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[앞선 의료 연구 현장 / 관절염] '환자의 근감소증 예측 알고리즘' 논문 등 '관심'
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[앞선 의료 연구 현장 / 관절염] '환자의 근감소증 예측 알고리즘' 논문 등 '관심'
  • 경기메디뉴스 김선호 기자
  • 승인 2022.08.02 13:06
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기사와 관련 없는 자료 사진 ©게티이미지뱅크
기사와 관련 없는 자료 사진 ©게티이미지뱅크

관절염과 관련된 최신 연구 진전으로 'AI를 활용한 무릎 관절염 진행속도 및 치료 예측 모델', '관절염 환자의 근감소증 예측 알고리즘', '장내균총을 이용한 류마티스관절염 치료 가능성' 등에 관한 논문이 관심을 끈다.

■ 분당서울대병원, AI를 활용한 무릎 관절염 진행속도 및 치료 예측 모델 개발

분당서울대병원 정형외과 이용석 교수팀이 대표적인 인공지능(Artificial Intelligence, AI) 중 하나인 머신 러닝(Machine Learning)을 활용해 무릎 관절염의 진행속도와 예후를 예측할 수 있는 모델을 최근 개발했다

연구 논문은 머신러닝 활용한 관절염 진행속도 및 치료 예측(Prediction of progression rate and fate of osteoarthritis: Comparison of machine learning algorithms)의 제목으로 SCI급 학술지인 정형외과학회지(Journal of Orthopaedic Research)에 게재됐다.

이용석 교수팀은 AI 기법 중 하나이자 컴퓨터에 특정한 명령 없이 데이터를 토대로 스스로 모델을 찾을 수 있는 방법인 머신 러닝을 활용해 무릎 관절염 환자의 질환 진행 속도와 예후에 대한 예측모델을 개발했다.

이용석 교수는 예측모델을 개발하기 위해 2003년부터 2019년까지 내원한 관절염 환자 83,280명의 △인구통계학(연령, 성별, 체질량지수, 골밀도 등) △직업(무릎에 영향을 줄 수 있는 직업 등) △동반질환(고혈압, 당뇨, 치매 등) △방사선학 데이터(무릎 초기 정보, 수술 정보 등)를 활용했다.

이번에 개발한 예측모델은 관절염의 진행속도와 예후 예측을 각각 71%, 88%의 정확도를 보였다. 관절염에 가장 크게 미치는 요인은 초기 관절염의 정도와 무릎에 영향을 주는 직업으로 나타났다. 따라서 이를 활용한다면 환자의 상태를 진단하고 향후 치료 및 예후를 결정하는데 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

연구의 교신저자 분당서울대병원 정형외과 이용석 교수는 “관절염을 치료하기 위해선 꾸준한 관리가 필요한데 기존의 방법들은 효과, 비용 등 여러 문제가 있었다”라며, “해당 모델을 사용할 경우 1차 진료 현장에서도 편리하고 비교적 저렴하게 환자의 치료 방법과 예후를 예측할 수 있을 것”이라고 말했다.

■ 서울대병원, 관절염 환자의 근감소증 예측 알고리즘 개발

서울대병원 정형외과 노두현 교수팀(황두현 수련의, 안성호 학생)은 인공지능인 합성곱 신경망과 기계학습의 분류 모델을 복합적으로 이용해 수술 전 하지 X-ray와 피검사 결과만으로 근감소증을 예측할 수 있는 알고리즘 모델을 최근 개발했다

이번 연구는 국제 SCI 학술지 ‘임상의학학술지(Journal of Clinical Medicine)’ 최근호에 게재됐다.

연구팀은 수술 이력이 없는 건강한 지원자 227명의 하지 X-ray 사진을 사용해 자동 근육 분할(X-ray 사진에서 근육에 해당하는 부분을 구획화해 나타낸 것) 역할을 수행하는 딥 러닝 예측 모델을 개발했다.

예측 모델은 하지 X-ray 사진으로부터 근육을 분할해 환자의 전신 근육량을 추산한다. 그리고 이를 포함한 총 7개의 변수(예측 전신 근육량, 체질량지수, 빌리루빈, 헤모글로빈, 알부민, 단백질, 나이)를 활용해 근감소증을 예측한다. 연구팀은 이 모델을 활용해 퇴행성 무릎 관절염 치료를 위해 슬관절 전치환술(Total Knee Arthroplasty, 이하 TKA)을 앞두고 있는 환자 403명을 테스트했다.

이번 연구는 CT, MRI 영상 촬영이나 체성분 분석, 골다공증 검사와 같은 별도의 진단을 통해 확인하던 근감소증을 수술 전 간단한 X-ray와 피검사로 확인할 수 있다는 점에서 의의가 크다.

노두현 교수는 “본 기술을 활용해 무릎 인공관절 치환술뿐만 아니라 다양한 정형외과 수술을 받는 환자의 근감소증을 정확히 예측할 수 있을 것”이라며 “그 결과에 따라 적절한 치료를 제공할 수 있기를 기대한다”고 말했다. 

■ 서울성모병원, 장내균총을 이용한 ‘류마티스관절염’ 치료 가능성 확인

가톨릭대학교 서울성모병원 류마티스내과 박성환 교수, 의과대학 의생명과학교실 조미라 교수, 서울대학교 식품영양학과 지근억 명예교수(이상 공동 교신저자) 연구팀이 류마티스관절염 환자의 장내균총 분석을 통해 새로운 비피도박테리움균을 발굴하고, 동물실험을 통해 류마티스관절염 질환 모델을 대상으로 이 균을 투여한 결과 우수한 치료 효과를 확인했다고 지난 5월 밝혔다. 

연구 결과는 국제학술지 ‘Frontiers in Immunology’에 최근 게재되었다.

연구팀은 정상인 16명과 류마티스관절염 환자 93명을 대상으로 류마티스자가항체 음성 그룹(16명), 낮은 그룹(20IU/mL<RF≤60IU/mL, 24명), 높은 그룹(RF>60IU/mL, 53명) 등으로 나눈 뒤 장내균총 분석을 진행했다. 

연구팀은 환자의 장내세균을 이용해 면역조절 T세포를 유도하고 병인 자가면역T 세포를 억제하는 기능 검증과정을 거쳐 비피도박테리움 롱검 RAPO균(Bifidobacterium longum RAPO)을 획득한 뒤 동물실험을 진행했다. 

연구팀이 질환 모델을 대상으로 비피도박테리움균(Bifidobacterium)의 질환 효력을 조사한 결과, 비피도박테리움 롱검 RAPO균(B. longum RAPO)이 대조군 대비 관절염지수가 50% 이상 감소하는 효과를 나타냈다. 

즉, 동물모델을 이용한 전임상 연구에서 비피도박테리움 롱검 RAPO균(B. longum RAPO)은 Th17 세포의 분화는 억제하고, 염증을 제어하는 면역조절세포(Treg)의 분화를 촉진하는 등 면역조절을 통해 류마티스 관절염의 발현, 연골 손상 등을 효과적으로 개선하는 것으로 밝혀졌다.

박성환 교수는 “이번 결과를 활용해 류마티스 관절염 환자에서 비피도박테리움균(Bifidobacterium)의 복용을 통해 류마티스관절염 치료효력에 도움을 줄 수 있을 것을 기대된다”며 “이번 연구를 기반으로 류마티스관절염 환자들에게 적용해 정상적인 면역 항상성 회복을 돕는 장내세균을 이용한 파마바이오틱스 개발을 진행하고 있다”고 말했다.


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