Разработана универсальная программа для анализа данных нейротоксикологических тестов

왼쪽부터 박순현 국가독성과학연구소(독성연) 동물대체연구센터장과 포브스 아빌라 연구원. 독성연 제공 제조사가 다른 다중전극칩(MEA) 데이터를 동일한 기준으로 분석할 수 있는 오픈소스 도구가 개발됐다. 신경독성 평가와 질환 연구에서 재현성 및 신뢰도를 높이는 데 활용될 전망이다.   국가독성과학연구소(독성연)는 박순현 동물대체연구센터장이 순천향대, 성균관대, 부산대 연구팀과 함께 제조사가 서로 다른 다중전극칩 데이터를 하나의 방식으로 분석할 수 있는 오픈소스 분석 도구 ‘캐스케이드(CASCADE)’​를 개발했다고 9일 밝혔다.  다중전극칩은 배양 신경세포나 뇌 오가노이드(장기유사체) 전기신호를 여러 전극에서 동시에 측정하는 장비다. 신경독성 평가와 동물대체시험 등에 활용되지만 제조사마다 데이터 형식과 분석 방식이 달라 결과를 직접 비교하기 어렵다는 한계가 있다. 캐스케이드는 서로 다른 5개 제조사의 다중전극칩 데이터를 하나의 분석체계에서 처리​할 수 있다. 원본 데이터 입력부터 스파이크, 발화율, 네트워크 활성, 임계성(criticality), 신경세포 눈사태(neuronal avalanche) 분석까지 명령어 한 줄로 수행​할 수 있다. 임계성은 신경망이 임계 상태에 있는지 나타내는 지표이고 신경세포 눈사태는 여러 신경세포가 연쇄적으로 활동하는 집단적 신경 활동 현상이다. 연구팀은 5개 제조사의 실측 데이터 6개를 이용해 캐스케이드의 성능을 검증했다. 그 결과, 제조사별로 장비와 파일 형식이 달라도 임계성값을 비교 가능한 수준으로 산출할 수 있다는 점이 확인됐다. 스파이크 검출 성능은 기존 제조사 전용 소프트웨어와 비슷한 수준이다. 분석 시간은 일반 노트북에서 5~20초가 걸렸고 8.6GB(기가바이트)의 대용량 데이터는 최대 352MB(메가바이트)의 메모리만으로 처리됐다.  이번 연구는 서로 다른 장비의 데이터를 동일한 기준으로 분석할 수 있도록 ‘원본 데이터→신경망 활성 분석→임계성 분류’ 과정을 표준화했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 배양 신경세포와 뇌 오가노이드를 활용한 동물대체 신경독성 평가의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 캐스케이드는 의약품·화학물질의 신경계 부작용을 조기에 평가하는 데 활용할 수 있으며 배양 신경망의 학습과 정보처리 능력을 정량화하는 바이오 지능 연구에도 활용될 것으로 전망된다. 케스케이드 소스코드와 검증 데이터는 온라인 플랫폼 깃허브(GitHub), 파이파이(PyPI), 제노도(Zenodo)를 통해 무료로 공개​돼 누구나 활용하고 검증할 수 있다. 박 센터장은 “신경세포의 신호를 어떤 장비로 측정하더라도 같은 기준으로 분석해야 과학적인 비교가 가능하다”며 “캐스케이드가 동물을 대체하는 신경독성 평가와 바이오 지능 연구 발전에 도움이 되길 기대한다”고 말했다.  공동교신저자인 이현수 부산대 의대 교수는 “뇌전증을 포함한 많은 뇌신경질환은 신경세포 하나가 아니라 신경망 수준에서 봐야 한다”며 “서로 다른 장비의 데이터를 하나의 잣대로 비교할 수 있게 된 만큼 약효 검증과 뇌질환 치료제 발굴의 기반이 되길 기대한다”고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘바이오인포매틱스’​에 7월 29일 게재됐다. <참고 자료> doi.org/10.1093/bioinformatics/btag570