KR101948046B1

KR101948046B1 - 폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도

Info

Publication number: KR101948046B1
Application number: KR1020140087604A
Authority: KR
Inventors: 김문일; 오윤광; 민선식
Original assignee: 한국생명공학연구원
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2019-02-15
Also published as: KR20160007233A

Abstract

본 발명은 폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동공간이 구비되어 있는 상기 훈련장치에서 동물 바이오센서인 탐지쥐가 표적물인 폐암 환자의 호흡에서 나오는 특정 표적 가스를 지각하고 특정한 신호행동을 보이도록 훈련시킴으로써 동물 그 자체를 질병 진단에 사용할 수 있는 비침습적 폐암 검출용 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치는 암 진단에 제한되지 않고, 결핵, 식중독균을 포함하는 질병의 진단 및 환경 오염물질 모니터링 등에 유용하게 이용할 수 있다.

Description

폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도{Odor Discrimination Training Device Using Biosensor Animal for Detecting Lung Cancer and Use Thereof}

본 발명은 폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동공간이 구비되어 있는 상기 훈련장치에서 동물 바이오센서인 탐지쥐가 표적물인 폐암 환자의 호흡에서 나오는 특정 표적 가스를 지각하고 특정한 신호행동을 보이도록 훈련시킴으로써 동물 그 자체를 질병 진단에 사용할 수 있는 비침습적 폐암 검출용 냄새 변별 훈련장치 및 그 용도에 관한 것이다.

동물의 후각능력을 특정 냄새 검출에 이용하고자 하는 동물 바이오센서는 비용의 경제성, 비침습적 검출, 질병의 조기 검출 등 큰 장점으로 인해 미국, 유럽 등 국가들에서 과학수사, 국토안보, 질병 진단 분야에서 관심이 증대되고 있으나, 국내에서는 일부 마약 탐지견을 제외하고는 탐지동물 관련 연구 또는 활용은 찾아보기 힘들며, 특히 동물 바이오센서를 이용한 인체의 질병 관련 특이적 냄새 검출 연구는 전무한 실정이다.

동물 바이오센서의 응용분야를 보면 국외에서는 지금까지 동물의 후각 능력을 기반으로 한 동물 바이오센서는 대부분 과학수사(예: 마약 탐지견, 미국, 영국), 국토안보(예: 지뢰/폭발물 탐지쥐) 분야에 제한적으로 적용됐으며, 최근 암, 결핵 검출 등 일부 의학적 응용이 시도되고 있다 (도 1).

감염이나 종양 형성은 세포의 물질대사 변화로 시작되어, 특정한 대사산물의 생산으로 이어지고, 결과적으로 종양관련 특정 냄새를 배출하게 되는데, 개의 후각을 이용한 다양한 질병 탐지/검출 연구가 이루어졌다.

첫 번째로, 1989년 웰리엄스(Williams)와 펨브로크(Pembroke)에 의해 처음으로 흑색종(melanoma)에 대한 냄새 탐지견 연구결과가 개념입증(proof of concept) 연구로서 렌셋(Lancet)에 발표되었다(Williams, H. and Pembroke, Lancet, 1:734, 1989).

두 번째로, 맥클로크(McCulloch)는 훈련된 개을 이용하여 폐암 환자의 입김 시료로부터 정상인의 입김 시료와 식별이 가능함을 제안하였고, 탐지견은 폐암 환자 시료에서 민감도 99%(95% CI)와 대조군에서 특이도 99%(95% CI)를 보여주었다.

세 번째로, 맥클로크(McCulloch)는 유방암 환자 시료에서 88%의 민감도와 대조군에서 99%의 특이도를 보이는 연구결과를 발표하였다(McCulloch, M. et al.. Integr Cancer Ther, 5:30-39, 2006).

네 번째로, 냄새 탐지견을 사용한 난소암 검출은 호바스(Horvath)에 의해 수행되었고, 탐지견은 난소암의 독특한 냄새를 식별하도록 훈련된 결과 암환자 시료에서 민감도 100%와 대조군에서 특이도 97.5%를 보였다(Horvath, G. et al ., BMC Cancer, 10:643-648, 2010).

다섯 번째로, 코르누(Cornu)는 조건화된 개로 소변 시료 33개 중 30개를 전립선암으로 선택하여 91%의 선택성과 91%의 민감도를 보여주었다(Cornua, J.N. et al ., Eur Urol, 59:197-201, 2011).

여섯번째로, 탐지견을 이용한 직장암 검출은 소노다(Sonoda)에 의해 개발되었고, 젖은 대변 샘플에서 개 후각을 이용한 직장암 검출의 민감도는 97%, 특이도는 99%를 나타내었으며, 냄새를 이용한 조기 직장암 진단에 유용한 기술이라고 제안하였다(Sonoda, H. et al ., Gut, 60:814-819, 2011).

또한, 탐지견을 이용한 암 외에 해로운 독소를 방출하는 클로스트리듐(Clostridium difficile)의 검출은 보머스(Bomers)에 의해 개발되었으며, 상기 탐지견은 병원 환자들의 대변에 존재하는 클로스트리듐의 독특한 냄새를 구별하였으며, 30개 독소 시료 중 25개를 식별함으로써 83%의 민감도 83%와 특이도 98%를 나타내었다(Bomers, M.K. et al., Bmj, 345:e7396, 2012).

한편, 서클링(Suckling)은 곤충의 후각을 이용한 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)의 검출 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 결핵균의 냄새에 반응하여 꿀벌의 주둥이(probascis)가 나오도록 조건화된 결과, 결핵균이 방출하는 휘발성 유기화합물(VOCs)인 메틸 p-아니세이트(Methyl p-anisate)의 0.1pg의 조건에서 주둥이 확장반응(proboscis extension response, PER)을 보였다(Suckling, D.M. et al ., Tuberculosis(Edinb), 91:327-328, 2011)

한편, 위트젠스(Weetjens)는 결핵 환자의 가래에서 결핵균의 특이적 냄새를 식별하도록 훈련된 결핵 검출쥐를 개발하였으며, 동물 바이오센서가 특정 질병의 일차적 진단검사의 강력한 도구가 될 수 있다고 제안하였다(Weetjens, B.J. et al ., Int J Tuberc Lung Dis , 13:737-743, 2009).

동물은 후각을 통해 목표물의 냄새를 맡고, 그것을 찾고, 또한 조건화로 목표 휘발성 물질을 판별하도록 학습될 수 있다. 즉, 어떤 동물(예: 개, 쥐 등)은 인간과 비교하여 월등한 후각 식별 능력을 가지고 있으며, 이를 특정 냄새 검출에 이용하기 위해 반응적 조건형성(respondent conditioning) 및 조작적 조건형성(operant conditioning) 학습원리를 적용하면, 조건화된 동물은 고민감도, 고특이도, 신속함 및 비침습 방식으로 인체 질병과 연관된 독특한 휘발성 유기화합물 냄새를 인지하여 다양한 신호행동을 보여주는 이른바 살아있는 바이오센서로서 기능할 수 있다.

지금까지 바이오센서를 이용한 질병의 진단은 주로 혈액 및 조직 등 체액에 존재하는 생화학적 표지자(marker)인 항원에 대해서 특이적으로 반응하는 항체를 이용하여 결합반응을 측정하는 방식이 일반적이었으며, 비특이적 결합에 의한 낮은 S/N 비율, 표적물질에 대한 균일한 표지, 표지물질의 반응 저해, 시료 채취를 위한 침습 등 당면한 문제점들이 있었다.

이에, 본 발명자들은 폐암 환자의 호흡에서 특이적으로 배출되는 휘발성 유기화합물을 식별할 수 있도록 학습시킴으로써 폐암을 검출 또는 탐지 가능한 쥐를 동물 바이오센서로 이용한 냄새 변별 훈련장치를 개발하고자 예의 노력한 결과, 폐암 검출용 바이오센서 쥐를 이용한 냄새 변별 훈련장치를 사용할 경우, 정교하게 폐암 검출이 가능하다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 뛰어난 냄새 식별 능력을 가지고 있는 동물을 이용하여 폐암 환자의 호흡에서 특이적으로 배출되는 톨루엔을 식별할 수 있는 냄새 변별 훈련장치 및 이를 이용한 훈련방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 생물체가 이동 가능한 출발공간, 통로 또는 종착공간; 상기 생물체에 전달되는 표적물 또는 강화물(reinforcer); 및 상기 생물체의 신호행동(alerting behavior)을 측정하는 센서를 포함하는 냄새 변별 훈련장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 상기 냄새 변별 훈련장치의 출발공간에 생물체를 위치시키는 단계; 및 상기 생물체에 표적물 또는 강화물을 전달시킨 다음, 출발공간, 통로 또는 종착공간에서 생물체의 신호행동을 유도하는 단계를 포함하는 생물체의 훈련방법을 제공한다.

본 발명에 따른 폐암 검출용 동물 바이오센서를 이용한 냄새 변별 훈련장치는 암 진단에 제한되지 않고, 결핵, 식중독균을 포함하는 질병의 진단 및 환경 오염물질 모니터링 등에 유용하게 이용할 수 있다.

도 1은 동물 바이오센서 시스템의 활용범위를 나타낸 것이다.
도 2는 냄새 변별 훈련장치(1)을 나타낸 것이다.
도 3은 냄새 변별 훈련장치(2)를 나타낸 것이다.
도 4는 냄새 변별 훈련장치(3)을 나타낸 것이다.

본 발명은 동물의 감각기능(시각, 청각, 후각, 균형감각) 분석기술, 인지기능(학습 및 기억) 분석기술, 정서기능 분석기술 등 각종 행동분석법을 기반으로 한 동물 바이오센서를 개발하고, 우수한 냄새 식별능력을 갖춘 동물을 학습을 통해 조건화시킴으로써 동물의 후각을 인체 질병의 진단검사에 사용하기 위한 것이다.

본 발명에서 개발하고자 하는 동물 바이오센서 시스템은 동물행동분석법을 기술적 근간으로 삼고 있는데, 이것은 크게 4가지로 분류된다.

I. 학습능력 및 기억능력 평가를 위한 행동검사법.

(1) Radial arm maze test: 동물은 8개의 통로를 선택하여 들어갈 수 있고 통로 끝에 보상(먹이)이 주어지는데 동물은 공간단서를 이용하여 이전에 선택하지 않았던 새로운 통로로 들어갔을 때만 보상을 받을 수 있도록 한다. 이 실험은 단기기억(short-term memory), 장기기억(long-term memory) 또는 공간작업기억(spacial working memory) 능력을 측정한다. (2) Water maze test: 물을 불투명하게 하여 도피대가 보이지 않게 한 다음, 동물이 도피대를 찾아 올라올 때까지의 시간을 잠재기를 측정하거나 도피대 없이 자유수영을 하면서 도피대의 위치에 대한 기억을 보유하고 있는지를 검사한다. 특히 해마가 손상되었거나 불안수준이 높을 때 인지기능에 미치는 영향을 평가한다. (3) Fear conditioning test: 조건자극(CS)을 전기쇼크(US)와 연합시키는 반응적 조건화 패러다임으로 학습과 기억을 평가한다. 이 실험은 환경적 맥락(context) 및 단서(cue)에 대한 조건화된 공포반응을 측정한다.

II. 불안장애, 공황장애, 공포증 등 평가를 위한 행동검사법.

(1) Open field test: 어떤 처치 후 동물의 중심부와 주변부 움직임을 측정함으로써 동물의 활동성, 불안수준, 행동패턴 등을 검사한다. (2) Elevated plus maze test: 동물의 정서를 반영하는 행동을 측정하는 방법으로, 개방되고 높은 공간에 대한 혐오적 반응과 새로운 환경을 탐색하고자 하는 경향의 갈등을 분석한다. (3) Light-dark preference test: 투명한 아크릴로 만들어진 개방되고 밝은 공간과 검은 아크릴로 만들어진 닫힌 어두운 공간의 선호도를 측정함으로써 동물의 불안수준을 검사한다.

III. 우울 관련 행동분석을 위한 행동검사법.

(1) Sucrose preference test: 우울증의 가장 일반적인 증상 중 하나인 쾌락추구 경향의 감소를 측정하는 방법으로, 전체 섭취량(물 + sucrose)에서 sucrose 섭취량의 비율을 sucrose에 대한 선호도로 사용한다(Sucrose preference(%) = sucrose / (물 + sucrose)x 100). (2) Forced swim test: 다양한 항우울제의 효과 및 그 신경생물학적 기전을 검사하는 데 유용한 방법으로 immobility behavior, swimming behavior, climbing behavior의 시간과 빈도를 측정함으로써 우울 관련 행동을 분석한다. (3) Learned helplessness test: 조건화 상자는 조명 또는 소리(CS)와 US(전기쇼크)를 제공할 수 있는 장비가 갖추어져 있고 가운데 개방된 문을 통해 두 칸으로 나누어져 있으며, 동물을 통제 불가능한 자극에 노출시키고 avoidance response, escape response, learned helplessness response를 측정함으로써 우울증 동물모델의 행동적, 생리학적, 생화학적 결과를 얻을 수 있다.

IV. 운동 및 감각기능 평가를 위한 행동검사법.

(1) Visual cliff test: 수평면의 모서리에서 절벽을 보는 동물의 총체적인 시각 능력을 측정한다. (2) Acoustic startle test: 다양한 크기의 소리를 들려주고 각각의 소리에 대한 놀람 반응을 측정함으로써 청각능력 및 청각의 역치를 측정한다. (3) Odor discrimination test: 냄새를 식별하는 능력을 측정하는 방법으로 기구 양 끝에 좁은 통로로 연결된 상자가 있으며, 먹이가 숨겨져 있는 상자 편에서 머무른 시간의 비율을 측정함으로써 동물의 후각 능력을 평가하는 지표로 활용된다. (4) Rotarod test: 동물을 다양한 속도로 회전하는 원통 위에서 걷게 하여 균형감각을 평가함으로써 동물의 운동기능 및 운동학습능력을 측정한다.

동물의 후각 냄새 식별능력을 이용한 특정 질병의 진단검사는 암, 신장병, 당뇨병 등 다양한 돌연변이 또는 감염원에 의해 발생되는 질환에서 특정 세포 또는 조직에서 특정 대사산물이 축적되고, 배설되지 못한 대사산물에 의해 질병 특이적 냄새가 배출된다는 사실에서 출발하였다.

환자의 입김(호흡가스)에 포함되어 있는 휘발성 유기화합물들은 대장암의 발병이나 재발을 확인할 때 좋은 지표가 될 수 있으며, 암 이외의 결핵, 당뇨병, 신장 질환 등 진단검사에도 적용 가능성이 크며, 후각 식별능력이 우수한 동물(개 또는 설치류)을 그 질병 특이적 냄새를 감지하여 반응을 보이도록 훈련시켜 질병의 검출에 활용함으로써 다양한 진단/검사 시스템을 대체할 가능성이 크다.

특정 질병 관련 냄새 분자를 인지하여 신호반응을 보낼 수 있도록 훈련된 탐지동물은 인체 내 특정 질환 유무에 대한 판단뿐만 아니라 수술 후 예후에 대한 정보를 줄 수 있으며, 이는 질병 진단검사 분야에 혁신적인 기술로서 자리매김할 수 있을 것으로 본다. 아울러, 본 발명을 통해 개발될 질병 진단검사용 동물 바이오센서는 향후 각종 질병 진단뿐만 아니라, 감염성 질환 진단, 식중독균 검출 및 환경오염 물질 모니터링 등 다양한 분야에 확대 적용할 수 있을 것이다.

본 발명은 일 관점에서, 생물체가 이동 가능한 출발공간, 통로 또는 종착공간; 상기 생물체에 전달되는 표적물 또는 강화물(reinforcer); 및 상기 생물체의 신호행동(alerting behavior)을 측정하는 센서를 포함하는 냄새 변별 훈련장치에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 표적물은 휘발성 유기화합물(VOCs: Volatile organic compounds)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 휘발성 유기화합물은 톨루엔(Toluene), 메틸 p-아니세이트(Methyl p-anisate), 벤젠, 포름알데하이드, o-자일렌(o-xylene), 에틸 벤젠(Ethyl benzene), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene) 및 디클로로메탄(Dichloromethane)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 표적물은 폐암 의심 환자의 호흡가스인 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명에서, '전달'은 주입, 흡입, 접촉, 대면 등의 방법으로 표적물(또는 강화물)의 전체 또는 일부를 생물체가 감지할 수 있는 상태로 만드는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 생물체의 신호행동은 행동 측정 또는 생리 측정을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 행동 측정은 레버 누르기, 바닥긁기, 뒷발로 서기, 몸 뒤집기, 바닥에 앉기, 점프하기 및 소리내기로 구성된 군에서 선택되는 행동을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 생리 측정은 뇌전도(Electroencephalogram, EEG), 심장박동수(Heart rate response, HRR) 및 전기피부반응(Galvanic skin response, GSR)으로 구성된 군에서 선택되는 생리적 신호를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 강화물은 음식물 또는 약한 전기 쇼크인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 냄새 변별 훈련장치의 출발공간에 생물체를 위치시키는 단계, 및 상기 생물체에 표적물 또는 강화물을 전달시킨 다음, 출발공간, 통로 또는 종착공간에서 생물체의 신호행동을 유도하는 단계를 포함하는 생물체의 훈련방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 생물체는 생쥐, 쥐, 토끼, 양, 소, 개, 말, 돼지, 원숭이, 새, 거북이, 개구리(Xenopus), 제브라피시, 꿀벌, 초파리(Drosophila) 및 꼬마 선충(C. elegans)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 표적물은 휘발성 유기화합물(VOCs: Volatile organic compounds)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 휘발성 유기화합물은 톨루엔(Toluene), 메틸 p-아니세이트(Methyl p-anisate), 벤젠, 포름알데하이드, o-자일렌(o-xylene), 에틸 벤젠(Ethyl benzene), 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene) 및 디클로로메탄(Dichloromethane)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 표적물은 폐암 의심 환자의 호흡가스인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 훈련 방법은 신호행동 강화기법을 추가로 가지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 신호행동 강화기법은 정적강화(Positive reinforcement) 또는 부적강화(Negative reinforcement) 중에서 선택하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 정적강화는 신호행동을 강화시키기 위해 선호자극인 음식물 보상인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 부적강화는 신호행동을 강화시키기 위해 혐오자극인 약한 전기 쇼크(Electric shock)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 냄새 변별 훈련장치를 이용하여 폐암 의심 환자의 호흡가스에서 톨루엔을 감지하여 폐암진단을 위한 정보를 제공하는 방법에 관한 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 탐지동물의 선별

탐지동물(종명, 입수처)의 종 특유의 행동 중 가장 적합한 신호행동(alerting behavior)을 선별하는 단계로, 행동 측정(레버 누르기, 바닥긁기, 뒷발로 서기, 몸 뒤집기, 바닥에 앉기, 점프하기, 소리내기 등) 및 생리 측정(뇌전도(Electroencephalogram, EEG), 심장박동수(Heart rate response, HRR), 전기 피부반응(Galvanic skin response, GSR) 등)을 기준으로 탐지동물을 선별하였다.

실시예 2: 신호행동 학습

실시예 1에서 선별된 탐지동물에 대한 최초 신호행동(alerting behavior) 학습기술로는 하기 3가지 방법을 사용하였다.

(1) 조형법(Shaping)은 근접 행동을 연속적으로 강화하는 방법으로 이전 행동은 소거시키고 목표 행동에 대한 정적 강화가 함께 이루어지도록 하였다;

(2) 용암법(Fading)은 시행착오를 줄이면서 목표 행동을 유발할 수 있도록 최초 시작 촉진자극(prompt)을 명확히 제시하였다. 촉진자극 단계가 적거나 빨리 제거되면 에러반응 발생률이 높아지고, 이전 단계로 돌아가서 부가적은 촉진자극을 제시하였다;

(3) 연쇄법(Chaining)은 원하는 행동 패턴을 만들기 위해 기능적 소단위 행동의 구성(단위별 강화)으로 되어 있으며, 신호 행동은 세분화된 단위인 자극(S)과 반응(R)으로 구성되고, 이전 단위의 반응(R)과 다음 단위의 자극(S) 간의 연결(link)이 강화되도록 단위를 구성하였다.

실시예 3: 신호행동 강화

실시예 1에서 선별된 탐지동물에 대한 신호행동 강화기법으로는 하기 2가지 방법을 사용하였다.

(1) 정적강화(Positive reinforcement)를 사용하면 신호행동을 했을 때 정적 강화물(또는 보상)을 받으면 그런 방식으로 행동하게 될 가능성 높이는 효과가 있으며, 효과적인 강화물을 선택하기 위해서 강화물 크기 결정, 강화물의 즉각성, 신호행동-강화물 수반성 등을 고려하였다;

(2) 부적강화(Negative reinforcement)로 신호행동을 강화하기 위해 혐오자극을 사용하였다. 즉, 약한 전기 쇼크(Electric foot shock)와 같은 혐오자극이 주어지는 상황에서 신호행동을 보이면 쇼크를 멈추도록 하였다.

실시예 4: 탐지동물의 QC

탐지동물의 에러반응에 대한 QC(Quality control) 기술로는 하기 3가지 방법을 사용하였다.

(1) 에러반응의 소거에 대한 저항성(Resistance to Extinction, RTE) 분석;

(2) 부가적 지원 강화물(back-up reinforcer) 사용; 및

(3) 동물의 불안수준이 높아지지 않는 범위 내에서 반응대가(강화물 회수) 등 벌칙효과 유도.

실시예 5: 냄새 변별 조건화

탐지동물의 냄새 변별 조건화(Odor discrimination conditioning)를 수행하기 위해서, 도 2~도 4에 나타난 바와 같이, 3가지 냄새 변별 훈련장치를 사용하였다.

냄새 변별 훈련장치(1)(도 2)은 양쪽 칸에서 각각 톨루엔 및 컨트롤 냄새가 제공되도록 설계되어 있었고, 두 개의 분리판으로 구분되어 가운데에 출발 칸이 있었다. 동물이 출발 상자(중립 공간)에서 10분간 적응한 후 양쪽 분리판을 제거했을 때, 톨루엔 냄새가 나는 방향을 선택했을 경우 음식물 보상이 주어졌고, 총 10분 동안 동물이 좌우 칸(종착 공간)에서 머무른 시간의 합계를 각각 측정하였다. 즉, 동물의 톨루엔 식별능력은 전체 측정 시간 중 톨루엔이 숨겨져 있는 칸에서 머무른 시간의 비율로 산출하였다.

냄새 변별 훈련장치(2)(도 3)는 장치의 작은 구멍을 통해 톨루엔 또는 컨트롤 냄새가 제공되었고 양 끝 벽에 선반이 설치되어 있었다. 장치 구멍을 통해 동물이 톨루엔 냄새를 감지했을 경우 왼쪽 푸른색 받침대로 점프하게 되면 강화물이 주어졌고 컨트롤 냄새의 경우 오른쪽 주황색 받침대로 올라가면 먹이가 주어졌다. 신호행동(올바른 방향으로의 점핑)과 강화물 제공 사이의 시간적 공백을 연결시키기 위해 조건화된 강화물(conditioned reinforcer)의 기능을 하는 clicker(bridging stimulus)를 사용하였다.

냄새 변별 훈련장치(3)(도 4)은 가운데 2개의 터널(통로)이 있었으며, 왼쪽 칸의 작은 구멍을 통해 톨루엔 또는 컨트롤 냄새가 제공되었고 동물은 2개의 터널 중 하나를 선택하였다. 동물이 톨루엔 냄새에 반응하여 왼쪽 터널을 통과하면 동물은 먹이 보상을 받았고, 컨트롤 냄새를 주었을 경우 오른쪽 터널을 지나가면 강화물이 제공되었다. 조건화된 동물을 이용한 톨루엔 감지 적중률을 측정하여 민감도(Sensitivity) 및 특이도(Specificity)를 아래 표 1(민감도 및 특이도 계산식)과 같이 산출하였다. 또한, 음성결과 중 컨트롤 냄새의 비율을 측정하여 음성예측도(Negative predictive value, NPV)를 산출하였다(음성예측도(NPV) = d/(c+d)).

실시예 6: 공포조건화

공포조건화(Fear conditioning)는 조건자극(CS)을 전기쇼크(US)와 연합시키는 반응적 조건화 원리를 기반으로 학습, 기억 등 인지기능을 분석하였다. 즉, 특정 자극(톨루엔 냄새)와 혐오자극(전기쇼크)이 pairing 되면, 조건화된 폐암 검출쥐는 톨루엔 냄새만으로도 공포반응(동결반응, freezing)을 나타내었다. 또한, 조건화 장치에는 내부로 톨루엔 냄새를 전달하기 위해 튜브가 연결되어 있었고, 동물의 발바닥에 혐오자극을 인가하기 위한 전기쇼크 장치(foot shock generator)가 설치되어 있었으며 외부의 컴퓨터 제어부와 연동되어 있었다. 동물의 동결반응을 측정하기 위해 내부에 카메라가 설치되어 있었으며 외부에서 모니터를 통해 실시간으로 동물의 움직임이 파악 가능하였다. 또한, 동물이 숨쉬기 위한 행동 이외의 움직임이 없는 상태(2초 이상)의 횟수와 시간을 측정하여 특정 자극(톨루엔 냄새)에 대한 조건화된 동결반응을 톨루엔 식별의 척도로 활용하였고, 조건화되지 않은 동물의 동결반응 측정치를 basal level로 두고 상대적인 변화량을 측정치로 삼았다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

생물체가 이동 가능한 출발공간, 통로 또는 종착공간; 상기 생물체에 전달되는 표적물 및 강화물(reinforcer); 및 상기 생물체의 생리적 신호 측정 센서를 포함하는 폐암환자의 냄새 변별 훈련장치로서, 상기 표적물은 톨루엔(Toluene)이고, 상기 생리적 신호 측정은 뇌전도(Electroencephalogram, EEG), 심장박동수(Heart rate response, HRR) 및 전기피부반응(Galvanic skin response, GSR)으로 구성된 군에서 선택되는 생리적 신호를 측정하는 것인 폐암환자의 냄새 변별 훈련장치.
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제1항에 있어서, 상기 생리적 신호 측정 센서는 행동 측정 센서를 더 포함하는 것인 냄새 변별 훈련장치.
제5항에 있어서, 상기 행동 측정은 레버 누르기, 바닥긁기, 뒷발로 서기, 몸 뒤집기, 바닥에 앉기, 점프하기 및 소리내기로 구성된 군에서 선택되는 행동을 측정하는 것을 특징으로 하는 냄새 변별 훈련장치.
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제1항에 있어서, 상기 강화물은 음식물 또는 약한 전기 쇼크인 것을 특징으로 하는 냄새 변별 훈련장치.
(a) 제1항의 훈련장치의 출발공간에 생물체를 위치시키는 단계, 및 (b) 상기 생물체에 표적물 및 강화물을 전달시킨 다음, 출발공간, 통로 또는 종착공간에서 생물체의 생리학적 신호행동을 유도하는 단계를 포함하는 생물체의 훈련방법으로서, 상기 표적물은 톨루엔(Toluene)인 생물체의 훈련방법.
제9항에 있어서, 상기 생물체는 생쥐, 쥐, 토끼, 양, 소, 개, 말, 돼지, 원숭이, 새, 거북이, 개구리(Xenopus), 제브라피시, 꿀벌, 초파리(Drosophila) 및 꼬마 선충(C. elegans)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 생물체의 훈련방법.
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제9항에 있어서, 상기 훈련 방법은 신호행동 강화기법을 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 생물체의 훈련방법.
제14항에 있어서, 상기 신호행동 강화기법은 정적강화(Positive reinforcement) 또는 부적강화(Negative reinforcement) 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 생물체의 훈련방법.
제1항의 냄새 변별 훈련장치를 이용하여 폐암 의심 환자의 호흡가스에서 톨루엔을 감지하여 폐암진단을 위한 정보를 제공하는 방법.