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바이오와 의료분야에서의 수리모델링의 역할과 비전

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작성자 CoGIB 작성일16-10-10 13:22 조회217회 댓글0건

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21세기의 위대한 새 지평은(the great frontier of the 21st century) 무엇일까? 과학자들은 2100년까지 생명과학과 수학이 서로를 극적으로 변화시킬 것이라고 예측하고 있다. 최근 들어, 수리모델링과 컴퓨터 시뮬레이션은 복잡한 생명현상에 대한 현상 규명과 이해를 위해 실험을 대체하거나 확인하는 방법으로 큰 역할을 하고 있다. 과거에는 질병 또는 생명 현상에 대하여 그 현상에 관여하는 주요 물질을 발견하고 그들의 분자적 특성을 살펴보는 연구가 주를 이루었다. 그러나 이제 인류가 극복하지 못한 다양한 생명학적인 문제, 특히 질병들에 대한 문제들을 근원적으로 해결하기 위해서는 복잡한 생명 현상의 동역학적 메커니즘을 정량화하고 개념화하는 수학적 접근방법이 필수적이라 할 수 있다. 

 

 

건국대학교 수학과의 정은옥 교수와 김양진 교수팀은 암, 뇌질환과 심혈관계 질환, 바이러스 감염 병에 대한 수리모델링과 데이터 및 영상해석의 피드백으로 수리모델의 재 디자인(remodeling)을 통해 난치병 및 바이러스 감염 병에 대한 현상 규명 및 이해와 최적의 치료법 제안에 대한 연구를 수행하고 있다. 

 

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국제적으로 공중 보건을 위협하고 있는 바이러스 감염 병에 대한 수리모델 대응 플랫폼 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 20세기에는 천연두가 300만 명을 죽음에 이르게 했다면, 최근에는 호흡기 증후군 바이러스인 SARS나 메르스, 접촉성 바이러스병인 에볼라, 그리고 현재 지카 바이러스로 인한 신종 감염 병이 인류를 위협하고 있다. 

 

우리나라의 경우 2015년 사회경제적으로 최고의 이슈 중 하나는 국민보건을 위협한 메르스일 것이다. 미국, 유럽이나 일본 등의 선진국에서는 이미 수리모델링의 필요성을 인지하고, 역학, 수학, 통계학, 의학 분야의 전문가가 협업으로 신종 감염 병의 대비와 대응 지표를 수리모델링을 통해 제시하고 있다. 예를 들면, 독일에서는 인플루엔자 대유행을 막기 위한 도구로 influsim 같은 플랫폼이 2009년 신종인플루엔자가 나타나기 전에 이미 개발되었다. 

  

우리나라의 경우 최근 들어 질병관리본부 등의 정부 기관에서 수리모델링의 필요성을 인식하기 시작하면서, 조기 결핵 퇴치 전략 제시를 위한 수리모델링 그리고 신종 인플루엔자의 시공간 확산에 대한 수리모델링 연구를 수행하였다. 하지만 단기간의 개인 용역과제가 대부분이다. 이제 우리나라에서도 수리모델링 연구 분야에 지속적인 정책적 투자가 절실히 필요한 시기이다. 

 

많은 생명현상들이 그렇지만, 특히 종양의 증식 및 암 발생 전이 등의 기전은 50년 전 얇은 책의 두께에서 현재 어마어마한 수준으로 발달한 molecular biology의 방대한 분량들이 채우지 못할 만큼 매우 복잡다단하다. 관찰에서 시작한 생명과학은 종양학과 만날 때  거대한 양의 유전자 정보 및 예측하기 힘든 환자의 예후가 말해주듯, 수많은 기전들을 이해하여야 한다. 

 

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수리모델을 기반으로 한 in silico 암 연구는 추상적인 관점을 투사함으로써, 이런 방대한 데이터에서 가장 중요한 생화학신호등의 중요한 정보를 제공한다. 또한, 경제적 인적 제약 때문에 할 수 없는 최적화된 약물 농도, 투여위치, 및 약물 투여 시간 등의 실용적인 정보들을 예측할 수 있다. 

 

이를 일찍 깨달은 미국의 경우 Moffitt cancer center와 같은 암센터 내 수학자와 생명과학자로 구성된 mathematical oncology 암연구소가 존재한다. 이들 연구진은 임상 의사들과의 긴밀한 협조를 통하여 개개인 환자에 최적화된 맞춤형 암치료전략을 수립하고 있다. 또한, 암 정복을 목표로 한 이들 응용수학자들은 미국의사협회 등의 의료분야의 중요한 의사결정에 참여하는 등 암 치료의 새로운 패러다임을 만들어가고 있다. 

 

건국대학교 생명수학연구팀이 산업체와 공동연구중인 줄기세포를 이용한 난치병 치료 연구 또한 암 연구와 맞닿아 있다. 특정 줄기세포의 완벽하지 않은 생화학적 조절은 암으로 발전할 수 있기 때문이다. 줄기세포의 조절기전을 이용한 치료법의 난치병환자에 대한 적용은 결국 ‘안전성’이 가장 큰 이슈이며, 이의 근본적 해결은 수리모델을 이용한 줄기세포 조절 기전의 엄밀한 수학적 이해 및 예측이 전제될 때, 큰 진전을 이룰 수 있을 것이다. 

 

요즘 큰 관심을 받고 있는 AI (인공지능)가 사회전반에 큰 파장을 일으키고, 어마어마한 경제적 파급력을 가질 줄은 대부분의 사람들은 상상하지 못하였을 것이다. 수리모델을 통한 선진적인 암 치료 기법 개발과 신종 감염 병 대비/대응  전략 제안 및 산업화는 나라의 국운을 걸고 새로운 성장 동력을 애타게 찾고 있는 요즘, 시사하는 바가 크다. 

  

우리나라 데이터에 근거하여 난치병이나 신종 감염 병 모델을 개발하고, 의료진이나 보건관계자가 사용할 수 있는 플랫폼의 기틀을 마련하기 위해서는 수학자, 역학자, 의료 및 보건 관계자 그리고 정부관계자의 열려 있는 소통이 제일 우선적으로 필요할 것이다.   

 

 

 

*정은옥 교수는?

 

고려대학교 수학교육과를 졸업한 후 미국 뉴욕대학에서 박사 학위를 받았다. 1999년 Oak Ridge National Laboratory에서 연구원으로 연구활동을 시작한 후 2002년에 건국대학교로 부임하여 현재까지 교수로 재직 중이다. 대한수학회, 한국여성수리학회, 한국수리생물학회, 그리고 한국산업응용수학회에서 이사직과 부회장을 역임했다. 현재까지 정은옥교수는 심혈관계 수리모델링과 심폐소생술 최적 기법 개발에 대한 연구와 감염병 모델링으로 결핵, 신종 인플루엔자, 에볼라, 메르스, 조류독감에 대한 연구를 수행하였다. 

 

*김양진 교수는?

 

고려대학교 수학교육과를 졸업한 후 미국 미네소타대학에서 박사 학위를 받았다. 미국 Mathematical Biosciences Institute (MBI)에서 연구 활동을 시작한 이래 2009년 University of Michigan에서 조교수로 부임, 2012년 건국대학교로 옮긴 후 후학을 양성중이다. 현재 김양진 교수는 하버드 대학/BWH, MBI, 동경대등의 해외 유수 연구기관 및 국내 국립암센터, 원자력병원등의 연구기관과 뇌종양, 폐암, 유방암, 췌장암등의 여러종류 다른 암들의 엄밀한 기전 분석 및 치료전략을 개발하기 위한 공동연구를 수행하고 있다.  

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