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기초 의학 최신 연구 동향 '해부학, 생리학, 약리학, 미생물학'

    • • [특별기획]기초 의학 최신 연구 동향
    Nobel prize / The Norwegian Noble Committee
     

    앞서 작성하였던, 안과학 및 종양생물학과 관련한 암 연구 동향은, 기초 의학의 임상 의학과의 관련성을 빼놓을 수 없기 때문에 어쩔 수 없이 먼저 깔아 놓아야하는 의학지식이였다.

    엄밀히 말하면, 내과학과 임상의학, 그리고 안과학 외에도 다양한 임상의학 연구들이
    기초의학적인 연구 방법론에 입각하여 있다.

    또한, 전에 다루었던 기사들은 주로 국내 의학 연구 동향과 관련된 일들을 다루어야 하였으며, 거기서 소개되어야될, 세계 최초의 배아 줄기세포 임상 시험 연구 결과와 함께 가장 많이 연구하는 암에 대한 연구들을 다루어야 기초 의학에 대한

    개념을 정의할 수 있었기 때문이다.

    순수 기초 의학은 
    해부학, 생리학, 생화학, 병리학, 예방의학, 미생물학, 약리학, 기생충학, 의공학

    총 9갈래로 나뉜다. 

    사실 연구에 있어서 임상의학과 기초의학의 경계는 많이 허물어졌지만, 엄연한 경계는 경계이기에
    다룰 사항들은 다루어야 한다고 생각하여, 이번 Review 기사와 다음 Review 기사는 

    각 기초의학의 정의를 설명하고, 현재 어떤 접근 법을 가지고, 단편적인 연구가 진행되고 있는지
    소개하려고 한다.

    오늘은 해부학, 생리학, 약리학, 미생물학 중심으로 설명한 후

    차후, 생화학, 병리학, 기생충학, 예방의학, 의공학에 정의와 연구 동향을 다루려고 한다.

    해부학

    인체 해부 전시회를 준비하는 군터박사 / 인체의 신비 전시전
     
    정의: 

    해부학(解剖學)은 생명체의 구조에 대해 연구하는 학문이다. 생물학이나 의학 등에서 기초 학문으로서 역할을 한다. 일반적으로 해부학이라 하면 인체해부학(anthropotomy), 동물해부학(zootomy), 식물해부학(phytotomy)을 모두 포함하는 것이다. 태아의 해부학적 구조는 발생학, 비교해부학, 계통학[1] 등과 밀접한 관련이 있다. 해부학은 크게 육안해부학(gross anatomy, 거시해부학)과 현미해부학(미시해부학)으로 구분된다. 이 중 육안해부학은 절개 등의 방법을 통해 별다른 장비없이 맨눈으로 관찰할 수 있는 해부학적 구조물에 대한 학문이다. 이와 반대로, 현미해부학은 현미경으로 관찰할 수 있는, 극히 작은 해부학적 구조에 대해 배우는 학문이다. 현미경해부학은 조직학(조직에 대해 연구하는 학문)[1]과 세포생물학(세포에 대해 연구하는 학문)을 포함한다. 현미해부학과 조직학은 동일한 의미로 사용되기도 한다(조직학과 세포생물학을 엄격하게 구분해 놓지 않은 경우). 해부학의 역사는 체내 기관들의 기능과 구조에 대한 이해가 시간을 두고 끊임없이 발전해 나간 것으로 규정된다. 해부학을 연구하는 방법 또한 크게 개선되어, 초창기 카데바(Cadaver, 시체)의 단순한 검진에서 발전하여 20세기 들어서는 X-레이, 초음파, MRI를 비롯한 여러 영상의학기술의 도움을 받고 있다. 해부학은 해부병리학(조직병리학)과는 다른 것으로, 구분을 해야 한다. 해부병리학은 질병에 걸린 기관의 거시적·미시적 특징에 관해 연구하는 학문이다.

     “Introduction page, "Anatomy of the Human Body". Henry Gray. 20th edition. 1918”


    연구동향:

    시스루(see-through) 쥐 / 미국 캘리포니아 공과 대학
     
    BBC에선 캘리포니아 공과 대학(California Institute of Technology) 연구진이 개발해 낸 ‘투명 실험용 쥐’에 대한 자세한 사항을 2014년 08월 소개 했다.

    단편적인 연구 결과이지만, 생체에 헴(heme)의 색소를 제거 하고 생리식염수를 흘려보낸 후, "CUBIC시약"이라는 투명화 용액을 사용한 것이다. 처음 개발된 곳은 캘리포니아 공과대학에서 죽은 쥐를 활용하여, 장기 내부까지 볼 수 있게 하였으나, 살아있는 상태에서의 모델 생물체를 개발한 곳은 일본 이화학 연구소 이다. 

    해부학의 전 분야가 이와 같진 않지만, 해부학에 초점에서 꿈의 기술인 살아있는 해부체에 대한 연구는
    끊임 없이 연구되어질 것으로 사료된다. 인체까진 무리지만, 영장류인 원숭이, 고릴라의 시스루 버전을 
    볼 수 있을 날도 머지 않닸다.

    생리학 
    wikipedia / keyword: 심장

    정의:

    생리학(生理學, 영어: physiology)은 생물체의 "기능"을 연구하는 과학의 한 분야이다. 생리학의 연구주제는 살아있는 생체 내에 존재하는 개체, 기관, 세포, 생화학 분자들의 화학적 또는 물리적 기능이다. 
    전 세계적으로 생리학에 크게 기여한 공로가 있는 사람에게는 스웨덴 왕립과학 아카데미에서 1901년부터 매년 노벨 생리학상을 수상하고 있다.
    +인체생리학
    인체 생리학은 건강한 상태의 사람, 혹은 그러한 사람을 구성하는 기관이나 세포의 기계적, 생리적, 생화학적 기능에 대해 연구하는 과학의 한 분야이다. 생리학에서는 주로 생물을 기관과 기관계 수준에서 접근하는 것이 일반적이다. 인체 생리학의 상당부분은 동물 실험을 통해 밝혀졌다. 생리학은 해부학과도 밀접한 관련이 있다. 해부학이 생물체의 형태에 관해 연구하는 것이라면, 생리학은 생물체의 기능에 대해 연구하는 것이다. 형태와 기능은 서로 밀접하게 연관되어 있기 때문에, 생리학과 해부학은 밀접하게 연관되어 있다. 그래서 의대 과정에서는 생리학과 해부학을 동시에 나란히 배운다. 정상인 생명체의 기능을 연구하는 분야가 생리학이며, 병적인 상태의 기능을 연구하는 분야는 병리학이라고 한다.

    연구동향:
    전기생리학 및 신경생리학은 생리학에 오래된 연구 주제이다. 주로 생리학은 생체에 기능을 연구하는 학문이기 때문에 그 범주가 아주 포괄적이지만, 괄목할만한 단편적인 성과를 소개하고 마치려 한다.
    (너무나도 광범위 하기 때문에 운동생리학 및 스포츠 의학에 관련된 신호전달자 등과 호르몬 연구는)
    (기회가 될 때 다루려 한다.)

    마우스 뇌 신피질의 일부, 완벽한 3D 지도 작성
    http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cont_cd=GT&record_no=257517

    소금 알갱이보다 훨씬 작은 생체조직을 잘게 썰어 다시 꿰맞추는 데 6년이 걸렸다면, 누구나 그 끈질김과 집요함에 혀를 내두를 것이다. 하버드 대학교의 제프 리치먼 박사(세포생물학)가 이끄는 연구진은 "마우스에게서 채취한 미세한 뇌조직(신피질)을 3차원 디지털지도로 재구성했다"고 발표했다. 신피질(neocortex)은 뇌에서 가장 최근에 진화한 부분으로, 포유류의 신피질 일부를 완벽하게 재구성한 것은 이번이 처음이다.

    "이번 연구에 사용된 뇌조직의 양은 1,500세제곱미크론으로, 1,000억 개의 세포로 이루어진 인간의 뇌에 비해 턱없이 부족하다. 그러나 연구진이 선보인 다양한 기술은 향후 10년 동안 비약적으로 발달할 것으로 보여, 우리의 궁극적 목표인 「인간의 3D 뇌지도 작성」 달성을 약속하는 보증수표라고 할 수 있다"고 앨런 뇌과학연구소의 크리스토프 코흐 소장은 논평했다.

    리치먼 박사가 이끄는 연구진은 이미 진일보한 계획을 추진하고 있다. 그것은 `설치류의 신피질 1세제곱밀리미터를 3D 지도로 재구성하는 것`인데, 이번에 작성된 지도보다 60만 배나 큰 규모다. 새로운 계획은 하버드 대학교와 MIT의 과학자들로 구성된 컨소시엄이 진행하는 프로젝트의 일부인데, 이 프로젝트는 이번 달 초 IARPA(Intelligence Advanced Research Projects Activity: `고위험/고성과型 연구`를 지원하는 미 정부기관)의 예비승인을 받았으며, 신피질의 해부학적 구조와 기능을 해명함과 동시에, 동물의 학습 과정에서 신피질이 정보를 처리하는 메커니즘을 연구하는 것을 목표로 하고 있다.

    시냅스 수준까지

    신피질은 신경과학자들의 특별한 관심대상이다. 인간은 다른 포유류보다 훨씬 더 큰 신피질을 갖고 있으며, 모든 뇌영역이 그렇듯 신피질의 기능 역시 개별뉴런 간의 시냅스에 의해 결정된다. 시냅스란 전자현미경으로만 볼 수 있는 미세한 구조체로, 뉴런 사이에서 화학적·전기적 신호가 전달될 수 있도록 해주며, 동물이 환경에 적응할 때마다 새로 형성된다. 대부분의 시냅스들은 한 뉴런의 수상돌기(dendrite) 말단과 다른 뉴런의 축삭(axon) 사이에서 형성된다.

    신피질의 일부를 시냅스 수준까지 상세하게 재구성하기 위해, 연구진은 몇 단계의 절차를 밟아야 했다. 첫째, 다이아몬드 칼날로 체감각피질(somatosensory cortex: 신피질의 일부)을 수천 조각으로 얇게 잘랐다. 둘째, 뇌조직 절편들을 길다란 특수 플라스틱 롤테이프에 한 장에 24시간당 1,000개의 속도로 이어붙였다. 셋째, 시냅스 속에 있는 신경전달물질 소포체까지 포착할 수 있는 강력 주사전자현미경(scanning electron microscope)으로 뇌조직 절편을 연속 촬영했다.

    연구진은 이웃한 뉴런의 수상돌기 주변을 가장 높은 해상도로 촬영했고, 각각의 절편에 포착된 세포가 인접한 절편의 세포와 일치하도록 조심스럽게 디지털 이미지를 배열했다. 이미지의 연결성을 확보하기 위해, 모든 세포에 각각 다른 색을 입혀 추적하는 컴퓨터 프로그램을 만들었다. 이번 연구에서는 뇌조직 샘플의 크기가 너무 작아 단일뉴런을 전부 포함하지는 못했지만, 1,600개 이상의 뉴런 조각, 6가지 이상의 상이한 뇌세포, 약 1,700 개의 시냅스를 확인할 수 있었다.

    기계학습(machine learning)

    이번 3D 뇌지도에서 밝혀진 특징 중 하나는, 일부 신경정보학자들이 가정했던 것과는 달리, 하나의 뉴런이 다른 뉴런과 물리적으로 가까운 거리에 있다는 이유만으로 시냅스를 형성하는 것은 아니라는 것이다. 그보다, 뉴런은 특정한 이웃을 매우 뚜렷하게 선호하는 것으로 밝혀졌는데, 이러한 현상은 이미 망막(뇌의 단순한 일부분임)과 해마(신피질보다 먼저 진화했음)에서도 관찰된 바 있다. "향후 후속연구에서 개별 시냅스의 분자적 구성요소를 연구하다 보면, 시냅스 형성에 있어서 뉴런의 선호도를 결정하는 요인이 무엇인지 밝혀지게 될 것"이라고 영국 에든버러 대학교의 세스 그랜트 박사(신경과학)는 말했다.

    현재 리치먼 박사가 이끄는 연구진은 시냅스가 발생 초기단계에서도 동일하게 거동하는지를 알아보기 위해, 아기 마우스의 피질을 비슷한 규모로 재구성하는 작업을 진행하고 있다. 또한 연구진은 뇌수술 도중에 확보한 인간의 뇌조직 샘플을 이용한 재구성 작업도 병행하고 있다.

    이상과 같은 재구성 작업은 뇌에 대한 이해를 증진하는데 기여함은 물론, 새로운 컴퓨팅 방법에 대한 통찰력을 제공할 것으로 기대된다. 13개의 연구실로 구성된 하버드-MIT 컨소시엄과 IARPA가 맺은 협약은 IARPA가 추진하고 있는 수천만 달러짜리 MICrONS(Machine Intelligence from Cortical Networks) 프로그램의 일환이다. "MICrONS 프로그램의 일반적 목표는 뇌에서 발견된 코드를 역공학(everse-engineering)으로 분석하여, 기계학습의 혁명을 이루는 것"이라고 MICrONS 프로그램을 이끄는 제이콥 포겔스타인 박사는 말했다. "한편 IARPA는 인간의 인지(인간의 행동 및 의사결정)과정에도 관심이 있기 때문에 신경과학 연구에도 투자하고 있다"고 그는 덧붙였다.

    ※ 원문정보: Jeff William Lichtman et al., "Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex", Volume 162, Issue 3, p648–661, 30 July 2015.

    이와 같이 뇌 신경질환에 질병 치료에 도움이 되는 성과를 위한 기초 단계에 연구 결과들이
    계속 발표되고 있다. 더불어서 더 많은 생리학에 관련된 연구 범주가 상당히 많지만,
    몇년 째 대세를 이어가고 있는 신경생리학 중심으로 기술 하였다.

    약리학

    정의:

    약리학(藥理學)이란 물질이 생물의 기능 변화를 만들기 위해 어떻게 상호작용하는지 알아보는 기초의학 혹은 생물학의 한 분야이다. 만약 물질이 임상의학적 성질을 가지고 있다면 그 물질을 약이라 한다. 이 약을 구성하는 것을 약물이라 부른다. 약리학은 약물의 조성, 성질, 상호작용, 독성학, 치료법, 의학적 적용, 반병리적 능력에 대한 연구를 포함한다.

    약의 개발은 의학 뿐 아니라 경제, 정치, 종교에서도 필수적인 관심사이다. 소비자를 보호하고 약물남용을 막기 위해 많은 정보는 제조, 판매, 투약을 규제하고 있다. 대한민국에는 식품의약품안전청이란 곳이 있다. 미국에서는 이 규제를 FDA에서 하고 있다. 유럽연합은 EMEA란 곳에서 한다.

    하부 분야에는 임상약리학, 신경정신약리학, 독성학, 이론약리학이 있다.


    연구동향:

    신약개발 후보군으로 면역 세포 치료제와 생약성분 항염, 항암, 항바이러스성 약물 임상시험이 계속
    진행되고 있다. 전 세계 임상 시험에 관련된 ICH-GCP 등과 같이 임상시험군에 포함된 각국 제약회사들이 내놓는 신약들이 이 과정을 거친다. 

    약리학과는 약간 동떨어진 경향이 없지 않지만, 약리학 및 다른 기초의학과 마치 악어와 악어새처럼 뗄레야 떼놓을 수 없는 관계를 지닌 면역학과 관련된 국내 바이오시밀러 항체 기업 셀트리온에 렘시마에 대한 내용이 가장 두드러진 연구동향으로 다룰 수 있다. 

    오늘 9월 18일 셀트리온에 따르면 영국의 의약품 및 의료기술 평가기관인 NICE(The National Institute for Health and Care Excellence)는 최근 강직성척추염 치료 목적의 바이오의약품 사용에 대한 가이드라인을 개정하면서, 기존 권고에 빠졌던 '인플릭시맵'을 추가했다. 

    인플릭시맵은 류마티스관절염 바이오치료제인 '레미케이드'의 성분명이다. 올해부터 인플릭시맵의 바이오시밀러(복제약)인 램시마가 영국에서 판매되기 시작하면서 가이드라인을 개정, 해당 의약품의 시밀러 제품을 권장했다는 분석이다. (아시아경제 지연진 기자 기사내용 인용: http://www.asiae.co.kr/news/view.htm?idxno=2015091809510336336)

    ㆍ적응증
    류마티스 관절염, 강직성 척추염, 궤양성 대장염, 성인 크론병, 소아 크론병, 건선, 건선성 관절염
    ㆍProtein Type
    단일클론항체 (mAb)
    ㆍ작용기작
    류마티스 관절염 등 자가면역 질환의 원인이 되는 종양 괴사인자(TNF- α)에 대한 중화반응을 유도하여 질환의 진행을 완화
    (제공: 셀트리온)

    약리학의 연구 동향은 약의 작용 기작을 의학적 기준에 맞게 설명하고 해석하며, 
    체외 물질과 체내 구성 단백질간의 상호작용과 그 기작을 중심으로 설명하는 학문이기에
    약에 대한 임상시험 말고도, 다양한 분야와 접목하여, 연구가 계속 이루어지고 있다.

    미생물학
    Microorganism / 출처: NASA, http://shop.arrayit.com/bacillus_subtilis.aspx, http://pilotspoint.net/, http://io9.com/5877774/bugs-from-your-colon-could-produce-the-worlds-next-great-energy-source
     
    정의 

    미생물학(微生物學)은 미생물에 관해 연구하는 생물학의 한 분야이다. 사람 등에게 질병을 일으키는 미생물을 연구하는 분야(병원미생물학)에서 시작했으며, 세균, 고세균, 진균류, 원생생물 및 바이러스 등에 관해 연구하고 있다. 이 분야에서는 기생충에 관해서도 연구하고 있다.

    연구동향:

    미생물학은 그 적용 범위가 다른 기초의학 만큼이나 광범위 한 것이 사실이다.
    E.coli 부터, 유익균 까지 그 연구에 적용 방안은 매우 놀라울 정도로 의학과 밀접한
    관계를 이룬다. 

    사실 엄밀히 말하면, 미생물학은 의학에 분과 이기 보단, 생명과학에 적용 단위에 한 분야라고 본다.
    엄청나게 두꺼운 세포생물학 책 한권이 사실은 미생물학안에 포함된다. 
    그 이유는 세포 하나도 사실은 또 다른 미생물이기 때문이다.

    또한, 극한 미생물에 대한 연구가 생명의 기원에 대한 연구로 각광 받고 있는 것도 사실이다.

    ※ 극한미생물 : 화산지대 같은 고온이나 극지방 같은 저온, 염도가 높은 고염, 심해저와 같은 고압, 우주 환경 등 극한 환경에서 생육하는 미생물의 총칭.

    극한 미생물과 극한 효소는 생명의 비밀을 파헤칠 GWAS 연구기법이나 게놈프로젝트처럼 
    유전자 지도를 그리는 일과는 또 다른 방향으로

    다른 행성에서 인류가 살 수 있는 방안까지 미리 착안점을 두고 NASA에서 연구중인 미래기술 중
    하나이다. 

    미생물학의 연구는 유해균부터 유익균까지 그 작용 방안과 새로운 미생물 동정까지 

    일반생물학의 확장된 개념으로 미생물들에게만 적용되는 생명과학적 지식이 총 동원되고 있다.

    글을 정리하면서, 

    상당히 많은 기초 의학적 지식에 입각한 연구 주제를 많이 다룰 순 없지만, 

    개략적으로 나마, 기초 의학의 대중성을 위해서 한 단계 한 단계 씩

    다양한 주제로 생명과학 분야에 기초 의학적 접근 법으로 연구 동향을 다룰 것이다. 

    [단독 Review 기사]

    김사부 의학전문기자 hanjun0916@hanmail.net
    안녕하세요? 조한준 의학전문기자입니다.

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