션에서는 최호순 소화기내과 교수(한양대학교 의무부총장 겸 의료원장)가 좌장을 맡고, 최기환 KIST 선임연구원이 ‘Deep Weakly Supervised Learning Methods for Classification and Localization in Medical Image Analysis’, 김윤재 길병원 소화기내과 교수가 ‘인공지능의 대장내시경 적용’, 권효준 한양대 공과대학 연구원이 ‘인공지능을 이용한 췌장암 세포 분류’를 주제로 강좌한다.

두 번째 세션에서는 조주연 서울의대 임상약리학교실 교수가 좌장을 맡고, 황영자 고려대 약학대학 교수가 ‘Application of High Resolution Metabolomics for early diagnosis of gastric cancer’, 조주연 서울의대 교수가 ‘Discovery of diagnostic and therapeutic metabolic markers using metabolomics’, 서종복 한국기초과학지원연구원 박사가 ‘Mass spectrometry-based omics study’를 주제로 강좌한다.