□ 연구개요 본 연구는 방사선 유도 종양엑소좀을 암치료제로 개발하기 위한 가능성을 연구하는 기반 연구로, 방사선 유도 종양엑소좀에 의한 종양의 성장변화를 확인하고, 정량/정성적 분석을 통해 유의미한 인자를 발굴하고자 하였음. 총 3년으로 계획되었고, 1차년도에는 다양한 종양 세포주를 이용한 동물모델에서 방사선 유도 종양엑소좀의 분리법을 최적화하였음. 2차년도에는 분리된 종양엑소좀에 대해 질량분석법과 바이오인포매틱스 분석을 통해 방사선에 의해 유도되는 엑소좀 내 특이적 단백질들을 프로파일링하였음. 3차년도에는 방사선 유도 종양 엑소좀의 항암활성 기능을 마우스 종양 내 주입 후 성장 억제를 통해 확인하였고, 유세포분석 기반 면역세포 프로파일링을 통해 방사선 유도 종양 엑소좀이 T세포 활성화를 유도하고 특히 항 PD-L1 요법과의 병용 효과를 함께 확인하였음. □ 연구 목표대비 연구결과 1) 1차년도 목표: 방사선 유도 종양엑소좀의 분리 및 정량 분석 - 4T1 마우스 유방암 세포주를 대상으로 in vitro 와 in vivo 조건에서 방사선 조사 후 유도되는 종양 엑소좀을 분리하였음 - 분리된 엑소좀에 대해 나노입자분석을 시행하고 정량화 하였음 2) 2차년도 목표: 방사선 유도 종양 엑소좀의 종양 억제 기전 발굴 - In vitro 와 in vivo 조건에서 분리된 방사선 비유도/유도 종양 엑소좀에 대해 TMT 기반 proteomics 분석을 시행하였음 - 각 조건별 공통적/특이적 단백질 리스트를 확보함과 동시에 관련 pathway 분석을 완료하였음 3) 3차년도 목표: 방사선 유도 종양 엑소좀의 치료적 효용성 연구 - In vivo 종양 엑소좀의 생체 내 분포를 생물발광법으로 확인하였고, 분리된 수지 상세포에 처리 시 수지상세포의 활성도가 증가됨을 확인하였음 - 4T1 마우스 종양 모델을 수립하고 종양 내 주입시 방사선 유도 엑소좀이 비유도 엑소좀에 비해 종양 성장 억제 효과가 크다는 것을 확인하였음. - 항PD-L1 항체와 병용 시 방사선 치료군과 동일한 종양 억제 효과가 관찰되었음 - 유세포분석법과 효소면역측정법으로 평가한 결과 방사선 유도 종양 엑소좀은 종양내 세포 독성 T 세포의 활성도를 증가시켰고, 림프절에 수지상세포의 활성을 증가시켰으며 혈액 내 면역 증진 관련 사이토카인을 활성화시킴을 확인하였음 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 연구개발 결과의 중요성 - 학문적/과학적 측면: 방사선 치료의 종양 억제 기전 및 엑소좀의 기여에 대한 의과학적 탐구 - 사회적/경제적 측면: 차세대 암치료제로 개발 가능성과 기술 선점 가능성 2) 연구 개발 성과의 활용 계획 및 기대 효과 - 본 연구에서는 in vitro 조건에서 방사선에 의해 유도되는 엑소좀 대비 in vivo 조건에서 유도되는 엑소좀 내 발현되는 다양한 단백질들의 리스트를 확보하였음. - 방사선 유도 엑소좀의 항종양능이 일반 엑소좀에 비해 우수함을 확인하였음. - 방사선 유도 엑소좀은 향후 진단이나 치료 영역에서 활용 가능할 것으로 기대됨 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조원경
• 주관연구기관 : 삼성서울병원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 엑소좀;방사선 치료;암치료;단백체분석;항암면역; 2. Exosome;Radiation therapy;Cancer treatment;Proteomic analysis;immuno-oncology;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 김광섭
• 주관연구기관 : 한국기계연구원
• 발행년도 : 20240200
• Keyword : 1. 나노구조체;그래핀;태양 복사에너지;능동제어;전기차; 2. Nanostructure;Graphene;Solar Radiative Energy;Active Control;Electric Vehicle;

□ 연구개요 • 전략적 전극 소재 개발: 액체금속이 갖는 고유 속성, 상온에서 쉽게 접근할 수 있는 가융성(Fusibility)에 따른 자가 치유(Self-healing)적 특성을 리튬금속전지(Lithium Metal Battery, LMB)의 전극 소재에 활용하여 리튬의 수지상결정(Dendrite) 생성을 억제하고 충/방전시 유발되는 전극의 큰 부피팽창에 유리하도록 전극 소재를 디자인 • 전극제조의 새로운 개념 제시: 기존 선 소재합성 후 전극제조와 같은 전지의 전극개발 과정에서 벗어나 전극 안에서 발생하는 전기화학 반응을 소재합성법으로 활용하여 설계함으로써 전극제조의 추가 공정 없이 전기화학 반응을 거친 소재가 연속적으로 전극으로 활용될 수 있도록 고안한 실시간(In-situ) 전극제조의 개념 제시 • 수지상결정(Dendrite)의 생성 메커니즘 이해: 방사광 가속기(Synchrotron radiation)의 다양한 X-선(X-ray) 고도장비를 이용하고 실시간 분석으로 진행함으로써 리튬 전극 표면과 계면에서 일어나는 변화를 관찰하여 덴드라이트의 생성 및 성장 메커니즘 규명 □ 연구 목표대비 연구결과 • Ga의 용융화를 통한 액체 Ga의 분말화 공정개발과 이를 통해 얻어진 수 마이크론 단위의 사이즈로 분말화된 갈륨과 리튬 박막과의 [복합체 Ga/Li 전극] 개발 및 전기화학 반응을 통한 실시간 합성된 [Ga-Li 복합체 전극] 개발 후 리튬 대칭 셀(Symmetric cell)과 비대칭 셀(Asymmetric cell) 조건에서 복합체 갈륨의 효과 평가 • Ga을 시드로 디자인함으로써 상온에서 쉽게 용융될 수 있게 하여 Ga-Li과 함께 제 3의 시드 도입 및 3상 합금 형성[Ga-Zn-Li, Ga-Mg-Li]을 기상이 아닌 액상 조건으로 설계함으로써 보다 용이하고 비용 효율적으로 소재개발 • 전지 내에서 일어나는 전기화학 반응[전해질에 녹아 있는 금속 이온(M²⁺; M= Zn, Mg)의 직접 환원(Direct reduction)을 통한 금속 증착(M⁰) 및 리튬과의 합금반응(Li_xM)]을 소재 합성을 위한 공정으로 설계함으로써, 소재합성이 곧 전극제조로 이어지도록 하는 실시간 전극제조에 대한 개념을 제시함 • 고성능 Li-In-Bi 및 Ga-Mg-Li 3상 합금 전극을 개발하고, 해당 전극을 실시간 광학 현미경 및 삼전극 전지를 활용하여 분석을 진행 • X-선 고도장비 및 광학 현미경 분석을 이용하여 전극 표면에서 일어나는 다양한 특성을 분석하고, 전압 변화와 동기화하여 실시간 반응 과정을 밝힘 • 이러한 연구들을 통해 신개념 소재 및 전극을 개발하고, 리튬금속의 생성 및 성장에 영향을 미치는 주요 요인들의 상호작용에 대한 해석을 제시함 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 신개념 소재 및 전극 개발: 액체금속의 본질적 특성을 리튬금속 전극의 고질절인 문제점을 해결하는 방안으로 적극 도입하여 소재를 디자인하였고, 전지 내부에서 일어나는 초기 전기화학 반응을 소재합성법으로 설계하여 실시간 전극제조 공정을 제시함으로써 기존 선 소재합성 후 전극제조와 같은 전지의 전극개발 프레임에서 벗어나 소재 및 전극 개발에 대한 새로운 전략 제시 • 리튬금속전지 연구에 대한 원천기술 확보: 리튬금속을 음극으로 사용하고자 하는 많은 연구가 진행되어 오고 있으나 현재까지도 리튬의 높은 반응성에 따른 분석의 어려움으로 인하여 덴드라이트 형성에 관한 정립된 이론은 부재. 본 연구 과제를 통하여 방사광 가속기 X-선 분석을 활용한 실시간 전극 분석을 진행함으로써 리튬금속의 생성 및 성장에 영향을 미치는 주요 인자들에 대한 데이터베이스 구축 및 기초과학기술 경쟁력 제고에 큰 역할을 할 것으로 기대 • 전문성을 지닌 수준 높은 연구인력 양성: 본 연구는 액체금속 기반 음극 소재라는 새롭고 도전적인 과제를 통하여 창의적인 연구인력 양성에 기여하고, 고도분석을 통한 소재의 기초원리 및 메커니즘 규명은 관련분야의 높은 지식 및 전문성이 요구됨에 따라 본 연구과제의 성공적인 목표 달성을 통해 수준 높은 전문인력 양성이 가능 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 유승호
• 주관연구기관 : 고려대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 리튬금속전지;액체금속;핵생성;수지상결정;실시간 분석; 2. Lithium Metal Battery;Liquid Metal;Nucleation;Dendrite;In-situ analysis;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 자기 거울 플라즈마 기반 중성자 발생 장치 개발에 요구되는 자기 거울 플라즈마 성능 개선을 위해 필요한 자기 거울 플라즈마에 대한 물리적 이해 증진 ◼ 전체 내용 본 연구개발과제는 크게 두 가지 큰 역무로 나누어 진행되었음. 첫 번째 역무는 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 위한 실험적 기반을 다지는 것으로, 소스 플라즈마 파워 시스템 개선, 밀도 측정을 위한 간섭계 개발, 분광계 데이터 해석을 위한 충돌 방사 모델 개발, 불안정성 구조 분석을 위한 자기 탐침 어레이 개발 연구를 수행함. 두 번째 역무는 자기 거울 플라즈마 이해 증진을 위한 실험 연구를 수행하는 것으로, 자기 거울 플라즈마 성능에 불안정성이 미치는 영향 분석, 소스 플라즈마 파워, 자기장 크기 및 구조와 같은 여러 실험 조건이 자기 거울 플라즈마 성능에 미치는 영향 관찰, Expander 조건 변화가 플라즈마 성능에 미치는 영향 연구를 수행함. □ 연구개발성과 본 연구개발과제의 연구 성과는 크게 두가지로 나눌 수 있음. 첫째는 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 위한 실험적 기반을 확보한 것이고, 둘째는 자기 거울 플라즈마 물리 이해를 증진하기 위한 물리 실험을 수행하여 플라즈마 성능 변화 요인과 플라즈마 성능 제어 방안을 모색한 것임. 자기 거울 플라즈마 물리 연구 수행을 위하여, 소스 플라즈마 파워 시스템을 물리 연구에 적합하도록 개선하였으며, 반도체 기반 플라즈마 가열 시스템을 구축하여 향후 플라즈마 성능 향상을 위한 실험 환경을 마련하였음. 이와 더불어, 간섭계를 개발하여 선적분 밀도를 측정하였으며, 분광계 데이터 분석을 위한 충돌 방사 모델을 개발하여 전자 온도 및 밀도를 추정 후 타진단과의 비교를 통해 모델 개발 방향의 타당성을 확인할 수 있었음. 추가로, 자기 탐침 어레이를 개발하여 플라즈마 내 존재하는 불안정성의 방사 방향 구조를 성공적으로 추정하였음. 이와 같은 연구 성과들을 통하여 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 할 수 있는 실험 시스템을 구축하였음. 구축한 실힘 시스템을 바탕으로 자기 거울 플라즈마 물리 실험을 수행하였음. 기존 실험을 통해 파악한 플라즈마 성능 제어 파라미터들인 소스 플라즈마 파워, 자기 거울비 변화에 따른 플라즈마 성능과 플라즈마 내 불안정성 변화를 본 과제를 통하여 개발한 진단 장치 및 기술을 활용하여 측정하였고, 플라즈마 성능과 불안정성 크기 사이의 연관 관계에 대하여 분석함으로써 플라즈마 성능 변화 요인에 대해 추정할 수 있었음. 또한, expander의 collector 위치를 조정하여 플라즈마 중심의 성능이 변화할 수 있음을 관찰하였고, 본 결과를 통해, collector 위치와 같은 expander 환경을 조정하여 자기 거울 플라즈마 성능을 제어할 수 있는 가능성을 확인하였음. 본 연구를 진행함에 있어, Khalifa 대학의 Kourakis 연구팀에 연구 결과를 공유하고, 같이 논의하여, Kourakis 연구팀과 향후 공동 연구를 추진할 수 있는 기반을 마련하였음. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 본 연구개발성과를 통해 플라즈마 물리 연구에 적합한 자기 거울 플라즈마 실험 시스템을 구축하고 자기 거울 플라즈마에 대한 이해를 증진할 수 있어, 자기 거울 플라즈마 성능 향상을 위한 실험 기술 확보에 활용될 수 있을 것이며, 향후 자기 거울 플라즈마 성능을 향상시켜, 자기 거울 플라즈마 기반 중성자 발생 장치 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대됨 또한 본 과제를 통해 도출된 자기 거울 플라즈마 물리 연구 성과는 중성자 발생 장치뿐 아니라 핵융합 플라즈마 물리 연구, 반도체 제조 공정, 우주 플라즈마 물리를 포함한 기초 플라즈마 물리 연구 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 보임. 이와 더불어, 본 과제는 Khalifa 대학의 Kourakis 교수팀과의 공동 연구를 통해 수행되었으며, 본 과제 성과는 향후 Kourakis 교수님팀과의 장기간 공동 연구 진행을 위한 초석이 될 것으로 기대됨 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 성충기
• 주관연구기관 : 한국과학기술원
• 발행년도 : 20240100
• Keyword : 1. 자기 거울 플라즈마;중성자 발생 장치;플라즈마 불안정성;플라즈마 진단;전자 번스타인 파동 가열; 2. Mangetic mirror plasma;Neutron source;Plasma instabilities;Plasma diagnostics;EBW heating;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 정량적 핵무기 잠재력 분석법을 기반으로 북핵 핵심 시설을 규명하고 이를 바탕으로 북한 비핵화 조치의 우선순위를 도출 ◼ 전체 내용 ‘기정학(技政學)의 시대’, 과학기술은 외교 및 안보 분야의 핵심으로 떠오르고 있다. 특히 한반도의 지정학(地政學)적 특성을 고려한 기정학적 사고가 반드시 필요함. 이러한 배경으로 ‘북핵’에 관한 선제적인 학술연구는 그 이해당사자 간 북핵 대응 조치에 대한 공통된 인식 마련을 위한 정책적 함의가 클 것임. 북핵 프로그램의 핵심 시설 및 기술을 객관적으로 규명하는 것을 시작으로, 본 연구는 북한을 대상으로 한 핵무기 잠재력 분석(nuclear weapons latency analysis)을 통해 북핵 프로그램의 핵심 시설을 정량적으로 규명하고 이를 바탕으로 향후 북한 비핵화 조치 대상의 우선순위 및 그 정책적 함의를 도출하고자 함. □ 연구개발성과 1. 북핵 프로그램 묘사 페트리넷 모형 구축 및 보완, 검증 2. 비핵화 조치 가상 시나리오 시뮬레이션 및 핵심 시설 중요도 정량화 3. 향후 북한 비핵화 조치 대상의 우선순위 및 그 정책적 함의 도출 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 1. 과학기술적 논의 및 정량적 분석 기반 북한 비핵화 로드맵 구체화  북한 핵무기 프로그램에 대한 원자력 공학적 고찰 제시  정량적 분석을 통한 객관성 및 구체성 제고 2. 증거 기반 의사 결정 및 정책 수립에 기여  북핵 이해당사자 간 공통 인식 마련  융합적 방법론을 통한 합리적·효율적 외교 정책 수립 (출처 : 요약문 4p)

• 연구책임자 : 박경열
• 주관연구기관 : 한국과학기술원
• 발행년도 : 20240100
• Keyword : 1. 북핵;핵무기 잠재력;페트리넷;비핵화;핵심 시설; 2. North Korea nuclear weapons;Nuclear weapons latency;Petri net;Denuclearization;Critical facility;

□ 연구개요 항암제 내성 유방암 세포를 대상으로 항암제 내성과 전이, 방사선 내성간의 상관관계에 대한 종합적 분석을 통해 항암제 내성획득 예방전략 수립 및 항암제 내성 유방암 치료 표적을 위한 후보인자들은 발굴함. 또한 항암제 내성, 전이, 방사선 내성 간에 밀접한 연관성이 있음을 확인하였고, 특히 항암제 내성암의 경우 방사선에 대한 교차내성을 확인하는 등 항암제 내성암 치료를 위한 새로운 패러다임을 제시하기 위한 과학적 자료를 확보하였음 □ 연구 목표대비 연구결과 : 항암제 내성유방암 세포의 추가적 확보 : 항암제에 대한 교차내성 정보의 확보 : 항암제 내성 세포별 핵심인자의 발현양상 변화에 대한 자료 확보 : 항암제 내성암에 대한 유전발현 정보 자료 확보 및 항암제 내성획득 관련 공통인자의 발굴 : 천연물 유효성분을 이용한 항암제 내성관련 인자 표적화 가능성 제시 : 항암제 내성획득 관련 공통후보인자인 HOXA5 과발현 stable cell line 구축 : 동물실험을 통한 항암제 내성 극복 방안의 제시(morin의 항암제 내성암 종양의 성장 억제효과 검증) : 항암제 내성과 방사선(양성자빔), 전이와의 상관관계에 대한 기초 자료확보 : 항암제 내성획득 관련 공통후보인자인 HOXA5와 전이활성과의 상관관계 검증 : 항암제 내성획득 공통후보인자의 추가적 발굴 가능성을 제시 및 추가 연구의 필요성 입증 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 가. 과학적 중요성 : 항암제 내성암의 치료를 위한 새로운 후보표적의 발굴 가능성을 제시하는 연구 결과로 항암제 내성의 극복을 위한 치료전략수립을 위한 과학적 근거를 제공 : 항암제 내성암에 대한 표적치료 가능성을 찾고 기존 기전과의 통합성 연관성 분석을 통해 항암제 내성획득의 예방 및 내성암 치료를 위한 새로운 치료전략 수립의 기초자료를 수립 : 단일 항암제가 아닌 다양한 항암제 전반에서 발생하는 내성에 대한 극복 방안의 제시가능성을 보여주는 연구임 나. 사회․경제적 파급효과 : 항암제 내성암에 대한 표적 치료제 개발을 위한 새로운 패러다임의 제공 기반을 확보 → 치료제 개발에 따른 수입대체 효과 및 수출 (약 500억원/년의 수입 대체효과 및 수익 기대) : 재발암 발생의 감소로 인한 의료비 지출부담의 경감 (4,100만원/1인의 의료비 경감기대) : 유전자 분석 기술을 기반으로 한 항암제 내성획득 가능성 진단을 위한 키트 개발로 의료보험 급여비의 경감 (약 6,300억원/년의 의료보험 급여비 지출경감기대) : 심층적 분석, 적용범위의 확대를 위한 연구지속성 확보로 연구 인력의 양성(대학원생 및 연구원: 3명/년) : 기술이전을 통한 지역의료 시설 및 바이오 제약업체를 기반으로 한 항암제 내성암 치료 클러스터 구출을 통한 난치암 치료제 개발연구 및 생산을 위한 지역맞춤형 인프라 구축과 그에 따른 고용 창출 기대(약 15명/년) (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이규식
• 주관연구기관 : 동국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 항암제 내성;유방암;교차내성;전이;치료표적; 2. Anticancer drug resistance;Breast cancer;Cross resistance;Metastasis;Therapeutic target;

□ 연구개요 ○ 다양한 응용분야 (의료, 국방, 보건, 및 보안 산업)에 사용될 수 있는 고감도 방사선 센서 확보 필요 ○ 기존 방사선 센싱 소재 및 소자의 한계점 및 문제점을 극복하는 새로운 방사선 소재/소자 도입 필요 ○ 고감도 방사선 센서 제작 및 고해상도 방사선 영상 실용화를 위한 기술 확보 □ 연구 목표대비 연구결과 연구 목표 1. 방사선 검출용 하이브리드 나노 소재 신틸레이터 합성 기술 및 최적화 조건 확보 달성내용 : - 하이브리드 나노 소재 반도체 성장, 구조 제어 및 표면 제어를 통한 안정성 확보 - 신틸레이터 photo-diode 제작 및 방사선 특성 평가 완료 - 하이브리드 신틸레이터 합성 및 물성 자료 확보 연구 목표 2. 고감도 방사선 센서 제작, 소자 물성 이해 및 고감도 센싱 특성 확보 달성내용 : - 나노 소재 반도체 하이브리드 구조를 이용한 방사선 센서 제작 및 특성 평가 완료 (방사선 특성 평가는 협동기관과 공동 진행) - 방사선 검출 메카니즘 규명 연구 목표 3. 센서 성능 최적화 및 메카니즘 정량적 이해 달성내용 : - 나노 소재 신틸레이터 기반 센서 제작 및 공정 기반 확보 (방사선 센싱 특성 평가) - 센서 array 제작 연구 (패터닝 기술을 이용한 array 제작) □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) (1) 기술적 측면 ○ 방사선 검출용 나노 재료 합성/분석에 따른 기초 원천 기술 확보 및 응용. ○ 나노 기술 및 새로운 방사선 센싱 원리를 이용한 소자 제작을 통해 고-에너지 센싱 소자 기술의 관련 산업체 이전 및 국제 경쟁력 강화. ○ 고-분해능 및 획기적인 방사선 검출 효율 향상을 통해 의료 및 비파괴 검사 산업체 기술 이전. ○ 나노 스케일 재료 합성 및 방사선 소자의 동작 메카니즘 이해를 통해 차세대 방사선 기기 산업 분야의 선도적 기술 창출에 활용하고 관련 분야의 학문적인 발전에도 활용. (2) 경제적․산업적 측면 ○ 고분해능 및 높은 검출 효율을 필요로 하는 의료용 및 보안용 방사선 센서에 적용하고 고부가가치 경제 창출 기여. ○ 직접 검출형에 의한 방사선 기기의 부피 축소 및 사용 효율성 증가로 인해 원가 절감 및 국제 경쟁력 확보를 통한 방사선 기기 수출 증대에 기여. ○ 새로운 방사선 센싱 및 영상 처리 기술 확보를 통해 관련된 NT 및 IT 산업에 기술 이전이 가능하고 새로운 산업 및 시장 창출 효과를 기대. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 임현식
• 주관연구기관 : 동국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 센서;신틸레이터;나노소재;고감도;하이브리드; 2. radiation sensor;scintillator;nanomaterials;sensitivity;hybrid;

◻ 연구개요 환자의 호흡에 의한 체표면의 변화에 따른 움직임에 대한 평가를 위한 작업으로 1차년도에는 실시간 체표면 추적 방사선 치료 장치의 모션 팬톰 개발하고 2차년에도는 개발된 팬텀을 기반으로 TOF 센서 카메라를 사용하여 호흡패턴을 얻어내었고 팬톰을 통한 단층영상(CT) 촬영 데이터를 가지고 체표면 추적 방사선 치료장치의 인공지능 학습 구현을 하는 작업을 수행했다. 3차년도에는 실제 환자의 호흡패턴을 포함하는 4차원 환자 데이터를 기반으로 체표면 추적 인공지능 학습 평가를 수행하였다. ◻ 연구 목표대비 연구결과 1차년도의 목표는 실시간 체표면 추적 방사선 치료 장치의 모션 팬톰 개발하는 작업이였고 이에 대해 CAD도면 작업을 통해 3D 프린팅 작업을 이용하여 모션 팬텀개발을 하였다. 2차년도에는 TOF 센서 카메라를 이용해 1차년도에 구현한 체표면 팬텀을 사용하여 호흡패턴 데이터를 얻고 단층촬영을 통한 아크릴로 제작된 종양부위의 움직임과 체표면 모사에서 얻어진 호흡 패턴과 기존의 상용화되어있는 적외선 마커를 이용하여 호흡패턴의 추이를 비교하였다.모션팬톰의 CT데이터를 가지고 인공지능(딥러닝)학습을 통해 호흡에 기반한 4차원 CT영상을 학습시켰다. 3차년도에는 실제 환자의 4차원 CT자료를 인공지능학습을 시켰다. 호흡패턴에 따른 위상에 변화와 이에 따른 CT영상을 예상을 구현하였다. 몬테카를로를 사용한 CT영상 구현에는 1차년도 이내에 작업이 가능한 범위를 넘어서는 작업으로 3차년도 연구에 적용하기는 어려움이 있었다. 시간에 따른 콘빔단층촬영(CBCT)를 사용한 영상을 각 시간 10개의 프레임으로 구성해 이를 기반으로 CBCT 합성 영상에 대한 구현으로 대체하였다. 1차년도의 경우 체표면 모션 팬텀 구성에 대한 목표 달성을 이루었고 2차년도에는 개발된 체표면 팬텀을 가지고 호흡패턴을 얻고 팬텀의 영상을 통한 인공지능학습을 구현하였다. 다만 너무 규칙적인 면이 있어서 실제 인공지능 학습에 대한 결과값이 예상치와 동일한 부분은 추후에 수정해야 될 부분이 있을 것을 생각된다. 3차년도의 경우 실제 환자의 호흡자료와 CT영상 자료를 통해 인공지능학습이 수행되었고 학습에 대한 결과가 상대적으로 부족한 영상자료의 영향으로 학습에 대한 정확도에 대한 개선이 필요할 것으로 보인다. ◻ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 정확한 환자 치료를 위한 영상 촬영 시 추가적으로 조사되는 방사선의 위험이 없이도 환자 체표면 추적기술을 이용해 환자 맞춤형 치료가 외국에서는 널리 활성화되고 있는 상황이다. 기존 시장에 큰 점유률을 가지고 있는 글로벌 기업에 대해 팬톰 개발은 체표면 추적기술의 요소 기술로서 상용화가 가능해서 시장 진입이 용이하게 할 수 있고 국내의 높은 IT기술을 기반으로 추후 보다 진보된 체표면 추적 시스템을 독자적으로 구축할 수 있는 발판이 될 수 있다고 본다. 특히 인공지능 및 TOF 센서 기술 을 활용하여 기존의 글로벌 기업에서 아직 점유하지 못한 기술에 대한 상대적인 우위를 가질 수 있을 것으로 생각되어진다. 방사선치료와 관련한 의료산업 분야의 수입대체 효과와 기술 고부가가치화, 의료기술 국제 경쟁력 강화 등을 기대할 수 있고, 병원 및 의료산업 분야의 활성화에 따른 인력양성과 고용의 증가도 기대할 수 있을 것으로 여겨진다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 박소아
• 주관연구기관 : 한림대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 체표면 추적;팬텀;인공지능;호흡패턴;비행시간; 2. Surface guided;Phantom;Artificial Intelligence;Respiration Pattern;Time of Flight;

□ 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;

□ 연구개요 세기조절방사선치료(IMRT)는 종양에 근접한 정밀 치료로, 치료 효과를 높이고 정상 조직의 손상을 줄인다. 환자별 품질 관리(QA)의 정확성이 중요하며, 현재 감마 분석 방법은 선량 분포 오류 감지에 한계가 있다. 이에 따라, IMRT 치료의 안전성과 정확성을 높이기 위해 오류를 정밀하게 감지할 수 있는 환자별 오류분석·예측 연구의 필요성이 대두되었다. 본 연구는 IMRT의 기계적 오류를 분석하고 예측하는 모델을 개발 및 최적화했다. 연구는 인체 모사 팬텀을 이용한 시뮬레이션, 환자 데이터를 바탕으로 한 오류 패턴 분석, 그리고 다양한 치료기와 프로토콜에 적용하여 모델의 유효성 및 실용성 평가로 진행되었다. □ 연구 목표대비 연구결과 세기조절방사선치료(IMRT)의 효과적인 환자별 정도 관리(Quality Assurance, QA)를 위한 오류분석 및 예측 모델 개발에 초점을 맞추었다. IMRT는 정밀한 치료 기술로서 종양에 대한 치료 효과를 극대화하고 정상 조직의 피폭을 최소화한다. 이러한 치료법의 복잡성으로 인해, 환자별 QA의 정확성이 중요해지고 있으며, 기존의 감마분석 방법으로는 선량 분포의 오류 감지와 임상적 영향의 반영에 한계가 있다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 1차년도에 환자모사 팬텀을 사용하여 치료기의 기계적 오류를 시뮬레이션하고 오류 패턴을 분석하였다. 이를 바탕으로, 2년차에는 실제 환자 데이터에 대한 오류 시뮬레이션을 진행하고 분석하여 기계적 오류와 Organs at Risk (OAR)의 Dose-Volume Histogram (DVH) 변수 간의 상관관계를 규명했다. 이러한 분석을 통해, 감마라디오믹스와 SSIM 결과를 기반으로 머신러닝 기술을 적용한 IMRT 환자별 정도관리 오류분석·예측모델을 개발하였다.3년차에는 개발된 모델의 최적화를 실시하고, 다양한 치료기와 치료 프로토콜에 모델을 적용하여 그 유효성 및 실용성에 대해 평가하였다. 이 과정에서 모델의 임상적 효과를 검증하여, 실제 치료 환경에서의 적용 가능성을 확인했다. 연구 결과, 본 연구가 개발한 IMRT 오류분석·예측모델은 기존의 감마분석 방법이 가지고 있는 한계를 극복하고, IMRT 치료 과정에서 발생할 수 있는 기계적 오류를 보다 민감하게 감지하고 예측할 수 있는 능력을 보였다. 이로 인해 환자별 QA의 정확성이 향상되어, 환자의 안전과 치료 효과를 동시에 높일 수 있는 기반이 마련되었다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구를 통해 개발된 IMRT 오류분석·예측모델은 방사선 치료의 정밀성을 획기적으로 향상시키고, 환자별 정도관리(QA)의 불확도를 줄임으로써 임상적 영향을 정확하게 판단할 수 있는 새로운 기준을 마련할 것입니다. 이는 환자의 안전과 치료효과를 동시에 높이는 데 결정적인 역할을 하며, 머신러닝 기술을 이용한 예측 모델은 임상 결정에 중요한 정보를 제공하게 될 것입니다. 또한, 양성자 치료와 중입자치료 등의 다양한 방사선 치료 방식에 모델을 적용함으로써, 방사선 치료의 개인화와 정밀도를 더욱 실현할 수 있습니다. 이와 함께, 본 연구성과는 국내외 기관과의 협력을 통한 환자별 정도 관리 시스템 구축과 방사선 치료 품질 관리 프로그램의 상품화로 이어질 것이며, 방사선 치료뿐만 아니라 다른 의료 분야에서도 중요한 기초 자료로 활용될 가능성을 내포하고 있습니다. 이러한 연구성과는 향후 방사선 치료의 안전성과 효과를 극대화하고, 의료 서비스의 질을 한 단계 높이는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 신희순
• 주관연구기관 : 성균관대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 세기조절방사선치료;환자별정도관리;라디오믹스;머신러닝;구조적 유사성 지수; 2. Intensity-Modulated Radiation Therapy;Patient-Specific Quality Assurance;Radiomics;Machine Learning;Structural SIMilarity(SSIM) Index;