5 Systems biology와 공학 지식

5.1 NIH로의 여정

쉽지 않았습니다만 얻은 것이 큽니다.

5.2 박사과정을 통해 얻고자 했던 것

제가 박사과정을 통해 연구하고자 하는 것은 신경면역학 질환의 병리기전과 치료입니다. 신경면역학 질환중 가장 대표적인 것은 다발성경화증(Multiple Sclerosis)입니다. 이는 유전적, 환경적인 이유로 면역세포가 신경세포를 공격하여 수초(Myelin)을 파괴하여 신경세포의 축삭(Axon)을 파괴해 신경세포의 도약전도를 방해하여 생기는 질병입니다. (그림 5.1) (Steinman 2009) 제가 위에서 그토록 찬양했던 아름다운 신경세포를 자신의 면역세포가 공격한다니 얼마나 안타까운 질병입니까? 이렇게 자신의 면역세포가 자신의 조직을 공격하는 질환을 자가면역질환(Autoimmune disease)이라고 부르고 다발성경화증, 1형 당뇨병, 건선(Psoriasis) 등이 대표적인 자가면역질환입니다. 다발성경화증은 현재로서 질병의 진행을 완화시키는 치료법만이 존재하며 신경세포의 재생을 통한 기능의 회복은 현재로서는 불가능한 것으로 알려져 있습니다. 저희 실험실은 이러한 신경계-면역계의 상호연관 관계를 다양한 실험방법과 임상시험으로 연구하고 있습니다.

다발성 경화증의 pathogenesis (발병과정) [@Steinman_2009]

Figure 5.1: 다발성 경화증의 pathogenesis (발병과정) (Steinman 2009)

미국 국립보건원의 특별한 장점이 이러한 인간을 대상으로 하는 임상시험이 굉장히 체계적으로 수행되고 있다는 점입니다. 저희 랩은 클리닉과 불과 30초 이내의 거리에 있어서 환자의 샘플을 바로 실험적으로 분석할 수 있고, 이러한 분석이 바로 환자의 치료에 응용될 수 있는 구조로 되어있습니다. 환자를 치료하면서 동시에 연구를 진행하는 것이 바로 임상시험의 본질이라 할 수 있습니다. 임상시험에서 얻어진 연구 결과를 다시 치료에 응용하여 선순환의 고리를 만들어가는 거대한 구조가 미국 국립보건원을 지탱하고 있습니다.

Systems Biology란 무엇인가? [@Kitano_2002]

Figure 5.2: Systems Biology란 무엇인가? (Kitano 2002)

특히 우리 신경면역학실험실은 systems biology관점으로 다발성 경화증의 치료를 위해 연구하고 있습니다. Systems biology란 단순한 생명현상의 파편을 연구하는 것이 아닌 컴퓨터를 이용한 생명정보학의 도움을 통해서 high-throughput하게 생명체에서 일어나는 총체적인 현상을 이해하려는 시도라고 볼 수 있습니다.(그림 5.2) Systems biology의 이해를 위해 반드시 필요한 생명정보학(Bioinformatics)의 구현을 위해 공학적인 지식이 절대적으로 필요합니다. 우선 통계와 수학을 잘 알아야 하며, R이라 불리우는 생명정보학툴을 자유자재로 다룰 수 있어야 하는데 이 언어가 python과 유사한 구조로 되어있어 제가 공대에서 배운 컴퓨터 언어지식이 굉장한 시너지를 발휘하고 있습니다. 동시에 대량의 데이타를 다루어야하는 systems biology학문의 특성상 랩에서 SQL기반의 데이타베이스를 구현할 일이 많았는데 연구를 수행하는데 전자공학과 컴퓨터를 학부때 많이 배워둔 것이 의학연구를 하는데 엄청난 도움을 주고 있습니다. 저는 이 결과로 두편의 1저자 논문(Perry et al. 2012; Han et al. 2014)과 두편의 공동저자 논문(Wuest et al. 2011; Waters et al. 2018)을 출판했고 다수의 학회 발표를 할 수 있었습니다. (그림 5.3) 그리고 최근에는 청년의사와 한국MSD에서 주관하는 청년슈바이처상을 수상하기도 하였습니다. (청년의사 2012) 이 모든 것이 공과대학에서 배운 공학지식과 의학전문대학원에서 배운 의학지식이 함께 어우러져 시너지효과를 내지 않았다면 불가능한 일이었을 것입니다.

미국 보스톤에서 열린 International Society of Neuroimmunology (ISNI) 2012

Figure 5.3: 미국 보스톤에서 열린 International Society of Neuroimmunology (ISNI) 2012

References

Steinman, Lawrence. 2009. “A Molecular Trio in Relapse and Remission in Multiple Sclerosis.” Nature Reviews Immunology 9 (6): 440–47. https://doi.org/10.1038/nri2548.

Kitano, H. 2002. “Systems Biology: A Brief Overview.” Science 295 (5560): 1662–4. https://doi.org/10.1126/science.1069492.

Perry, Justin S A, Sungpil Han, Quangang Xu, Matthew L Herman, Lucy B Kennedy, Gyorgy Csako, and Bibiana Bielekova. 2012. “Inhibition of Lti Cell Development by Cd25 Blockade Is Associated with Decreased Intrathecal Inflammation in Multiple Sclerosis.” Science Translational Medicine 4 (145): 145ra106. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3004140.

Han, Sungpil, Yen Chih Lin, Tianxia Wu, Alan D Salgado, Ina Mexhitaj, Simone C Wuest, Elena Romm, et al. 2014. “Comprehensive Immunophenotyping of Cerebrospinal Fluid Cells in Patients with Neuroimmunological Diseases.” Journal of Immunology (Baltimore, Md. : 1950) 192 (6): 2551–63. https://doi.org/10.4049/jimmunol.1302884.

Wuest, Simone C, Jehad H Edwan, Jayne F Martin, Sungpil Han, Justin S A Perry, Casandra M Cartagena, Eiji Matsuura, Dragan Maric, Thomas A Waldmann, and Bibiana Bielekova. 2011. “A Role for Interleukin-2 Trans-Presentation in Dendritic Cell-Mediated T Cell Activation in Humans, as Revealed by Daclizumab Therapy.” Nature Medicine 17 (5): 604–9. https://doi.org/10.1038/nm.2365.

Waters, Ryan S, Justin S A Perry, SunPil Han, Bibiana Bielekova, and Tomas Gedeon. 2018. “The Effects of Interleukin-2 on Immune Response Regulation.” Mathematical Medicine and Biology : A Journal of the IMA 35 (1): 79–119. https://doi.org/10.1093/imammb/dqw021.

청년의사. 2012. “미래를 이끌 의학자, 따듯한 의사로 성장하길.” http://www.docdocdoc.co.kr/news/newsview.php?newscd=2012102800001.