[논문]근적외분광분석법을 이용한 생쥐꼬리에서의 비침습 혈당 정량시 장기간 측정에 따른 변이 요인의 보정

백주현; 강나루; 우영아; 김효진

근적외분광분석법을 이용한 생쥐꼬리에서의 비침습 혈당 정량시 장기간 측정에 따른 변이 요인의 보정
Compensation of Variation from Long-Term Spectral Measurement for Non-invasive Blood Glucose in Mouse by Near-Infrared Spectroscopy 원문보기

약학회지 = Yakhak hoeji, v.48 no.3, 2004년, pp.177 - 181

백주현 (동덕여자대학교 약학대학) , 강나루 (동덕여자대학교 약학대) , 우영아 (동덕여자대학교 약학대) , 김효진 (동덕여자대학교 약학대학)

Abstract ▼ AI-Helper

Non-invasive blood glucose measurement from mouse tail was performed by near-infrared (NIR) spectroscopy. Three groups; normal, type I diabetes (insulin dependent diabetes mellitus, IDDM), type II diabetes (non-insulin dependent diabetes mellitus, NIDDM) group, were studied over a 10 weeks period with the collection of near-infrared (NIR) spectra. Spectral variations from long-term measurement (10 weeks) from dramatic and nonlinear changes in the optical properties of the live tissue sample were compensated by chemometrics techniques such as principle component analysis (PCA) and partial least squares (PLS) regression. The effect from mouse body temperature changes on NIR spectral data was also considered. This study showed that the compensation of variations from long-term measurement and temperature changes improved calibration accuracy of non-invasive blood glucose measurement.

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문제 정의

다양한 범위의 혈당치와 당뇨 형태를 얻기 위해 정상군 및제 1형 당뇨(Insuhn dependent diabetes mellitus, IDDM), 제 2 형 당뇨(Non-insulin dependent diabetes mellitus, NIDDM)를유발시킨 생쥐를 이용하여 장기간의 실험을 행하였다. 마우스의꼬리부분에서 얻어진 스펙트럼을 주성분분석 및 검증。lidation) 의 과정을 통해 장기간의 스펙트럼 수집 동안에 야기된 변이로발생한 이상치(outher)를 제거하여, 부분 최소 제곱 회귀분석법의 적용 시 개선된 재현성 및 정확성을 지닌 검량 모델을 얻고자 하였다.
본 연구에서는 장기간 스펙트럼 측정 시, 나타나는 스펙트럼변이를 극복하기 위하여 통계적, 가시적 변이 보정을 시도하였다. 다양한 범위의 혈당치와 당뇨 형태를 얻기 위해 정상군 및제 1형 당뇨(Insuhn dependent diabetes mellitus, IDDM), 제 2 형 당뇨(Non-insulin dependent diabetes mellitus, NIDDM)를유발시킨 생쥐를 이용하여 장기간의 실험을 행하였다.
이 세 집단은 가시적으로도 구별되는 집단이기에 각 집단별로 다변량 분석하여 변이 요인 하나를 배제하는 효과를 확인하고자 하였다. 그것의 다변량분석 결과는 Table Ⅱ에 나타내었고, 전체 스펙트럼의 분석결과보다 더 좋은 상관성을 나타냄을 확인하였다.

가설 설정

주었다.13)그때의 평균 체중은 25g±L33(mean 土 sd)이었다. 적응 기간 후 검체의 혈당, 체중, 체온 등의 기본적인 정보를 얻기 위해 어떠한 전처리를 하지 않은 상태에서 1차 실험을 행하였다.

제안 방법

4H₂O, 5, 6-diox刈racil)을 투여하였고, 2차 실험을 통해 당뇨가 유발되지 않은 검체들은 재차 투여하여 당뇨가 유발 되도록 하였다.14, ⑸ 제 2형 당뇨군은 당부하 실험용 50.7 以150成의 글루코오스 용액(글루오렌지 100액, 롯데제약(주), Korea)에 5.25 mg의 덱사메타손1京6)을 혼합하여, 매일 0.3 m/씩 경구 투여 하였다. 제 2형 당뇨군의 경우, 물 대신 경구 투여에 사용한 글루코오스 용액을 자율적으로 투여되도록 하여 다양한 고혈당 범위를 유도하도록 하였다.
적응 기간 후 검체의 혈당, 체중, 체온 등의 기본적인 정보를 얻기 위해 어떠한 전처리를 하지 않은 상태에서 1차 실험을 행하였다. 1형 당뇨군은 24시간의 공복 기간을 가진 후, 췌장의 베타 세포를 선택적으로 파괴시키도록 185 m矽kg 이상의 알록산(C4H2N2Q . 4H₂O, 5, 6-diox刈racil)을 투여하였고, 2차 실험을 통해 당뇨가 유발되지 않은 검체들은 재차 투여하여 당뇨가 유발 되도록 하였다.14, ⑸ 제 2형 당뇨군은 당부하 실험용 50.
검체를 채혈대에 넣고, 꼬리 부분은 고정시켜 동맥혈이 보이는 정중앙을 측정하였다. 검체를 1000 mZ 비이커에 담아 채혈용 스탠드 하에서 10분 정도 방치하여 혈관이 확장되면, 검체를 채혈대에 넣고, 해부용 메스를 이용하여 동맥에서 채혈하였다. 혈당측정은 글루코오스 산화효소 (glucose oxidase, GOD)를 이용한 광학적 측정 방법인 SureStep plus(Lifescan, a Johnson & Johnson company U.
1 mm의 거리를갖는 프루브를 스탠드에 고정하여 사용하였으며, 세라믹과 알루미나가 동비로 함유된 물질을 측정하여, 확산 반사의 기준값으로 하고, log(l/R)로 나타내었다. 검체를 채혈대에 넣고, 꼬리 부분은 고정시켜 동맥혈이 보이는 정중앙을 측정하였다. 검체를 1000 mZ 비이커에 담아 채혈용 스탠드 하에서 10분 정도 방치하여 혈관이 확장되면, 검체를 채혈대에 넣고, 해부용 메스를 이용하여 동맥에서 채혈하였다.
TC)를 검체의 입 안에 삽입하여측정하였다. 근적 외분광분석기로는 HN₁₁00(SpectronTech Co., Ltd., Korea)을 사용하였고, 수광부와 발광부가 0.1 mm의 거리를갖는 프루브를 스탠드에 고정하여 사용하였으며, 세라믹과 알루미나가 동비로 함유된 물질을 측정하여, 확산 반사의 기준값으로 하고, log(l/R)로 나타내었다. 검체를 채혈대에 넣고, 꼬리 부분은 고정시켜 동맥혈이 보이는 정중앙을 측정하였다.
다양한 범위의 혈당치와 당뇨 형태를 얻기 위해 정상군 및제 1형 당뇨(Insuhn dependent diabetes mellitus, IDDM), 제 2 형 당뇨(Non-insulin dependent diabetes mellitus, NIDDM)를유발시킨 생쥐를 이용하여 장기간의 실험을 행하였다. 마우스의꼬리부분에서 얻어진 스펙트럼을 주성분분석 및 검증。lidation) 의 과정을 통해 장기간의 스펙트럼 수집 동안에 야기된 변이로발생한 이상치(outher)를 제거하여, 부분 최소 제곱 회귀분석법의 적용 시 개선된 재현성 및 정확성을 지닌 검량 모델을 얻고자 하였다.
제 2형 당뇨군의 경우, 물 대신 경구 투여에 사용한 글루코오스 용액을 자율적으로 투여되도록 하여 다양한 고혈당 범위를 유도하도록 하였다. 당뇨가 유발되고, 혈당 측정기의 측정범위 이상의 혈당이 되면 휴먼 인슐린(Humulin® N inj 100IUM Lilly Korea Ltd.)을 매일 3x IO₃ units/g 씩 복강 투여하여 측정 가능 혈당 범위 내에 들어오도록 하였다.⑸
무균 상태에서 자란 7주령 된 KP600 BALB/C 암컷 생쥐를 6 마리씩 정상군, 제 1형 당뇨군(IDDM), 제 2형 당뇨군(NIDDM) 으로 나누어 20℃, 상대 습도 40%의 환경에서 1주일 정도 적응 기간을 주었다.13)그때의 평균 체중은 25g±L33(mean 土 sd)이었다.
얻어진 스펙트럼을 부분 최소 제곱 회귀분석법의 적용이전에 주성분분석 및 검증의 방법으로 각 주별의 이상치로 여겨지는 데이터를 제거하여 분석하였고, 유의성 있는 검량모델을얻을 수 있었다. 이에 장기간 스펙트럼 측정으로 얻어진 이상치의 제거뿐만 아니라, 가시적으로 보여지는 분류를 통해 그것을배제하여 개선된 검량모델을 얻을 수 있었다.
3에 나타낸 것처럼 한주의 스펙트럼을 남기고, 나머지 총 歼의 스펙트럼으로 주성분분석을 행하였다. 여기서 얻은 9주의 주성분분석 모델을 남은 한주의 스펙트럼과 검증의 과정을 거쳐 각 주별로 통계적인 차이까 있는 지를 확인하였다. 이것은 총 10회에 걸쳐 10개의 주성분분석 모델을 얻었고, 그것에 대해 검증을 거친 10개의 결과를얻었다.
167의 저조한 상관관계를 나타냄을 알수 있었다. 이상치(。나ther)의 제거는 Fig. 3에 나타낸 것처럼 한주의 스펙트럼을 남기고, 나머지 총 歼의 스펙트럼으로 주성분분석을 행하였다. 여기서 얻은 9주의 주성분분석 모델을 남은 한주의 스펙트럼과 검증의 과정을 거쳐 각 주별로 통계적인 차이까 있는 지를 확인하였다.
13)그때의 평균 체중은 25g±L33(mean 土 sd)이었다. 적응 기간 후 검체의 혈당, 체중, 체온 등의 기본적인 정보를 얻기 위해 어떠한 전처리를 하지 않은 상태에서 1차 실험을 행하였다. 1형 당뇨군은 24시간의 공복 기간을 가진 후, 췌장의 베타 세포를 선택적으로 파괴시키도록 185 m矽kg 이상의 알록산(C4H2N2Q .
체중은 lg 단위의 0~ 100 g깐지 측정이 가능한 생쥐 측정용 체중계로 측정하였고, 검체의 움직임에 의해 진동하는 바늘의 윗부분 수치를 읽어 기록하였다. 체온은 digital 체온계 (Digital Clinical Thermometer, Model ACT2010, Actherm Medical Corp., China, range : 32.0~43.9℃, accuracy : ±0.TC)를 검체의 입 안에 삽입하여측정하였다. 근적 외분광분석기로는 HN₁₁00(SpectronTech Co.
간이 혈당기 측정의 순으로 이루어 졌다. 체중은 lg 단위의 0~ 100 g깐지 측정이 가능한 생쥐 측정용 체중계로 측정하였고, 검체의 움직임에 의해 진동하는 바늘의 윗부분 수치를 읽어 기록하였다. 체온은 digital 체온계 (Digital Clinical Thermometer, Model ACT2010, Actherm Medical Corp.

데이터처리

특히 생체시료는 70% 이상이 수분으로 구성되어 있어 온도의 영향을 배제해 줄 수 있는 다변량분석법을 적용 함에도 불구하고, 정밀한 측정을 위해서는 측정 검체의 온도를 통제하는 것이 필요하다.19) 따라서 본 실험에서는 가시적인 이상치인 검체의 체온을 Fig. 4 의 정규분포 곡선을 통해 측정 체온의 범위인 33.6~38.2℃에서체온이 낮은 집단, 중간 집단, 높은 집단의 세 집단으로 나누어 부분 최소 제곱 회귀분석법을 이용하여 모델링 하였다. Table n 에 검량 모델 결과 및 추정 결과를 나타내었다.
MSC)의 전처리를 행하였다. 이것을 주별로, 또는 10 주를 모두 합하여 부분 최소 제곱 회귀분석법을 이용하여 분석하였고, 그 결과는 Table I에 나타내었다. 주별로 분석한 결과 표준 추정 오차(standard errors of prediction, SEP)"의 R값이 0.
5℃ 이하의 체온으로 측정되어진 검체에서만 나타나는 것을 확인하였다. 전체 스펙트럼에서 이상치의 스펙트럼을 제거한 279개의 스펙트럼에 대해 다시 부분 최소 제곱 회귀분석법으로 모델링 하여 ia)le I에 나타내었다. 이상치 (outher)를 제거하기 이전의 모델보다 제거한 모델의 표준 추정 오차가 43에서 35로 향상되었고, R값 또한 0.

이론/모형

스펙트럼은 ChemoHNllOO 소프트웨어(Spectronlfech Co., Ltd., Korea)로 기록하였으며, Unscrambler v7.5(CAMO ASA, Norway)의 PLS법 및 PCA법을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

이것을 주별로, 또는 10 주를 모두 합하여 부분 최소 제곱 회귀분석법을 이용하여 분석하였고, 그 결과는 Table I에 나타내었다. 주별로 분석한 결과 표준 추정 오차(standard errors of prediction, SEP)"의 R값이 0.4 이상의 유의성 있는 상관관계를 확인할 수 있었으나, 전체 스펙트럼의 모델링 결과는 0.167의 저조한 상관관계를 나타냄을 알수 있었다. 이상치(。나ther)의 제거는 Fig.
이것은 총 10회에 걸쳐 10개의 주성분분석 모델을 얻었고, 그것에 대해 검증을 거친 10개의 결과를얻었다. 검증 결과 각 주별로 적용한 주성분분석 모델에서 벗어나는 49개의 이상치의 스펙트럼이 있었고, 이것은 36.5℃ 이하의 체온으로 측정되어진 검체에서만 나타나는 것을 확인하였다. 전체 스펙트럼에서 이상치의 스펙트럼을 제거한 279개의 스펙트럼에 대해 다시 부분 최소 제곱 회귀분석법으로 모델링 하여 ia)le I에 나타내었다.
그것의 다변량분석 결과는 Table Ⅱ에 나타내었고, 전체 스펙트럼의 분석결과보다 더 좋은 상관성을 나타냄을 확인하였다.
이것은 스펙트럼데이터의 이상치의 배제가 다변량분석 이전에 선행되어 이루어져야 하는 단계임을 다시금 확인시켜준다. 본 실험에서는 부분최소 제곱 회귀분석법을 이용한 다변량분석시 효과적인 이상치배제 방법을 제시하였고, 그것의 배제를 통해 유의성 있는 혈당검량모델의 확보의 가능성을 보여주었다.
Table n 에 검량 모델 결과 및 추정 결과를 나타내었다. 이 세집단의 결과는 앞의 전체 스펙트럼 데이터의 검량모델보다 더 좋은 상관성을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 하나의 변이일 수 있는 검체의 체온을 배제하여 더 좋은 결과를 얻음을 알 수 있다.
전체 스펙트럼에서 이상치의 스펙트럼을 제거한 279개의 스펙트럼에 대해 다시 부분 최소 제곱 회귀분석법으로 모델링 하여 ia)le I에 나타내었다. 이상치 (outher)를 제거하기 이전의 모델보다 제거한 모델의 표준 추정 오차가 43에서 35로 향상되었고, R값 또한 0.4802로 유의성 있는 상관관계를 나타냄을 알 수 있었다.
얻어진 스펙트럼을 부분 최소 제곱 회귀분석법의 적용이전에 주성분분석 및 검증의 방법으로 각 주별의 이상치로 여겨지는 데이터를 제거하여 분석하였고, 유의성 있는 검량모델을얻을 수 있었다. 이에 장기간 스펙트럼 측정으로 얻어진 이상치의 제거뿐만 아니라, 가시적으로 보여지는 분류를 통해 그것을배제하여 개선된 검량모델을 얻을 수 있었다. 이것은 스펙트럼데이터의 이상치의 배제가 다변량분석 이전에 선행되어 이루어져야 하는 단계임을 다시금 확인시켜준다.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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