초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
우리는 생명을 지속하기 위해서 에너지를 먹고, 남는 것은 저장하고, 필요할 때 꺼내어 쓴다. 우리 뇌가 주로 쓰는 에너지인 포도당의 항상성을 조절하고 있는 기관은 이자(췌장)에 있는 랑게르한스섬이라고도 불리는 이자잔섬이다. 과도한 에너지 섭취로 인한 현대인의 질병인 당뇨병은 이 소기관의 과부하와 오작동과 밀접한 관련이 있다. 이 기관은 혈당을 높이는 글루카곤이라는 호르몬을 분비하는 알파세포와 혈당을 낮추는 인슐린을 분비하는 베타세포로 주로 구성되어 있다. 그리고 아직 그 역할이 불분명한 델타세포가 존재

□ 연구의 목적 및 내용
우리는 생명을 지속하기 위해서 에너지를 먹고, 남는 것은 저장하고, 필요할 때 꺼내어 쓴다. 우리 뇌가 주로 쓰는 에너지인 포도당의 항상성을 조절하고 있는 기관은 이자(췌장)에 있는 랑게르한스섬이라고도 불리는 이자잔섬이다. 과도한 에너지 섭취로 인한 현대인의 질병인 당뇨병은 이 소기관의 과부하와 오작동과 밀접한 관련이 있다. 이 기관은 혈당을 높이는 글루카곤이라는 호르몬을 분비하는 알파세포와 혈당을 낮추는 인슐린을 분비하는 베타세포로 주로 구성되어 있다. 그리고 아직 그 역할이 불분명한 델타세포가 존재한다. 이들 내분비 세포들이 분비하는 펄스 형태의 호르몬들은 특별한 상관관계를 가지고 있다. 그리고 알파, 베타, 델타세포들은 이자잔섬에서 특별한 공간적 분포를 이루고 화학적 상호작용을 하는 것이 알려져 있다. 본 연구에서는 이들 자료들을 바탕으로 이론 모형을 개발하고, 혈당조절 기관인 이자잔섬의 설계원리를 밝히고자 했다.

□ 연구결과
(1) 내분비 세포들의 공간적 분포를 통해 다양한 생물종에서 보존된 이자잔섬의 자기조직화 원리를 발견했다. 사람, 돼지, 쥐의 이자잔섬에서 알파, 베타, 델타세포의 구성비는 다르지만 이들 사이의 상대적인 인력에는 공통점이 있었다. 같은 종류의 세포들끼리 조금 더 강하게 붙어 있으려고 한다는 공통점을 밝혔다.

(2) 알파, 베타, 델타세포의 상호작용은 혈당의 조건에 따라 다양한 동역학을 만들어 낼 수 있는 특별한 형태라는 것을 발견했다. 펄스 형태의 호르몬을 분비하는 이 세포들의 거동을 진동자로 생각하면, 상호작용하는 이 세포 연결망은 잘 알려진 결합 진동자 모형인구라모토 모형으로 해석해 볼 수 있다. 세 가지 세포의 양과 음의 특별한 상호작용은 혈당에 따라 이 세포 연결망이 가질 수 있는 동역학 끌개(Attractor)의 개수를 조절할 수 있다는 것을 보였다.

(3) 위 두 연구를 바탕으로 이자잔섬의 구조와 동역학을 결합해서 이 혈당조절 기관의 설계원리로 ‘조절가능 동기화’라는 개념을 제시했다. 내분비 세포들의 공간적 분포와 상호작용은 세포들의 호르몬 분비의 동기화 정도를 조절할 수 있다는 것을 밝혔다. 정상혈당에서는 세포들의 동기화가 깨져서 호르몬의 작용을 최소화 할 수 있고, 저혈당과 고혈당에서는 세포들의 동기화가 잘 되어서 호르몬의 작용을 최대화 할 수 있음을 보였다.

□ 연구결과의 활용계획
동기화는 대표적인 창발현상으로 비선형 동역학 분야의 중요한 연구 주제이다. 완벽한 동기화가 항상 좋은 것은 아니기 때문에 최근에는 동기화의 조절이라는 주제가 많은 관심을 받고 있다. 양과 음의 상호작용으로 구성된 세포 연결망인 이자잔섬은 ‘조절가능 동기화’를 연구할 수 있는 좋은 모형이 될 것이다. 그리고 신경세포 연결망을 비롯해서 다양한 세포 연결망의 동기화의 조절 원리를 이해하는데 기여할 것이다. 혈당의 조건에 따라 호르몬 분비의 동기화가 조절된다는 본 이론의 예측은 실제 실험을 통해 검증해 보려고 한다. 이 가설은 호르몬의 절대 분비량에 초점을 맞추던 기존 관점에 호르몬 펄스의 위상동기화가 호르몬 조절의 중요한 기작이 될 수 있다는 새로운 개념을 제시하는 것이다. 이는 당뇨병을 진단하는 방식, 그리고 당뇨환자에게 인공췌장을 통해 호르몬을 주입하는 방식에 대한 새로운 알고리즘을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

( 출처 : 요약문 4p )

Abstract ▼

□ Purpose&contents
Living systems sustain life through energy metabolism. In particular, the islets of Langerhans in the pancreas play a crucial role for maintaining energy homeostasis. A common metabolic disease, diabetes, is tightly linked to the malfunction of the micro-organs. The pancratic i

□ Purpose&contents
Living systems sustain life through energy metabolism. In particular, the islets of Langerhans in the pancreas play a crucial role for maintaining energy homeostasis. A common metabolic disease, diabetes, is tightly linked to the malfunction of the micro-organs. The pancratic islets are composed of alpha, beta, and delta cells. Here alpha and beta cells secrete antagonistic hormones, glucagon and insulin, to increase and decrease glucose levels, respectively, while the role of delta cells is not clear yet. Those endocrine cells secrete pulsatile hormones with special coordinations. Our research goal was to reveal the design principles of the cell-to-cell interaction and spatial organization of alpha, beta, and delta cells.

□ Result
(1) We found a conserved rule for the pancreatic islet organization. Although human, pig, and mouse islets have different compositions of alpha and beta cells, they have the same self-organization principle that the attractions between homotypic cells are stronger than the ones between heterotypic cells.

(2) We found that islet cells interact to each other to produce rich dynamics. We interpreted the hormone pulses as oscillations, and described the coordinated hormone secretions by using a coupled oscillator model. The special positive/negative couplings between alpha, beta, and delta cells generate different numbers of attractors depending on glucose conditions.

(3) Based on the above results on spatial organization and dynamics of interacting islet cells, we integrated the islet structure and dynamics, and found a novel design principle, ‘controllable synchronization’ of pancreatic islets. The islet cells become desycnrhonized to suppress unnecessary hormone actions at normal glucose, while they become synchronized to amplify hormone actions at high/low glucose.

□ Expected Contribution
Synchronization is a representative emergent phenomenon in nonlinear dynamics.
Since perfect synchronization is not always desirable, recently its controllability has been highlighted. The network of islet cells with special positive/negative couplings can be a good model system to study the controllable synchronization in general cell networks such as neural networks. We plan to experimentally confirm the theoretical prediction that the synchronization of hormone pulses can be controllable depending on glucose conditions. This hypothesis suggests that the phase of hormone pulses can be an important component of hormone regulation beyond the hormone amplitude.
This novel concept may provide new algorithms for diabetes diagnosis, and hormone injection in artificial pancreas.

( 출처 : SUMMARY 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 7 5. 연구결과의 활용계획 ... 8 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 8 7. 참고문헌 ... 8 8. 연구성과 ... 9 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 12 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 12 11. 기타사항 ... 12끝페이지 ... 12