[논문]인체심장의 심부전모델에서의 獨蔘湯 투여에 따른 심장막전위 분석에 관한 연구

정대영; 이부균; 홍진우; 안원근

doi:10.14374/hfs.2015.23.1.121

인체심장의 심부전모델에서의 獨蔘湯 투여에 따른 심장막전위 분석에 관한 연구
Study of Membrane Potential Analysis According to Applying Doksam-tang to a Human Heart Failure Model 원문보기

大韓韓醫學方劑學會誌 = Herbal formula science, v.23 no.1, 2015년, pp.121 - 131

정대영 (부산대학교 한의학전문대학원) , 이부균 (부산대학교 한의학전문대학원) , 홍진우 (부산대학교 한의학전문대학원) , 안원근 (부산대학교 한의학전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives : This study was conducted to investigate the membrane potential to apply Doksam-tang to a human heart failure model. Methods : The human heart model was built by Luo et al. CellML model, Priebe et al. CellML model, and a human heart mesh file. Doksam-tang gives channel the half maximal inhibitory concentration(IC 50 ), half maximal effective concentration(EC 50 ) values and compounds concentrations. These data load into the laptop with Ubuntu OS, and build the library with the data. Results : While results of the study with the heart failure model shows abnormal membrane potential from the normal heart model, the study with applying Doksam-tang to heart failure model shows restoring membrane potential that is similar to normal heart model. Conclusions : These results of the testings suggest that a conception of novel technique to investigate the effects of Korean herbal medicine.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

CellML 모델18) 그리고 심장세포의 간소화된 좌표를 담고 있는 파일3)을 이용하여, 정상심장모델과 심부전심장모델을 만들고 그들 간의 차이를 확인하고자 하였다. 그 후 숨이 차고, 기운이 없고, 맥이 몹시 약한데 처방하는 獨蔘湯19)의 K+ 채널, Na+ 채널, Ca2+ 채널 등의 IC50, EC50 값을 변수로 설정했을 때 나타나는 심부전과 관련된 심장의 막전위 개선효과를 예측하고자 하였다. 이러한 결과를 통해서 한약의 심장 전기역학적 생리반응성 평가에 새로운 방법론을 제시하였다.

제안 방법

CellML 모델17)과 심부전심장세포를 묘사하는 Priebe et al. CellML 모델18) 그리고 심장세포의 간소화된 좌표를 담고 있는 파일3)을 이용하여, 정상심장모델과 심부전심장모델을 만들고 그들 간의 차이를 확인하고자 하였다. 그 후 숨이 차고, 기운이 없고, 맥이 몹시 약한데 처방하는 獨蔘湯19)의 K+ 채널, Na+ 채널, Ca2+ 채널 등의 IC50, EC50 값을 변수로 설정했을 때 나타나는 심부전과 관련된 심장의 막전위 개선효과를 예측하고자 하였다.
한 첩은 150 ml로 설정했다. 獨蔘湯의 투여는 1)추출, 2)장내 성분별 흡수 및 대사, 3)장기 내 성분별 농도, 4)성분별 작용의 순서로 고찰하였다. Ginsenoside를 비롯한 다양한 물질이 함유되어 있는 人蔘 각 성분의 심장이온채널에 대한 IC50, EC50 값과 농도를 최종적인 변수로 사용하였다.
人蔘은 여러 가지 성분과 효능이 보고된 약물이나, 다양한 성분이 동시에 작용할 때 심장의 전위에 어떤 효과가 발생하는지에 대해서는 아직도 미지수이다. 따라서 본 논문에서는 심근세포에 다양한 채널에 작용하는 ginsenoside를 복합적으로 적용시켜서 심부전을 일으킬 수 있는 심장의 막전위가 어떻게 변화하는지 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 변수화한 獨蔘湯에 관한 심장의 반응을 시뮬레이션을 통해 살펴 본 결과, 비정상적인 패턴을 보이던 심실의 전위가 정상적인 패턴으로 돌아오는 것을 확인하였다.

이론/모형

1 ms로 하였다. 계산방식은 bi-domain 방식으로 하였다. bi-domain은 전류가 한 면으로 흐른다고 가정하는 mono-domain과는 달리, 전류가 설정한 격자의 안쪽과 바깥쪽 면을 따라 흐른다고 가정한다.
2 64bit version을 사용하였다. 심장세포는 Luo et al.17), Priebe et al.18)의 CellML모델을 사용하였고, 심장의 기하학적 정보를 담고 있는 격자(mesh)파일은 인체심장의 좌표3)를 가공하여 사용하였다.

성능/효과

비정상심장의 막전위는 정상적으로 동작하지 않았는데, 정상세포에서 측정한 막전위까지 변화를 보였다. Drug-Action을 적용하기 위해 비정상심장모델의 특정한 채널을 변화시켰을 때 심부전이 일어나는 것을 관찰할 수 있었는데, 獨蔘湯의 알려진 성분(Na+ , Ca2+ , K+ IC50 값)들을 모델에 투여했을 때 비정상심장의 막전위는 정상적인 심장의 막전위 패턴을 보여주었다.
따라서 본 논문에서는 심근세포에 다양한 채널에 작용하는 ginsenoside를 복합적으로 적용시켜서 심부전을 일으킬 수 있는 심장의 막전위가 어떻게 변화하는지 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 변수화한 獨蔘湯에 관한 심장의 반응을 시뮬레이션을 통해 살펴 본 결과, 비정상적인 패턴을 보이던 심실의 전위가 정상적인 패턴으로 돌아오는 것을 확인하였다.
정상심장과 비정상심장의 막전위는 서로 상이했다. 비정상심장의 막전위는 정상적으로 동작하지 않았는데, 정상세포에서 측정한 막전위까지 변화를 보였다. Drug-Action을 적용하기 위해 비정상심장모델의 특정한 채널을 변화시켰을 때 심부전이 일어나는 것을 관찰할 수 있었는데, 獨蔘湯의 알려진 성분(Na+ , Ca2+ , K+ IC50 값)들을 모델에 투여했을 때 비정상심장의 막전위는 정상적인 심장의 막전위 패턴을 보여주었다.
정상심장과 비정상심장의 막전위는 서로 상이했다. 비정상심장의 막전위는 정상적으로 동작하지 않았는데, 정상세포에서 측정한 막전위까지 변화를 보였다.

후속연구

다만 본 논문에서는 대사정보가 충분한 인삼을 대상으로 시뮬레이션을 진행하였는데, 대사정보가 충분하지 않은 다른 약물의 경우 본 연구기법을 바로 적용하기에는 무리가 따른다. 그러므로 앞으로는 효능 및 약물 대사정보에 대한 연구가 이루어져야한다. 이를 토대로 한약에 관한 구체적인 정보를 얻을 수 있을 것이고, 이 정보와 함께 생체 시뮬레이션 정보를 조합해서 새로운 양생방법과 치료방법을 얻을 수 있을 것이다.
그러면 채널에 적용할 수 있는 모든 요소를 고려하면서 더 다양한 세포들의 군집을 실제 심장모델에 적용할 수 있으므로, 정확한 시뮬레이션이 될 수 있다. 다만 본 논문에서는 대사정보가 충분한 인삼을 대상으로 시뮬레이션을 진행하였는데, 대사정보가 충분하지 않은 다른 약물의 경우 본 연구기법을 바로 적용하기에는 무리가 따른다. 그러므로 앞으로는 효능 및 약물 대사정보에 대한 연구가 이루어져야한다.
본 연구는 이미 알려져 있는 표준화된 세포의 모델을 통해 진행하므로 다중회기분석 등의 통계적인 방법을 사용할 필요가 없다. 또한 실험 세포 등의 조건은 이미 CellML에서 연구된 자료를 기초로 하므로, 다양한 변이가 있는 생명체에 실험을 진행하는 것과는 달리 실험대상의 조건은 충분히 서술되어 있다(그러나 표준화된 모델이 획일적인 모델을 뜻하는 것은 아니다.
본 연구는 소스코드를 직접 이용하는 방식을 택했고, SVN 등을 이용한 프로젝트의 버전관리에는 관여하지 않았다. 앞으로의 연구는 프로젝트의 버전관리에 참여하면서 클러스팅 컴퓨터를 이용해 보다 많은 변수를 관찰하는 실험이 수행되어, 시뮬레이션 상의 생체와 약물이 복합적으로 작용하였을 때 어떤 반응이 일어나는지 살펴보아야 할 것이다.
이러한 연구는 특정질환의 모델과 그 모델에 유효하며 안전할 것으로 예측되는 약물을 시뮬레이션을 통해 사전에 찾아낼 수 있는 유익한 방법이 될 것이다.
그러므로 앞으로는 효능 및 약물 대사정보에 대한 연구가 이루어져야한다. 이를 토대로 한약에 관한 구체적인 정보를 얻을 수 있을 것이고, 이 정보와 함께 생체 시뮬레이션 정보를 조합해서 새로운 양생방법과 치료방법을 얻을 수 있을 것이다.

참고문헌 (38)

Pitt-Francis J, Pathmanathan P, Bernabeu MO, Bordas R, Cooper J, Fletcher AG, et al. Chaste: A test-driven approach to software development for biological modelling. Computer Physics Communications. 2009; 180(12):2452-2471.

상세보기
CellML Model Repository - Physiome Model Repository, Available from: URL: http://models.cellml.org
Chaste - Department of Computer Science -University of Oxford, Available from: URL:http://www.cs.ox.ac.uk/chaste/
Pathmanathan P, Bernabeu MO, Bordas R, Cooper J, Garny A, Pitt-Francis JM, Whiteley JP, Gavaghan DJ. A numerical guide to the solution of the bidomain equations of cardiac electrophysiology. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 2010; 102(2):136-155.

상세보기
Pathmanathan P, Cooper J, Mirams AG, Murray P, Osborne J, Pitt-Francis J, et al. A computational study of discrete mechanical tissue models. Physical biology. 2009; 6(3).

상세보기
Bernabeu MO, Bordas R, Pathmanathan P, Pitt-Francis Joe, Cooper J, Garny A, et al. Chaste: incorporating a novel multi-scale spatial and temporal algorithm into a large-scale open source library. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2009; 367(1895):1907-1930.

상세보기
Pathmanathan P, Whiteley JP. A Numerical Method for Cardiac Mechanoelectric Simulations. Annals of biomedical engineering. 2009; 37(5):860-873.

상세보기
Pathmanathan P, Bernabeu MO, Niederer SA, Gavaghan DJ, Kay D. Computational modelling of cardiac electrophysiology: explanation of the variability of results from different numerical solvers. International journal for numerical methods in biomedical engineering. 2012; 28(8):890-903.

상세보기
Niederer SA, Kerfoot E, Benson AP, Bernabeu MO, Bernus O, Bradley C, et al. Verification of cardiac tissue electrophysiology simulators using an N-version benchmark. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2011; 369(1954):4331-4351.

상세보기
Dutta S, Bishop MJ, Pathmanathan P, Lee P, Kohl P, Quinn TA, et al. Interpreting Optical Mapping Recordings in the Ischemic Heart: A Combined Experimental and Computational Investigation. Springer Berlin Heidelberg LNCS. 2011; 6666:20-27.
Zemzemi N, Bernabeu MO, Saiz J, Rodriguez B. Simulating Drug-Induced Effects on the Heart: From Ion Channel to Body Surface Electrocardiogram. Springer Berlin Heidelberg LNCS. 2011; 6666:259-266.
Wallman M, Smith NP, Rodriguez B. A Comparative Study of Graph-Based, Eikonal, and Monodomain Simulations for the Estimation of Cardiac Activation Times. IEEE Transactions. 2012; 59(6):1739-1748.
Bernabeu MO, Corrias A, Pitt-Francis J, Rodriguez B, Bethwaite B, Enticott C, et al. Grid Computing Simulations of Ion Channel Block Effects on the ECG Using 3D Anatomically-Based Models. Computers in Cardiology. 2009; 36:213-216.
Corrias A, Jie X, Romero L, Bishop MJ, Bernabeu M, Pueyo E, et al. Arrhythmic risk biomarkers for the assessment of drug cardiotoxicity: from experiments to computer simulations. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2010; 368(1921):3001-3025.

상세보기
Zemzemi N, Bernabeu MO, Saiz J, Cooper J, Pathmanathan P, Mirams, GR, et al. British Journal of Pharmacology, Computational assessment of drug-induced effects on the electrocardiogram: from ion channel to body surface potentials. British journal of pharmacology. 2012; 168(3):718-733.
Luo G. Systems biology for traditional Chinese medicine. 1st ed. John Wiley & Sons. 2012:131-146.
Luo CH, Rudy Y. A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. I. Simulations of ionic currents and concentration changes, Circulation research. 1994; 74(6):1071-1096.

상세보기
Priebe L, Beuckelmann DJ. Simulation study of cellular electric properties in heart failure. Circulation research. 1998; 82(11):1206-1223.

상세보기
Lee, SH, Lee JS, Bibliographical study on flaccid type of apoplexy, Daejeon University, Institute of korean medicine, 2007; 1:175-187.
gnuplot homepage, Available from: URL: http://www.gnuplot.info
ParaView, Available from: URL: http://www.paraview.org
Finite element implementation, Available from: URL: https://chaste.cs.ox.ac.uk/chaste/tutorials/release_3.2/ChasteGuides/FiniteElementImple mentations/fem_implementation.pdf
Tamargo J, Caballero R, Gómez R, Valenzuela C, Delpón E. Pharmacology of cardiac potassium channels. Cardiovascular research. 2004; 62(1):9-33.

상세보기
Wu JY, Lin L, Chau F. Ultrasound-assisted extraction of ginseng saponins from ginseng roots and cultured ginseng cells. Ultrasonics sonochemistry. 2001; 8(4):347-352.

상세보기
Joo HK, Cho KS. Studies on the Extracting Methods of Ginseng Extract and Saponins in Panax Ginseng. Journal of Ginseng Research. 1979; 3(1):40-53.
Sohn HJ, Jang JG, Lee KS, Kim JG, Lee YW. The study on extraction methods of saponin in ginseng products. Journal of Ginseng Research. 1984; 8(1):32-37.
Tawab MA, Bahr U, Karas M, Wurglics M, Schubert-Zsilavecz M. Degradation of ginsenosides in humans after oral administration. Drug metabolism and Disposition. 2003; 31(8):1065-1071.

상세보기
Attele AS, Wu JA, Yuan CS. Ginseng pharmacology: multiple constituents and multiple actions. Biochemical pharmacology. 1999; 58(11):1685-1693.

상세보기
Choi KT. Botanical characteristics, pharmacological effects and medicinal components of Korean Panax ginseng CA Meyer. Acta Pharmacologica Sinica. 2008; 29(9):1109-1113.

상세보기
Nah SY, Kim DH, Rhim H. Ginsenosides: are any of them candidates for drugs acting on the central nervous system?. CNS drug reviews. 2007; 13(4):381-404.

상세보기
Mahajan A, Shiferaw Y, Sato D, Baher A, Olcese R, Xie LH, et al. A Rabbit Ventricular Action Potential Model Replicating Cardiac Dynamics at Rapid Heart Rates. Biophysical journal. 2008; 94(2):392-410.

상세보기
Baia CX, Sunamia A, Namikib T, Sawanoboria T, Furukawa T. Electrophysiological effects of ginseng and ginsenoside Re in guinea pig ventricular myocytes. European journal of pharmacology. 2003; 476(1):35-44.

상세보기
Im DS, Nah SY. Yin and Yang of ginseng pharmacology: ginsenosides vs gintonin. Acta Pharmacologica Sinica. 2013; 34(11):1367-1373.

상세보기
Lee CH, Kim JH. A review on the medicinal potentials of ginseng and ginsenosides on cardiovascular diseases. J Ginseng Res. 2014; 38:161-166.

상세보기
Wang YG, Zima AV, Ji X, Pabbidi R, Blatter LA, Lipsius SL. Ginsenoside Re suppresses electromechanical alternans in cat and human cardiomyocytes. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2008; 295(2):851-859.

상세보기
Choi S, Jung SY, Kim CH, Kim HS, Rhimd H, Kim SC, et al. Effect of ginsenosides on voltage-dependent Ca 2+ channel subtypes in bovine chromaffin cells. Journal of ethnopharmacology. 2001; 74(1):75-81.

상세보기
Lü JM, Yao Q, Chen C. Ginseng compounds: an update on their molecular mechanisms and medical applications. Current vascular pharmacology. 2009; 7(3):293-302.

상세보기
Lee JH, Jeong SM, Kim JH, Lee BH, Yoon IS, Lee JH, et al. Characteristics of Ginsenoside Rg3-Mediated Brain Na+ Current Inhibition. Molecular pharmacology. 2005; 68(4):1114-1126.

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저자의 다른 논문 :

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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