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종양 미세환경 내 CD8 T세포 분화 및 해부학적 위치 규명
의과대학 면역학교실 임세진 교수 연구팀은 미국 조지아주 에모리 대학교 Rafi Ahmed 연구팀, Suresh S. Ramalingam 연구팀과의 공동연구를 통해 종양 미세환경 내에 독점적 증식 능력을 가지는 TCF1 발현 CD8 T세포군이 존재함을 밝히고, 이들은 주로 3차 림프구 구조(tertiary lymphoid structures)에 머무르고 있음을 발표하였다. CD8 T세포는 종양 미세환경 내에서 항종양 면역을 담당하는 주요 세포이다. 이번 연구에서는 여러 마우스 종양 모델과 인간 폐암 샘플을 이용하여 연구한 결과, 종양 특이적인 CD8 T세포는 전사조절인자 TCF1을 발현하는 전구세포군과 Tim-3를 발현하는 효과세포군으로 구성되어 있음을 밝혔다. TCF1 발현 CD8 T세포는 세포융해능력은 없지만 항원 자극 후 독점적으로 증식할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 증식과 함께 세포융해능력을 가지고 있는 Tim-3 발현 효과 T세포로 분화함에 따라 지속적으로 종양 특이적인 CD8 T세포 반응을 유지함을 확인하였다. 더 나아가 인간 폐암 샘플을 이용하여 CD8 T세포군의 종양 미세환경 내 위치를 분석한 결과, Tim-3 발현 효과 T세포는 종양 내로 침윤하여 종양 세포와 상호작용을 하는 반면, TCF1 발현 전구 T세포는 주로 3차 림프구 구조에 위치함에 따라 종양 세포와는 멀리 떨어져 존재함을 밝혔다. 또한 마우스 종양 모델과 인간 폐암 환자의 CD8 T세포의 증식을 비교한 결과, 인간 폐암 환자의 CD8 T세포는 대부분이 휴지기 상태이고, 일부의 Tim-3 발현 효과 T세포만이 증식하는 것과 달리, 마우스 종양 모델에서의 CD8 T세포는 대부분 활발히 증식하고 있으며, 이러한 차이는 모델간의 종양 발생 이후 기간의 차이에 기인함을 밝혔다. 성균관대 임세진 교수는 “PD-1 면역관문 억제제의 치료반응성을 유도하는 TCF1 발현 CD8 T세포가 주로 3차 림프구 구조에 위치하는 것은 이 위치에 해당 세포군을 유지하는데 중요한 기전이 있을 것으로 예상하며, 추가적인 연구가 기대된다. 또한 본 연구를 통하여 마우스 종양 모델과 암 환자에서 얻은 결과 간의 차이점을 보다 잘 이해할 수 있을 것으로 생각된다.”고 설명하였다. 이 연구결과는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 국립암센터 공익적암연구사업의 지원으로 수행되었으며, 미국 국립과학원회보(PNAS, IF: 12.779)에 10월 10일 발표하였다. ※논문명: Characteristics and anatomic location of PD-1+TCF1+ stem-like CD8 T cells in chronic viral infection and cancer ※저자명: 임세진 (교신저자) [그림] 비소세포폐암 환자의 종양 조직 내 TCF1 발현 전구세포군의 위치 (출처: Im and Obeng et al. (2023) PNAS)
- No. 243
- 2023-10-27
- 5909
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초고감도 유연 투명 압전 나노발전기 개발
성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀은 산업용 배관 및 파이프 내부의 공동현상(cavitation)으로 생성된 미세기포(microbubble)를 감지할 수 있으며, 동시에 이러한 미세기포가 지닌 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 고감도 유연 투명 압전 나노발전기를 개발했다고 밝혔다. 유비쿼터스(ubiquitous)한 에너지원을 활용할 수 있는 압전 나노발전기는 화석연료의 고갈 및 환경오염 등의 이슈들에 대응할 수 있는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 본 연구에서는 전기방사(electrospinning), 전기도금(electroplating), 정전기 스프레이(electrostatic spraying) 및 화학 용액 증착법 (chemical bath deposition) 기술들을 활용하여, 얇고 투명하며 유연성을 지닌 초고감도 압전 나노발전기를 개발하였다. 특히, 미세기포의 물리적인 움직임에 기인한 미세 부력을 감지하고, 이를 전기에너지로 변환할 수 있어, 복잡하고 다양한 크기의 배관 설비를 필요로하는 플랜트 산업 전반에 센싱 및 에너지 하베스팅 소자로서 활용될 수 있을 것이라 연구팀은 기대하고 있다. ※ 공동현상: 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상 ※ 미세기포: 대략 100 ㎛ 미만의 직경을 갖는 매우 작은 크기의 기포 ※ 압전 나노발전기: 나노구조를 지닌 압전 재료를 이용하여 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 수확 기술 ※ 전기방사 : 전기장을 이용하여 고분자 용액을 직경 수백 나노미터 수준의 나노섬유로 생산하는 기술 ※ 정전기 스프레이: 전기장을 이용해 액체를 미립화하는 기술 ※ 화학 용액 증착법: 수용액 상태의 전구체를 이용하여 재료를 박막에 증착하는 기술 성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀(1저자 최대규 박사과정, 공동 1저자 조홍석 박사)은 전기전도성이 우수한 니켈 마이크로 섬유의 전극 표면에 압전성질의 산화아연 나노와이어를 균일하게 성장시켜, 유연 투명 고감도 압전 나노발전기를 개발하였다고 밝혔다. 본 압전 나노발전기는 10 N의 외력이 가해졌을 때, 35 V의 발전 성능을 보였으며, 특히 미세기포의 움직임에 의한 0.009 N의 초미세 부력에서도 0.04 V의 발전 성능을 나타내었다. 더불어, 약 100,000회 이상의 반복적인 외력이 가해지는 조건에서도 안정적인 발전 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성을 입증하였다. 안성필 교수는 “최근에는 다학제 과학기술이 접목된 연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 만큼, 다양한 분야 연구자들 간의 활발한 연구지식교류를 통해 앞으로도 혁신적인 연구가 끊임없이 이어지는 것이 중요하다.”라고 말했다. 이번 연구의 1저자 최대규 박사과정 학생은 “일상생활에서 낭비되고 있는 운동에너지를 전기에너지로 수확하는 에너지 하베스팅 연구는 다가올 미래의 패러다임을 변화시키기에 충분한 잠재력을 지니고 있는 연구라고 생각한다.”라고 뜻을 밝혔고, 공동 1저자 조홍석 박사는 “본 연구에서 개발된 초고감도 미세기포 감지 센서 및 압전 나노발전기는 초소형 전자기기의 센서 혹은 발전 용도로 활용될 가능성이 크다고 생각되기 때문에 이에 따른 후속 상업화 연구가 기대된다.”라고 말했다. 참고로 이번 SCI 논문의 주저자인 최대규 학생은 박사과정 초년생이고 공동 1저자 조홍석 박사는 ‘한국연구재단 창의도전연구 과제’에 이번에 선정되어 앞으로 이들의 연구자로서의 많은 활약이 기대된다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구사업(RS-2023-00211303), 중견연구사업(2021R1A2C2007141) 및 나노커넥트사업(2022M3H4A408507611)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구는 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials (IF: 19)에 8월 30일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Transparent, Flexible, and Highly Sensitive Piezocomposite Capable of Harvesting and Monitoring Kinetic Movements of Microbubbles in Liquid (저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202307607) [ 초고감도 고투명 압전 나노발전기의 제조공정 및 미세기포 감지 실험과 플랜트 산업응용 계략도 ]
- No. 242
- 2023-10-20
- 6745
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폐암환자들에서 코로나19 바이러스 감염이 폐암 진행에 미치는 메커니즘 제시
폐암 발병 및 진행은 유전적 변이 및 외부 다양한 인자들에 의해 유도된다. 최근 코로나바이러스 2 (SARS-CoV-2)은 세계적으로 코로나바이러스 대유행을 야기하였으며, 이에 따라 기저질환이 있는 환자들에 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 결과를 야기할 수 있음이 보고되고 있다. 하지만, 이들에 관한 과학적 원인 규명은 아직 미흡하다. 특히 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 호흡기를 통한 감염이 주를 이루고 있기 때문에 폐암환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 암질환 악화를 유도할 수 있음이 임상적으로 제기되고 있다. 본 연구팀은 폐암 환자 유래의 암 조직 및 정상 조직에서 얻은 유전자 데이터를 활용하여 폐암 환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염이 폐암 발달에 미치는 분자-세포 기능을 규명하였다. 본 연구 결과, SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 염증 및 암발달을 조절할 수 있음을 처음으로 제시하게 되었다. (그림1) SARS-CoV-2 바이러스는 세포에서 발현하는 바이러스 수용체인 Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) 및 Transmembrane protease serine subtype 2 (TMPRSS2)에 의해 감염됨이 보고 되었다. 또한 선천 면역 반응 (Innate Immune Response)을 조절하는 선천 면역 수용체 (Innate Immune Receptor)인 톨라이크 수용체들과 결합할 수 있음이 보고 되었다. 폐암에 있어서 톨라이크 수용체들은 암발달 (Cancer Progression)을 조절하는 중요한 인자로 제시되고 있으며, 이는 폐암-SARS-CoV-2 바이러스-톨라이크 수용체 간 연관성을 추정할 수 있었다. 이에 관한 과학적 연관성을 검증하고자 폐암 환자 유전자 데이터를 활용하여 SARS-CoV-2 바이러스 수용체와 톨라이트 수용체의 발현에 따른 암발달 조절 유전자를 분석하였으며, 이들에 관한 기능적 규명을 위하여 유전자 교정 기법 (CRISPR/Cas9 gene editing method)을 활용하였으며, 그 결과 폐암세포에서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 톨라이트 수용체 2를 통하여 암세포 발달을 조절될 수 있음을 제시하게 되었다. 본 연구는 제1저자로 김미정 박사 (성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자)/ 김지영 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정)/ 신지혜 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정) 학생이 연구에 기여하였다. 연구결과는 암 중개 의학 분야 저명 국제 학술지인 Cancer Communication 2023 Sep 13 (IF: 16.2)에 게재되었다. 본 연구는 중견연구자지원 사업 및 기초 연구실 사업을 통하여 수행되었다. 논문명: The SARS-CoV-2 spike protein induces lung cancer migration and invasion in a TLR2-dependent manner. Cancer Commun (Lond). 2023 Sep 13. doi: 10.1002/cac2.12485) 저자: 김미정 (제1저자, 성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자), 김지영 (석박통합과정), 신지혜 (석박통합과정), 이기영 (교신저자, 성균관대학교 의과대학 교수). 그림 1: SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 암발달 조절 기능
- No. 241
- 2023-10-12
- 6359
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폭염이 노년기 인지기능에 미치는 부정적 영향 규명
성균관대의 이해나 교수와 미국 뉴욕대(New York University) 세계공중보건대학원 연구팀(최은영 박사·버지니아 장 교수)이 폭염의 노출이 늘어날수록 빈곤층 노인과 같은 사회 취약계층의 인지능력이 부유층보다 더 빠르게 저하된다는 연구 결과를 발표했다. 이해나 교수 연구팀은 영국의학저널(British Medical Journal)의 공공보건 국제 학술지인 Journal of Epidemiology and Community Health(IF: 6.3; 공공보건 분야 상위 8%)에 이와 같은 결과를 발표했다. 미국에서는 날씨로 인한 주요 사망 원인으로 폭염이 꼽히며, 허리케인·토네이도·번개를 합친 것보다 폭염으로 인한 사망자가 많다. 특히 노인은 노화로 인한 신체변화로 인해 온열 질환에 약하다. 그간 연구에서 폭염에 노출되는 빈도가 증가될수록 노인의 신체 건강에 부정적인 영향을 미친다고 밝혀 왔지만, 무더위가 인지 기능에 미치는 장기적 영향은 알려진 게 적다. 이 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 이해나 교수 연구팀은 미시간대 사회연구소(University of Michigan ISR)가 2006~2018년 52세 이상 미국 성인 9500여명을 대상으로 실시한 Health and Retirement Study 데이터와, 같은 기간 발생한 폭염 빅데이터를 통합해 분석했다. 미국 질병통제예방센터(CDC)의 전국 환경 공중보건 추적 네트워크의 데이터를 통해 참가자들의 누적 폭염 노출량을 계산하고 같은 기간 이들의 인지 기능 변화와 거주지역의 사회경제적 지표도 파악했다. 분석 결과, 폭염에 노출되는 빈도가 높을수록 가난한 지역 거주자의 인지 능력이 부유한 지역 거주자들보다 더 빨리 저하되는 것으로 나타났다. 또한 폭염 노출로 인한 인지 기능 저하는 흑인 노인층이 백인이나 히스패닉 노인층보다 더 큰 것으로 조사됐다. 이러한 현상은 주로 부유한 지역과 가난한 지역 간에 무더위를 완화할 수 있는 복지시설과 건축 환경이 다르기 때문으로 나타날 수 있다. 부유한 지역에서는 잘 관리된 녹지 공간, 에어컨, 그리고 햇빛으로부터 피할 수 있는 무더위 쉼터와 같은 시설이 잘 갖쳐줘 있지만, 반면 가난한 지역에서는 이러한 시설이 부족한 경우가 많기 때문이다. 본 연구는 점점 더 올라가는 기온에 대비해 고위험 지역 사회를 찾아내 정책적으로 지원하는 제도가 필요함을 제시한다. 폭염 취약계층에 대한 심층적 분석을 실시함으로써, 폭염과 노인건강 연구의 다각화를 도출했다는 데에 의의가 있다. 환경 빅데이터와 미국 전국 노인 패널조사를 병합함으로써 특정 병원이나 지역에 한정된 이전 연구들의 한계를 극복하고, 노년사회학에 새로운 융합적 시각을 제시하였다. 논문명: Cumulative exposure to extreme heat and trajectories of cognitive decline among older adults in the USA •저널: Journal of Epidemiology and Community Health •저자명: 이해나(공동 1저자), Eunyoung Choi(공동 1저자), Virginia Chang(공동저자) •DOI: http://dx.doi.org/10.1136/jech-2023-220675
- No. 240
- 2023-09-26
- 7344
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메타표면 칩 기반 세포 모니터링 기술 개발
생명물리학과 김인기 교수 연구팀(공동저자: 김양규, Aleksandr Barulin 박사)은 하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수 및 서울시립대 최인희 교수팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링 할 수 있는 초분광 이미징 기술을 개발했다. 초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 모양과 사물의 분광 신호를 동시에 관찰하는 기술이다. 이를 통해 사물을 관찰하게 되면 사물의 위치 정보와 화학물질에 대한 시공간적 정보를 동시에 얻을 수 있다. 세포 안에서 일어나는 다양한 생명현상과 직간접적으로 관련된 화학물질을 세포 안 또는 밖에서 실시간으로 탐지하고 모니터링하는 기술은 각종 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구된다. 연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다. 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 시토크롬은 전자전달계에 관여하는 단백질로 세포의 건강 상태를 판별할 인자로 사용되고, 클로로필의 경우에는 식물세포에서 광합성에 관여하는 빛 에너지를 흡수하는 안테나 역할을 한다. 더 나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술 또한 선보였다. 메타표면 칩 위에 정상세포, 암세포 및 약물처리가 된 암세포를 키우고, 각 세포에서 나오는 활성산소를 비표지 방식으로 모니터링 할 수 있는 기술을 개발하였다. 1시간 동안 세포의 동일한 위치에서 나오는 활성산소의 양을 모니터링하며, 약물처리된 암세포-일반 암세포-정상세포 순으로 활성산소가 많이 분비되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 기술은 향후 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제학술지인 Advanced Materials(IF = 32.086)에 8월 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 본 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다. ▲ 그림1. 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도 ▲ 그림4. Advanced Materials 표지논문
- No. 239
- 2023-09-14
- 5510
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강력한 항암면역의 새로운 수지상세포 발견
성균관대학교(총장 유지범) 생명과학과 배용수 교수 연구팀은 종양성장을 효과적으로 억제할 수 있는 면역원성이 강화된 수지상세포가 인터류킨-33에 의해 새롭게 분화됨을 발견하고 그 분화기전을 규명했다고 밝혔다. ※논문명: Discovery of highly immunogenic spleen-resident FCGR3+CD103+ cDC1s differentiated by IL-33-primed ST2+ basophils ※저자명: 배 용 수 (교신저자), 강 명 호 (제1저자) 수지상세포는 병원체 또는 외부항원을 포획한 뒤, T 세포에 항원을 제시하여 항원 특이적 면역반응을 유도하는 강력한 항원제시세포이다. 수지상세포 중에서도 제1형 수지상세포*(이하 cDC1)가 세포독성 T 임파구의 활성을 효과적으로 유도하는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 특징으로 인해 수지상세포는 오랜 기간 항암 세포치료제로의 개발 가능성을 두고 연구되어 왔다. 그러나 실제 임상에서 기대만큼 항암면역 유도능이 높지 않아 지금까지도 면역원성을 높이는 것이 과제로 남아있다. * 제1형 수지상세포 : 세포독성 T 세포 활성을 높이는 수지상세포 아군 인터류킨-33은 조직손상 시 손상부위 회복을 위해 분비되는 사이토카인으로 암성장에 대해서는 오랫동안 상반된 연구결과가 보고되어 왔다. 이런 가운데 최근 IL-33 이 cDC1을 매개로 항종양면역반응을 유도한다는 연구가 발표되었다. 그러나 인터류킨-33의 자극을 받은 cDC1의 특성 및 분화기전에 대해서는 전혀 알려진 바가 없어 이를 규명한다면 면역원성이 강화된 새로운 수지상세포 암백신으로 개발이 가능할 것으로 예상하였다. 연구팀은 인터류킨-33을 직접 생쥐에 투여하여 체내에서 분화된 수지상세포와 인터류킨-33을 이용하여 실험실에서 분화시킨 수지상세포의 여러 가지 특성이 유사하며 유세포분석, 전사체 분석 등을 통해 면역원성의 증가, 세포독성 T 세포 유도능의 증가 및 항종양면역반응 촉진 효과 등이 동일함을 검증하였다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 실험실 분화과정에서 인터류킨-33이 수지상세포 분화에 직접 작용하지 않고 수지상세포와 함께 존재하는 호염구 (basophil)를 자극하여 특정 분화인자들을 분비하게 하고 이 인자들이 고 시간차를 두고 면역원성 cDC1의 분화를 주도한다는 새로운 기전을 규명하였다. 또한 마우스 수지상세포 뿐 아니라 유사한 기전으로 인체 단핵구 유래 수지상세포 암백신의 면역원성도 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 성균관대 배용수 교수는 “기존 수지상세포 암백신 효능강화 연구는 분화가 완료된 세포에 다양한 면역증강제를 처리하여 면역원성을 높이는데 초점을 맞춘 반면, 본 연구에서는 혈액 줄기세포 분화단계에서 제 3의 면역세포 존재 하에 인터류킨-33을 처리하여 새로운 고 면역원성 수지상세포로의 분화를 유도한 것입니다. 마우스 뿐 아니라 인체 단핵구 유래 수지상세포 분화에서도 유사한 결과를 얻었기에 이러한 분화기술을 인체 수지상세포 암백신 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대합니다”라고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 SRC 선도연구센터(비임파성장기면역연구센터, 센터장: 배용수 교수) 과제로 수행되었으며 본 연구결과는 면역학 분야 국제학술지 Cellular and Molecular Immunology (IF=24.1)에 2023년 5월 29일 On-line 본으로 게재되었다. (그림1) 인터류킨-33에 의한 고 면역원성 수지상세포의 분화 및 항암면역 인터류킨-33의 자극을 받은 호염기구가 다양한 사이토카인을 발현하고 이들이 수지상세포 전구체에 시간 차를 두고 작용하여 고 면역원성의 새로운 수지상세포 아군(CD103+FCGR3+ cDC1)의 분화를 유도함. 이 수지상세포가 세포독성 T 임파구를 대량 증폭시켜 종양을 제거함. (그림2) 인터류킨-33에 의한 면역원성 수지상세포 백신효과 분석 인터류킨-33으로 유도한 고 면역원성 수지상세포에 종양항원 처리 후 여러 종양 마우스 모델에 투약하여 종양성장 억제효과 검증. 고 면역원성 수지상세포 백신 (FL-33-DC)이 다른 수지상세포 백신 대비 더 효과적으로 종양성장을 억제함. <그림 및 설명 제공: 성균관대 비임파성 장기면역연구센터 (SRC), 센터장 배용수 >
- No. 238
- 2023-09-01
- 8388
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오토바이 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning 기술 개발
오토바이 탑승 시 교통 법규를 지키는 것은 안전을 위해 매우 중요한 일이다. 오토바이 운전자 및 탑승자들이 헬멧을 착용하고 한 대당 적정 인원만이 탑승하게 하려면 인식 개선 캠페인과 함께 단속 강화가 필요할 것이다. 그러나 오토바이 헬멧 착용 여부를 일일이 교통 감시 카메라 영상을 보며 찾아내는 것은 오랜 시간과 많은 인력을 필요로 한다. 또한, 현존하는 오토바이 관련 교통 법규 위반자 자동 검출 시스템 기술은 아직 상용화할 수 없는 수준이다. 예를 들자면, 카메라 영상에 여러 오토바이가 있을 때 검출 시스템이 각 오토바이의 정확한 위치를 파악하는데 사람의 도움을 필요로 하기도 하고, 운전자와 탑승자 각각의 헬멧 착용 여부를 효과적으로 체크하지 못하는 경우가 발생하기도 한다. 그림 1. 오토바이 헬멧 착용 여부 검출 예시. 이러한 검출 시스템의 연구 개발을 촉진하기 위해 2023년 제7 회 AI City Challenge에서 ‘헬멧 착용 의무 위반자 검출 경진대회’가 열렸다. 2023년도 6월 캐나다 밴쿠버에서 열린 인공지능과 컴퓨터 비전 분야 세계 최고 학술대회인 CVPR (Computer Vision and Pattern Recognition)에서 주관한 이 경진대회에서는 각 참가 팀이 5개월 간의 기간 동안 오토바이 운전자와 탑승자 개개인의 헬멧 착용 여부를 검출할 수 있는 시스템을 개발하여 그 성능을 비교하였다. 그림 2. 제안한 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning. 이 경진대회에서 성균관대학교 반도체시스템공학부의 전재욱 교수팀은 전세계의 38개 팀과 경쟁하여 1위로 우승을 차지하였다. 전재욱 교수팀은 여러 대의 오토바이 운전자와 탑승자의 위치를 먼저 찾아낸 후, 각 오토바이의 운전자와 탑승자들이 헬멧을 착용했는지 여부를 검출하는 두 단계 구조의 인공지능 기술을 개발하여 최고의 검출 성능 점수를 획득하였다. 그림 3. 각 단계의 데이터 변환 과정. 이번 우승으로 전재욱 교수팀의 기술력을 세계에 알리게 되었으며, 개발된 기술은 향후 지능형 교통감시시스템에 널리 활용될 것으로 기대된다. 향후 미래의 스마트 시티에서는 교통 법규 위반 자동 검출뿐만 아니라 차선 인식, 분기로/합류로 인식, 신호등 및 표지판 인식, 자동주차, 주변 환경 인식 등이 수행되어야 한다. 이를 위해서는 지능형 영상처리 기술이 필요하며, 전재욱 교수팀은 관련 연구를 지속적으로 진행할 예정이다. 그림 4. 다양한 환경에서의 헬멧 착용 여부 검출 결과
- No. 237
- 2023-08-24
- 7128
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인간 뇌처럼 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로 구현
성균관대 전자전기공학부 유우종 교수와 에너지과학과 이영희 교수 공동 연구진은 현대자동차 원의연 책임연구원과의 협업을 통해 인간 뇌세포와 동등하게 동작하는 인공 뇌세포 소자를 개발하였고, 이를 이용하여 인간 뇌세포의 다중 연결 신경망 구조를 모사한 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로를 구현하였다. 현재의 인공지능 알고리즘은 대용량 슈퍼컴퓨터 수백 대를 이용해 막대한 전기에너지를 사용한다. 반면 인간의 뇌는 주먹 두 개 정도의 작은 크기에 매우 적은 에너지를 사용하여 지능을 구현한다. 만약 인간의 뇌와 같은 원리로 동작하는 인공 뇌를 만든다면 조그마한 스마트 폰에서 동작하는 인공지능이 가능할 것이다. 실제로 인간의 뇌를 모사한 ‘뉴로모픽 시스템’이 활발하게 연구되고 있고, 특히 인간의 뇌를 정밀하게 모방할 수 있는 신개념 메모리인 ‘멤리스터(Memristor)’가 주목받고 있다. * 뉴로모픽 시스템 : 인간의 뇌를 본뜬 Neuromorphic (뉴로모픽) 구조의 컴퓨터. 기존 컴퓨터는 폰노이만 구조로 수학적 계산과 같이 순차적 계산은 빠른 반면 인공지능에서 필요한 여러 가지 일의 병렬적 계산은 적합하지 않다. 알파고의 경우 폰노이만 구조의 컴퓨터에서 병렬적 계산을 할 수 있도록 소프트웨어로 구현하였다. 이를 위해 수천개의 컴퓨터를 병렬로 연결하여 사용하고, 매우 많은 전력소모가 발생한다. 반면 뇌를 본뜬 뉴로모픽의 경우 하드웨어 자체를 병렬계산에 적합하게 만들었다. 인간의 뇌세포와 같이 수만개의 작은 cpu와 메모리를 병렬로 연결하여 컴퓨터를 만든다. 각 cpu와 메모리의 소비전력이 작아 전체적으로도 매우 작은 전력으로 높은 인공지능을 수행할 수 있다. * 멤리스터 : 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어. 일반 저항과 달리 저항이 고정되어있지 않고 외부의 입력에 의해 저항값이 변하며 일정 시간 이를 저장하는 메모리 역할을 한다. 기존 메모리 소자는 0/1의 2개의 상태를 기억하는 반면, 멤리스터는 100개 이상의 상태를 기억 가능한 소자이다. 그 결과, 멤리스터 1개가 메모리 8개를 대체할 수 있어서 인공 뇌 신경망의 크기와 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 멤리스터는 저항값의 변화로 기억을 저장하는 새로운 소자로, 뇌세포 간 연결체이자 기억저장 기관인 ‘시냅스’를 모방하는데 사용된다. 유우종 교수 연구진은 지난 2016년 우수한 신뢰성을 보이는 플래시 메모리 기반의 ‘2전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하였고, 이를 이용하여 시냅스의 기억저장 방식을 모사하였다(Nature Commun. Doi:10.1038/ncomms12725). 그러나 인간 뇌 기능을 완벽히 구현하기 위해서는 연산을 수행하는 뇌세포 모방 소자가 추가로 필요하다. * 플래시 메모리 : 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치로 매우 우수한 신뢰성을 보여 스마트폰, 디지털카메라 등의 휴대기기에 널리 쓰이고 있다. 연구진은 이번 연구에서 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하여 뇌세포(뉴런)의 동작을 모사하는데 성공하였다(그림1). 여러 갈래로 연결된 뇌세포 간에 서로 전기신호를 주고받게 되는데, 이때 뇌세포는 전달받은 전기신호를 몸체(막전위)에 누적(누설합산 기능)하고 일정량 이상의 전기신호가 누적되면 새로운 전기신호를 발생(발화 기능)시킨다. 연구진은 먼저‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용하여 이러한 뇌세포의 동작을 완벽히 따라 하는 인공 뇌세포를 구현했다. ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’의 플로팅게이트의 전위는 뇌세포의 막전위를 모사하여 누설합산 기능(leaky-integrate)을 모사하였고, 순차회로로 연결된 비교기를 통해 전기신호 누적량 측정과 뇌세포의 전기신호 발화 기능(fire)을 모사하였다.‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’는 여러 개의 전극(다중전극)을 갖는 구조인데, 이를 이용하여 뇌세포 간 여러 갈래 연결을 모사할 수 있었다. 연구진은 다음으로 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’ 여러 개를 서로 연결하여 인간의 뇌세포 간 연결구조의 스스로(비지도) 학습을 모사하였다(그림2).이를 위해 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’기반 인공 뇌세포(연산소자) 12개(입력 9개, 출력 3개)를 ‘플로팅게이트-멤리스터(2016년)’인공 시냅스(기억소가) 27개로 연결한 인공 뇌 신경망 회로를 구성했다. 이렇게 구성한 인공 뇌 신경망 회로는 인간 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분을 사람의 간섭없이 스스로(비지도) 학습하였고, 학습한 지능으로 다양한 방향선의 방향을 완벽히 구분해내었다. 또한, 인간의 손글씨 숫자 데이터(MNIST 데이터셋)의 학습 시뮬레이션에서 인간의 간섭 없이 스스로(비지도) 학습하여 83%의 높은 정확도를 보였다. 유우종 교수는 “본 연구는 인간 뇌와 완벽히 일치하게 동작하는 인공 뇌세포, 시냅스 그리고 인공 뇌 신경망 회로의 개발을 통해 인간과 같이 스스로(비지도) 학습하는 능동적인 인공지능을 구현 했다는데 의의가 있다.”며 “인간의 지식 테두리 안에 갇혀있는 기존 지도학습과 달리, 비지도 학습은 데이터를 통해 스스로 학습하므로 인간의 지식수준을 뛰어넘는 신지식의 도출이 가능한 창의적인 인공지능 구현이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF = 17.694)에 5월 27일 게재되었고, 최신 논문 중 최고의 논문을 선정하는 ‘에디터 하이라이트 페이지’(Editors’ Highlights page) Devices 섹션에 6월 14일 소개되었다. * Multi-neuron connection using multi-terminal floating–gate memristor for unsupervised learning (저널: Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38667-3, Editors’ Highlights page - Devices: https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg) 그림1. [왼쪽] 인간 뇌의 뇌세포 간 연결구조. [오른쪽] 인간 뇌세포 및 연결구조를 모사한 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용한 인공 뇌세포 구조 그림2. [왼쪽위] 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분 [오른쪽] 이를 구현한 뇌세포(연산) 소자 12개와 시냅스(기억) 소자 27개를 연결한 ‘인공 뇌 신경망 회로’
- No. 236
- 2023-08-11
- 11812
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사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다
동물은 주어진 환경에 적응하고 살아가기 위해 다양한 감각 정보를 활용하며, 특히 인간을 포함한 영장류는 주로 눈을 통해 얻은 시각정보에 의존한다. 우리 뇌는 시각정보가 정확하지 않거나 제한적인 경우에도, 시각정보와 과거의 경험 지식에 기반한 예측정보를 통합해 적절한 행동을 할 수 있게 한다. 그러나 이러한 정보의 통합과 처리가 뇌의 어느 영역에서, 어떻게 처리되는지는 아직 명확하지 않다. 글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀은 영장류 행동 실험과 신경세포 활동 측정을 통해 얻은 데이터를 바탕으로, 사전 경험지식에 의한 예측이 시각정보를 처리하는 대뇌피질 감각영역의 세포활동을 조절해 움직이는 물체를 추적하는 능력을 높인다는 사실을 밝혔다. 원숭이 행동실험 결과, 움직이는 시각자극이 잘 보이지 않더라도 이전 실험 경험을 통해 이동 방향을 예측할 수 있는 경우에는 물체를 추적하는 안구운동의 정밀도가 높았고, 예측할 수 없는 움직임을 보이는 경우에는 정밀도가 낮아짐을 확인했다. 또한 이와 같이 잘 보이지 않는 물체의 움직임에 대한 안구운동 정밀도의 향상은 대뇌 외측시각피질 세포들의 신경활성의 조절로 잘 설명되었는데, 이는 외측시각피질 세포들의 활성 패턴이 시각 자극물의 방향에 대한 예측도 표상할 수 있으며, 이것이 안구 운동의 정밀성과 연관되어 있음을 보여준 것이다. 이번 연구를 이끈 이준열 교수는 연구결과가 “대뇌 외측시각피질이 환경으로부터 얻은 감각 정보를 단순히 신경 신호로 전달하는 영역이 아니라, 사전 지식 및 예측에 의해서 동일 감각정보를 다르게 해석하여 행동을 조절할 수 있는 뇌영역이라는 것을 보여준다”고 전했다. 또한, “대뇌피질의 감각 영역이 사전 정보를 이용해 어떻게 감각운동 행동 변화에 기여할 수 있는지를 밝힘으로써, 감각운동 정보처리의 신경 기전에 대한 이해를 높였다”라며, “감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 전했다. 본 연구는 기초과학연구원 (IBS-R015-D1)의 지원을 받아 수행되었고 사이언스 자매 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6)’에 7월 7일 온라인 게재됐다. 박정준 석사후 연구원 (현 Washington University St. Louis 박사과정 학생)과 김설민 박사과정 학생이 공동 제1저자로 기여하였으며 같은 과 김형구 교수와의 협업으로 이루어졌다.
- No. 235
- 2023-08-01
- 9052
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전자 궤적이 야구 변화구처럼 휘는 현상을 경금속에서 관측 성공
에너지과학과 최경민 교수 연구팀(공동1저자 최영관박사, 공동1저자 고경훈 박사과정)과 포항공대 이현우 교수 연구팀 (공동1저자 조대근 박사과정)은 금속에 전기장을 걸었을 때 전자의 원자핵 주변 궤도 공전 때문에 전자가 전기장과 어긋난 방향으로 휘면서 흘러간다는 것을 세계 최초로 밝혔다. 야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 타자가 공략하기 힘든 것처럼 전기장을 걸었을 때 생기는 전류 흐름을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구진은 경금속에서 전자의 스핀 대신 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해서 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것을 확인하였다 (궤도 홀 효과). 최경민 교수 연구팀은 “이 연구는 전자의 궤도 각운동량이 고체내에서 제어될 수 있음을 보여준다. 제어가 가능한 궤도 각운동량은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 스핀 각운동량과 결합하여 저전력 자성 메모리 개발에 응용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 과학분야 세계 최고의 학술지인 Nature 에 7월 6일에 게재되었다. 논문명: Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti 전자(황금색 구)는 원자핵 (파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다.
- No. 234
- 2023-07-17
- 7148
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퀀텀닷 표면에 따른 화학적 차이 규명
에너지과학과 정소희 교수 연구팀(제1저자 김미리 박사, 공저자 최만민 석박통합과정, 최신일 박사과정)은 퀀텀닷(Quantum Dot)의 노출된 표면(facet)을 성공적으로 제어하여 표면 구조 및 관련 화학 반응성의 변화를 규명하였다. 퀀텀닷은 그 크기가 매우 작아 (1-10 nm 수준) 표면 구조의 이해 및 제어가 중요하지만 나노 수준의 결정체의 표면구조를 아는 것은 대단히 어렵다. 이에 연구팀은 정밀히 디자인된 콜로이드 합성법을 통해 노출된 표면이 제어된 퀀텀닷을 합성하였다. 특히, 퀀텀닷의 표면과 리간드(ligand) 결합을 원자수준에서 제어하였으며 이를 통해 단일 표면을 가지는 다면체(tetrahedron, octahedron)와 다중 표면을 가지는 나노구조체(tetrapod, truncated-octahedron) 등에 이르기까지 퀀텀닷 표면 연구를 위한 라이브러리를 구축하는데 성공하였다. 또한, 표면이 잘 정의된(well-defined) 퀀텀닷 구조 및 화학 반응성 이해를 기반하여 초소형 퀀텀닷의 우수한 대기안정성의 화학적 규명, 단일 양자점의 다중 홀전자쌍 발광에 관한 양자기술을 구현하여 차세대 QLED 기술 발전에 기여하였다. 또한 정밀한 표면 리간드 치환기술 개발을 통한 퀀텀닷 박막의 전기적 특성 연속 제어, 퀀텀닷 기반 광전소자의 성능 향상을 제시하는 등 차세대 반도체 기술을 한단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다. 정소희 교수 연구팀은 “본 연구를 통해 연구실에서 10년간 개발해온 초소형 반도체 나노 결정체인 퀀텀닷의 표면 구조 및 관련 화학 반응성 규명의 새로운 장을 연 것에 그 의미가 있다”며 “이를 통해 퀀텀닷의 초균질 특성 확보가 가능할 것으로 기대되어 차세대 양자 기술, 디스플레이, 에너지 소자의 핵심 소재로서 그 역할이 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구, 소재혁신 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 최상위 학술지인 Accounts of Chemical Research(IF=24.466, JCR 상위 3.63%)에 6월 23일(목) 게재되었다. 논문명: Semiconductor Nanocrystals: Unveiling the Chemistry behind Different Facets
- No. 233
- 2023-07-07
- 8182
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fMRI 데이터 기반 반추 예측 모델 개발
"반추"는 우리의 마음이 특정한 생각이나 감정에 빠져서 끊임없이 그것을 되새기는 상태를 묘사한다. 이는 마치 소가 먹은 음식을 여러 번 씹는 것처럼, 우리도 때로 특정한 생각이나 감정을 계속해서 되새기는’데, 이러한 현상을 비유적으로 표현한 것이다. 특히 우리는 때로 부정적인 상황이나 문제, 걱정거리에 대해 계속해서 생각하곤 한다. 이런 생각이 과도하게 반복되거나 부정적인 감정에 집중하게 되면 우울증이나 불안장애 등의 정신 건강 문제로 발전할 수 있다. 그래서 학계에서는 반추 사고 경향을 우울증의 대표적인 취약 요인으로 연구해 왔다. 사람마다 이 반추 사고 경향은 다르게 나타난다. 이 반추 경향은 개인마다 고유한 뇌의 연결성 패턴과 관련되어 있을 것이라는 가설이 제기되어 왔지만, 이는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이를 연구하였다. 즉, 건강한 사람들이 쉬는 동안 얻은 기능자기공명영상(fMRI) 데이터에 기계 학습을 적용하여 개개인의 반추 경향을 예측하는 모델을 개발했다. 나아가 이 뇌기반 예측 모델은 실제 우울증 환자들의 우울 정도를 예측하는 데에도 유효한 결과를 보였다. 특히, 이번 연구를 통해 디폴트모드 네트워크 내의 배내측전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)이 반추의 수준을 예측하는 데 특히 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 "생각의 흐름의 패턴은 우리의 감정에 중요한 영향을 미치는데, 본 연구는 부정적인 생각의 경향성을 뇌 연결성으로부터 읽어낼 수 있다는 것을 보였다”며 본 연구에 대해 "이런 연구 결과들이 쌓여서 미래에는 정신건강을 모니터링하고 관리하기 위해 뇌영상을 이용할 수 있기를 기대”한다고 하였다. 이번 연구의 제 1저자인 성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 박사과정생 김정우는 "본 연구는 반추 과정의 개인 차에 어느 뇌 영역 간의 어떤 연결성이 기저하는지를 보여준 연구로 임상적으로도 과학적으로도 의미가 있는 연구” 라고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), BrainKorea21 Four 등의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications, IF 17.694)에 2023년 6월 15일 게재됐다.
- No. 232
- 2023-06-29
- 6145
