Ⅳ. 사업수행결과 1. 피폭 선량평가 기술 개발 1-1. 인체표준 팬텀모델이용 선량평가 검증 및 인체표준 물리팬텀 내 장기 선량 평가 구축 방사선 피폭 사고 시 선량평가는 환자의 치료방침을 결정하고 예후를 판단하기 위해 필수적이며, 인체표준 팬텀을 이용한 선량평가 시스템은 피폭환자의 선량평가에 유용하게 활용될 수 있음. 이에 본 연구과제에서는 성인 남녀 크기의 인체 물리팬텀 제작 및 유리선량계를 활용한 장기선량 시스템을 기반으로 인체 물리팬텀 기반 선량평가 시스템을 구축하였음. 또한, 인체 물리팬텀 및 인체표준 전산팬텀을 이용한 종합 선량평가 시스템의 검증을 위해 단순 및 복잡한 방사선장을 가정한 방사선 조사실험을 실시 하였으며, 인체 팬텀 기반 종합 선량평가 시스템은 외부피폭 상황에서 선량을 평가하는데 적용할 수 있을 것이라 예상됨. 1-2. 피폭진단키트 제작위한 바이오마커 발굴 및 유효성 확보 피폭환자가 받은 방사선량을 조속한 시일 내에 정확히 파악하는 것은 환자의 치료방침을 결정하고 예후를 판단하는데 필수적이며, 향후 발생할 수 있는 방사선의 만성효과에 대한 예측과 방사선 피폭이 원인일 가능성이 있는 질환의 원인 규명에 중요한 역할을 할 것임. 그러므로 방사선 피폭을 보다 편리하고 정확하게 진단할 수 있는 방사선 피폭손상 진단 바이오마커 개발이 필요함. 본 연구에서는 방사선 피폭 마우스림프구 세포를 이용하여 선별된 유전자군을 피폭 손상 진단마커로 사용하기 위해서 방사선 치료를 받는 환자의 방사선 치료 전/후 혈액을 채혈하여 생체 내 발현 변화를 분석하고, 피폭 전/후 유전자 발현량 및 FDXR과의 관련성 분석을 통해 진단마커로써의 유효성을 평가함. 2. 피폭 치료 기술 개발 2-1. 피폭치료 후보 약물 생체적용 가능성 검증 및 데이터 베이스 구축 방사선위장관증후군은 피폭 시 주요 사망 원인의 하나이며 피폭에 의한 소화기 장애, 미세혈관 순환 장애 및 지속적인 출혈 등 생명을 위협하는 심각한 임상적 문제를 동반하지만 아직까지 임상적으로 적용 가능한 치료제는 없는 실정이므로, 이를 위한 기전 연구 및 치료법 개발 연구가 지속적으로 필요한 실정임. 고선량 방사선이 위장관에 조사되면 장상피세포와 혈관내피세포의 세포사멸이 유도되는데, 이 중장상피세포의 사멸이 방사선위장관증후군의 주요 요인으로 인식되고 있다. 이전 단계에서 장상피세포주를 이용한 in vitro 2D 세포 배양 모델은 생체 반응과 달리 강한 방사선저항성을 보여, 방사선 피폭 손상 모델로서 부적합함을 보였다. 이의 극복을 위해 생체와 유사한 환경을 가지는 ex vivo 장상피 모델인 3차원 오가노이드 (organoid) 배양시스템을 확립하였으며, 방사선에 의한 세포사멸, 손상 등에 대한 기본 분석 데이터를 구축함으로써 인체 유사 방사선 위장관 ex vivo모델을 정립하였음. 이를 기반으로 장 미니장기 (오가노이드) 모델을 활용하여 다양한 off-label used drug (허가외 사용 의약품)을 이용하여 장 미니장기 (오가노이드) 기반 피폭방어/치료 약물 효능 분석하여 StemRegenin 1, SR1 (피폭치료 효능) 약물을 선별하여 피폭치료 후보약물의 생체적용 가능성을 장오가노이드 모델과 피폭동물모델에서 확인하였음. SR1 약물작용관련 데이터베이스 구축을 위해 단일세포 RNA (scRNAseq) 전사체 프로파일링 수행을 하였음. 이러한 SR1 약물의 효능과 관련 전사체 분석은 방사선 장 손상에 대한 차세대 치료제 데이터베이스 기반 구축에 활용 가능할 것으로 기대함. 3. 신약 재창출을 통한 피폭 치료제 개발 3-1. 인체유사 중동물 피폭모델에서 선별된 off-label use drug 치료 효능 평가 급성 방사선 위장관 증후군은 방사선 피폭시 빠른시간 내에 진행되는 손상이며, 소화기 장애에 따른 탈수, 설사 등을 동반하며, 장벽 손상에 의한 세균의 침입으로 염증 반응 뿐만 아니라 심할 경우 sepsis에 의한 사망까지 이르게 된다. 하지만 급성 방사선 위장관 손상에 대한 적절한 치료법이 없어 이를 위한 기전, 치료연구가 필요한 상황이다. 따라서 본 과제에서는 off label use drug를 치료제로 적용함으로서 인체 안전성과 경제성을 함께 얻고자 하였다. 고지혈증 치료제인 pravastatin의 급성뿐만 아니라 만성 방사선 위장관 손상에 대한 치료 효과를 나타냈으며, 특히 방사선에 의한 epithelial cell 손상에 큰 효과를 보였다. 하지만 15 Gy 이상의 고선량 노출에서 pravastatin 단독 적용은 생존률 회복에 영향을 주지 못했고, 직접적으로 장 줄기세포에 영향을 주지 않는 것으로 보아 치료 한계성이 관찰되었다. 본 연구에서는 이러한 pravastatin의 제한점을 보완 할 수 있는 다약제 복합 적용을 하고자 하였으며, 우리들은 pravastatin과 metformin 복합약제를 적용하여 그 효과를 검토하였다. Pravastatin과 metformin 복합약제 적용은 마우스 모델에서 방사선 위장관 손상에 의한 사망율보다 유의적으로 감소시켰으며 조직학적 회복을 나타내었다. 또한 인체유사 중동물 모델인 미니피그 모델을 이용하여 방사선 위장관 손상에 대한 치료효과를 검토하였다. Pravastatin과 metformin 복합적용은 체중에는 큰 변화가 없었지만, 부검시 위 팽창 감소, 소장, 대장의 육안적 손상 완화, 그리고 비장 크기의 증가 등으로 복부 장기의 육안적 손상이 완화됨을 확인하였다. 이와 더불어 소장과 대장의 조직학적, 유전학적 분석 결과 pravastatin과 metformin 복합약제 적용은 단독약제 적용보다 위장관 손상을 완화시킴을 확인하였다. 이로써 마우스 모델 뿐만 아니라 미니피그 모델에서도 pravastatin과 metformin 합제가 급성 방사선 위장관 손상을 완화시킴을 알 수 있었다. (출처 : 요약문 6p)

• 연구책임자 : 장원일
• 주관연구기관 : 한국원자력의학원
• 발행년도 : 20230200
• Keyword : 1. 급성방사선증후군;물리팬텀;바이오마커;허가외 사용 의약품;줄기세포;미니돼지; 2. Acute Radiatio Syndrome;Physical Phantom;Biomarker;off-label use drug;Stem cells;Mini-pig;

Ⅳ. 연구개발결과 • 빅데이터 분석 기반 방사선 치료 반응 진단 인자 후보군 발굴 및 기전 규명 연구 - 방사선 치료 반응 인자 발굴 및 기전 규명 - 뇌암줄기세포 방사선 반응 후보군 발굴 및 기전 규명 - 타겟 miRNA 발현 유도물질의 작용기전 기반 방사선치료예측 활용 연구 • 방사선 바이오 자원 구축 및 고도화 - 방사선반응 세포모델 확보 - 방사선 치료 및 반응제어 기술의 유효성 평가를 위한 동물 모델 구축 - 방사선-의공학 융합 진단 치료 평가 시스템 확립 • 방사선 치료 저항성 진단 및 선도치료물질 고도화 - 방사선치료 저항성 진단 표적시스템 고도화 - 방사선치료 First-in class 차세대 방사선 치료 고도화 - 방사선치료 선도 물질 전임상 평가 및 선도물질 • 방사선 치료부작용 제어 후보물질 검증 - 방사선 유도성 폐섬유화 손상제어 물질 발굴 - 방사선 유도 유전자손상 제어물질 발굴 및 검증 - 방사선 치료부작용(뇌손상, 심장독성) 제어물질 발굴 및 검증 - 방사선치료 조직손상관련 단백질 변화 추적 및 기전 연구 (출처 : 요약문 4p)

• 연구책임자 : 김광석
• 주관연구기관 : 한국원자력의학원
• 발행년도 : 20230200
• Keyword : 1. 방사선치료;바이오마커;분자진단;방사선 신약;방사선민감;방사선보호; 2. radiotherapy;biomarker;molecular diagnosis;radiation medicine;radiosensitivity;radioprotectant;

Ⅳ. 연구개발결과의 기대효과 1. 현재 난치성 폐암의 예후는 매우 불량하다. 본 연구를 통해 기존의 표준 치료인 세포 독성 항암 치료보다 우월한 치료법에 대한 지식을 얻을 수 있다면, 치료 성적의 향상으로 인한 경제적 효과뿐만 아니라 부작용 감소에 따른 치료비용의 절감, 삶의 질 향상에 따른 비용 효과 등 사회 경제적으로 큰 이익을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 2. 유방암 환자의 치료에 가능한 원천물질 발굴 및 작용 기전 규명을 통하여 새로운 신약개발의 기초자료 data를 얻는 것이 가능할 것으로 생각된다. 기관으로는 특허 출원 등이 가능하며, 타 장기 암으로의 연구 확장을 할 수 있을 것으로 생각된다. 3. 폐경 전 유방암 환자 연구 및 2차암 예후 연구를 통하여는 환자 개개인의 상태에 따른 치료방향 결정을 위한 임상 연구의 기초자료 마련이 가능할 것으로 기대된다. 4. 전임상 시험모델로서 3D 오가노이드 배양 기반 플랫폼은, 약물 스크리닝, 환자 오가노이드 바이오뱅킹과 이를 기반으로 한 환자별 맞춤형 약물 스크리닝, 환자의 생명 정보 분석과 연계한 정밀의학의 플랫폼, 유전체 교정 기술과 연계한 재생 의학 분야의 적용 가능하다. 5. 환자 유래 오가노이드–유전체-임상정보 통합 플랫폼을 통한 방사선 치료분야의 정밀의료 프로토콜을 확립하고 임상연구기반 강화 및 치료효과 증진에 이바지한다. 6. 기존 동물실험을 대체할 수 있는 오가노이드 기반 비임상 연구기반을 확립하여 약물 및 방사선 치료 분야 연구를 활성화하고 방사선 민감성 조절관련 신규약물들을 발굴하여 신약개발 및 유효성 검증 패널을 개발한다. 7. 환자 유래 암 오가노이드 바이오뱅크 구축 및 이를 바탕으로 한 대내외 연구기관과의 협력 연구를 활성화하여 새로운 사업 모델의 발굴하고 협력연구를 활성화한다. 8. 난치성 암종의 세포 내 신호 전달 인자 및 관련 변화 분석을 통한 방사선 치료 효율을 증진시킨다. 9. 방사선의학연구에 특화된 인체자원 인프라 구축으로 방사선의학 기초 및 임상연구의 활성화에 기여한다. 10. 암의학 관련 분야의 연구에 지원함으로써 신약개발, 정밀의료 등 차세대 보건의료연구의 발전에 기여한다. 11. 연구자 니즈를 충족한 인체자원의 체계적 수집을 통해 인체자원 활용도 제고 12. KOLAS 공인생물자원은행 인정 유지를 통한 인체자원 질 향상과 고객 만족 기여 13. 인체자원 분양을 통한 국내 바이오산업 경쟁력 제고 (출처 : 요약문 7p)

• 연구책임자 : 송강현
• 주관연구기관 : 한국원자력의학원
• 발행년도 : 20230200
• Keyword : 1. 방사선의학;임상시험;오가노이드;방사선치료;유방암;정밀의료;표적 항암제;유전체분석;바이오뱅크;인체자원;육종;바이오마커;알파핵종; 2. Radiology;Clinical Precision Medicine;Organoid;Investigator-Initiated Trial;Clinical Research;Bio-marker;Breast Cancer;Genomics;Biobank;Human biospecimen;

Ⅳ. 연구개발결과 ○ 남극 극한기상 특성 진단 - 세종기지 32년 관측자료DB 기반으로 추출한 상위 10% 극한기상현상의 강도는 강풍사례는 일평균풍속 12.3m/s, 일최고순간풍속 27.8m/s 이상일 때로 나타났으며, 저온사례는 일평균기온 –8.1℃, 일최저기온 –11.4℃ 이하일 때, 고온사례는 일평균기온 2.3℃, 일최고기온 4.7℃ 이상일 때였음. 일신적설량을 기준으로 한 폭설사례는 10.4cm 이상일 때였음. - 극한기상 발생시기는 강풍사례는 6-10월 동계에 60% 이상 발생하고 12-2월 하계에는 10% 미만으로 적게 발생하였으며 경년변동성에서는 2010년도 초반이후 강풍사례가 감소하고 있는 추세를 보임. 저온사례는 6-8월에 70% 이상 집중되어 있고 강풍사례와 유사하게 2010년대 초반 이후 감소 추세를 보이고 있음. 적설량은 변동성이 매우 큰데 눈에 띄는 경향은 2000년대 중반 이전에 비해 이후에는 매우 큰 경년변동성을 보이고 있음. - 강풍 사례의 경우, 세종기지 부근에 저기압이 통과하면서 발생하며, 일평균풍속을 기준으로 선정된 사례에서는 동풍, 그리고 일최대풍속을 기준으로 선정된 사례에서는 복풍 계열이 우세함. 일최대풍속을 기준으로 선정된 사례에서는 저기압 외에, 세종기지 부근의 지형이 강풍 발생에 기여함을 확인함. - 저온 사례의 경우, 남극 대륙으로부터의 차가운 공기의 이류가 발생 원인이며, 수치모의 결과에서, 세종기지 부근의 구름과 관련된 하향장파복사를 관측에 비해 과소모의하면서 음의 온도 편차가 나타남. - 폭설 사례의 경우, 세종기지 부근을 통과하는 저기압, 세종기지로의 수증기 유입, 그리고 사례에 따라서는 세종기지 부근의 지형이 중요한 역할을 함. 이상 고온 사례의 경우, 대기의 강 현상에 의해 상당량의 수증기가 유입되면서 상향장파복사에 의한 냉각을 억제하여 나타남. ○ 남극 성층권 오존 및 지상 라돈 농도 시공간 변동 특성 파악 - 세종 및 장보고 기지의 브루어 분광광도계의 장기간 자료를 세밀하게 분석함으로써 남극 지역 봄철에 나타나는 뚜렷한 오존량 감소에 대한 근거 확보함. - 신뢰도가 높은 장기간 오존 존데 관측 자료를 남극 전 지역에 대해 구축하고 분석을 통해 일반적인 연중 오존 변화 및 기후 경년 변동과의 관련성 파악함. - 남극세종과학기지와 장보고기지에서의 라돈 검출기 연중 90% 이상 운영 및 DB 구축함. - 남극세종과학기지의 동계기간 고농도 라돈 가스 사례는 장거리 수송에 의해, 남극장보고과학기지의 하계기간 고농도 라돈 가스 사례는 지역적인 특징으로 분석됨. ○ 남극 및 남반구 고위도 기후변동성 진단 - 기계학습 기반 Kriging 내삽 방안을 개발하고 확보된 기지 관측자료와 ERA-Interim 자료를 활용하여 1961년부터 2020년까지의 60년간의 남극대륙 월평균 지상온도를 복원함. - 복원된 자료의 연평균, 계절평균 변동성 및 장기 추세를 조사하고 기존에 보고되었던 서남극 지역의 강한 온난화 추세를 확인함. - EOF와 CBF 방법을 활용하여 남극대륙 지면온도 변화 특성을 탐지하는 두가지 변동 지수를 개발함. - 남극대륙 지면온도 변동 지수와 남반구 지역의 Southern Annual Mode (SAM), Pacific-South America 1 (PSA-1), Pacific-South America 2 (PSA-2) 등의 주요대기 변동성과의 상관성 계수 특성을 조사하고 남반구 지역 바람, 온도, 지위고도와의 회귀상관성 분석을 수행하여 남반구 지역의 기후요소간 상관성 관계를 진단함. - 남반구 대류권 및 성층권 오존 자료를 수집하고 오존의 대기순환장, 남극지면변동 모드, SAM, PSA-1, PSA-2의 남반구 기후요소와의 상관성 분석을 수행하여 남반구 오존 변동 특성을 파악하고 남반구 기후시스템에의 영향에 대한 모식도를 작성함. - 남극 전지역 연평균, 계절평균 해빙 변화의 SAM, PSA-1, PSA-2 등의 기후변동 모드와의 상관성을 분석하고 주요 관계 분포 모식도를 작성함. - 최근 남극지역 해빙 증가 경향을 분석하여 적도지역의 Interdecadal Pacific Oscillation (IPO)와 Atlantic Multidecadal Variability (AMV) 등의 장주기 변동성의 영향이 존재함을 확인함. - 남극지역의 주요 변동성과 적도지역의 변동성을 고려한 남극 및 남반구 지역의 기후변화 특성에 대한 모식도를 작성함. ○ 남극 대기 에어로졸 물리화학 특성 현장 관측 - 남극 세종과학기지 기반 에어로졸 물리화학특성 (입자수농도, 구름응결핵, 블랙카본 등) 관측 자료에 관한 장기간 DB를 확보 하였으며, 이를 바탕으로 남극 에어로졸의 계절별 발생 특성을 파악함. - 생물기원기후가스 현장 분석자료를 위성자료 기반 해양, 해빙 환경변화 자료와 결합하여 기원지 특성 및 해양생산성, 일년빙 분포 변화가 생물유래 에어로졸 입자 형성에 미치는 영향을 파악함. ○ 남극 에어로졸 발생 프로세스 파악‘ - 남극 세종과학기지 현장에서 확보한 다양한 환경 시료를 활용하여 자연유래 에어로졸 발생 모사실험을 수행하였으며, 이를 통해 해양 및 육상 기원 에어로졸 형성 프로세스를 파악함. - 초고분해능질량분석기를 활용한 남극 해양, 육상, 해빙에 분포하는 다양한 유기물의 특성을 분석함. (출처 : 요약문 9p)

• 연구책임자 : 김성중
• 주관연구기관 : 한국해양연구원 부설 극지연구소
• 발행년도 : 20230200
• Keyword : 1. 남극;기후변화;극한기상;에어로졸;대기환경;전지구 영향; 2. Antarctica;Climate Change;Extreme Weather;Aerosol;Atmosphere environment;Global Influence;

본 연구는 나노소재를 이용하여 어레이형 플렉서블 방사선 검출센서를 구현하고 성능을 검증하는 것을 목표로 한다. 목표를 달성하기 위해 방사선 검출용 나노소재 합성 및 제조기술 개발, 코팅/전사 기술 및 나노소재간 적층·접합 기술 개발, 플렉서블 방사선 검출센서 개발 및 성능평가를 수행하였다. 그 결과 CsPbBr3 나노크리스탈 합성, 제조기술 개발 및 UV 발광 특성 확인, PbS 퀀텀닷 합성 및 제조기술 개발, Pr 도핑 나노포스퍼 합성 및 조성에 따른 광학적 특성 분석, 형태 및 결정성 TEM 분석, 광학적 특성 UV 조사 및 PL 측정, DLS 사이즈 분석 등의 다양한 나노소재 측정 및 분석 기술 확보 , Graphene 일반 습식전사 및 vacuum 기반 전사 기술 2종 확보, LBL (layer-by-layer) 나노소재 코팅기술 개발 및 코팅 균일도 확보, 플렉서블 복합체 필름화 공정조건 확보, 다양한 나노물질 코팅 및 발광 특성 확인 , 이온빔을 활용한 flexible 기판 (polyimid)의 표면개질 기술 확보, 나노포스퍼-폴리머 복합체 필름 결합 광검출기 X-선 반응성 특성확보, Multilayer graphene 전극 형성 기술, Flexible PCB (F-PCB) 기반 소자 제작기술 개발, ALD 기반 봉지재층 형성 공정 개발 등의 연구 성과를 확보하였다. 본 연구결과를 바탕으로 성능이 개선된 어레이형 플렉서블 방사선 검출센서를 구현을 할 계획이다. (출처 : 서지정보양식 101p)

• 연구책임자 : 강창구
• 주관연구기관 : 한국원자력연구원
• 발행년도 : 20230800
• Keyword : 1. 나노소재;플렉서블;방사선 검출센서; 2. NAno-materials;Flexible;Radiation detector;

본 연구는 원자력 연구시설 지능화를 위한 플랫폼 및 기초 기술 연구를 목표로 한다. 지능화 기술을 개발함에 있어서 데이터 기반의 학습 방법론을 적용하였으며, 하나로 운영 데이터를 바탕으로 센서 데이터 이상탐지 기술, 냉각계통 운영 보조 기술, 인공지능 기반 영상 감시 기술 연구 등을 진행하였다. 각 어플리케이션에 대한 연구는 인공지능 모델을 개발과 프로토타입 시스템을 설계 또는 구축을 포함한다. 또한 원자력 분야 지능화 기술 개발을 위한 통합 플랫폼에 대한 설계 및 프로토타입 구축을 수행하였다. 통합 플랫폼은 원자력 분야 인공지능 기술 개발을 위한 소프트웨어/하드웨어 컴퓨팅 자원을 포함한다. 허브-스포크 방식의 연구 체계를 통해 통합 플랫폼을 활용하여 원자력 분야 인공지능 적용을 위한 활용연구들을 수행하였으며, 원내 인공지능 연구를 위한 연구지원/데이터분석/컨설팅 등을 진행하였다. 본 연구과제의 활동을 통해서 원자력 인공지능 연구를 위한 기반 마련 및 활성화 등 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다. (출처 : 서지정보양식 175p)

• 연구책임자 : 유용균
• 주관연구기관 : 한국원자력연구원
• 발행년도 : 20230100
• Keyword : 1. 인공지능;딥러닝;이상탐지;컴퓨터비전;설명가능한 인공지능;영상 감시;하나로;연구용원자로.; 2. Artificial Intelligence;Deep learning;Anomaly Detection;Computer Vision;Explainable AI;Video Surveillance;HANARO;Reserach Reactor;

□ 연구개요 Particle-in-cell (PIC) 시뮬레이션 코드를 개발하고 이를 활용하여 자기 재결합 과정에서 가속된 전하 입자들이 주변 플라즈마와 반응하며 생기는 복사 메커니즘을 규명하고 태양-지구 환경에서 관측되는 solar type III radio burst와 그 기원이 잘 알려져 있지 않은 고 에너지 천체물리 현상중의 하나인 fast radio burst (FRB)의 이해를 목표로 한다. 또한 자기 재결합과 충격파와 같은 불안정한 플라즈마 환경에서 가열 (heating), 가속(acceleration) 된 입자들은 주변 플라즈마와 다른 특성들은 갖게 되는데 특히 입자들의 표류(drift) 속도 차나 온도 차에 의해 다양한 불안정성이 야기된다. 본 연구에서는 가장 일반적인 플라즈마 시스템에서의 다양한 불안정성을 기술할 수 있는 이론적 수식 및 선형 안정성 분석(linear stability analysis) 코드를 개발하여 자기 재결합 환경 및 충격파(shock)에서 나타날 수 있는 불안정성 및 파동 그리고 파동과 입자들의 상호 작용을 연구한다. □ 연구 목표대비 연구결과 2D PIC 시뮬레이션과 선형 안정성 분석(linear stability analysis) 코드를 개발 완성하였다. 본 연구에서 개발된 PIC 코드는 다양한 우주 천체 플라즈마 환경에서 활용 가능하다. 또한 본 연구에서 개발된 선형 안정성 분석 코드는 입자들의 표류 속도 및 입자 온도 비등방성까지 고려하여 플라즈마 시스템에서의 다양한 불안정성을 기술할 수 있다. 자기 재결합에 의한 고에너지 전자의 분출이 plasma dipole oscillation (PDO)를 생성할 수 있는지를 확인하고 이것이 효과적으로 복사를 방출할 수 있는지를 연구하였지만 자기 재결합에서 PDO가 생성이 확인되지 않았고 이로 인해 coherent radiation이 방출 또한 확인하지 못했다. 하지만 본 연구에서는 bi-Maxwellian 분포를 갖는 background 전자와 양성자 그리고 전자 빔, 양성자 빔을 고려하여 가장 일반적인 플라즈마 시스템에서 적용 가능한 선형 안정성 분석을 위한 수식을 정립하고 코드를 개발하였다. 자기 재결합 및 충격파와 같은 플라즈마 시스템에서는 background와 빔의 표류 속도 차이 및 각 입자 성분들의 온도 차이로 인해 다양한 불안정성이 야기되는데 자기 재결합 과정에서 나타날 수 있는 ion acoustic, whistler, lower hybrid drift와 같은 다양한 불안정성을 분석하고 입자의 초기 가속을 이해하고자 하였다. 또한 ICM 충격파에서 나타나는 다양한 플라즈마 불안 정성들의 (electron firehose, Alfven ion cyclotron, mirror instabilities) 물리적 특성들을 파악하고 논문들을 출판하였다. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구 과제에서 개발된 PIC 코드와 선형 안정성 분석 코드는 비단 이 연구 과제에서만 활용 가능한 것이 아니라 다양한 플라즈마 시스템에 맞게 변형 및 수정이 가능하여 향후 다른 플라즈마 연구에서도 활용이 가능하다. 특히, kinetic scale에서의 난류(turbulence)의 소멸(dissipation), 입자의 가열(heating)과 가속(solar wind acceleration) 연구에 좋은 도구가 될 것이다. 이를 통해 태양-지구 우주 환경에서 나타나는 다양한 불안정성 연구, 태양풍의 전자나 양성자 분포의 비등방성(anisotropy)에 의한 입자들의 가속이나 태양풍 입자들과 전자기파 방출의 난류 평형 상태(turbulent equilibrium), 그리고 지구 dipolar field에 잡힌 고 에너지 입자들을 포함하는 지구 자기권에 관한 연구 등에도 적용 가능 할 것으로 판단된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김선정
• 주관연구기관 : 울산과학기술원
• 발행년도 : 20230300
• Keyword : 1. 자기재결합;플라즈마 복사;우주 전파 폭발;시뮬레이션;선형 안정성 분석; 2. magnetic reconnection;plasma radiation;fast rado burst;simulation;linear stability analysis;

Ⅳ. 연구개발결과 ○ 북극 현장 및 위성관측의 모델 입력자료 활용 자료동화 체계 - 전구 대기 자료동화 체계 수립 · 앙상블 기반 자료동화기법인 LETKF와 전구 대기모형 CAM을 기반으로 하는 전구 대기 자료동화체계 (CAM-LETKF)를 구축함 · 앙상블 기반 자료동화방법에서 나타나는 sampling problem을 완화하기 위하여, adaptive inflation과 covariance localization을 적용함 · 난수를 이용하여 초기 앙상블을 구성하는 스크립트, 종관 관측 (라디오존데, 항공기, 윈드프로파일러, 지상, 해상, 위성산출바람) 자료를 LETKF 시스템에서 활용할 수 있는 포맷으로 변환하는 스트립트, 그리고 자료동화 사이클링을 수행하기 위한 스크립트를 작성함 · 종관 관측 자료를 동화할 수 있는 전구 대기 자료동화체계 (CAM-LETKF)를 성공적으로 구축함 · 위성 복사휘도 관측 자료동화에 필수요소인 복사전달모형 (RTTOV)과 연동되어 있고 지구시스템모형의 성분모형인 해양, 해빙모형과의 인터페이스 (interface)가 확립되어 있는 DART 기반의 전구 대기 자료동화체계 (CAM6-DART)를 구축함 (개발 방향 변경) · 자료동화방법으로는 EAKF 방법을 이용하고, 앙상블 수 한계에서 오는 문제를 완화하기 위하여 inflation과 localization 기법을 적용함 · PrepBUFR 형태의 종관 관측 자료 외에, NetCDF 형태의 GPS RO 관측 자료, 그리고 HDF 형태의 위성 복사휘도 관측 자료를 DART 시스템이 받아들일 수 있는 “observation sequence” 형태로 변환하는 전처리과정을 구축함 · O-B, O-A 통계량 분석, ERA5 재분석자료와의 비교를 통해 생산한 분석장의 품질을 평가함 · 종관 관측 자료외에 위성 복사휘도 관측 자료까지 동화할 수 있는 전구 대기자료동화체계 (CAM6-DART)를 구축함 · 기구축된 전구 대기 자료동화체계를 고도화/최적화하고, 이를 이용하여 앙상블 재분석자료를 생산함 · 위성 복사휘도 관측 자료동화체계를 고도화하기 위하여, 품질검사 (quality control), 채널선택 (channel selection), 솎아내기 (thinning), 그리고 편차보정 (bias correction) 과정을 포함하는 전처리과정을 개발 · 이론적인 방법을 기반으로 위성 복사휘도 관측에 대한 관측 오차를 결정함 · GPS RO 관측 자료동화체계를 최적화하기 위하여, 자료동화에 사용되는 위성플랫폼의 추가, 관측연산자 (local, nonlocal)의 결정, 관측 오차 (고도와 위도의 함수)의 결정을 위한 연구를 수행함 · 고도화된 전구 대기 자료동화체계를 이용하여 자료동화 사이클링 실험을 수행하고, 각각의 관측종 동화가 분석장 품질에 미친 영향을 평가함 · 구축된 전구 대기 자료동화체계를 이용하여, 2017년부터 2022년까지의 기간에 대하여, 6시간 간격의 앙상블 재분석자료를 생산함 · 수평 해상도 2도, 앙상블 수 10개를 사용하였고, 생산된 재분석장을 ERA5 재분석자료와 비교하여 생산된 재분석장의 품질을 평가함 ○ 대기화학모형 결합 기반 북극-한반도 통합 재해기상 발생 진단/전망용 모델링 시스템 - 모델링 시스템 구축 · NCAR에서 배포하는 3종 전구대기화학모델의 특성을 조사하고 30년간의 기후실험을 통해 겨울철 모의 성능을 평가하였음 · CAM6, CAM6-Chem 모델 기반 모델링 시스템을 구축하고 20년간의 겨울철 과거 재예측 실험을 수행하여 겨울철 모의 성능을 비교 평가함 - 모델링 시스템 활용 북극-한반도 재해기상 발생 사례 진단 · 재분석 자료와 기후모델 실험 자료 분석을 통해 북극 증폭현상의 계절 특성을 파악하고 관련된 주요 메커니즘을 규명함 · 전구 대기모델링 시스템의 북극 겨울철 고온사례 모의 능력을 평가함 · 북대서양 진동에 대한 성층권 돌연승온 유형 의존성 검토. 음의 북대서양 진동이 선행하는 경우 하나의 극 소용돌이가 두 개의 조각으로 분리되는 전이형 분리 유형이 빈번하게 하게 발생 · 재분석 자료를 활용하여 세가지 성층권 돌연승온의 유형에 따라 20일 이내의 준계절 시간 규모에서 북반구 중위도 지역 대류권 한파 발생의 시기적, 지역적 차이를 확인 · 성층권 너징 실험을 통하여 준계절 시간 규모에서 성층권 돌연승온 발생 이후 겨울철 유라시아 지역의 한파 모의 정확도 향상 확인 · 여름철 북극 지역 악기상 및 대기 순환장의 패턴과 관련하여 중위도 지역 제트기류의 위치와 강도에 변화 발생하고, 이것이 동아시아 지역 여름 몬순과 연관된 순환장 변화 및 재해 기상에도 영향을 끼침 · KPOPS 예측 시스템에서도 여름철 악기상 관련 북극 대표 패턴을 관측과 유사하게 모의하고 있으며, 관련된 제트기류 변화도 유사하게 모의함. 특히 북극이 쌍극자 모드를 가질 때보다, 고압성/저압성 편차 단일 패턴을 가질 때 관측과 더 유사한 성능 보임 · KPOPS 예측 시스템 내 북극 주요 패턴 관련 여름철 중위도 재해 기상에 대한 모의 성능은, 지역별, 월별로 차이가 있으나 고온 편차에 대해서는 상대적으로 양호하나, 강수 편차는 모의 성능이 떨어지는 경향을 보임 · 한반도에서 발생하는 극도로 높은 (extremely high, EH) PM10 사례는 유라시아 규모의 대규모 대기 순환 패턴과 관련되어 있음 · EH 사례 발생 시 나타나는 한반도의 대기 정체 패턴은 북대서양 강제력의 영향을 받음 · 북대서양에서 연직으로 강하게 발달하는 고기압성 편차는 음의 와도 이류 강제력에 의해 유도됨 · 북대서양에서 강하게 발달하는 고기압성 편차로 인해 증폭되는 로스비 파동 에너지는 유라시아 대륙을 거쳐 한반도 지역으로 전파되어 대기 정체 패턴을 유발함 · 여름철 동아시아 폭염은 북극/시베리아 평원에서 기원하는 파동열의 대기 순환 패턴과 밀접하게 관련되어 있음 · 북극/시베리아 평원에서 강하게 발달하는 고기압성 편차는 음의 와도 이류에 의해 발달하여 복사 에너지의 증가를 유도함 · 북극/시베리아 평원에서의 증가된 복사 에너지는 양의 수증기 피드백을 통해 지표 기온과 비습을 증가됨 · 북극/시베리아 평원에서 강하게 발달하는 열적 고기압은 로스비 파동 에너지를 증폭시키고, 대기 상층 경로를 통해 전파되어 동아시아 지역의 폭염을 유발함 - 북극해 해양-해빙 모형 접합 성능 평가 · 해양-해빙 모형 접합에서 해양, 해빙 모형에서의 주요 모수들의 최적화를 수행하였고, 수직 격자 해상도의 증가를 통해 상층 해수특성 수직 구조를 향상시킴 · 모수 최적화와 개선된 격자 체계를 이용하여 북극해에서의 기후학적 순환장을 개선하였고, 이를 북극해로 유입되는 하천기원 담수의 이동을 이해하는데 활용할 수 있다는 것을 확인함 ○ 북극 육·해상 현장 관측 (준)실시간 수집 체계 확립 및 해상 에어로졸 통합관측 확장 - 북극 육·해상 현장 관측 (준)실시간 수집 및 분석 · 니알슨 다산기지 운영 대기관측과 아라온호 북극항해 시 라디오존데 상층기상 관측, 전지구 종관 및 위성 관측을 포함하는 웹기반 (준)실시간 수집 및 모니터링 체계를 구축함 · 북극 니알슨 제플린관측소에 설치된 2종의 구름입자센서(CDP2, BCPD)를 이용해 북극 저고도 구름입자의 크기, 수농도, 액상량을 연중 모니터링하였음. 일평균 액상량 기준으로 최고치일 경우 0.1 g/㎥ 수준의 값을 보였고, 신생입자가 생성되는 사례에서 수농도는 700 #/㎤ 수준의 값을 보였음. 하층운이 탐지된 경우를 선별하여 니알슨 CloudNet 자료와 비교 검증하는 후속 분석을 진행중임 · 니알슨의 경우 일반적으로 대기가 청정하여 도플러 윈드 라이다에서 바람이 측정되지 않는 경우가 발생하, 20개층 이상 고도의 바람 자료가 얻어지는 경우는 대체로 60% 전후의 비율을 보임. 또한 하층운이 분포하는 경우 구름 입자로 인해 구름하부 바람 자료 수득률이 높아지는 특징을 보임 · 이태리 극지연구소(ISP-CNR)과 협력하여 2차년도부터 CCT 타워의 고도별 기온, 습도, 풍향, 풍속, 기압 자료를 수집하고 있으며, 3차년도에는 독일 AWI와 협력하여 마이크로파라디오미터 장비에서 관측한 대류권내 기온 및 습도 분포 자료를 수집하고 있음 · 아라온호의 북극해 항해 기간 동안 정기적인 라디오존데 비양으로 상층기상 관측을 실시함 · 수집된 상층기상 자료를 위성 네트워크를 통해 준실시간 자료 전송 및 전세계 라디오존데 데이터 네트워크에 공유함 · 2021년 획득한 상층기상 자료를 활용하여 대류권 하층의 열역학 구조를 분석함. 여름철 북극해 대류권 하층은 고도 증가에 따라 온위가 일정한 근 중립 성층 구조를 가짐 · 2022년 획득한 상층기상 자료를 활용하여 저기압계 통과시기의 연직 대기 구조를 분석함 - 인위적 및 해양기원 에어로졸 농도 및 분포 변화 특성 · 베링해-서북극해 구간 에어로졸 시료 채취하여 화학 분석을 수행하였음 · 음이온 성분 (Cl−, methanesulfonic acid (MSA), NO3−, and SO42−)과 양이온 성분 (Na+, NH4+, K+, Mg2+, and Ca2+)의 분석을 수행하였고, 비해염성 황산염 (non-sea-salt sulfate; nss-SO42−) 농도를 산출하였음 - 북극지역 에어로졸-구름의 입체 분포 및 장기변동 특성 · 지상·위성 관측자료를 이용하여 북극 에어로졸과 구름의 계절·경년 변동 특성을 분석함 · 아라온호에서 관측된 에어로졸의 특성을 분석함 · 북극 지역 에어로졸 주요 발생원 및 중위도에서 장거리 수송 영향을 분석함 · 니알슨(Ny-Ålesund) 과학기지의 구름 특성과 북극 종관 기상 패턴과의 연관성을 분석함 · 북극 구름 유형 분포와 장파 복사 수지와의 연관성을 분석함 - 해상 DMS 에어로졸 관련 화학반응 모의 · DMS의 배출량과 산화과정을 포함하여, 최신의 정보를 활용하여 향상된 DMS 및 MSA의 모델링을 지구시스템 모델에 도입함 · 대서양부근의 북극권에서는 고농도의 DMS가 모의되는 시기에 MSA도 증가한 것으로 보이나, 태평양 지역에서는 상대적으로 뚜렷하게 높은 DMS에도 불구하고 MSA의 농도의 증가나 미미하게 나타남 ○ 머신러닝 기반 한반도 미세먼지 중장기 예측 모델 개발 - 미세먼지 농도 예측 모델에 이용 가능한 잠재적 예측 인자의 수집 및 분석 · 한국, 중국 관측소에서 측정한 미세먼지 농도 자료를 수집하고 데이터베이스를 구축함 · PM 농도 자료의 시공간적 특성과 중장기 시간 규모에서의 상관성을 분석함 · 동아시아 기후, 대기질에 영향을 끼치는 북극, 고위도 지역의 기후인자를 수집하고 분석함 - 모델링 시스템 (KPOPS-Earth)의 기후 변수 모의 성능 평가 및 하반도 미세먼지와의 중장기 시간 규모 상관성 분석 · 4개의 변수(850-hPa 지위고도, 850-hPa 동서바람, 850-hPa 남북바람, 850-hPa 온도)에 대하여 KPOPS-Earth 과거 자료 모의의 성능을 평가함 · KPOPS-Earth 과거 모의 자료 기반 고위도 기후 인자와 한반도 미세먼지 간의 중장기 시간 규모에서의 상관성을 분석함 - 머신러닝 기법을 활용한 미세먼지 농도 예측 모델 개발 · 랜덤 포레스트 모델을 통해 예측 모델의 각 입력 변수별 중요도를 판단함 · 합성곱신경망 모델 기반으로 서울의 월평균 PM2.5 농도 예측을 하는 모델을 개발함 · 학습에서는 ERA5 재분석 자료만을 이용하고 예측에서는 ERA5 자료를 이용하는 모델(CNN-ERA5)과 KPOPS-Earth 자료를 이용하는 모델(CNN-KPOPS)이 개발됨 (출처 : 요약문 7p)

• 연구책임자 : 김주홍
• 주관연구기관 : 한국해양연구원 부설 극지연구소
• 발행년도 : 20230200
• Keyword : 1. 재해기상 모델링 시스템;대기 자료동화;에어로졸;구름;대기화학모형;미세먼지;중장기 예측; 2. High-impact weather modeling system;atmospheric data assimilation;aerosol;cloud;atmospheric chemistry model;fine dust;mid-to-long range forecast;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 방사선 식도염 환자에서 추출한 상피조직을 이용하여 생체모사체를 대량 배양할 수 있는 기술을 개발하고 이를 방사선 식도염 치료제로 개발하는것 ◼ 전체 내용 식도 생체모사체 배양 기술확립 식도 생체모사체의 치료 효과 검증 및 치료기전 확립 식도 생체모사체의 치료 효과의 최적화 및 치료 프로토콜 확립 ◼ 1단계 ❏ 목표 식도 생체모사체 확립 및 치료 효과의 검증 ❏ 내용 방사선 식도염 치료 효과 검증을 위한 식도 생체모사체 대량 배양 조건 확립 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 본 제안과제로 확립한 기반 기술을 임상시험 단계로 진입시켜 방사선 식도염 치료제를 개발에 활용 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김미선
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20230600
• Keyword : 1. 식도 생체모사체;식도 줄기세포;방사선 식도염;세포치료제;질병 모델링; 2. Organoid;Esophageal stem cells;Radiation esophagitis;Cell therapy;Disease modeling;

연구개발 목표 및 내용 최종 목표 지방세포 분화와 인슐린 신호전달의 핵심 조절자인 Caveolin-2의 단백질 발현 및 후성 유전적 활성화 조절 규제에 의한 지방전구세포 (preadipocytes)의 유사분열 클론성 확장 (MCE, mitotic clonal expansion) 단계 세포주기 조절 기전 및 Caveolin-2의 팔미토일화 (palmitoylation) 규제에 의한 지방세포의 인슐린 지질대사 신호전달계 조절 기전을 규명하여, 지방 전구세포의 지방세포로의 분화 조절과 분화된 지방세포 (adipocytes)에서 인슐린 지질 대사 신호전달계 이상으로 초래되는 비만 발생을 효과적으로 제어할 수 있는 기전을 연구하고자 함. 전체 내용 (1) 1차년도 (2018): Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기 조절 인자 발굴 ‣ MCE 단계에 필수적으로 관여하는 세포주기 조절 인자들 중 Caveolin-2의 발현 조절에 의해 규제되는 표적 세포주기 조절 인자 발굴 (2) 2차년도 (2019): Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기 조절 인자의 후성 유전적 활성화 조절 기전 규명 ‣ Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기 조절 인자의 유전자 활성화가 Caveolin-2에 의해 후성 유전적으로 조절되는 전사 작동 기전 규명 (3) 3차년도 (2020): Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기 조절 인자 규제에 의한 지방세포 분화 제어 기전 규명 ‣ Caveolin-2-표적 MCE 세포주기 조절 인자의 후성 유전적 활성화 제어를 통하여 MCE 단계 세포주기를 규제하였을 때 지방세포 분화가 억제되는 기전 규명 (4) 4차년도 (2021): Caveolin-2-조절 지방세포 인슐린 지질 대사 신호전달계 제어 기전 규명 ‣ 지방전구세포로부터 분화된 지방세포에서 인슐린 신호전달 조절에 필수적인 Caveolin-2의 번역 후 변형, 팔미토일화에 의해 규제되는 인슐린 지질 대사 신호 전달계 조절 기전 규명 (5) 5차년도 (2022): Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기 및 Caveolin-2-조절 인슐린 지질 대사 신호 전달계 규제에 의한 비만 제어 기전 규명 ‣ 지방전구세포의 Caveolin-2-표적 MCE 단계 세포주기와 지방세포의 Caveolin-2-조절 인슐린 지질 대사 신호전달계를 규제하였을 때 비만 발생이 억제되는지 여부를 in vivo 시스템에서 조사 연구개발성과 Impact factor 5점 이상의 SCIE 국제학술지 투고 1. (FASEB journal) Caveolin-2 in association with nuclear lamina controls adipocyte hypertrophy 2. (BBA-MOLECULAR CELL RESEARCH) Epigenetic regulation of Cebpb activation by pY19-Caveolin-2 at the nuclear periphery in association with the nuclear lamina 3. (BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS) N-myristoylation regulates insulin-induced phosphorylation and ubiquitination of Caveolin-2 for insulin signaling 4. (BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-MOLECULAR BASIS OF DISEASE) Alternative translation initiation of Caveolin-2 desensitizes insulin signaling through dephosphorylation of insulin receptor by PTP1B and causes insulin resistance 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ‣ 비만으로 진행되는 지방세포 분화의 초기단계를 효과적으로 제어할 수 있는 핵심 기전을 발굴함으로써 초기 줄기 간세포의 세포주기 조절 기작을 연구하는데 기반이 될 것이며, 지방조직 분화와 성장 및 비만에 대한 병태생리학적 학문 정립에 기여하게 될 것임. ‣ Caveolin-2-표적 MCE 세포주기 조절 인자의 후성 유전적 제어 결함으로 유발되는 비만 발생 기전을 규명함으로써 세포 생물학을 기반으로 하는 기초생명과학연구를 비만을 치료하려는 의학적 연구로 연계시켜 기초생명과학의 연구 활성화와 그 연구결과가 실용화될 수 있는 기반을 제공할 것임. ‣ 지방세포의 인슐린 지질 대사 신호전달계가 Caveolin-2 팔미토일화에 의해 규제되는 시스템을 개발한다면 인슐린 지질 대사 신호전달계의 조절 이상 및 결함으로 초래되는 비만을 포함한 당뇨병, 및심혈관질환 등의 대사성 질환과 암의 발병 기전 연구에 활용할 수 있을 것임. ‣ Caveolin-2-표적 MCE 세포주기 조절 인자 시스템을 기반으로 하는 비만의 진단 바이오마커 칩 개발에 응용할 수 있으며, 비만 환자의 조직 및 혈액 샘플에서 그 바이오마커의 발현 양상을 스크리닝할 수 있는 맞춤 단백질체 분석법 개발에 활용할 수 있을 것임. ‣ Caveolin-2-표적 MCE 세포주기 조절 인자의 단백질 분자구조 분석 연구를 통해 조절인자의 저해제 및 활성제 발굴을 통한 치료제 개발에 응용할 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 박윤배
• 주관연구기관 : 경상대학교
• 발행년도 : 20230600
• Keyword : 1. 케비올린-2;유사분열클론성확장;인슐린 지질 대사 신호전달계;지방세포 분화;비만; 2. Caveolin-2;Mitotic clonal expansion;Insulin-response lipid metabolism;Adipocyte differentiation;Obesity;