ECG 분석 방법 조사Ⅰ. ECG 신호란 (ECG 및 심전도 검색)심전도(Electrocardiogram:ECG)는 심장에서 발생된 전위의 변화(심장을 구성하는 세포들이 시간에 따라 흥분하였다가 회복될 때 생기는 전위의 변화)를 피부에 부착된 전극과 신체 외부의 장비로 기록하여 그래프로 나타낸 것이다. 즉, 심장에서 발생하는 전기적 신호를 기록한 것으로 심장 안에 동방결절이라고 하는 부분에서 주기적으로 전기를 생성하여 심장 수축을 유도함으로써 심장 박동이 이루어지는 순차적인 전기적 신호를 의미한다. 이러한 심전도 신호로 심장과 심혈관 질환 진단 및 예후를 관측할 수 있다.전위의 변화는 과 같이 P, Q, R, S, T (P-QRS-T 파형)로 나타내지는 일련의 파형은 심장 박동의 심실 활성화를 나타내며 이 파형들 사이에서 이루어지는 일련의 segment와 interval로 구성된다. ECG 파형의 진폭과 폭, 그리고 segment와 interval의 폭은 심장의 생리학적 및 임상학적인 상태와 관련되어 있다. 심전도는 기록 부위로부터 심장까지의 거리와 전위의 벡터, 정상부위와 흥분된 부위의 전압 차, 그리고 각 심장세포의 활동전위의 모양과 여러 활동전위의 동기화 여부에 의해 영향을 받는다. 일반적인 심전도 신호의 간격 및 분절심방의 탈분극(심방의 수축)은 P wave로 기록되고, 심실의 탈분극(심실의 수축)은 Q, R, S wave, 즉 QRS-complex로 기록된다. 또한 심방의 재분극(심실의 이완)은 심방 T wave로 기록되고, 심실의 재분극(심실의 이완)은 심실 T wave로 기록된다. 이때 심방 T wave가 나타나지 않는 이유는 심방의 재분극은 정상적으로 심실 탈분극 동안에 발생하기 때문이다. 정상 심장주기 내에서 P wave가 제일 처음에 발생하고, 이어서 QRS-complex와 T wave가 나타난다. 또한 각 wave와 complex 사이의 심전도 부분을 분절(segment)과 간격(interval)이라 부른다.Ⅱ. ECG 신호에서 필터와 증폭을 하는 이유 (회로구성에 있던 low, high, amp 사용한 이유)ECG 신호는 생체에서 나오는 고유 주파수를 가진 연속적인 신호의 집합이다. 장비를 통해 생체 전기 신호를 측정하면 주파수가 0에 가까운 신호부터 100Hz에 이르기까지 다양한 주파수를 얻게 되고 호흡에 의한 기저선 잡음(baseline noise), 환자의 움직임이나 주변 장치들의 영향으로부터 생긴 근잡음이 포함되어 있다. 심전도 측정기기와 연결된 외부 전원에서 생기는 전위가 60Hz 주파수의 신호를 만들면서 발생하는 전력선 잡음도 있다. 이렇게 심전도 신호와 함께 측정된 잡음은 심혈관 질환 진단에 어려움을 주게 된다. 이를 제거해 주는 전처리 과정이 필요하다. 심전도 신호에 존재하는 잡음의 종류에는 기저선 변동 잡음, 전원(60Hz) 잡음, 근(EMG)잡음, Impulsive 잡음, 불규칙적 기저선 변동 잡음 등이 있다.따라서 심전도 신호로부터 깔끔한 ECG 신호를 얻기 위해서는 적절한 필터를 구현하는 것이 필요하다. 처럼 잡음 제거를 위해 low pass filter를 사용하며 DC 성분의 노이즈 필터링을 위해 High pass filter를 사용한다. Low pass filter는 특정한 차단 주파수 이상 주파수의 신호를 감쇠시켜 차단 주파수 이하의 주파수 신호만 통과시키는 필터를 의미한다. 단시간에 나오는 잡음 성분인 고주파 성분을 제거하고 장기 추세 신호만 통과시키기 때문에 신호를 보다 부드럽게 만들 때 사용한다. 반대로 high pass filter는 특정한 차단 주파수 이하 주파수의 신호를 감쇠시켜 차단 주파수 이상의 주파수 신호만 통과시키는 필터를 의미한다. 증폭기 부분과 고, 저역통과 필터에서 잡음을 필터링하여 보다 정확한 심전도 신호를 얻을 수 있게 된다. 일반적으로 심전도 회로가 0.1Hz에서부터 100Hz 까지 신호를 사용하기 때문에 low pass filter와 high pass filter 모두를 사용한다. 일반적으로 고역통과 필터의 경우 저주파수 대역을 제거해 기저선 변동 잡음을 제거한다.Amp란 amplifier의 약자로 입력되는 신호를 우리가 보거나 들을 수 있게 증폭시켜 주는 역할을 한다. Amp는 반전 증폭기, 비반전 증폭기, 차동 증폭기, 계측 증폭기 등이 있고 이 중 회로에는 instrumentation amplifier와 반전 증폭기(회로의 amp)가 있다.의 Instrumentation amplifier는 높은 이득을 갖는 차동 증폭기로 출력 단자가 하나이며 입력저항이 크다는 특징이 있다. 또한, 두 입력의 차이만큼만 증폭시킴으로써 노이즈 특성에 좋고 심전도의 작은 신호를 증폭시키기에 좋다. 일반 OP-Amp와의 가장 큰 차이점은 내부에 레이저 트리밍을 한 정밀저항(R2, R3)이 내장되어 있어 매우 높은 공통모드제거비(CMRR)을 갖는다는 것이다. Instrumentation amplifier는 이득이 매우 크기에 아주 작은 신호를 증폭시키거나 노이즈가 많이 실리는 곳에서 쓰인다. 의 반전 증폭기(inverting amplifier)는 입력된 신호에 대해 정해진 증폭도로 신호가 반전되어 출력된다. 반전 입력 단자에 (-)에 입력을 가하여 증폭하는 역할을 하며 신호의 모양은 유지된다. 심전도 측정 모듈 블록도 Instrumentation Amplifier Inverting AmplifierⅢ. ECG 신호 분석 방법 (시간영역, 주파수영역)ECG 신호 분석에는 시간 영역의 특징을 이용하는 방법과 주파수 영역의 특징을 이용하는 방법이 있다.1) 시간 영역 측정법은 시간상 특정 시점에서의 심박동수 또는 연속적인 정상 QRS-complex 사이의 간격이 결정된다. 연속 심전도 기록에서 각각의 QRS-complex가 인식되며, NN간격 또는 순간 심박동수가 측정된다. 이는 연속적인 심박동수 간격(두 개의 R wave 사이의 지속 시간) 값들의 시리즈에 직접적으로 적용될 수 있다. 시간 domain 변수들은 평균 RR 간격 및 RR 간격의 표준편차, 평균 심박동수, RR 간격 중에서 가장 긴 것과 가장 짧은 것 사이의 차이 등으로 측정된다. 가장 명확한 측정값은 평균 심박동수라고도 불리는 심박동수 간격들의 평균값이다. 시간영역 분석에서 사용되는 파라미터들은 SDNN, RMS, pNN50 등이 있다. SDNN은 연속적인 심박동수 간격들의 표준편차를 의미하며 임상적으로 SDNN의 감소는 좌심실 이상과 관련 있고, 좌심실 빈맥, 갑작스런 심정지 등을 예측하는데 이용되고 있다. RMS는 연속적인 심박동수 간격들의 차이의 제곱근 평균을 나타내고, HRV의 단기간 변화를 반영해 심장의 부교감 신경계 영향을 평가하는데 이용된다. pNN50은 일련의 HRV 신호의 심박동 간격들 사이의 차이가 50ms 이상인 간격의 비율을 의미한다. 시간 영역 파라미터 시간 영역 분석방법에서의 파라미터그러나 심전도 데이터의 크기는 개개인의 신체 특성이나 측정 기기의 특성에 따라 그 값이 달라지며 주위에서 유입되는 노이즈 성분으로 인해 시간간격에도 영향을 미치게 되므로 시간 영역에서의 신호 분석은 많은 한계를 가지게 된다. 신호의 크기를 비교하는 것은 여러 가지 제약을 지니고 있기 때문에 데이터의 주파수 측정을 통해 심실 세동 데이터를 분석하게 된다.2) 주파수 영역으로 분석하려면 일반적으로 전력스펙트럼 분석 방법을 이용한다. 주파수 영역의 특징을 이용하는 방법은 다양한 생물학적 관계들의 주기성에 바탕을 두고 있다. 생물학적 신호는 정해진 기간 동안 반복하고 이 반복이 주파수를 만든다. 안정시의 심박 동수의 변이성(HRV)의 스펙트럼에는 세 가지 주요한 성분의 peak이 관찰된다. 이는 VLF(Very Low Frequency), LF(Low Frequency), HF(High Frequency)의 주파수 대역으로 나눌 수 있다.또한, 비모수적 방법에 의한 HRV 신호의 전력스펙트럼 분석은 FFT 알고리즘을 이용할 수 있다. (퓨리에 변환은 시간 영역에서 신호나 시스템의 특성을 주파수 영역으로 변환한다.) 이 분석을 통해 RR 간격이 가지고 있는 각 주파수별 전력스펙트럼 분석을 알 수 있고, VLF, LF, HF의 분포와 peak 값을 알 수 있다. 푸리에 변환은 비유동적인 신호들에 적용될 수 있다. 주파수 영역 파라미터그러나 푸리에 변환을 기반으로 하는 주파수 영역의 해석은 일정 구간 데이터의 대표 값을 계산하는 것으로 생체신호는 시간에 따라 특성이 변화하는 불안정(non-stationary) 특성을 가지고 있어 처치 효과에 대한 즉각적인 반응이나 시간에 따른 신호의 특징을 나타낼 수가 없다는 단점을 가지고 있다. 이러한 주파수 분석만으로는 그 특성을 모두 파악할 수 없기에 따라서 서로 다른 주파수의 특징을 가진 신호들이 존재하면 웨이블릿 변환을 이용해 식별할 수 있고, 시-주파수 분석 등을 통해서 심실 세동 데이터의 특성을 밝히는 연구들이 있다.
미래 목질계 나노바이오소재는 어떻게 사용될 것이라 생각하는가?최근 나노바이오소재들이 주목받고 있다. 나노바이오소재란 인체 조직이나 기관의 기능을 치료, 보강, 대치 또는 회복시키는데 사용하는 바이오 소재에 나노 기술을 접목한 융·복합 소재이다. “100세 시대”, “60은 청춘, 인생은 70부터” 등의 말처럼 인간의 평균 수명이 높아지며 노년층의 비율이 증가하는 추세인 요즘, 나노바이오소재는 노년층의 사회활동 연령을 높이고 삶의 질을 향상시켜 줄 첨단 소재라고 할 수 있다.나노기술은 머리카락 굵기의 10만분의 1정도의 크기이며, “물질을 나노미터 크기의 범주에서 조작·분석하고 이를 제어함으로써 새롭거나 개선된 물리적·화학적·생물학적 특성을 나타내는 소재·소자 또는 시스템을 만들어내는 과학기술 및 소재 등을 나노미터 크기의 범주에서 미세하게 가공하는 과학기술”을 말한다. 20세기 이후 급속히 발달한 바이오기술은 앞서 언급했듯이 인간의 수명을 굉장히 연장시켰다. 단순히 오래 사는 것이 목적이 아니라 건강한 몸으로 행복하게 오래 사는 것이 중요한 만큼 최근 바이오소재에 대한 연구가 활발하다. 특히, 나노바이오소재는 ‘나노’라는 말과 ‘바이오’라는 말이 합쳐져 로봇, 센서, 항생·항암제, 백신과 신약, 기능성 화장품, 인공감각, 인공장기 및 조직 등 그 응용 범위가 무궁무진하다고 볼 수 있다.나노바이오소재들에 대해 찾아보다 목질바이오나노소재화학 연구실이 있다는 것을 알게 되었다. 목질바이오나노소재화학실험실은 리그노셀룰로오스의 화학 및 생물학적 변환을 통한 바이오에너지 변환연구, 꿈의 소재인 셀룰로오스 나노섬유의 제조 및 이용에 관한 연구를 수행한다. 목질계 바이오매스로부터 바이오에너지 생산을 목적으로 하는 고효율적 전처리 방법의 개발 및 효소당화와의 상관관계 평가, 셀룰로오스 나노섬유의 고표율적 제조방법 개발 및 바이오플라스틱과의 나노복합화 소재 개발 연구 등을 진행하고 있다. 주요 연구 분야로는 셀룰로오스 나노 섬유의 고효율적 제조방법 개발, 목질계 바이오매스의 고효율적 당화 전처리 방법 개발, 셀룰로오스 나노 섬유의 화학적 표면 접합 공정 제어 기술 개발, 바이오 플라스틱과의 복합 소재화 기술 개발이 있었다.목재 자원을 친환경 바이오플라스틱으로 사용하여 플라스틱으로 일어나는 환경문제를 해결할 수 있고 목재가 3D 프린팅 소재로도 사용된다는 장점이 있었다. 생각해본 적 없었던 목재의 바이오에너지로서의 사용도 있었다. 목재를 사용하면 친환경 전처리 및 성분분리 기술, 성형가공을 통한 고체 에너지로 사용할 수 있다.에너지란 우리가 사회를 살아갈 때 필수적인 요소이다. 하지만 화석연료의 사용으로 현대에는 기후변화 및 지구온난화가 심각한 수준이다. 또한, 화석연료는 자원이 한정되어 있기 때문에 고갈될 수 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안 중 하나가 바로 바이오 소재를 사용한 신재생에너지이다. 바이오매스(biomass)라고 하며 ‘어느 시점에서 일정 공간 안에 있는 생물체의 총량’을 의미한다. 고갈될 염려가 없고 화석연료에 비해 오염 물질 배출량이 적기에 친환경적이다. 이산화탄소가 배출되는 것은 마찬가지나 식물계 바이오매스는 생장하면서 광합성하여 이산화탄소 상당량을 흡수한다. 지구에 남는 이산화탄소 총량을 따져보면 화석연료에 비해 영향이 미미하다. '탄소중립적' 에너지인 셈이다.셀룰로오스 분자는 사슬을 형성하여 원섬유(fibril)로 존재하는데, 이것이 쌓여 미세섬유가 되고 미세섬유가 모여 섬유를 이룬다. 원섬유에는 결정구조와 비결정구조가 있는데, 결정구조를 추출하여 나노결정 셀룰로오스를 만든다.나노결정 셀룰로오스를 나노복합체의 충전제로 사용하여 기계적 및 차단성 성질을 개선할 수 있음이 많은 연구에서 확인되었다. 저자가 인용한 나노복합체를 보면 24종의 고분자가 NCC 나노복합체 연구에 사용되었으며, 합성고분자(예; PS, PVC)외에도 천연 고분자(예; 전분, PLA)도 포함되었다.바이오만으로 되어 있고, 생분해가 가능한 복합체를 ‘녹색 복합체’라고 명명한다. 이 외에도 발포체, 에어로젤, 투과선택성 막 재료, 접착제 혹은 접착개선제, 리튬 배터리용 저점도 고분자 전해질의 보강재, 생체분자 NMR에 사용 등이 연구되었다.나노결정 셀룰로오스의 역할은 다음과 같다? 나노결정 셀룰로오스 나노복합체의 차단성:식품 포장에서는 기계적 강도와 차단성이 요구되는데, 바이오 기반 나노복합체가 장점이 될 수 있다. 나노결정 셀룰로오스의 첨가로 인한 투과율 감소는 주로 수분과 산소에 대해 연구되었다.? 광학적 성질:나노결정 셀룰로오스의 액정 및 복굴절 특성은 보안용 종이에 응용할수 있으며, 이 특성을 이용하는 연구가 관심을 끌고 있다.? 생의학적 응용:나노결정 셀룰로오스는 독성이 없고 분해 가능하다. 영상 재료, 약물 전달에의 응용이 연구되었다. 박테리아에서 얻는 나노셀룰로오스가의학용으로 더 많이 연구되고 있다.? 주형:나노결정 셀룰로오스를 주형으로 하여 다양한 다공성 물질을 만들 수 있다. TiO2, 실리카 필름, Ag, Au, Cu 및 Pt의 나노입자 연구가 보고되었다.
독후감 이 책을 간단히 요약하면 인간과 우주에 담긴 정보의 빅히스토리, 즉 이 책의 부제라고 할 수 있다. 총 15장으로 구성되어 인류가 어떻게 소통했는지, 정보의 역사와 이론에 대해 자세히 담겨있다.아프리카의 원주민들은 멀리 있는 사람에게 의사를 전달할 때 북을 쳐서 북소리로 소통했으며 “무서워하지 말라”라고 말하는 것도 “입까지 올라온 심장을 제자리에 돌려놓으라”라고 표현했다. 조선시대에는 적이 침입했을 때나 긴급한 사안 등을 파발이나 봉화로 알리기도 했다. 또한, 긴 말을 전달해야 할 때면 사람을 불러 서신, 서찰 등을 직접 전달하게 하기도 했다.하지만 유럽에서 전신이 발명되며 소통과 통신은 많은 발전을 하게 되었고, 현재는 전화, 스마트폰, 팩스, 인터넷, 컴퓨터 등 소통할 수 있는 도구와 수단들이 많아졌다. 이런 소통의 도구들로 정보는 넘쳐나 정보 과잉의 시대가 되었고 정보는 받아들이는 사람에 따라 가치가 달라졌다. 이러한 정보들은 정보에서 그치지 않고 우주가 존재하는 궁극적인 모습으로 생각할 수 있다.소통의 역사를 읽으며 글과 말이라는 것이 얼마나 소중한 것인지 새삼 깨닫게 되었고, 소통을 편하게 할 수 있다는 것에 감사하게 되었다. 또한, 새뮤얼 모스, 찰스 배비지, 러셀, 괴델, 비트겐슈타인, 클로드 섀넌, 노버트 위너, 앨런 튜링, 리처드 도킨스 등 여러 과학자들이 등장하며 현재의 인터넷과 정보 혁명까지 어떠한 공헌을 했는지 알게 되었다. 책의 구절 중 “통신의 근본 문제는 한 지점에서 선택된 메시지를 다른 지점에서 정확하게 혹은 비슷하게 재현하는데 있다. 흔히 그 메시지는 의미를 갖는다.”라는 말이 있는데 이 말이 기억에 남는다. 마치 영화 ‘인터스텔라’ 같은 느낌을 주었기 때문이다. 이 문장을 읽으며 인터스텔라 속 딸이 부호를 해석해 아버지의 메시지를 읽어내는 장면이 떠올랐다. 책이 정보에 대해 방대한 양을 담고 있어 흐름을 따라 정보의 역사를 알게 되었다. 우리의 삶에서 이제 정보는 빠질 수 없는 중요한 것이 되었다. 그렇기에 정보에 대한 이해는 어느 정도 필수적이라고 생각한다.
Engineering multiscale structural orders for high-fidelity embryoids and organoidsIntroduction지난 10년간 포유류 Embryogenesis를 in vitro에서 재구성해 메커니즘을 밝히는 embryoids and organoids가 발전해왔다. 하지만 이는 embryogenesis 과정 중 나타난 multiscale order의 특정 측면만을 볼 수 있었다. 이 리뷰 논문에서는 multiscale order에서 high-fidelity인 embryoids and organoids를 개발하는 기술을 구성하는 것을 목표로 한다. 조직 구조 단위뿐만 아니라 공간적 및 시간적 scale를 통한 organization, communication, progression을 기반으로 하는 multiscale order를 제안한다.포유류 Embryogenesis에서의 Multiscale ordersMultiscale에는 microscale, mesoscale, macroscale이 있다. Microscale은 ECM이 조직의 기본 구조 단위 내에서 조직화되는 방식이며 cell fate specification, lumenogenesis, EMT, MET, cell 삽입 및 정렬 등이 있다. Mesoscale은 동일 조직 및 상호 연결된 조직 사이에서 상호작용하는 방식이다. 이는 주기적인 조직 패턴화/morphogenesis, directional 세포 이동, 조직과 조직의 결합 등이 있다. 마지막으로 공간과 시간의 차원을 추가하여 조직하고 상호작용하는 방식인 macroscale에는 태아와 모체의 상호작용, 출생 후 발달, 숙주와 미생물의 상호작용 등이 있다.Engineer된 high-order, high-fidelity Embryoids와 organoids- 이식 전후의 발달 모델 peri&post implantationMouse ESC와 human PSC는 3D ECM matrix에서 자가 조직화하여 epiblastoid를 형성할 수 있다. 이 모델의 organization된 진화에는 niche geometry, ECM array, microfluidic gradient, Tissue assemlbly 가 있다.- gastrulation과 body axis development 발달 모델신체 축 및 관련 몸통 구조의 발달은 2D gastrulation에는 없는 조직 신장, 축 패턴화 및 주기적인 somite segmentation과 같은 여러 mesoscale order를 특징으로 한다. 이 모델의 organization된 진화에는 다음과 같은 것들이 있다.- neurulation과 ectodermal organogenesis 모델Neural rosettes는 신경화 동안 cell fate 다양화 및 신경 상피와 같은 microscale order를 모델링하는데 오랫동안 적용되었다. niche geometry, microfluidic gradient, niche mechanics등 neurulation 모델의 organization된 진화로 더 큰 scale order가 가능해졌다.중요한 외배엽 기관으로서의 뇌와 그 발달은 상당한 주목을 받아왔다. hpsc에서 유래한 대뇌 organoid는 다양한 뇌의 세분화된 발달을 모델링하기 위해 확립되었다. ectodermal organogenesis 모델은 다음과 같다.- mesodermal organogenesis 모델인간 줄기세포 기반 organoid는 심장, 신장, 골격근, 혈액 등 다양한 중배엽 기관 및 조직에 대해 생성되었다. 이 모델의 organization된 진화는 다음과 같다.- endodermal organogenesis 모델내배엽 organoid 모델은 장, 위, 식도, 간, 폐 등 다양한 기관 및 조직에 대해 생성되었으며 이 모델의 organization된 진화는 다음과 같다.- tissue-tissue coupling 모델조직 혈관화 및 신경 분포는 organoid 발달 및 성숙에서 mesoscale order를 설정하는데 필요하며 모델의 organization된 진화는 다음과 같다.- 포유류 embryo와 유기체 생물학 모델최근, 포유류 embryo의 자율적인 발달을 해독하기 위해 줄기세포 기반 "인공 배아"의 in vitro 구축하는 연구가 활발하다. 최근에는 인간의 blastoid가 navie hPSCs와 hEPSCs 또는 reprogramming 된 cell을 사용해 생성되었다. 이 모델의 organization된 진화는 다음과 같다.하지만 이러한 인간 blastoid의 발달 fidelity는 여전히 제한적이다. 또한 소수의 제한된 사람을 참조하여 human blastoid에서 cell fate를 지정하기에 문제가 있다. 인간 유기체 생물학을 위한 in vitro 모델은 아직 초기 단계에 있지만, human embryoid와 organoid를 통해 연구를 통해 발전이 가능하다.High-order, high-fidelity embryoids와 organoids를 구축하기 위한 새로운 engineering 원리첫 번째로, 줄기세포의 guided 조직화는 embryoids와 organoids에서 meso와 macroscale orders를 촉진한다. 줄기세포의 guide 되지 않은 조직은 통제되지 않아 무질서한 방식으로 조직 구조를 생성하기에 meso나 macroscale order를 형성하기엔 어렵다.두 번째로, 구조화된 조직 경계는 meso와 macroscale orders를 가능하게 한다.세 번째로, 기계적과 생물학적의 결합은 meso와 macroscale order를 수행하는데 중요한 역할을 한다.마지막으로 시공간적으로 구조화된 조직 경계 및 기계-생물학적 결합을 개발하려면 줄기세포와 niche의 여러 측면에 대한 engineering이 필요하다. 따라서 여러 세포 및 niche parameter에 대한 “orthogonal engineering이 필수적이다.이 논문에서는 high-order, high-fidelity embryoids와 organoids를 재구성하기 위한 전략으로 세포 및 niche 신호의 MUSE를 제안한다.Embryoids와 organoids의 multiscale, multimodal 구조 engineering을 위한 bioengineering 창고- microscale orders를 재구성하기 위한 engineering 양식줄기세포의 자가 조직화는 microscale order 발달을 주도한다. 이는 local cell microenvironment에 민감하다. 생체 내 유사 생화학적 신호를 모방하기 위해 줄기세포 배양 환경에서 soluble factor를 조절하기도 하며, ECM의 기계적, 화학적, 물리적 강성으로 자가 조직화를 조절하기도 한다. 최근에는 ECM library screening을 통해 embryoid와 organoid에 대한 정량적이고 합리적인 설계가 가능해졌다. 줄기세포를 직접 조작해 운명, 기능, 자가 조직화를 조절하는 것도 가능하다.- mesoscale orders를 재구성하기 위한 engineering 양식micro/milli-fluidics 시스템은 mesoscale order를 프로그래밍하기 위한 강력한 도구로 최근 등장했다. 하지만 아직 이를 적용하기에는 더 많은 연구가 필요하다. 물리적 경계는 기계-생물학적 결합을 통해 생성되기도 한다. Micropattern, microwell, scaffold등이 있으며 이 예시들은 microscale order를 촉진할 수 있는 engineering 양식과 통합될 수 있기도 하다. 이외에도 Programmed embryoid와 organoid, 합성 생물학 및 화학과 결합한 물리적인 분야가 있다.- macroscale orders를 재구성하기 위한 engineering 양식Macroscale order를 재구성하려면 시공간 모두에서 mesoscale과 microscale order를 통합하는 engineering 양식이 필요하다. 바이오프린팅은 바이오잉크(세포, 생체재료, growth factor를 선택적으로 배포하여 microscale order를 정렬하고 mesoscale order를 조직화해 macroscale order를 형성한다. 또한, 이 방식은 organ-on-a-chip 기술과 호환된다. 하지만 밀폐된 칩 환경으로 줄기세포 niche의 on-chip modulation까지는 어렵다. 이외에도 3D multi-material, 3D interwoven canalization, 3D sculpting이 있다.
..FILE:mimetypeapplication/hwp+zip..FILE:version.xml..FILE:Contents/header.xml^1.^2.^3)^4)(^5)(^6)^7..FILE:Contents/section0.xml논문에서는 Hepatocyte와 cholangiocyte, progenitor 와 관련해 담관 형성에 대해 말하는데 각각의 세포의 위치입니다. hepatocyte는 간세포, cholangiocyte는 담관세포, progenitor는 간에서 간세포나 담관세포로 분화가 가능한 줄기세포라고 합니다.NOTCH signaling에 대해서도 간단히 소개하면 논문에서는 notch ligand인 jag1이 notch receptor인 notch2와 결합해 signaling이 전달됩니다. NOTCH signaling은 배아의 발생과 세포의 증식, 혹은 사멸을 조절하는 signaling이며 여러 조직과 기관에서 세포의 항상성을 조절하는데 중요한 역할을 합니다. notch ligand와 receptor가 결합하게 되면 notch ICD가 만들어져 핵 안으로 들어가 유전자 발현에 영향을 줍니다.cholangiocyte는 IHBD와 EHBD를 따라 위치해있으며 그 중 IHBD만 branching 구조를 가집니다. branching은 포유류에서 유선, 타액선, 담관 등 기관을 형성할 때 일어나는 현상입니다. 현재까지 시험관 내에서 관 발달을 완벽히 반영하는 adult organoid 모델은 없기에 이 논문에서는 human adult IHBD에서 BRCO 모델을 소개합니다. BRCO는 자가 재생 및 자가 조직화하여 branching 구조를 가집니다.BRCO는 2단계의 배양 방법으로 ICO에서 branching pattern을 가지게 되었고 태아의 ICO가 아닌 adult ICO만이 BRCO 형성이 가능합니다. 성인기에 cholangiocyte 증식은 WNT-signaling은 거의 없으며 TGF-b signaling은 branching 성장에 필수적입니다. 또한 BRCO가 형성되고 나면 branching 구조는 유지되며 장기간 계대될 수 있습니다. BRCO는 시간이 지날수록 branch가 연장됩니다.BRCO를 IF했을 때 cholangiocyte의 마커인 KRT19와 KRT7 발현된 것을 볼 수 있으며, F-actin은 lumen의 존재를 밝혀(미세융모를 염색하기 때문에) 생체 내와 유사한 환경이라는 것을 의미합니다. 또한, Tip에 위치한 일부 세포들은 ALB 양성이었습니다.앞서 말한 ALB는 hepatocyte의 marker입니다. ICO와 비교하여 BRCO는 일부 cholangiocyte와 hepatocyte 관련 유전자의 발현이 더 높으며 반면 progenitor 관련 마커인 SOX9, Lgr5 의 발현이 약합니다.cholangiocyte는 생체 내에서 이온, 담즙 물질 및 물의 수송, 분비 및 흡수를 통해 담즙 조성을 조절하는 역할을 합니다. BRCO의 이러한 역할 및 기능을 평가하기 위해 세크레틴과 소마토스타틴 receptor 활성을 평가했고 ion channel 활성을 평가했습니다. 세크레틴은 소화 호르몬으로 소화 효소 분비를 촉진하고 담낭을 수축시켜 담즙분비를 증가시키며 반면 소마토스타틴은 세크리틴 분비를 억제합니다. forskolin과 CFTR(염소 이온 이동통로 막단백질) inhibitor를 통해 ion channel 의 활성도 평가했습니다.다음으로 cholangiocyte 효소의 활성을 시험했을 때 생체 내 cholangiocyte와 마찬가지로 세포막을 통해 대사물 운송에 관여하는 효소인 alp(alkaline phosphatase) 활성이 존재했으며 cholangiocyte의 관련 유전자인 GGT 활성이 BRCO에서 명확했습니다. 이를 통해 BRCO는 IHBD 의 기능적 특성을 가진다는 것을 알 수 있습니다.single cell RNA sequencing 를 통해 BRCO와 ICO 마커의 유전자 발현을 조사했습니다. BRCO에서 sox9, krt19, krt7 발현이 비교적 낮고 mature cholangiocyte gene LYZ와 SPP1의 발현이 높았습니다. ICO 에서는 BRCO에서는 거의 감지할 수 없는 MUC5AC와 MUC5B의 발현이 더 높았습니다. 또한, GSEA은 대부분의 BRCO 유전자가 ICO보다 EPCAM+/cholangiocyte에서 훨씬 더 풍부하다는 것을 확인했습니다. 이로써 BRCO는 ICO와는 다르고 mature cholangiocyte와 더 유사하다는 것을 알 수 있었습니다.# GSEA는 gene set enrichment analysis두 가지의 조건에서 통계적으로 의미 있는 차이를 보이는지 발현 특성이 비슷한지 평가 gene set을 검정색 bar 형태로 표시, 유전자 발현이 어느 쪽에 몰려있는지를 표시한 것edu와 ki67 염색은 증식하는 세포가 거의 tip 주위에 위치한다는 것을 보여줬습니다.tip이 성장하며 branching 구조를 가지며 인접한 duct의 소멸 반경 내에 도달하면 BRCO의 tip이 성장이 억제되고 주변에 공간이 있다면 성장 방향을 변경합니다.# Edu : 세포분열을 하면서 dna에 끼어들어가 형광 검출해 세포 증식을 나타냄여러 signaling pathway가 branching 형성에 관여하는데 그 중 적절한 jag1/notch2의 signalig이 IHBD 발달에 필요합니다. BRCO와 ICO 간의 signaling 차이는 거의 없었으며 이 signaling 이 branching 구조를 형성하는데 필수적입니다.ags 환자로부터 notch pathway를 조사했는데 그 전에 alagille syndrome에 대해 먼저 말하자면 ags 환자는 jag1과 notch2가 결여된 환자로 notch signaling이 전달되지 않습니다.건강한 ICO와 AGS 환자의 ICO를 비교했을 때 건강한 ICO에서는 원형질막에서 JAG1이 우세하게 발현된 반면 AGS 환자의 ICO에서는 JAG1 발현이 거의 없다는 것을 볼 수 있습니다.또한, AGS ICO는 건강한 ICO에 비해 증식이 감소했고 AGS ICO를 AGS BRCO로 전환하면 branching 구조를 형성하지 못하고 증식을 멈추고 세포 사멸을 겪게 됩니다.마지막으로 NOTCH 억제제인 DAPT을 사용하여 BRCO의 branching 형성에서 NOTCH signaling의 관여를 확인하였습니다. 처음에는 BRCO가 형성되지만 시간이 지날수록 기존의 branching이 수축되고 새로운 branching 형성이 억제되었습니다.요악하면 적절한 JAG1/NOTCH2 signaling이 BRCO에서 branching 형성에 필수적이라는 것을 시사합니다.BRCO는 암만큼 복잡한 구조를 가지고 있기에 CCA 모델링에 도움이 될 수 있다고 가정했습니다. BRCCAO의 H&E 염색은 branch가 더 조밀해지고 primary tumor와 유사성을 보여줍니다. 또한, BRCCAO는 Edu 염색을 통해 tip과 duct 모두 증식한다는 것을 알 수 있었습니다.정량적 측정을 통해 BRCCAO가 BRCO보다 훨씬 작고 원형임을 나타냅니다. 이러한 데이터는 BRCCAO가 종양 형태와 유사한 CCA 세포로 구성되어 있음을 보여줍니다.BRCCAO는 종양 관련 저산소증을 포함한 복잡한 세포 pathway와 관련된 유전자의 발현이 더 높았고 TGF-b signaling은 CCAO에 비해 BRCCAO에서 발현이 높았습니다.BRCCAO는 CCA 종양과 높은 상관관계를 가지며 CCAO와 CCA 종양의 상관 관계가 상대적으로 낮다는 것을 알 수 있습니다. 즉, CCAO와 BRCCAO의 현저한 차이점과 BRCCAO가 primary CCA 종양과 더 유사하다는 것을 알 수 있습니다.primary CCA tumor는 gemcitabine 과 cisplatin 에 상당한 내성이 있기에 BRCCAO의 chemotherapty에 대해 확인하기 위해 CCAO와 BRCCAO를 gemcitabine 과 cisplatin과 72시간 배양했습니다. 그 결과 BRCCAO가 CCA 종양 조직을 더 잘 모방하여 화학요법에 대해 높은 내성이 있다는 것을 알 수 있었습니다. gemcitabine의 종양 조직 농도에서 CCAO는 매우 민감해 약물에 노출되면 죽지만 BRCCAO는 내성을 가집니다.Human CO를 통해 담관 발달 및 질병 재생 therapy와 in vitro 모델링에 대한 가능성이 있지만 현재까지 보고된 모델로는 IHBD의 branching 형태가 부족하기에 모델에 대한 개선이 필요합니다. 이 논문에서는 branching 형태를 가진 BRCO 확립을 보고합니다.BRCO는 IHBD 구조와 유사하고, ICO profile 과는 구별되며, intrahepatic cholangiocyte와 더 유사합니다.Branching growth는 JAG1/NOTCH2 signaling 이 필수적입니다.BRCCAO는 CCA 종양 조직을 더 잘 모방하며, gemcitabine과 cisplatin에 대한 내성도 있기에 BRCO는 담도 질환을 연구하기 위한 개선된 모델로 사용 가능합니다.
Engineering multiscale 정리
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