[논문]한의학과 시스템생물학의 만남, 의미와 전망

김창업; 이충열

doi:10.15188/kjopp.2016.12.30.6.370

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Recent advances in systems biology are shedding a new light on the traditional medicine research. The systems biology highlights the way each component interacts with each other within a system, and the network behavior that emerges from such interactions. This feature of systems biology can accent ...

Recent advances in systems biology are shedding a new light on the traditional medicine research. The systems biology highlights the way each component interacts with each other within a system, and the network behavior that emerges from such interactions. This feature of systems biology can accent the systemic aspects of Korean medicine such as the mechanism of action of herbal formulae, pattern differentiation, and the meridian systems, as both the Korean medicine and the systems biology theorize the human physiological functions and phenomena from a holistic point of view. This paper outlines the meaning of the recent Korean medicine research using the systems biology methodology. We discuss the methodologies of the two fields in a comparative manner, and overview the advantages and limitations of the integrated approaches. Finally, we suggest the future prospects for the systems biology inspired approaches to the Korean medicine research. The systems biology may provide a new modernized research methodology for the Korean medicine that can highlight its unique features.

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문제 정의

이 논문은 지금 이루어지고 있는 시스템생물학 연구방법론을 원용한 한의학 연구가 앞으로 어떻게 전개될 것인지를 전망하는 것을 목표로 한다. 먼저 한의학과 시스템생물학의 접목이 어떤 의미가 있는지를 살펴보고, 앞으로 어떻게 발전될 수 있을지를 전망해보려고 한다.
최근 시스템생물학 분야가 빠르게 발전하면서 시스템생물학의 연구성과와 방법론을 적용한 한의학 연구가 많이 늘어나고 있다. 이 논문은 이런 연구에 담겨 있는 의미들을 분석하고, 앞으로 어떤 방향으로 나가는 것이 좋을지 전망해 보는 것을 목표로 하였다.
이 논문은 지금 이루어지고 있는 시스템생물학 연구방법론을 원용한 한의학 연구가 앞으로 어떻게 전개될 것인지를 전망하는 것을 목표로 한다. 먼저 한의학과 시스템생물학의 접목이 어떤 의미가 있는지를 살펴보고, 앞으로 어떻게 발전될 수 있을지를 전망해보려고 한다.
최근 국내와 국외에서 한의학과 시스템생물학의 만남이 활발하게 시도되고 있다. 이번 특집호는 최근 시스템과학의 연구방법을 원용하여 이루어지고 있는 한의학의 약물, 변증논치, 경락 시스템에 대한 연구를 소개하는 것을 목적으로 하고 있다. 현재 이 방면의 연구에 가장 앞서 있는 나라는 중국이다.

제안 방법

이런 관점에서 인체의 생리, 병리 현상들은 비록 국소적인 현상이라 할지라도 항상 인체 전체 상황에 대한 정보를 담고 있는 것으로 간주된다. 그리고 望,聞,問,切四診을 통해 인체가 하나의 전체로서 발현하는 정보를 수집한다.
이 연구에서 저자들은 피하에 삽입가능한 연속 혈당측정계(CGM; continuous glucose monitor)를 이용하여 800명의 참가자로부터 1주일간의 연속적인 혈당 데이터를 수집했다. 이와 함께 혈액검사 수치와 대변시료로부터 분석된 장내미생물의 분포 데이터를 얻었으며, 스마트폰 앱을 이용하여 식사, 운동, 수면 등에 대한 생활 정보를 실시간으로 수집하였다. 이렇게 얻어진 방대한 양의 데이터를 분석한 결과, 제2형 당뇨뿐만 아니라 심혈관 질환, 비만 등과도 밀접한 관련이 있는 식후혈당 반응(PPGR;postprandial glycemic responses)이 개인별로 큰 차이가 있는 것을 확인하였으며, 특히 같은 음식에 대하여 개인별 반응이 다르고, 이러한 반응이 장내미생물의 분포와 관련이 있음을 확인하였다.
앞에서도 살펴보았듯이 한의학은 서양의학의 기계론, 환원론적 방법과는 다른 전체론적 관점을 통해 인체에 접근하고 이를 임상적으로 실천할 수 있는 고유한 이론들을 발전시켜 왔다. 전통시대 동아시아 모든 사상과 문화를 지배했던 음양, 사상, 오운육기론을 기초로 정신기혈진액이론, 장상론, 경락, 체질이론, 변증논치, 약물과 침구이론들을 만들어 임상에 적용했다. 이 이론들은 한의학의 전체론적 관점을 임상적으로 실천할 수 있는 독특한 이론들이었다.
현재 한의학 연구에 활발히 적용되고 있는 시스템생물학적 연구방법론 대부분이 여기에 해당한다고 볼 수 있다. 후자는 개별적이고 세부적인 실험 데이터의 조각들을 모으고 구체적인 기전을 바탕으로 수학적인 모델을 정립한 뒤 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 시스템 수준의 행동을 분석, 예측한다. 두 접근 방법은 서로 다른 연구 툴과 관심사를 갖고 있지만, 보다 완전한 시스템 수준 이해를 위해서는 상호보완적으로 통합될 필요가 있다.

대상 데이터

는 새로운 기초-임상 융합적 연구의 한 방향을 보여주는 예이다. 이 연구에서 저자들은 피하에 삽입가능한 연속 혈당측정계(CGM; continuous glucose monitor)를 이용하여 800명의 참가자로부터 1주일간의 연속적인 혈당 데이터를 수집했다. 이와 함께 혈액검사 수치와 대변시료로부터 분석된 장내미생물의 분포 데이터를 얻었으며, 스마트폰 앱을 이용하여 식사, 운동, 수면 등에 대한 생활 정보를 실시간으로 수집하였다.

성능/효과

3) 시스템생물학에 대한 정의는 학자들 마다 약간의 차이가 있고, 시스템 자체에 대한 이해도 서로 엇갈린다. 하지만 시스템생물학 분야는 다음과 같은 특징을 공유하고 있다.
Ivanov 그룹은 각성상태, 얕은 수면과 깊은 수면, 그리고 REM 수면 동안 심박동수와 호흡률, 뇌전도와 안전도, 그리고 팔, 다리, 턱 등 다양한 신체부위에서의 근전도를 측정한 뒤 각각의 시계열 데이터들 간의 상관성을 바탕으로 네트워크를 구성하였다. 그 결과 각 상태에서 특징적인 네트워크 토폴로지(network topology)를 관찰할 수 있었는데, 이는 뇌와 각 신체 부위가 생리적 상태에 따라 특징적인 네트워크를 만들어 상호작용함을 의미한다. 아직 결과들의 구체적인 의미를 이해하기 힘들지만, 한의학의 전신적인 상호연결성에 대한 인식과 관련성을 찾는 시도도 가능하리라 생각되며, 이러한 접근법이 향후 분자 수준에서의 시스템생물학 연구결과들과 결합된다면 다중스케일에서의 생리학적 이해에 기여할 수 있으리라 기대된다.
이렇게 얻어진 방대한 양의 데이터를 분석한 결과, 제2형 당뇨뿐만 아니라 심혈관 질환, 비만 등과도 밀접한 관련이 있는 식후혈당 반응(PPGR;postprandial glycemic responses)이 개인별로 큰 차이가 있는 것을 확인하였으며, 특히 같은 음식에 대하여 개인별 반응이 다르고, 이러한 반응이 장내미생물의 분포와 관련이 있음을 확인하였다. 연구자들은 방대한 데이터에 기계학습 기법을 적용하여 맞춤형 식단을 제공하는 알고리즘을 개발하였고, 100명의 참가자를 대상으로 진행된 별도의 임상연구를 통해 실제 맞춤형식단이 식후혈당반응과 장내 미생물 분포에 긍정적 변화를 유도함을 확인하였다.
이와 함께 혈액검사 수치와 대변시료로부터 분석된 장내미생물의 분포 데이터를 얻었으며, 스마트폰 앱을 이용하여 식사, 운동, 수면 등에 대한 생활 정보를 실시간으로 수집하였다. 이렇게 얻어진 방대한 양의 데이터를 분석한 결과, 제2형 당뇨뿐만 아니라 심혈관 질환, 비만 등과도 밀접한 관련이 있는 식후혈당 반응(PPGR;postprandial glycemic responses)이 개인별로 큰 차이가 있는 것을 확인하였으며, 특히 같은 음식에 대하여 개인별 반응이 다르고, 이러한 반응이 장내미생물의 분포와 관련이 있음을 확인하였다. 연구자들은 방대한 데이터에 기계학습 기법을 적용하여 맞춤형 식단을 제공하는 알고리즘을 개발하였고, 100명의 참가자를 대상으로 진행된 별도의 임상연구를 통해 실제 맞춤형식단이 식후혈당반응과 장내 미생물 분포에 긍정적 변화를 유도함을 확인하였다.
첫째, 생명현상은 독립적인 요소들의 단순한 집합이 아닌 구성요소들이 서로 긴밀히 상호작용하는 ‘복잡한 네트워크’에 의해 유지된다.
첫째, 인체 생명현상의 전체성을 중시하며 분석보다는 종합을 강조한다.

후속연구

셋째, 엄융의가 지적한 대로 그 동안 한의학과 잘 맞지 않는 “서양의 미시적 환원주의에 입각한 연구”에서 벗어나 한의학의 특성에 부합하는 한의학의 과학화, 현대화 연구를 진행할 수 있다는 점이다.
이것은 시스템생물학에 기초한, 소위 현대의 시스템의학이 갖추지 못한 부분이다. 시스템생물학의 연구방법론, 특히 네트워크 분석방법이나 통계학, 기계학습 등의 방법론을 통해 한의학의 축적된 임상경험을 연구한다면 한의학이 가지고 있는 임상적 가치를 충분히 드러낼 수 있을 것이다.
그 결과 각 상태에서 특징적인 네트워크 토폴로지(network topology)를 관찰할 수 있었는데, 이는 뇌와 각 신체 부위가 생리적 상태에 따라 특징적인 네트워크를 만들어 상호작용함을 의미한다. 아직 결과들의 구체적인 의미를 이해하기 힘들지만, 한의학의 전신적인 상호연결성에 대한 인식과 관련성을 찾는 시도도 가능하리라 생각되며, 이러한 접근법이 향후 분자 수준에서의 시스템생물학 연구결과들과 결합된다면 다중스케일에서의 생리학적 이해에 기여할 수 있으리라 기대된다.
물론 시스템생물학의 연구방법론이나 성과들을 한의학 연구에 도입하는 것에 한계도 분명히 존재한다. 한, 양방의 경계를 분명하게 설정하고 있는 한국의 의료제도도 연구를 제한하고 방해하는 요소로 작용할 것이다. 그리고 이런 연구를 왜 해야 하며 무엇을 목표로 하는 것인지에 대한 한의학계 내부의 혼란도 있을 수 있다.
실험실이 아닌 역동적인 임상환경으로부터 발전해온 한의학의 특성을 고려할 때 세포 및 동물 모델을 이용한 기초 한의학 연구는 임상 한의학과 괴리가 있을 수밖에 없다. 향후 이루어질 인간 데이터를 중심으로 한 새로운 형태의 기초-임상 융합연구는 한의학 고유의 임상적 특징을 반영할 수 있을 것이며 기초 한의학 연구와 임상 한의학 사이의 간극을 좁힐 수 있을 것이다.
실험실이 아닌 역동적인 임상환경으로부터 발전해온 한의학은 그 특성상 세포 및 동물 모델을 이용한 기초 한의학 연구와 임상 한의학간의 괴리가 더욱 크게 지적되어왔다. 향후 인간 데이터를 중심으로 이루어질 새로운 형태의 기초-임상 융합연구는 한의학 고유의 임상적 특징들을 반영할 수 있을 것이며 기초 한의학 연구와 임상 한의학 사이의 간극을 좁힐 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시스템생물학은 어떻게 정의되는가?	시스템생물학은 시스템이론을 생명과학에 응용하여, 생체구성 요소들의 상호관계와 상호작용을 분석, 규명함으로써 생명현상에 대한 시스템 차원의 이해를 도모하는 학제간 신기술 융합분야로 정의된다.3) 시스템생물학에 대한 정의는 학자들 마다 약간의 차이가 있고, 시스템 자체에 대한 이해도 서로 엇갈린다.
	한의학에서는 인체에 대해 어떤 관점으로 접근하는가?	한의학의 인체에 대한 관점은 동아시아의 독특한 세계관과 문화 속에서 형성되었다. 한의학에서는 인체의 전체성, 통일성, 유기성을 중시하며 인체를 全一生命體로 보고 있다. 즉, 인체는 장부, 기관, 기혈진액, 경락 등의 부분으로 구성되어 있고, 이들이 하나의 생명 아래 전체로서 통일성을 갖고 유기적으로 조직되어 있다고 인식한다.
	시스템생물학 분야는 어떤 특징을 공유하고 있는가?	하지만 시스템생물학 분야는 다음과 같은 특징을 공유하고 있다. 첫째, 생명현상은 독립적인 요소들의 단순한 집합이 아닌 구성요소들이 서로 긴밀히 상호작용하는 ‘복잡한 네트워크’에 의해 유지된다. 그리고 이 네트워크는 유전자, 단백질, 세포, 유기체의 계층적 구조로 존재한다. 둘째, 이러한 네트워크의 집합적 성질은 시공간에 따라 변화하는 동적인 메커니즘, 즉, 네트워크 동역학을 내포하고 있다. 그리고 생체를 구성하는 요소들이 상호작용(interaction)을 통해 네트워크를 형성하게 되면 이 구성요소들이 개별적으로 존재할 때에는 나타나지 않았던 새로운 속성들이 나타난다. 이것을 창발적 속성(emergent property)이라고 한다. 이 창발적 속성은 생명의 고유한 특징이며 이것을 탐구하는 것이 시스템생물학의 목적이 된다.

참고문헌 (9)

Park, Y.Y., Shin, M.K., Kim, Y.H. A Study on the Application of the System Theory to Korean Medicine. J Korean Med 15(2):412-428, 1994.
Cho, K.H. The Concept of Systems Biology and Research Trends at Home and Abroad. Health Industry Technology Trends, pp 15-23, 2006.
Lee, J.H. Life System and Systematic Recognition of Life. The Chulhak-Ronchong 62: 379-405, 2010.
Oh, C.H. Philosophical Basis of System Theory. Science Philosophy and Culture. Spring, pp 97-118, 1994.
Yeo, I.S. Science.Medical Science.Technology. Sallim Jisikchongseo p 272, 2007.
Bashan, A., Bartsch, R.P., Kantelhardt, J.W., Havlin, S., Ivanov, P. Network physiology reveals relations between network topology and physiological function. Nat Commun. 3: 702, 2012.

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Bruggeman, F.J., Westerhoff, H.V. The nature of systems biology. Trends Microbiol. 15(1):45-50, 2007.

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Ben Amar, M., Bianca, C. Towards a unified approach in the modeling of fibrosis: A review with research perspectives. PhysLife Rev. 17: 61-85, 2016.
Poirel, C.L., Rodrigues, R.R., Chen, K.C., Tyson, J.J., Murali, T.M. Top-down network analysis to drive bottom-up modeling of physiological processes. J Comput Biol. 20(5):409-418, 2013.

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