초록 ▼

[1세부] 본 연구에서는 이온채널모델개발, 여러 종류의 심근세포 모델 개발, 자율신경계에 의한 영향 재현, 약물반응 모델의 실험과 비교, 부정맥 유발 돌연변이에 대한 수학적 모델 개발 및 약물효과를 재현하고 이를 2세부 3D심장에 적용하였으며 인공지능기법에 의해 모델 파라미터 추정법을 개발하였고 또한 활동전압에서 약물에 의한 각 이온채널의 전도도를 딥러닝기법을 활용하여 추정하는 방법을 개발하여 향후 채널발현세포주에 대한 실험을 대체 적용하여 활동전압을 기록하며 약물에 의한 반응만으로 여러 이온채널에 대한 용량반응곡선을 dose-re

[1세부] 본 연구에서는 이온채널모델개발, 여러 종류의 심근세포 모델 개발, 자율신경계에 의한 영향 재현, 약물반응 모델의 실험과 비교, 부정맥 유발 돌연변이에 대한 수학적 모델 개발 및 약물효과를 재현하고 이를 2세부 3D심장에 적용하였으며 인공지능기법에 의해 모델 파라미터 추정법을 개발하였고 또한 활동전압에서 약물에 의한 각 이온채널의 전도도를 딥러닝기법을 활용하여 추정하는 방법을 개발하여 향후 채널발현세포주에 대한 실험을 대체 적용하여 활동전압을 기록하며 약물에 의한 반응만으로 여러 이온채널에 대한 용량반응곡선을 dose-response curve 동시에 취득할 수 있는 기술적기반을 제시함

[2세부] 본 세부의 연구목표는 약물의 안전성 평가를 위한 3차원 가상심장 모델을 개발하고, 인간 줄기세포 유래 분화 심근세포 피지옴 모델을 개발하며, 약제의 안전성 평가를 위한 3차원 가상심장의 virtual population 모델 프로토콜을 제시하여, 이를 활용하는 약제의 안전성 검증 및 표준작업 지침서를 개발하는 것임. 이러한 목표를 달성하기 위해 심근세포의 흥분, 조직의 전기전도, 심장의 3차원 해부학적 구조에서의 전기전도, 흉곽의 가상 EKG 모델을 통합하는 종합적인 3차원 가상심장 모델을 개발하고, 인간 줄기세포 유래 분화 심근세포로 이루어진 3차원 미니심장 피지옴 모델을 개발하였으며, 실험결과와 비교, 검토하였음. 또한 인간의 다양한 심장 구조를 반영할 수 있는 가상심장 virtual population 모델을 개발하였으며, 3차원 가상 심장 모델을 활용하는 약제의 심장독성 평가법의 표준작업 지침서를 개발하였음. 이러한 결과를 통해 가상 피지옴 모델을 활용하는 약제의 심장독성 안전성 예측 플랫폼을 선도적으로 구축하였고, 가상 심장 모델의 virtual population 모델 구축을 통해 실용적인 심장독성 평가 시스템을 확보하고, 저비용, 고효율의 약제 안전성 평가 시스템을 개발하였음.

[3세부] 본 연구에서 심장 조직 특이적 단백질이 함유된 탈세포 매트릭스를 개발하였고, 이를 이용한 하이드로젤 제작 기술을 확립하여 미니심장 모델 제작에 이용함. 또한, 심근세포 외에도 혈관세포 및 심장 섬유아세포가 모두 포함된 3D 미니심장을 제작하여 실제 심장과 유사한 세포구성을 갖는 모델을 개발함. 추가로, 형광 정량 및 스페로이드 대량 생산 등 다양한 장점을 지닌 미세유체칩 모델들을 개발하였고, 선별 작업을 거쳐 3D 미니심장 모델에 미세흐름을 제공해줄 수 있는 기술을 확립함. 이러한 기술들을 이용하여 표준화 및 고도화된 미니심장 모델을 제작할 수 있었고, LQT 질환 모델도 확립함. 이러한 심장 모델의 제작 방법 및 약물 평가 방법은 표준작업지침서(SOP)의 작성을 통해 표준화됨.

[4세부] 본 연구에서 인간 유도만능줄기세포 유래 분화심근세포에 대한 전기생리학적 특성분석 데이터를 확보하였고, 이는 심근세포 피지옴 모델링을 위한 핵심데이터로 활용되었음. 유전적 심부정맥 질환을 가진 환자 유래의 줄기세포를 이용하여 고효율로 심근세포를 생산하는 기술을 확립하였고, 이는 LQT 미니심장 질환 모델제작에 활용되었음. 다중전극판(MEA)시스템을 이용한 전기생리학적 기능분석과 이미징 기반의 수축력 측정시험을 통해 3D 미니심장의 기능성을 검증하였고, 다양한 참조약물들의 반응성 분석을 통해 3D 미니심장 기반 의약품 평가시스템의 밸리데이션을 수행함. 3D 미니심장 모델을 이용한 심부정맥 평가법에 관한 SOP를 확보하여 표준화 기반을 마련하였고, 현재 국내에서 개발중인 바이오의약품을 이용하여 시범 적용 사례를 구축함.

(출처 : 요약문 7p)

Abstract ▼

[Section 1] In this study, ion channel model development, several types of cardiomyocyte models, reproduction of effects by the autonomic nervous system, experiment and comparison of drug response models, and the development of mathematical models for arrhythmia-induced mutations and drug effects we

[Section 1] In this study, ion channel model development, several types of cardiomyocyte models, reproduction of effects by the autonomic nervous system, experiment and comparison of drug response models, and the development of mathematical models for arrhythmia-induced mutations and drug effects were reproduced and analyzed. The mutation model was applied to 3D heart of section 2. Model parameter estimation method was developed by artificial intelligence technique, and a method for estimating the conductance of multiple ion channels by the change of the action potential by drug using deep learning technique was developed to replace the experiments on channel-expressing cell lines in the future suggesting a technical basis for simultaneously acquiring dose-response curves for multiple ion channels with only response of the action potentials to drug.

[Section 2] The purpose of the present study is to develop three-dimensional virtual heart model for drug cardiotoxicity assessment, develop human pluripotent stem cell derived cardiomyocyte physiome model, develop a virtual population model of the heart to represent individual heart characteristics, and propose a protocol for drug cardiotoxocity test using virtual population model of the heart. To achieve the goal of the present study, we have developed a comprehensive three-dimensional virtual heart model including the excitation of the cardiac cells, conduction of the electrical signal through the heart tissue, and electrocardiogram simulation methodology using a torso model. We also developed a simulation model of mini heart composed of human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocyte, and validated the model using experimental microelectrode array data. We also developed a virtual population model of the heart to incorporate various anatomical structure of the individual heart and test the cardiotoxicity of the drugs. We tested the effect of dofetilide using the virtual population model of the heart. As a result, we developed a standard operating procedure of in silico simulation method for drug cardiotoxicity test using virtual hear population model.

[Section 3] In this study, decellularized matrix containing heart tissue-specific proteins was developed, and hydrogel fabrication method using decellularized matrix was also established for generating mini-heart model.
In addition, 3D mini-heart model included endothelial cells and cardiac fibroblasts as well as cardiomyocytes, and this model had similar cell composition with actual heart. Microfluidic devices with various advantages such as quantification of fluorescence and mass production of spheroids were also fabricated for providing microflow to 3D mini-heart model. Using these techniques, standardized and advanced model could be produced, and the mini-heart models which have long QT syndrome were also developed. The production method and drug evaluation method of these heart models were standardized through the preparation of standard operating procedure (SOP).

[Section 4] In this study, we established the electrophysiological data for hiPSC-derived cardiomyocytes, which was used as key data for cardiac physiome. We established the technology for producing cardiomyocytes with high efficiency using stem cells derived from patients with hereditary cardiac arrhythmias, and this was used in the production of LQT mini-heart disease models. The functionality of the 3D mini-heart was verified through electrophysiological function analysis using the multi-electrode array (MEA) system and imaging-based contractility assay. The 3D mini-heart-based drug evaluation platform was validated through the analysis of various reference drug effects. The SOP for the testing method for drug-induced arrhythmia using the 3D mini-heart model was established for standardization, and pilot application cases were established using biopharmaceuticals currently being developed in Korea.

(source : Summary 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 4
• Ⅰ. 총괄연구개발과제 요약문 ... 7
• 국문 요약문 ... 7
• Summary ... 9
• Ⅱ. 총괄연구개발과제 연구결과 ... 11
• 제1장 총괄연구개발과제의 목적 및 필요성 ... 11
• 제2장 총괄연구개발과제의 내용 및 방법 ... 38
• 제3장 총괄연구개발과제의 최종결과 및 고찰 ... 71
• 제4장 총괄연구개발과제의 연구성과 ... 89
• 제5장 총괄주요연구 변경사항 ... 94
• Ⅲ. 제(1)세부연구개발과제 연구결과 ... 95
• 제(1)세부 연구개발과제 요약문 ... 96
• 제2장 세부연구개발과제의 목적 ... 98
• 제3장 세부연구개발과제의 내용 및 방법 ... 99
• 제4장 세부연구개발과제의 결과 및 고찰 ... 119
• 제5장 세부참고문헌 ... 178
• Ⅳ. 제(2)세부연구개발과제 연구결과 ... 180
• 제(2)세부 연구개발과제 요약문 ... 181
• 제2장 세부연구개발과제의 목적 ... 183
• 제3장 세부연구개발과제의 내용 및 방법 ... 185
• 제4장 세부연구개발과제의 결과 및 고찰 ... 192
• 제5장 세부참고문헌 ... 204
• Ⅴ. 제(3)세부연구개발과제 연구결과 ... 205
• 제(3)세부 연구개발과제 요약문 ... 206
• 제2장 세부연구개발과제의 목적 ... 208
• 제3장 세부연구개발과제의 내용 및 방법 ... 211
• 제4장 세부연구개발과제의 결과 및 고찰 ... 215
• Ⅵ. 제(4)세부연구개발과제 연구결과 ... 235
• 제(4)세부 연구개발과제 요약문 ... 236
• 제2장 세부연구개발과제의 목적 ... 238
• 제3장 세부연구개발과제의 내용 및 방법 ... 241
• 제4장 세부연구개발과제의 결과 및 고찰 ... 244
• 제5장 세부참고문헌 ... 272
• Ⅶ. 총괄첨부서류 ... 273
• 끝페이지 ... 407