[논문]KCNQ1 S140G 돌연변이 발현과 심실세동과의 상관관계 분석을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 연구

정다운; 임기무

doi:10.9718/jber.2017.38.3.123

KCNQ1 S140G 돌연변이 발현과 심실세동과의 상관관계 분석을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 연구
Correlation Analysis of KCNQ1 S140G Mutation Expression and Ventricular Fibrillation: Computer Simulation Study 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.38 no.3, 2017년, pp.123 - 128

정다운 (금오공과대학교 IT융복합공학과) , 임기무 (금오공과대학교 IT융복합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Background and aims: The KCNQ1 S140G mutation involved in $I_{ks}$ channel is a typical gene mutation affecting atrial fibrillation. However, despite the possibility that the S140G gene mutation may affect not only atrial but also ventricular action potential shape and ventricular responses, there is a lack of research on the relationship between this mutation and ventricular fibrillation. Therefore, in this study, we analyzed the correlation and the influence of the KCNQ1 S140G mutant gene on ventricular fibrillation through computer simulation studies. Method: This study simulated a 3-dimensional ventricular model of the wild type(WT) and the S140G mutant conditions. It was performed by dividing into normal sinus rhythm simulation and reentrant wave propagation simulation. For the sinus rhythm, a ventricular model with Purkinje fiber was used. For the reentrant propagation simulation, a ventricular model was used to confirm the occurrence of spiral wave using S1-S2 protocol. Results: The result showed that 41% shortening of action potential duration(APD) was observed due to augmented $I_{ks}$ current in S140G mutation group. The shortened APD contributed to reduce wavelength 39% in sinus rhythm simulation. The shortened wavelength in cardiac tissue allowed re-entrant circuits to form and increased the probability of sustaining ventricular fibrillation, while ventricular electrical propagation with normal wavelength(20.8 cm in wild type) are unlikely to initiate re-entry. Conclusion: In conclusion, KCNQ1 S140G mutation can reduce the threshold of the re-entrant wave substrate in ventricular cells, increasing the spatial vulnerability of tissue and the sensitivity of the fibrillation. That is, S140G mutation can induce ventricular fibrillation easily. It means that S140G mutant can increase the risk of arrhythmias such as cardiac arrest due to heart failure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2) S140G 돌연변이의 발현과 심실세동 발생의 상관관계를 확인하는 것을 목표로 하였다.
이처럼 KCNQ1 S140G 돌연변이가 심방세동뿐만 아니라 심실세동에도 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이 돌연변이의 발현과 심실세동의 발생과의 상관관계에 대한 연구는 아직 부족한 실상이다. 따라서 본 연구에서는 KCNQ1S140G 돌연변이의 발현으로 인한심실세동의 영향을 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 밝히고자 하였다.
본 연구는 KCNQ1 S140G 유전자 돌연변이 발현으로 인한 심실의 전기적 활성 변화를 관찰하고 심실세동의 발생 관계를 추측하였다. 연구를 통해 몇가지 주된 발견을 하였다.

가설 설정

Change in action potential during one cycle of sinus pacing simulation using the 3D ventricular model for wild type(WT) and S140G mutation conditions. A: Action potential shape during sinus pacing. B: Snapshots of conductivity change in 3D ventricular model with purkinje fiber.
3D ventricular reentry simulation using the S1-S2 protocols in wild type(WT) and S140G mutant type. A: Action potential shape when re-entry wave occurs for wild type. B: Action potential shape when re-entry wave occurs for S140G mutation conditions.
A: Action potential shape when re-entry wave occurs for wild type. B: Action potential shape when re-entry wave occurs for S140G mutation conditions. C: changes in the re-entrant waveform during ventricular fibrillation.
A: Action potential shape during sinus pacing. B: Snapshots of conductivity change in 3D ventricular model with purkinje fiber.
B: Action potential shape when re-entry wave occurs for S140G mutation conditions. C: changes in the re-entrant waveform during ventricular fibrillation.
B: S140G 돌연변이 상태에서 심실세동이 발생했을 때의 활동 전위 그래프. C: 심실세동이 발생한 동안 회오리 파형의 변화 스냅사진.
3차원 정상 박동 시뮬레이션과 심실세동 시뮬레이션에서 사용된 생리학적 순환계 구조의 집중 심실 모델들은 214,319개의 4면체 구조의 유한 요소로 이루어져있다. 또한, 심실의 모든 조직들은 비균질하며, 심실의 조직적 특성 및 두께에 따라 전도도가 다르다는 것을 가정하였다.

제안 방법

이 측정값을 Eq.(4)의 전도 파장 계산식에 대입하여 전기적 흥분 전도 파장을 측정하였다.
동물연구 및 임상데이터에 따르면 심방세동은 주로 활동 전위지속 기간의 단축과 유효 불응 기간의 감소로 인한 다중 회로의 회귀성 파동에 의해 유발된다[7]. 2003년에는 돌연변이로 인한 심방세동의 영향을 확인하기 위해 패치고정법을 사용한 세포 실험에서 KCNE1과 KCNE2 및 S140G 돌연변이 체를 동시 발현시켜 그 현상을 관찰하였다. 그 결과 S140G 돌연변이가 과분극 된 전위에서 내 I_K1 전류를 실질적으로 증가시켰으며, 그로 인해 휴지 막 전위를 안정화 시켜 심방의 유효 불응 기간을 감소시켰다.
이를 위해 본 연구는 3차원 심실 정상 박동 시뮬레이션과 심실세동 시뮬레이션으로 나누어 진행하였다. 3차원 정상 박동 시뮬레이션은 기본 페이싱 주기를 600 ms로 설정하였으며, 3차원 심실 정상 박동 시뮬레이션에서의 전기전도는 방실결절에서부터 전기적 자극이 전도되어 푸르키네 섬유의 말단에서 심실 전체로 퍼져 나가도록 하였다. 이를 위해 정상 박동 시뮬레이션에는 푸르키네 섬유를 포함하는 인간 부정맥 심장 모델을 사용하였다.
KCNQ1 S140G 돌연변이의 발현으로 인한 심실의 전기적 활성 변화를 관찰하였다. 그림 2는 표준형과 S140G 돌연변이형 조건에서 600 ms 박동 주기 동안의 전기적 활성 변화를 나타낸다.
본 연구를 위해 우리는 검증된 심실 세포 모델로써 Ten Tusscher 심실 모델(2006)을 수정하여 사용하였다[9]. 연구를 위해 사용된 모델은 S140G 돌연변이로 인한 K⁺채널의 변화와 그로 인한 심실 세포 전체의 연쇄적 반응을 관찰하기 위해 그림 1의 심근 세포를 모사할 수 있는 집중 상수 회로(lumped parameter circuit)로 구성되어 있다.
(5)의 전기 전도 방정식을 사용하여 계산되었다. 본 연구에서는 전도 속도의 계산을 위해 심실 모델 표면의 아래쪽 노드와 그와 수직하게 존재하는 표면 위 쪽 노드를 지정하였다. Eq.
심장의 수축은 심근 세포의 전기적 활동과 기계적 수축 활동에 의해 이루어진다. 본 연구의 결과는 KCNQ1 S140G 돌연변이가 심실세동에 미치는 영향에 대해 전기생리학적 관점의 해석만 시도되었다. 추후에는 이 돌연변이로 인한 심장의 박동 효율의 변화 및 심실세동에 대한 영향을 기계 역학적 관점에서 해석을 진행할 것이다.
심실에서의 회오리 파형의 관측을 위해 S1 자극은 600 ms 주기로 주어졌으며, S2는 S1 자극이 주어진 이후 700 ms 후에 자극이 주어졌다. 심실세동 시뮬레이션은 회오리 파형의 발생과 유지 정도를 확인하기 위해 10000 ms 동안 진행하였다.
이를 위해 본 연구는 3차원 심실 정상 박동 시뮬레이션과 심실세동 시뮬레이션으로 나누어 진행하였다. 3차원 정상 박동 시뮬레이션은 기본 페이싱 주기를 600 ms로 설정하였으며, 3차원 심실 정상 박동 시뮬레이션에서의 전기전도는 방실결절에서부터 전기적 자극이 전도되어 푸르키네 섬유의 말단에서 심실 전체로 퍼져 나가도록 하였다.
전기적 활성 시간(EAT)과 전기적 비활성 시간(EDT)은 정상 박동 시뮬레이션의 결과에서 페이싱 주기인 600 ms의한 사이클을 사용하여 구하였다. EAT는 심실의 심근세포에서 탈분극되기 시작한 시간으로써 본 연구에서는 활동 전위가 −30 mV가 되었을 때의 시간으로 정의하였다.
정상 박동 주기 동안 표준형과 S140G 돌연변이 조건에 따른 심실의 전기적 흥분 시간(EAT)과 전기적 비 흥분 시간(EDT)을 비교하였으며, 그림 3은 이를 나타낸다. EAT에서는 표준형과 S140G 돌연변이형 조건에서의 차이를 확인할 수 없으나, S140G 돌연변이로 인해 활동 전위 지속 기간이 단축되어 EDT에서는 그 차이를 현저하게 확인할 수 있다.
그렇기 때문에 S140G 돌연변이가 발현된 환자에 따라 그 증상이 상이할 수 있다. 하지만, 시뮬레이션을 위해 사용된 데이터들은 많은 연구자들에 의해 검증된 세포 모델들과 실제 심실의 환경 요건들을 충분히 고려한 방법론들을 사용하였다. 둘째는 정상 박동 시뮬레이션 연구에서 사용된 푸르키네 섬유를 포함하는 심실 모델의 전기적 자극이 일부 푸르키네 섬유 말단에서는 전도가 되지 않았다.
활동 전위 지속 기간은 전체 시뮬레이션을 통한 사이클 중 마지막 사이클을 사용해 측정하였으며, 심실 세포가 흥분하기 시작하여 90% 재분극이 된 지점까지의 시간을 측정하였으며 그 값을 APD90으로 설정하였다. 이 측정값을 Eq.

대상 데이터

본 연구를 위해 우리는 검증된 심실 세포 모델로써 Ten Tusscher 심실 모델(2006)을 수정하여 사용하였다[9]. 연구를 위해 사용된 모델은 S140G 돌연변이로 인한 K⁺채널의 변화와 그로 인한 심실 세포 전체의 연쇄적 반응을 관찰하기 위해 그림 1의 심근 세포를 모사할 수 있는 집중 상수 회로(lumped parameter circuit)로 구성되어 있다. KCNQ1S140G 유전자 돌연변이 조건의 구현을 위해서 Eq.

이론/모형

(2)의Sanjay Kharche의 심방 시뮬레이션 연구에서 사용된 돌연변이형 I_Ks 전류 식[6]과 Eq. (3)의 Ten Tusscher 심실 모델에서의 I_Ks 전류 식[9]이 사용되었다.
(4)에서 CV는 심근세포에서의 전도 속도를 의미하여 Eq. (5)의 전기 전도 방정식을 사용하여 계산되었다. 본 연구에서는 전도 속도의 계산을 위해 심실 모델 표면의 아래쪽 노드와 그와 수직하게 존재하는 표면 위 쪽 노드를 지정하였다.
반면, 심실세동 시뮬레이션에서의 전기 전도는 심실의 꼭대기(apex)에서부터 전기적 자극이 전도되어 전도 파장을 확인할 수 있도록 하였다. KCNQ1 S140G 돌연변이의 발현으로 인한 회귀성 파동의 발생 유무를 확인하기 위한 방법으로는 S1-S2 프로토콜을 사용하였다. 심실에서의 회오리 파형의 관측을 위해 S1 자극은 600 ms 주기로 주어졌으며, S2는 S1 자극이 주어진 이후 700 ms 후에 자극이 주어졌다.
Ten Tusscher 등의 인간 심실 세포 모델[9], Fox 등이 제안한 캐닌의 심실 모델[10], Nygren 등이 제안한 인간 심방 세포 모델[11] 등이 있다. 본 연구에서는 tentucher등에서 제안한 심실 세포의 전기생리학적 모델을 사용하였다. 심근조직에서의 전기전도 현상을 모사하기 위한 편 미분 방정식과 심근 세포의 전기생리학적 현상을 위한 상미분방정식을 동시에 계산함으로써, 심장에서의 활동 전위의 전도 현상 모사할 수 있다.
3차원 정상 박동 시뮬레이션은 기본 페이싱 주기를 600 ms로 설정하였으며, 3차원 심실 정상 박동 시뮬레이션에서의 전기전도는 방실결절에서부터 전기적 자극이 전도되어 푸르키네 섬유의 말단에서 심실 전체로 퍼져 나가도록 하였다. 이를 위해 정상 박동 시뮬레이션에는 푸르키네 섬유를 포함하는 인간 부정맥 심장 모델을 사용하였다.

성능/효과

iii) 이러한 전기적 활성의 변화로 인해 KCNQ1 S140G 유전자 돌연변이는 심실세동이 발생할 때 회귀성 파동을 안정적으로 유지시킨다. Kharche, S. et al(2012)의 선행 연구 결과를 통해, 본 연구에서 이 돌연변이는 활동 전위 지속 기간과 유효 불응 기간을 단축시킴으로써 심실 세포에서 회귀성 파동 기질의 임계 크기를 현저하게 감소시켜 조직공간의 취약성을 증가시키고 세동의 민감성을 증가시켰을 것으로 예측할 수 있다.
ii) S140G 돌연변이로 인해 증가된 I_Ks 전류는 심실 세포의 활동 전위 지속 기간을 단축시키며, 심실에서 자극이 전도되는 파장을 감소시킨다. 선행연구는 활동 전위 지속 기간은 유효 불응 기간과 양의 상관관계를 가짐을 밝혔다[12].
iii) 이러한 전기적 활성의 변화로 인해 KCNQ1 S140G 유전자 돌연변이는 심실세동이 발생할 때 회귀성 파동을 안정적으로 유지시킨다. Kharche, S.
2003년에는 돌연변이로 인한 심방세동의 영향을 확인하기 위해 패치고정법을 사용한 세포 실험에서 KCNE1과 KCNE2 및 S140G 돌연변이 체를 동시 발현시켜 그 현상을 관찰하였다. 그 결과 S140G 돌연변이가 과분극 된 전위에서 내 I_K1 전류를 실질적으로 증가시켰으며, 그로 인해 휴지 막 전위를 안정화 시켜 심방의 유효 불응 기간을 감소시켰다. 세포 실험을 통해 S140G 돌연변이가 심방의 활동 전위 지속 기간을 단축시켜 심방세동의 발생에 영향을 미침을 입증하였다[3].
그림 2(B)는 푸르키네 섬유를 포함하는 3차원 심실 모델을 통해 전기적 전도의 변화를 시각적으로 나타낸 스냅사진이다. 푸르키네 섬유에서 시작된 전기적 흥분이 심실 전체로 전도된 이후, 전기적 흥분의 지속 정도가 표준형에서 보다 S140G 돌연변이형에서 더 짧았다.

후속연구

추후에는 이 돌연변이로 인한 심장의 박동 효율의 변화 및 심실세동에 대한 영향을 기계 역학적 관점에서 해석을 진행할 것이다. 또한 이 돌연변이와 회귀성 파동의 발생에 대한 영향을 수치적 해석방법을 통해 정량화를 시도할 예정이다.
심장 세포에서 KCNQ1 S140G 돌연변이와 비슷한 작용을 하는 KCNQ1 돌연변이들이 많이 있다. 본 연구를 통한 이러한 발견은 심실세동의 발생과 유지에 대한 KCNQ1 돌연변이와의 상관관계 및 위험성에 대한 연구에 도움을 줄 수 있을 것이다.
본 연구의 결과는 KCNQ1 S140G 돌연변이가 심실세동에 미치는 영향에 대해 전기생리학적 관점의 해석만 시도되었다. 추후에는 이 돌연변이로 인한 심장의 박동 효율의 변화 및 심실세동에 대한 영향을 기계 역학적 관점에서 해석을 진행할 것이다. 또한 이 돌연변이와 회귀성 파동의 발생에 대한 영향을 수치적 해석방법을 통해 정량화를 시도할 예정이다.
이는 3차원 인간 심실 모델과 푸르키네 섬유 모델이 실제 의료 영상 데이터에서 얻어진 것이지만, 각각의 모델이 서로 다른 환자의 데이터를 사용하여 독립적으로 구현되었기 때문에 환자마다 심실과 푸르키네 섬유의 형상에서 차이가 발생하였다. 하지만, 이러한 한계점이 본 연구의 결과에 어떠한 영향을 주지 않을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	KCNQ1 채널 서브 유닛의 역할은?	KCNQ1 채널 서브 유닛은 심장의 Slow delayed rectifierK+(IKs) 전류가 전도되는 채널을 형성하는 KCNE1 서브 유닛[1,2]과 함께 심방과 심실 활동 전위의 정체기(plateau phase)와 재분극의 적절한 종결에 있어 중요한 역할을 한다[3,4]. 일반적으로, IKs 채널은 매우 천천히 활성화되기 때문에 정상 상태의 활성화 수준까지 도달하는데 많은 시간이 걸린다.
	심장 근육세포에서 KCNQ1 S140G 돌연변이 상태에서의 IKs채널의 변화가 끼치는 영향은?	하지만 KCNQ1 S140G 돌연변이 상태에서의 IKs채널은 지속적으로 개방되어 심장 세포의 탈분극에 반응하여 순간적으로 활성화된다[5]. 심장 근육세포에서 이러한 IKs채널의 변화는 채널의 전류를 증가시켜 활동 전위 지속 기간(APD)과 유효 불응 기간(ERP)을 단축시키고, 심방세동을 유발한다[3,6].
	IKs 채널이 정상 상태의 활성화 수준까지 도달하는데 많은 시간이 걸리는 이유는?	KCNQ1 채널 서브 유닛은 심장의 Slow delayed rectifierK+(IKs) 전류가 전도되는 채널을 형성하는 KCNE1 서브 유닛[1,2]과 함께 심방과 심실 활동 전위의 정체기(plateau phase)와 재분극의 적절한 종결에 있어 중요한 역할을 한다[3,4]. 일반적으로, IKs 채널은 매우 천천히 활성화되기 때문에 정상 상태의 활성화 수준까지 도달하는데 많은 시간이 걸린다. 하지만 KCNQ1 S140G 돌연변이 상태에서의 IKs채널은 지속적으로 개방되어 심장 세포의 탈분극에 반응하여 순간적으로 활성화된다[5].

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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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