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적색 OLED로 치매 기억력 되살린다

약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선할 수 있는 가장 효과적인 OLED 색상을 규명 ‘적색 40Hz 빛’이 알츠하이머 병리와 기억 기능을 가장 효과적으로 개선한다는 사실 확인 KAIST 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀과 한국뇌연구원(KBRI) 구자욱 박사·허향숙 박사 연구팀

적색 OLED로 치매 기억력 되살린다

“어떤 OLED 색의 빛이 알츠하이머 환자의 기억력과 병리 지표를 실제로 개선하는가?”라는 의문점을 제기한 한국 연구진이, 약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선할 수 있는 가장 효과적인 OLED 색상을 규명했다. 이번 연구에서 개발된 OLED 플랫폼은 색·밝기·깜박임 비율·노출 시간을 정밀하게 제어할 수 있어, 향후 개인맞춤형 OLED 전자약으로의 발전 가능성을 제시한다. KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀과 한국뇌연구원(KBRI) 구자욱 박사·허향숙 박사 연구팀이 공동 연구를 통해, 균일 조도의 3가지 색 OLED 광자극 기술을 개발하고, 청색·녹색·적색 중 ‘적색 40Hz 빛’이 알츠하이머 병리와 기억 기능을 가장 효과적으로 개선한다는 사실을 확인했다고 밝혔다. ▲(왼쪽위) KAIST 최경철 교수, 노병주 박사, 정영훈 박사과정, 박민우 석박통합과정, 한국뇌연구원 구자욱 박사, 이지윤 연구원, (왼쪽아래) 이지은 연구원, 허향숙 박사, 이현주 박사, 강소라 박사, 오석준 연구원 연구진은 기존 LED 방식이 가진 밝기 불균형, 열 발생 위험, 동물의 움직임에 따른 자극 편차 등 구조적 한계를 해결하기 위해 균일하게 빛을 내는 OLED 기반 광자극 플랫폼을 구축했다. 이 플랫폼을 활용해 백색·적색·녹색·청색 빛을 동일한 조건(40Hz 주파수·밝기·노출시간)에서 비교한 결과, 적색 40Hz 빛이 가장 우수한 개선 효과를 보였다. 초기 병기(3개월령) 동물 모델은 단 2일 자극만으로도 병리 및 기억력 개선되는 것을 확인했다. 초기 알츠하이머 동물 모델에 하루 1시간씩 이틀간 빛을 조사한 결과, 백색·적색 빛 모두 장기기억이 향상되었고 해마 등 중요한 뇌 영역에 쌓여 있던 알츠하이머병의 대표적인 원인 물질로 알려진 단백질 찌꺼기(덩어리)인 ‘아밀로이드베타(Aβ) 플라크’가 줄었으며 플라크를 제거하는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)가 더 많이 만들어졌다는 사실을 확인했다. 즉, 아주 짧은 기간의 빛 자극만으로도 뇌 속 나쁜 단백질이 줄고 기억 기능이 개선될 수 있다는 의미다. 특히 적색 빛에서는 염증을 악화시키거나 뇌 조직에 스트레스를 주어 알츠하이머병 진행에 영향을 주는 ‘염증성 사이토카인 IL-1β’가 크게 감소해 염증 완화 효과도 확인됐다. 또한 플라크 감소량이 많을수록 기억력 향상 폭이 더 컸다, 즉 병리 개선이 인지 기능 향상으로 직접 이어짐을 검증했다. 중기 병기(6개월령) 모델에서는 적색 빛에서만 통계적 병리 개선을 확인했다. 중기 알츠하이머 모델을 대상으로 2주간 동일 조건으로 장기 자극을 수행한 결과, 백색·적색 모두 기억력 향상은 있었지만 플라크 감소는 적색에서만 통계적으로 유의미하게 나타났다. 분자 수준에서도 색상별 차이가 분명했다. 적색 빛을 비춘 경우에는 플라크를 없애는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)는 늘어나고, 플라크를 만드는 효소(BACE1)는 줄어들어, 즉 플라크 생성 억제·제거 촉진의 ‘이중 효과’가 나타났다. 반면 백색 빛은 플라크를 만드는 효소(BACE1)만 줄어들어, 적색 빛에 비해 치료 효과가 제한적이었다. 이는 빛의 색상이 치료 효과를 결정하는 핵심 요소임을 과학적으로 규명한 성과다. 연구진은 빛 자극 후 실제로 어떤 뇌 회로가 작동했는지를 확인하기 위해, 뇌세포가 활성화될 때 가장 먼저 켜지는 표지 유전자(c-Fos)의 발현을 분석했다. 그 결과 시각피질 → 시상 → 해마로 이어지는 시각–기억 회로 전체가 활성화되었으며, 이는 빛 자극이 시각 경로를 깨워 해마 기능과 기억력 향상으로 이어진다는 직접적 신경학적 근거를 제시했다. 균일 조도의 OLED 플랫폼 덕분에 동물이 움직여도 빛이 고르게 전달되어 실험 결과가 흔들리지 않았고, 반복 실험에서도 일관된 효과가 재현되는 높은 신뢰성을 확보했다. 이번 연구는 약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선하고, 색상·주파수·기간 조합을 통해 알츠하이머 병리 지표를 조절할 수 있음을 최초로 규명한 성과다. 개발된 OLED 플랫폼은 색·밝기·깜박임 비율·노출 시간을 세밀하게 조절할 수 있어, 사람 대상 임상 연구에서 개인별 맞춤 자극 설계에도 적합하다. 연구팀은 앞으로 자극 강도·에너지·기간·시각·청각 복합 자극 등 다양한 조건을 확장해 임상 단계로 발전시킬 계획이다. 노병주 박사(최경철 교수 연구팀)는 “이번 연구는 색상 표준화의 중요성을 실험적으로 입증했으며, 특히 적색 OLED가 병기별로 ADAM17 활성화와 BACE1 억제를 동시에 유도하는 핵심 색상임을 확인했다”라고 말했다. 최경철 교수는 “균일 조도 OLED 플랫폼은 기존 LED의 구조적 한계를 극복해 높은 재현성과 안전성 평가가 가능하다. 앞으로 일상생활 속에서 착용해 치료할 수 있는 웨어러블 RED OLED 전자약이 알츠하이머 치료의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다”고 강조했다. 해당 연구 결과는 생체의학·재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 `에이씨에스 바이오매터리얼즈 사이언스 앤 엔지니어링(ACS Biomaterials Science & Engineering)'에 지난 10월25일 字로 온라인 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 및 국가정보산업진흥원, 그리고 한국뇌연구원 기초 연구 프로그램 지원을 받아 수행되었다. < 적색 OLED 로 신경 세포를 자극 알츠하이머 실험용 쥐의 아밀로이드 베타의 줄이는 기전 > < 에이씨에스 바이오매터리얼즈 사이언스 앤 엔지니어링 (ACS Biomaterials Science & Engineering) 논문지의 요약 그림 – 적색 올레드 (Red OLED) 자극 시 아밀로이드 베타 감소 기전에 대한 그림 >

"피에조 이용한 세포질 내 정자 주입술, 기존 방식보다 수정률 높아

체외수정(IVF) 첫 주기 환자 대상 PIEZO-ICSI', 'C-ICSI' 시술 임상 비교 'PIEZO-ICSI', 'C-ICSI'보다 수정률과 배아 발달률 높고, 난자 손상 적어 일산차병원(원장 송재만) 난임센터 난임의학연구실 교수팀

"피에조 이용한 세포질 내 정자 주입술, 기존 방식보다 수정률 높아

일산차병원(원장 송재만) 난임센터 난임의학연구실 교수팀(류혜진 교수, 이경은 교수)과 연구팀(임천규 연구원, 최원윤 실장)은 ‘피에조를 이용한 세포질 내 정자 주입술’(PIEZO-ICSI)‘이 기존 시술 방법인 ’일반적인 방법의 세포질 내 정자 직접 주입술(Conventional ICSI / C-ICSI)‘보다 수정률이 높다는 연구결과를 발표했다. 연구팀은 난임 부부가 처음으로 시험관 아기 시술을 받는 체외수정(IVF) 첫 주기 환자를 대상으로 두 시술의 임상 비교 연구를 진행, ’PIEZO-ICSI‘가 ’C-ICSI‘에 비해 수정률과 배아 발달률이 높고, 난자 손상이 적다는 것을 규명해 국제학술지 ’PLOS ONE‘에 게재했다. ▲일산차병원 난임센터 난임의학연구실 연구원이 PIEZO 장비를 이용해 난자 내 정자 직접 주입술(ICSI)을 시행하고 있다. 연구는 배우자가 정자 형태 검사에서 정상 정자 비율이 1% 미만으로 나타나 기형 정자증(남성 난임) 진단을 받은 37세 이하 여성 환자 100명을 대상으로 진행됐다. 가장 신뢰도가 높은 연구 설계 중 하나인 환자 수준 무작위 대조 시험(Patient-level RCT) 방식으로 임상을 진행, 무작위로 배정된 두 환자군에 각각 PIEZO-ICSI(50명)와 C-ICSI(50명) 시술을 시행한 결과를 비교했다. 그 결과 PIEZO-ICSI 환자군의 정상 수정률은 78.0%로 C-ICSI군의 72.6%보다 높았으며, 난자 변성률은 3.2%로 C-ICSI군의 6.3%보다 낮았다. 또한 5일째 배반포 형성률은 PIEZO-ICSI군이 50.3%로 C-ICSI군의 43.9%보다 높았고, 임상 임신율 역시 66.7%로 C-ICSI군의 64.3%보다 높게 나타났다. 일산차병원이 2020년 국내 최초로 임상에 도입한 PIEZO-ICSI는 피에조 장치에서 나오는 진동을 이용해 난막과 세포막을 부드럽게 뚫고 정자를 직접 주입하는 반면, C-ICSI는 미세 유리 바늘로 난막을 찌른 뒤 난자의 세포질 일부를 흡입하여 정자를 직접 주입한다. 최원윤 난임의학연구실장은 “C-ICSI 시술을 시행해도 반복적으로 수정에 실패하거나 배아의 질이 떨어져 포배기 배아가 생성되지 않는 경우, 정자 질이 극히 떨어지는 경우, 난소 질 저하로 난자의 상태가 좋지 않거나 개수가 적게 나오는 환자의 경우, 동결 난자의 해동 후 수정과 미성숙난자의 수정을 해야 하는 경우 등에 PIEZO-ICSI가 긍정적인 대안이 될 수 있다”고 말했다. 송재만 일산차병원장은 “난임은 개인 문제를 넘어 국가 저출산 위기와 직결된 과제”라며 “이번 성과는 끊임없는 연구와 혁신적 시술 등을 도입하며 출산율 회복에 기여하고자 노력한 결실”이라고 설명했다. 이번 연구는 “첫 체외 수정 주기 시술에서 기존 미세수정 방법과 피에조 미세수정 방법의 임상적 결과 비교(Comparison of the clinical outcomes between conventional intracytoplasmic sperm injection (ICSI) and PIEZO-ICSI in women undergoing the first cycle of in-vitro fertilization)”라는 제목으로 국제학술지 ’PLOS ONE‘에 게재됐다. 일산차병원 난임센터는 2020년 국내 최초로 PIEZO-ICSI를 임상 적용했으며, 배아를 꺼내지 않고도 발달 과정을 실시간으로 관찰한 뒤 이를 AI 기술과 결합해 최적의 배아 선별에 도움을 주는 타임랩스 배아 배양 시스템(Time-lapse monitoring), 착상전 유전자 검사(PGT), 난자·배아 동결보존(Vitrification) 등 세계적인 수준의 난임보조생식술을 운영하고 있다. 또한, 난임의학연구실을 중심으로 배아 발달 메커니즘 연구, 착상 환경 최적화, 맞춤형 배아 선택 알고리즘 개발 등 기초와 임상을 아우르는 국내 최고 수준의 연구 인프라를 구축, 최근에는 과배란 유도 없이 미성숙 난자를 체외 배양하는 CAPA-IVM 클리닉을 개설하며 임신과 출산율을 높여가고 있다.

‘운동’과 ‘줄기세포’ 치료 병행, 근감소증 동물실험 통해 효과 확인

근육량 증가 및 근육 기능 개선 염증 감소 등에서 단독 치료 효과보다 훨씬 크다 복합 치료가 노화로 인한 근감소증 치료 전략에 새로운 패러다임을 제시 강북삼성병원 재활의학과 박철현 교수, 정동화 연구원, 김민정 박사 연구팀

‘운동’과 ‘줄기세포’ 치료 병행, 근감소증 동물실험 통해 효과 확인

고령화 사회로 진입하며 급증하고 있는 근감소증에 대한 새로운 치료 가능성을 국내 연구진이 동물실험을 통해 확인했다. 성균관의대 강북삼성병원(원장 신현철) 재활의학과 박철현 교수, 정동화 연구원, 김민정 박사 연구팀은 운동과 줄기세포 치료를 병행할 경우, 근육량 증가 및 근육 기능 개선 염증 감소 등에서 단독 치료 효과보다 훨씬 크다는 결과를 최근 발표했다. 연구팀은 노화 쥐의 근육 고정을 통해 근감소증 모델을 만든 후, ▲운동 단독치료군 ▲줄기세포 단독치료군, ▲운동 줄기세포 병행치료군 ▲대조군의 4개 그룹으로 나눠 4주간 변화를 관찰했다. 그 결과, 운동 줄기세포 병행치료군에서 비복근 근육 무게가 대조군 대비 가장 많이 증가했으며, 근섬유 크기도 더 커지는 경향을 보였다. 기능평가인 로터로드 테스트(회전 막대 위에서 버티는 시간 측정)에서도, 병행치료군이 대조군 대비 낙하까지의 시간이 약 3배 이상 증가하며 가장 우수한 운동 수행 능력을 보였다. 이는 복합 치료가 근력과 협응력을 크게 개선했다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라, 근감소증의 주요 원인 중 하나인 염증 반응에서도, 근육 내 염증성 사이토카인 수치가 병행치료군에서 가장 낮은 수준을 기록했다. 박철현 교수는 “현재까지 근감소증에 대한 확실한 약물 치료제가 없는 상황에서 이번 연구는 복합 치료가 노화로 인한 근감소증 치료 전략에 새로운 패러다임을 제시했다는 데에 의미가 있다 ”며 “향후 임상 적용을 위해 더욱 정교한 모델 개발 등 후속 연구가 필요하다”고 밝혔다. 이번 연구는 International Journal of Molecular Sciences 최신 호에 게재됐다.

흉부 X선으로 골다공증 상태 예측하는‘설명 가능한 AI’ 개발

파운데이션 모델 12종 비교해 최적 성능 도출 DINOv2 모델에 LoRA 방식 적용 모델 AUC 0.93로 가장 높은 예측 성능 보여 AI가 척추·늑골 등 뼈 구조를 근거로 판단하는 과정을 정량 검증, ‘기회 검진’ 가능성 제시 서울대병원 가정의학과 박상민 교수팀(김재원 연구원)

흉부 X선으로 골다공증 상태 예측하는‘설명 가능한 AI’ 개발

서울대병원이 흉부 X선만으로 정상·골감소증·골다공증을 분류하는 인공지능(AI) 모델을 개발했다. 흉부 X선에는 갈비뼈, 쇄골, 척추 등 골절과 밀접한 뼈 구조가 포함되어 있어 이를 활용하면 별도 골밀도 검사 없이도 골다공증을 조기에 확인할 수 있는 ‘기회 검진(opportunistic screening)’이 가능하다. 연구팀은 특히 AI가 실제로 어떤 뼈 구조를 근거로 판단하는지를 수치로 검증하는 평가 체계를 마련해, 임상에서도 신뢰할 수 있는 의료 AI의 가능성을 제시했다. 골다공증은 뼈의 양이 줄고 구조가 약해지면서 골절 위험이 높아지는 질환으로, 고령화와 함께 환자가 빠르게 증가하고 있다. 그러나 표준검사인 DXA(골밀도 검사)는 장비 접근성 등의 문제로 충분히 시행되지 못하는 경우가 많다. ▲ [왼쪽부터] 서울대병원 가정의학과 박상민 교수, 서울대 의과학과 김재원 연구원 반면 흉부 X선은 대부분의 건강검진에서 이미 촬영되므로, 이를 활용해 골다공증 여부를 함께 평가할 수 있다면 조기 진단의 새로운 대안이 될 수 있다. 다만 지금까지의 AI 모델은 예측 과정이 명확하게 설명되지 않는 ‘블랙박스’ 문제 때문에 임상 적용에 어려움이 있었다. 서울대병원 가정의학과 박상민 교수팀(김재원 연구원)은 서울대병원 건강증진센터에서 2004~2019년 동안 흉부 X선과 DXA 검사를 모두 받은 여성 14,502명의 데이터를 분석해 다양한 파운데이션 기반 AI 모델의 예측 성능과 설명 가능성을 비교한 연구 결과를 28일 발표했다. 연구팀은 먼저, 다양한 이미지에서 사전 학습된 파운데이션 모델(Foundation Model)을 의료 영상 분석에 적용했다. 파운데이션 모델은 대규모 데이터로 학습된 AI 모델로, 이를 의료 영상에 맞게 미세 조정하면 제한된 의료 데이터로도 높은 성능을 낼 수 있다. 연구에는 일반 이미지로 학습된 모델(OpenCLIP, DINOv2)과 의료 영상으로 학습된 모델(CheXagent, RAD-DINO) 등 네 가지 모델이 사용됐으며, ▲마지막 분류 단계만 새로 학습하는 ‘선형 검증’ ▲모델의 일부 레이어만 재학습하는 ‘부분 미세조정 방식’ ▲저차원 행렬을 추가하는 ‘LoRA 방식’ 등 세 가지 방법을 적용해 총 12개의 AI 모델을 만들었다. AI는 입력된 흉부 X선에서 척추와 늑골 같은 뼈 구조를 중심으로 특징을 추출하고, 이를 기존에 학습된 패턴과 비교해 정상(T-score ≥ -1.0), 골감소증(-2.5 < T-score < -1.0), 골다공증(T-score ≤ -2.5) 중 어떤 상태와 가장 유사한지를 판단한다. 연구팀은 여기에 더해 AI가 실제로 어떤 뼈를 근거로 삼아 판단하는지까지 확인할 수 있도록 ‘설명 가능성’ 평가 체계를 설계했다. 뼈를 모두 가린 상태에서 특정 뼈 부위를 추가해 성능이 얼마나 향상하는지 확인하는 ‘차단 분석 방식(Δbone)’과 Grad-CAM으로 나타난 AI의 주목 영역이 실제 뼈 위치와 얼마나 일치하는지를 계산하는 ‘유의성 지도 방식(IoUbone)’을 통해, AI가 임상적으로 중요한 뼈 구조를 근거로 판단하는지를 정량적으로 검증했다. 그 결과, DINOv2 모델에 LoRA 방식을 적용한 모델이 AUC 0.93(95% CI 0.92–0.94)로 가장 높은 예측 성능을 보였다. 이 모델은 뼈 구조 활용도가 가장 높고, 주목 영역의 타당성에서도 우수해, 예측력과 설명 가능성이 균형 있게 확보된 최적 모델로 평가됐다. 또한 의료 영상 기반 모델이 항상 더 우수한 것은 아니며, 예측 성능이 높다고 해서 설명 가능성까지 함께 향상되는 것은 아니라는 점도 확인됐다. 이는 의료 AI가 실제 임상에서 활용되기 위해서는 정확도와 함께 ‘왜 그렇게 판단했는지’에 대한 근거 검증이 필수적임을 보여준다. 제1저자인 김재원 연구원(서울대 의과학과)은 “파운데이션 모델을 의료 영상에 적용할 때는 높은 성능만으로는 충분하지 않고, 실제 의료 현장에서 신뢰받기 위한 다차원적 평가 체계가 필요하다”며 “이번 연구가 그 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다. 교신저자인 박상민 교수(가정의학과)는 “예측 정확도뿐 아니라 AI의 판단 근거를 투명하게 설명할 수 있는지를 함께 평가함으로써, 파운데이션 모델을 어떻게 선택하고 활용해야 하는지에 대한 방향성을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 강조했다. 한편, 이번 연구 결과는 골다공증 및 기타 대사성 골질환 분야의 국제 학술지 ‘Osteoporosis International’ 최근호에 게재됐다. 사진】흉부X선에서 파운데이션 모델이 골다공증 판독을 위해 주목한 영역을 시각화한 이미지 표】파운데이션 모델별 예측 성능 지표



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국내 최초 타액 기반 우울증 진단 보조 소프트웨어 의료기기 선보여
정신건강 디지털 헬스케어 전문기업 마인즈에이아이(대표 석정호)가 국내 최초로 타액 내 호르몬을 활용한 우울증 진단 보조 소프트웨어 의료기기 ‘마인즈내비(Minds.NAVI)’의 식품의약품안전처(식약처) 허가를 획득했다고 밝혔다. ‘마인즈내비’는 사용자의 자가보고식 심리 설문 평가와 함께, 타액 내 Cortisol(코르티솔) 및 DHEA(디하이드로에피안드로스테론) 농도 분석을 결합하여 우울증 진단을 보조하는 소프트웨어 기반 의료기기다. 이는 생물학적 지표를 활용한 우울증 진단 보조 기기로는 국내 최초이자, 세계적으로도 상용화된 사례가 없는 혁신적인 시도다. 마인즈에이아이는 연세대학교 강남세브란스병원 정신건강의학과 석정호 교수가 설립한 기업으로, 기존의 심리학적 평가 도구를 재구성한 ‘PROVE Battery’를 기반으로 ‘마인즈내비’를 개발했다. 이 소프트웨어는 사용자가 심리 설문을 완료한 후, 정해진 시간에 타액을 채취해 진단 기관으로 보내면 알고리즘이 이를 분석해 우울증 여부를 보조 진단하는 방식으로 작동한다. 특히, 123명의 피험자를 대상으로 진행된 확증 임상시험에서 ‘마인즈내비’는 민감도 97.22%, 특이도 95.24%라는 높은 진단 정확도를 기록하

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