A comparison of approaches for missing data treatment in moderated mediation model

Sangyoung Bae 고려대학교 대학원 2024 국내박사

조절된 매개 모형(Moderated Mediation Model)은 매개효과가 조절변수에 따라 달라지는 모형이다. 조절된 매개 모형의 모든 변수들이 정규분포를 따르더라도, 조절된 매개 모형을 추정할 때 각 효과는 정규분포를 따르지 않는다. 따라서 조절된 매개분석을 시행하고자 하는 자료에서 결측이 존재하는 경우, 분포 간의 상호작용을 알 수 없기 때문에 결측 처리 방법을 적용하였을 때 어떤 결과가 도출되는지 분석을 시행하여 각 방법의 유효성을 검증할 필요성이 있다. 매개 모형과 조절 모형 각각에서의 결측 처리 방법에 대한 연구는 꾸준히 진행되어 왔다. 그러나 이는 각 모형에 대한 분석으로 기존 연구에서는 조절된 매개 모형에서의 결측치 처리 방법을 비교한 경우는 없었다. 조절된 매개 효과를 검증하는데 있어 분포가 달라지는 만큼 이에 대한 연구를 통해 결측 처리 방법의 효과를 알아볼 필요성이 있다. 또한, 조절된 매개 분석에서의 결측 처리 방법으로 베이지안 분석을 고려한 경우는 없었기 때문에 본 연구에서는 이를 함께 고려하고자 한다. 이에, 본 연구에서는 조절된 매개분석에서의 목록 순 삭제(Listwise Deletion, LD), 완전정보최대우도법(Full Information Maximum Likelihood, FIML), 다중대체법(Multiple Imputation)과 베이지안 추정(Bayesian Estimation, BE)을 비교하였다. 본 연구의 목적은 다음과 같다. 첫째, 결측 생성 방법인 Missing Completely At Random(MCAR)과 Missing At Random(MAR) 방법에 따라 권장되는 결측 자료 처리 방법이 달라지는 지 여부이다. 둘째, 결측 비율, 효과 크기, 표본 수에 따라 결측 자료 처리 방법을 비교하는 것이다. 다양한 조건하에 연구를 수행하기 위해서 결측 비율(10%, 20%, 40%), 효과크기(0, 0.14, 0.39, 0.59), 표본 수(50, 100, 200, 500, 1000, 5000)를 시뮬레이션 조건으로 설정하였다. 모형의 평가기준으로는 모수편향(Bias), 커버리지(Coverage), 오차(MSE), 그리고 평균 제곱근 오차(RMSE)를 고려하였다. 연구 결과를 살펴보면 MCAR 조건에서는 표본 크기가 1000개를 이상인 경우 결측 비율이 다르더라도 모든 결측 데이터 처리 방식이 양호한 결과를 보였다. 둘째, 일반적으로 BE 방법이 LD, FIML, MI 방법보다 더 나은 결과를 보여 결측 자료 처리에 적합하였다. 그러나 결측 데이터 처리를 위해 LD, FIML 또는 MI 방법을 수행할 때 결측 데이터가 50 또는 결측 비율이 0에서 40%인 100인 경우를 제외하고는 BE와 유사한 결과를 얻을 수 있다는 점에서 차이가 매우 적었다. 전반적으로 LD는 표본 크기와 결측 데이터의 조건에 따라 가장 낮은 지수를 보였지만, 표본 크기가 1000을 초과하는 경우 다른 결측 데이터 처리 방법과 매우 유사한 결과가 나타났다. MAR 조건에서는 표본 크기가 1000개 이상인 경우, 결측 비율이 다르더라도 FIML, MI, 그리고 BE 방법이 양호한 결과를 보였다. 그러나 LD로 시뮬레이션을 수행했을 때, 특히 결측이 발생하는 간접효과와 매개효과 분석에서 지표 결과가 매우 불안정하게 나타났다. 또한 표본 크기가 작고 결측자료가 많은 MAR 조건에서도 BE가 상대적으로 적합하였다. 따라서 표본 크기가 작은 경우 BE 방법을 사용하는 것이 권장되며, 충분한 표본 크기를 가지고 있더라도 MAR 조건이라면 FIML, MI, BE를 사용하는 것을 권장한다. 본 연구의 결과는 기존 BE 추정방법이 수행이 좋다고 보고한 다른 모형을 기반으로 한 연구와 일치한다. 하지만, FIML과 MI를 BE와 비교하였을 때, 충분한 표본크기가 있다면 큰 차이가 나지 않았다. 본 연구는 기존 연구에서 고려되지 않은 모형에서 결측 처리 방법을 비교하였다는데 의의를 찾을 수 있다. 본 연구를 기반으로 연구자들이 조절된 매개 모형을 수행할 때, 구체적인 조건에서의 제언을 통해 결측 처리 방법을 선택할 수 있다는데 의미가 있다. 또한 본 연구를 기반으로 보다 다양한 변수의 종류와 분포를 가정하는 연구를 진행할 수 있는 만큼, 이후 시뮬레이션 연구자들에게도 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다. Since the interaction between distributions is unknown, it is important to analyze whether missing value treatment works well under certain conditions. This research aims to analyze missing value treatments in moderated mediation model. When moderated distributions are implied in mediation, there is no indication of what kind of distributions the mediation effect follows. Whereas most missing value treatments are recommended to be used in normal distribution. Therefore, this study will compare well-known missing data treatments to provide guidance to researchers. The study conducted a simulation study on the methodology for analyzing moderated mediation model with missing data. The purpose of the study is as follows. First, under different missing data conditions (MCAR and MAR), different missing data treatments (Listwise Deletion (LD), Full Information Maximum Likelihood (FIML), Multiple Imputation (MI), and Bayesian Estimation (BE)) were considered. Second, the purpose of this study is to compare the performance of missing data treatments under different conditions depending on sample size, missing proportion, and effect size. The missing proportions considered are 10%, 20%, and 40%. Four different effect sizes were considered: none (0), small (0.14), medium (0.39), and large (0.59). The sample size also varied from 50 to 5000. This is to compare the stability and precision of the missing treatments and can provide researchers with a guideline for conducting research on moderated mediation models. The analysis results were compared by bias, MSE (Mean Squared Error), RMSE (Root Mean Squared Error), and coverage. First, in the MCAR conditions, all missing data treatments showed better results as the sample size exceeded 1000 and in different missing proportions. Second, since the BE method generally showed better results than the LD, FIML, MI methods in more conditions, the BE method was supported. Third, yet the difference is very subtle that when the researcher conducts LD, FIML or MI methods for missing data treatments, they will get the similar results as BE except when the sample size is 50 or 100 with missing proportion of 40%. Overall, LD was the lowest for different conditions of sample size and missing data but when the sample size exceeded 1000, it had very similar result as other missing data treatments. In MAR conditions, FIML, MI, and BE treatments showed better results when sample size exceeded 1000 and in different missing proportions. However, when simulation was conducted with LD, especially in indirect effect and moderated mediation effect where missingness occurred, the results were very unstable and had low coverage compared to FIML, MI, and BE. BE performed the best even in the MAR condition, especially when the sample size is small and the missing proportion is high. When the sample size exceeded 1000, FIML, MI and BE showed subtle differences in all conditions. In actual studies where the true model is not known, the researcher can use any of the three methods (FIML, MI, and BE) when conducting moderated mediation analysis with MAR. These results are consistent with studies that reported that the BE method performed well for the missing treatments. In addition, LD showed slightly lower performance compared to FIML and MI in the MCAR condition, despite its notoriety. However, when the missing condition is MAR, LD showed unstable results compared to FIML, ML and BE. The present study provides an overview of treatments for missing data in the context of moderated mediation model, and these findings will guide researchers in deciding an appropriate approach for handling missing data in moderated mediation model.

Causal Inference Methods for Comparing Multiple Treatments using Data from Large Insurance Claims Databases

Yu, Youfei ProQuest Dissertations & Theses University of Mich 2022 해외박사(DDOD)

Large healthcare databases used primarily for billing and payments, such as electronic health records and insurance claims data, have been increasingly used to conduct comparative effectiveness research that characterize multiple treatment/intervention strategies for a particular clinical condition. Estimation of average treatment effects (ATE) using such observational data is prone to bias due to confounders related to both treatment and outcome. Another potential source of bias is right-censoring, which occurs when patients drop out of the system or the reporting period ends before the occurrence of the event of interest. Our study is motivated by analysis embedded within the OptumInsight Clinformatics Data Mart, a private health insurance claims database. Interest is in assessing the adverse effects of four common therapies for metastatic castration-resistant prostate cancer, with the outcome being hospitalization and/or admission to the emergency room within a short time window of treatment initiation. In Chapter I, we consider observational data with two or more treatments. Propensity score methods are routinely used to correct for confounding biases. A large fraction of those methods in the current literature consider the case of either two treatments or continuous outcome. There has been extensive literature with multiple treatment or binary outcome, but interest often lies in the intersection, for which the literature is still evolving. The contribution of this Chapter is to focus on this intersection and compare across existing methods, some of which are fairly recent. We assess the relative performance of these methods through a set of simulation studies and provide recommendations for the practitioners. In Chapter II, we propose a method that directly models the binary outcome using logistic regression, with confounding and censoring properly accounted for by weighting. We call the method inverse probability weighted regression-based estimator that accounts for censoring, or CIPWR. CIPWR estimates the ATE by averaging the predicted outcomes obtained from a logistic regression model that is fitted using a weighted score function. The CIPWR estimator has a double robustness property such that estimation consistency can be achieved when either the model for the outcome or the models for both treatment and censoring are correctly specified. We establish the asymptotic properties of the CIPWR estimator for conducting inference, and compare its finite sample performance with that of several alternatives through simulation studies. The methods under comparison are applied to the cohort of prostate cancer patients from the insurance claims database. In Chapter III, we consider a setting where a massive collection of candidate covariates potentially related to both treatment and outcome are available. In addition, the treatment generating model possibly involves nonlinearity and/or nonadditivity. In this setting, a key challenge is to identify variables to be included in the propensity score model from a high-dimensional set of measured covariates to remove the bias. We examine an ensemble of data-driven methods that select the variables for inclusion in the treatment model, including regularized regression and modern machine learning tools. We allow the outcome-covariate associations to contribute to the variable selection process, and show through simulation studies that leveraging the information of the outcome-covariate relationship when modeling the propensity scores can improve statistical efficiency and robustness against model misspecification of propensity score-based methods, such as inverse probability weighting. The improvement of precision in the estimates of treatment effects is also observed in our application to the prostate cancer data.

Angle-based Direct Learning via Large-margin Unified Machine for binary outcome

Yunhye Choi 고려대학교 대학원 2023 국내석사

In precision medicine, estimating optimal individualized treatment rules (ITRs) is an important problem due to heterogeneity in response to treatment. The optimal ITR is a personalized rule constructed for the purpose of optimizing patients' clinical outcomes. For multiple treatment settings, Angle-based Direct Learning (AD-learning) suggested to identify the optimal ITRs. In this study, we propose large-margin unified AD-learning. This model allows us to develop ITRs that span from soft to hard classifiers, offering more flexibility in estimating the optimal ITR. Our algorithm outperforms the original AD-learning in simulation study as well as real-world data analysis. These results demonstrate the potential of large-margin unified AD-learning for developing effective ITRs that can improve clinical outcomes in practice. 치료에 대한 반응의 이질성으로 인해 최적의 개별화된 치료 규칙 (Individualized Treatment Rule)을 추정하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 최적의 ITR은 환자의 임상 결과를 최적화하기 위한 목적으로 구축된 개인화된 규칙이다. 3가지 이상의 치료가 존재하는 환경에서 최적의 ITR을 식별하기 위해 각도 기반 직접 학습 (Angle-based Direct Learning)이 제안되었다. 본 연구에서는 대형 마진 통합 각도 기반 직접 학습을 제안한다. 이는 소프트 분류기부터 하드 분류기까지 아우르는 ITR을 개발할 수 있어 최적의 ITR을 추정하는 데 더 많은 유연성을 제공한다. 본 알고리즘은 시뮬레이션 연구와 실제 데이터 분석 모두에서 기존 각도 기반 직접 학습보다 뛰어난 성능을 보인다. 이러한 결과는 실제 임상 결과를 개선할 수 있는 효과적인 ITR을 개발하기 위한 최대 마진 통합 머신 기반의 각도 기반 직접 학습의 잠재력을 보여준다.

(A) study of transparent electrode with oxide-polymer hybrid structure for wearable devices

Cho, Yonghwan Sungkyunkwan university 2021 국내석사

We designed a new structure of a stretchable oxide-polymer hybrid, Ga, and Ti co-doped indium oxide (IGTO), and C-F polymer (polytetrafluoroethylene) was used for transparent and wearable conductors on a commercial polyurethane (PU) substrate. The quaternary amorphous oxides IGTO and C-F polymer with C-F polymer chains have been mainly studied as materials responsible for conductivity and stretchability respectively. The IGTO-C-F polymer hybrid was fabricated by a simple magnetron co-sputtering system equipped with an anode layer type linear ion source (ALIS). The DC to RF power ratio, which is a key parameter, plays an important role in determining the content of IGTO and C-F polymer in the hybrid film, thus creating a stretchable IGTO-C-F polymer hybrid structure. And the co-sputtering power ratio affects the electrical, optical, surface morphological and mechanical properties of the IGTO-C-F polymer hybrid conductors. The sheet resistance ranged from 1899-260 Ω/sq. and optical transmittance of 97-92% at the visible region of 550 nm. The growth mechanism of the IGTO-C-F polymer hybrid was also investigated due to the connection of the conductive IGTO between hydrophobic C-F chains. In addition, the optimized IGTO-C-F polymer hybrid conductor showed a stretchability of 12.5% and remarkable mechanical properties of 1 mm critical radius in the flexibility test results. We applied the IGTO-C-F polymer hybrid conductor to the stretchable and wearable applications successfully demonstrating their potential as LED interconnectors, capacitive touch sensors, and temperature sensors. Furthermore, a newly designed oxide-polymer hybrid structure was used for the oxide layer of the oxide/metal/oxide (OMO) structure to improve the electrical properties of the single ICH electrode. The IGTO and C-F polymer hybrid (ICH) electrode with super-flat APC interlayer was fabricated by a multiple-cathode magnetron sputtering system with an ion gun (MCMSI). Moreover, the island growth of the APC interlayer was compared according to the surface energy and wettability that depend on the underlayer material and oxygen ion beam treatment. Depending on the underlayer material (ICH or C-F polymer), the electrical, optical, and surface morphological properties of the thin film were mainly analyzed. As a result, it was confirmed that APC grown on a hydrophilic surface with a high surface energy of the seed underlayer could easily grow thinner and faster with low nucleation energy in the same deposition time. When oxygen ion beam treatment was applied to the underlayer surface, it was possible to get a threshold thickness of the APC interlayer due to the increased surface energy. By optimizing the thickness of the top/bottom ICH for maximizing the anti-reflection effect, we fabricated an optimal electrode of 30nm/8s/60 nm that satisfies the low sheet resistance of 11 ohm/sq. and high optical transmittance of 92% and high flexibility of critical bending radius less than 2 mm. We applied the ICH electrode with super-flat APC interlayer in wearable devices, successfully proving its potential as a transparent cap-type touch sensor and thin film heater. Therefore, we suggest that this ICH and ICH-based multi-layer electrode structure also could become an essential electrode for wearable electronic applications in the future. 본 연구에서는 웨어러블 소자에 적용이 가능한 산화물-고분자 복합 전극연구를 통해 스트레처블 전극을 구현하였다. 투명 PU 기판에 사성분계 산화물인 IGTO와 C-F polymer 이종구조의 최적 함량을 결정하고 웨어러블 센서로 적용하여 전기적/광학적/기계적 특성을 모두 만족하는 신물질의 전극을 설계함으로써 그 미래 가능성을 확인하였다. 첫 연구에서는 IGTO와 CF2 고분자 체인을 가지는 C-F polymer를 복합화하여 12.5% 인장에 견디는 물질의 함량을 결정하였다. 스퍼터 공정을 통해 적절한 C-F polymer의 함량 제어는 하이브리드 전극을 3차원 입체 구조로 만들어 광학적/기계적 특성을 향상시킴이 확인되었다. 또한, 두 번째 연구에서는 CPI 기판 위에 하이브리드 전극을 OMO 구조의 산화물 층에 치환하여 전기적 특성을 향상시켰으며, 시드 박막의 표면에너지에 따라서 APC 금속의 성장성을 비교하였다. 기존에 존재하는 복잡한 용액, 패터닝 공정이 아닌 진공 스퍼터 공정을 사용함으로써 재현성이 확보된 저저항/고투과/고유연 다층 전극을 제작할 수 있었다. 개발한 본 전극들을 LED 배선전극, 웨어러블 터치 센서, 박막 히터 및 온도 센서에 성공적으로 적용할 수 있었다. 따라서 기계적 특성이 취약한 기존의 ITO 단일 전극과는 달리 IGTO와 C-F polymer 하이브리드 전극은 차세대 웨어러블 전극 후보로서 충분한 가능성을 보여주었다.

Therapeutic patch delivery in the gastrointestinal tract using magnetically actuated capsule

Jihun Lee DGIST 2021 국내석사

최근 위장관 내 질병 발생 빈도가 증가하고 있으며 캡슐 내시경을 이용한 위장관 약물 전달 및 치료에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 캡슐 내시경을 이용한 약물 전달 및 치료에서, 빠르고 정확하며 캡슐이 병변 부위로 이동하는 동안 약물을 보호하는 것은 중요한 문제이다. 또한, 위장관 내의 두 군데 이상의 표적 병변에 약물을 여러 번 전달하는 것은 도전적인 문제이다. 본 연구에서는 자기 구동 캡슐을 이용한 위장관에서의 치료 패치 전달을 제안한다. 치료용 패치는 생분해성, 생체 적합성 및 생체 접착 특성을 가진 재료로 만들어진다. 또한 두 군데 이상의 병변에 여러 번 전달될 수 있도록 제작되었다. 치료용 패치는 자기 구동 캡슐에 탑재되어 위장관 내 표적 병변으로 전달된다. 자기 구동 캡슐은 전자기 작동 시스템에 의해 생성된 외부 자기장에 의해 위장관에서 정확하고 빠르게 이동할 수 있다. 첫 번째로, 자기 구동 캡슐을 사용한 다중 층 약물 담지 마이크로니들 패치 전달이 연구되었다. 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 제작된 connecting layer을 포함하는 다중 층 마이크로 니들 패치는 둘 이상의 표적 병변에 전달될 수 있다. 또한, 자기 구동 캡슐을 이용하여 외부 자기장에 의해 신속하고 정확하게 약물 담지 마이크로니들 패치 전달을 가능하게 한다. 다음으로, 개폐 메커니즘이 적용된 자기 구동 캡슐을 이용한 지혈용 마이크로니들 패치 전달이 연구되었다. 지혈 마이크로니들 패치는 생체 적합성, 생분해성 및 지혈 특성을 지닌 젤라틴과 키토산으로 제작되었다. 지혈 마이크로니들 패치는 개폐 메커니즘이 적용된 자기 구동 캡슐에 탑재된다. 제안된 개폐 메커니즘을 통해, 캡슐은 닫힌 상태에서 마이크로니들 패치를 보호하면서 이동한다. 열린 상태에서는 마이크로니들이 캡슐 외부로 돌출되어 병변 부위로 전달된다. 마지막으로, 개폐 메커니즘을 갖는 자기 구동 캡슐을 사용한 키토산-카테콜 패치 전달이 연구되었다. 카테콜은 홍합에서 영감을 얻은 단백질의 작용기이며 습한 환경에서도 접착력을 유지하는 특성이 있다. 즉, 제안된 키토산-카테콜 패치는 점액이 존재하는 장내 환경에서도 우수한 접착력을 갖는다. 제안된 패치에는 자성 나노 입자와 대표적인 암 치료제인 독소루비신이 담지된다. 패치는 alternating magnetic field(AMF)에 의해 온도가 상승되어 탑재된 독소루비신의 방출을 촉진하여 패치의 치료 성능을 증가시킨다. 패치의 특성화를 포함한 다양한 성능 실험을 수행하여 제안된 패치의 전달 및 치료 능력이 입증되었다. 또한 자기 구동 캡슐의 이동 및 작동 능력을 평가하기 위해 다양한 실험이 수행되었다. 마지막으로, 자기 구동 캡슐을 이용한 위장관 내의 표적 병변으로의 패치의 전달 가능성을 확인하기 위해 Ex-vivo 실험이 수행되었다. Recently, there has been an increase in the frequency of gastrointestinal diseases and various studies on drug delivery and treatment in the gastrointestinal tract using capsule endoscopes have been conducted. In drug delivery and treatment using capsule endoscopy, along with rapid, accurate, protecting the drug while the capsule moves to the lesion site is an important issue. In addition, multiple delivery of the drug to the two or more target lesions in the gastrointestinal tract is challenging issue. In this study, we propose the therapeutic patch delivery in the gastrointestinal tract using magnetically actuated capsule. The therapeutic patch is made of materials with biodegradability, biocompatibility, and bioadhesive property. In addition, it is designed to enable multiple deliveries to two or more lesions. The therapeutic patch is equipped in the magnetically actuated capsule and delivered to target lesions in the gastrointestinal tract. The magnetically actuated capsule can accurately and rapidly move in the gastrointestinal tract by the external magnetic field generated by the electromagnetic actuation system. First, multi-layer drug-loaded microneedle patch delivery using a magnetically driven capsule was studied. Proposed multi-layer microneedle patches including a connecting layer made of polydimethylsiloxane (PDMS) can be delivered to two or more target lesions. In addition, the magnetically driven capsule enables rapid and accurate drug-loaded microneedle patches delivery by an external magnetic field. Next, hemostatic microneedle patch delivery using magnetically actuated capsule with opening-closing mechanism was studied. The hemostatic microneedle patch was made of gelatin and chitosan, which are biocompatible, biodegradable and have hemostatic properties. Also, through the proposed opening-closing mechanism, the capsule is closed to protect the microneedle patches during its locomotion state and is opened to protrude and deliver them to the lesion sites during its delivery state. Finally, chitosan-catechol patch delivery using magnetically actuated capsule with the opening-closing mechanism was studied. Catechol is a functional group of mussel-inspired protein and has the characteristic of maintaining adhesion even in a wet environment. That is, the proposed chitosan-catechol patch has excellent adhesion in the intestinal environment with mucus. In addition, the proposed patch is loaded with magnetic nanoparticles and doxorubicin, a representative cancer treatment. The patch is heated by an alternating magnetic field, which promotes the release of loaded doxorubicin, thereby increasing the therapeutic performance. Various performance experiments including characterization of the patch were conducted to demonstrate the delivery and therapeutic capabilities of the proposed patch. In addition, various experiments were conducted to evaluate the operation ability of the magnetically actuated capsule. Finally, an ex-vivo test was performed to confirm the delivery feasibility of the patches equipped in the capsule to target lesions in the gastrointestinal tract.

수중 망간 제거를 위한 복합산화 - 막여과 공정 연구

곽효은 연세대학교 일반대학원 2016 국내석사

Manganese naturally exists in the form of soluble Mn(II) or insoluble Mn(III, IV) in aqueous phase. Soluble Mn(II) is frequently found in groundwater or bottom water of lake and reservoirs and can be oxidized to manganese oxides according to surrounding environment. The water containing manganese can cause problems such as discolored water, unpleasant taste, staining of laundry, fouling or scaling of pipes in drinking water distribution system. Therefore, when there is manganese more than regulations in source water, it is essential to apply processes suitable for removing manganese to a water treatment system. In conventional water treatment processes, manganese is generally removed using sedimentation or sand filtration after oxidation by aeration or using manganese-coated sand. However, the processes often cannot meet 0.05 mg/L as Mn of the recently enhanced standard for drinking water in South Korea. Therefore, it is necessary to develop and optimize water treatment processes for effective manganese removal. The objective of this study, therefore, was to develop a multiple oxidation process coupled with membrane filtration for the treatment of manganese in aqueous phase. Two oxidants, which were potassium permanganate (KMnO4) and sodium hypochlorite (NaOCl) in this study, were simultaneously utilized for the multiple oxidation, and then the precipitated manganese oxides by the multiple oxidation were filtrated by low pressure membranes. In batch experiments, the multiple oxidation process coupled with membrane filtration showed more effective manganese removal than did single oxidation with membrane filtration using either of KMnO4 or NaOCl. Using the multiple oxidation, each optimum dosage of KMnO4 and NaOCl was much less than that of single oxidation. Moreover, the deterioration of manganese removal at low temperature was less serious for the multiple oxidation than that for the single oxidation. Based on the results of the batch experiments, a continuous multiple oxidation – membrane filtration system was operated. Interestingly, manganese removal by the continuous system was higher than that by batch experiments at the same oxidation conditions. In addition, the membrane fouling during membrane filtration after multiple oxidation was less than that without multiple oxidation, which was the opposite to what had been expected before the experiments. These phenomena were interpreted as follows: The cake layer formed by the accumulation of manganese oxide particles on the membrane surface could act as dynamic membrane, or secondary dynamic membrane. The dynamic membrane consisting of manganese oxides might provide additional chances of oxidation after adsorbing soluble Mn(II) on itself and also could reduce membrane fouling by removing foulants before the foulants reaching membrane surface or pores. These results indicates that the multiple oxidation process coupled with membrane filtration developed in this study was very efficient in removing manganese in aqueous phase and would be applicable to actual water treatment processes for manganese removal. 망간은 지표에 자연적으로 존재하며, 수중에서는 용존 형태(Mn(Ⅱ))와 불용성 형태(Mn(Ⅲ,Ⅳ))로 존재하며, 주로 저수지 및 호소수의 저층수, 지하수에서도 빈번히 검출된다. 수중에서 주로 2가의 망간 이온으로 존재하나, 주변 환경에 따라 망간산화물로 산화될 수 있다. 망간이 포함된 물은 흑수 혹은 적수로 변하고 불쾌한 맛을 일으키며, 음식 및 옷감 등의 변색을 유발하고 배관의 막힘 현상과 같은 문제를 야기할 수 있다. 그러므로, 원수의 망간이 규제하는 농도보다 많이 존재할 때, 망간을 제거하기 위한 적절한 수 처리 공정이 필수적이다. 전통적인 먹는 물 처리 공정에서 망간은 일반적으로 폭기에 의한 산화 후 침전시키 또는 모래여과를 통하여 제거하거나, 망간사 공정을 통한 제거 방법이 적용되었다. 그러나 기존 방법은 최근 강화된 국내 먹는 물 수질기준인 0.05 mg/L를 만족하지 못하는 경우도 있어 효과적인 망간 제거를 위한 공정 개발 및 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 수 중의 망간을 처리하기 위한 복합산화 - 막여과 공정을 연구하였다. 과망간산칼륨(KMnO4)과 차아염소산나트륨(NaOCl), 두 가지 산화제를 동시에 주입한 복합 산화를 적용하여, 복합산화 전처리 공정 후 침전된 망간산화물을 저압의 분리막을 통하여 여과하였다. 회분식 실험 결과, 복합산화 - 막여과 공정은 과망간산칼륨 또는 차아염소산나트륨 두 가지를 각각 사용한 단일산화 – 막여과 공정보다 훨씬 더 효과적인 망간 제거를 보였다. 복합 산화를 통하여, 과망간산칼륨 및 차아염소산나트륨의 최적 주입량은 각각의 단일산화에서의 최적 조건보다 훨씬 더 적은 양을 주입하였다. 게다가 저온에서 망간 제거 실험을 수행하였을 때에도, 단일산화보다 복합산화를 하였을 때 망간 제거율 저하가 훨씬 완화되는 효과를 나타내었다. 위와 같은 회분식 실험을 토대로, 복합산화 – 막여과 연속 공정 실험을 수행하였다. 그 결과, 같은 산화 조건에서 회분식 실험을 수행하였을 때에 비하여 연속 공정 실험에서 더 높은 망간 제거율을 나타내었다. 게다가, 복합산화 없이 원수를 그대로 막여과 하였을 때에 비하여, 복합산화를 적용하면서 막여과를 수행하였을 때 실험 전의 예상과 반대로 막오염(membrane fouling)이 더 줄어드는 효과까지 나타났다. 이러한 현상들은, 막표면에 쌓인 망간산화물이 이차여과층(dynamic membrane or secondary dynamic membrane)으로 작용하였기 때문으로 해석하였다. 망간산화물로 형성된 이차여과층이 용존 망간의 흡착을 통해 추가적으로 산화가 일어나도록 기회를 제공할 수 있고, 또한 막의 표면 또는 기공을 막는 오염물질들이 도달하기 전에 오염 물질들을 제거함으로써 막 오염을 줄일 수 있었다. 이러한 결과를 미루어 볼 때, 본 연구에서 개발한 복합산화 – 막여과 공정은 효율적인 수중 망간 제거가 가능하며 차후 실제 공정에의 적용 가능성이 높다고 판단하였다.

Multiple Combined Treatment of Mesenchymal Stem Cells with Angelica gigas Extract Enhances Angiogenesis in Stroke

김필석 부산대학교 대학원 2017 국내석사

Alternative medicines attract attention because stroke is rarely expected to make a full recovery with the most advanced medical technology. Angelica gigas (AG) is a well-known herbal medicine as a neuroprotective agent. The present study introduced mesenchymal stem cells (MSCs) to identify for the advanced treatment of the cerebrovascular disease. The objective of this research is validation of the enhanced effects of multiple combined treatment of AG with MSCs on stroke through angiogenesis. Our results confirmed that AG with MSCs improved the neovascularization increasing expression of angiogenesis-regulated molecules. The changes of brain and the behavioral ability showed the increased effects of AG with MSCs. As a result, AG and MSCs may synergistically increase the therapeutic potential by enhancing neovascularization. This mixed approach provides a new experimental protocol of herbal medicine therapy for the treatment of a variety of diseases including stroke, trauma, and spinal cord injury. 뇌졸중은 현재의 의학 기술로는 완전히 회복되는 것이 어렵다. 그렇기 때문에 새로운 대체 의학이 주목을 받고 있다. 우선 당귀는 뇌신경세포보호제로 아주 잘 알려진 한약재 중 하나이다. 또한 선행 연구에 따르면 중간엽 줄기세포가 뇌혈관 질환의 치료 방법으로 효과가 있다는 사실이 입증되었다. 이번 연구의 목적은 당귀 추출물과 중간엽 줄기세포의 복합처방이 뇌졸중에서 신생 혈관 형성 작용을 강화시킬 것이다는 가설을 확인하는 데에 있다. 실험 결과를 통해 당귀 추출물과 중간엽 줄기세포의 복합처방은 신생 혈관의 발생과 관련된 분자들의 발현을 증가시킨다는 점을 확인하였다. 그리고 뇌에서 병변 부위가 감소하였고, 운동 능력이 정상에 근접한 수준으로 되돌아가는 변화를 보였다. 이와 같은 결과에 근거하여 본 연구는 당귀와 중간엽 줄기세포의 상호작용이 신생 혈관 형성 작용을 강화시킴으로써 치료 효과를 극대화시킨다는 것을 확인했다. 이러한 복합 처방은 뇌졸중, 외상 그리고 척추 손상 등 다양한 질병에 적용할 수 있는 한의학 치료 방법에 대한 새로운 실험적 방법으로 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

The signaling pathways of L-DOPA-induced dopamine biosynthesis and neuronal cell death

박근홍 충북대학교 2015 국내박사

파킨슨씨 질환에 있어서 L-DOPA 치료는 흑질선조체의 도파민 신경세포에 있어 이중적인 효과 (double-edge effect)를 나타낸다. L-DOPA는 세포내 도파민 생합성을 증가 시키지만 활성 산소종 (reactive oxygen species)의 생성에 의한 산화 스트레스에 의하여 세포사멸을 유도한다. 다중 처리의 L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA; 20 mM; MT-LD)는 백서 부신 흑색종양 세포 (PC12) 에서 neurite-like outgrowth를 유도하며 도파민 생합성을 감소시킨다. 이에 본 실험에서는 PC12 SK-N-BE(2) 세포와 embryonic rat midbrain primary 세포를 이용하여 MT-LD를 6일간 처리하였을 시 MT-LD가 세포의 생존과 사멸에 어떤 영향을 미치는 지에 대하여 연구하였으며 이 가설은 6-OHDA-lesioned rat model of PD의 중뇌를 이용하여 확인하였다. 처음으로 MT-LD (10, 20 mM) 처리 시 PC12, SK-N-BE(2) 세포와 embryonic rat midbrain primary 세포에서 세포 생존율 (cell viability)을 감소시켰으며 또한 4-6일 째에는 세포의 분화 (differentiation)를 유도하였다. 세포 실험에서 MT-LD 처리 시 cyclic adenosine monophosphate (cAMP)-dependent protein kinase A (PKA) 인산화와 exchange protein activation by cAMP (Epac)의 발현을 유도하여 transient ERK1/2 인산화를 유도하였다. 이 상태에서 MT-LD는 PC12 세포의 cAMP-response element binding protein (CREB; Ser133)과 tyrosine hydroxylase (TH; Ser40) 인산화를 유도하여 세포내 도파민 함량을 증가 시켰다. 이와 대조적으로 4-5일째 MT-LD에 의해 장기간 유도된 Epac의 영향으로 sustained ERK1/2 인산화가 나타났으며 이 상태에서는 세포내 도파민 생합성량이 감소하였다. MT-LD는 세 가지 세포 모델에서 JNK-caspase-3 경로를 통하여 세포사멸을 유도하였다. 다음으로, MT-LD는 PC12 세포에서 cJun의발현양 과 cJun (Ser63)의 인산화를 유도하는 반면 cJun (Ser73)의 인산화는 감소를 시켰다. PC12 세포와 embryonic rat midbrain primary cell 에서는 비 독성 범위의 L-DOPA (20 mM)에 의해 transient ERK1/2 인산화가 유도되지만 독성범위의 L-DOPA (200 mM)에서는 sustained ERK1/2 인산화가 유도된다. 또한 비 독성 범위의 L-DOPA는 PKA-transient ERK1/2 인산화를 통하여 cJun (Ser73)의 인산화를 유도하는 반면 독성 범위의 L-DOPA는 Epac-sustained ERK1/2 인산화와 JNK1/2 경로를 통하여 cJun (Ser63)의 인산화를 유도하고 이는 세포 사멸 프로세스로 이동한다. 마지막으로, L-DOPA (10, 30 mg/kg)를 장기 투여한 PD 모델 rat의 중뇌를 이용하여 실험을 실시하였다. L-DOPA (10 mg/kg) 에서는 1주에서 4주까지 sustained ERK1/2 인산화를 나타낸 반면 L-DOPA (30 mg/kg)에서는 2주까지 ERK1/2의 인산화를 나타낸 후 4주에서는 감소를 보였다. 또한 cJun (Ser73)의 경우 L-DOPA (10 mg/kg)에서는 2주까지 증가를 한 후 그 후에는 감소하는 것을 보여주었다. 또한 L-DOPA (30 mg/kg) 에서는 cJun (Ser73)의 증가가 나타나지 않았다. L-DOPA (10, 30 mg/kg) 에서는 시간이 지남에 따라 cJun (Ser63)의 인산화 증가와 cJun의발현량이 증가하는 것을 확인하였다. 1-2주의 이른 시기에서는 L-DOPA 10과 30 mg/kg 에서는 보호 작용을 보보여주는 반면, 10과 30 mg/kg의 L-DOPA를 장기간 투여하게 되면 cJun (Ser63)의 인산화와 cJun 발현을 통하여 신경독성을 보여주며 이는 ERK1/2와 JNK1/2의 영향을 받는 것으로 생각된다. 이 결과들이 보여주는 것은 이른 시기의 MT-LD 와 비 독성 범위의 L-DOPA는 PKA-transient ERK1/2-cJun (Ser73)을 통하여 세포의 생존을 유지시키며 또한 도파민 생합성을 증가시킨다. 그러나 후반의 MT-LD 와 독성 범위의 L-DOPA는 Epac을 통한 sustained ERK1/2-cJun (Ser63)을 통하여 세포의 분화를 촉진시키며 또한 세포 사멸 프로세스로 이동한다. 이 일련의 결과들로써 도파민 신경세포와 PC12 세포에서 L-DOPA와 MT-LD에 의해 발생하는 신경독성에 PKA-transient ERK1/2-cJun 및 Epca-sustained ERK1/2-cJun 신호전달 체계에 의해 조절된다는 것을 제시한다. L-3,4-Dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) therapy had double-edge effects on nigro-striatal dopaminergic neurons in Parkinson's disease (PD). L-DOPA induced dopamine biosynthesis, however, long-term administration of L-DOPA led to oxidative stress-induced cytotoxicity by the formation of reactive oxygen species in dopaminergic neuronal and rat adrenal pheochromocytoma (PC12) cells. Multiple treatments with L-DOPA (MT-LD; 20 μM) induced neurite-like outgrowth and reduced dopamine biosynthesis in PC12 cells. In this study, the effects of L-DOPA on dopamine biosynthesis and cell viability in PC12, SK-N-BE(2) and embryonic rat midbrain primary cells were investigated. And then, the effects of long-term administration of L-DOPA on dopaminergic neuronal cell death in 6-OHDA-lesioned rat model of PD were investigated in order to confirm L-DOPA-induced neurotoxicity. First, MT-LD (10 and 20 μM) decreased cell viability at 4–6 days in PC12, SK-N-BE(2)C and embryonic rat midbrain primary cells. MT-LD also induced PC12 cell differentiation at 4–6 days. MT-LD also induced cyclic adenosine monophosphate (cAMP)-dependent protein kinase A (PKA) phosphorylation and exchange protein activated by cAMP (Epac) expression at 1–3 days in all three cell types, which led to transient extracellular signal-regulated kinase1/2 (ERK1/2) phosphorylation. In these states, MT-LD activated phosphorylation of cAMP-response element-binding protein (CREB) at Ser133 and tyrosine hydroxylase (TH) at Ser40 in PC12 cells, which led to increase in intracellular dopamine levels. In contrast, MT-LD induced prolonged Epac expression at 4–6 days in all three cell types, which led to sustained ERK1/2 phosphorylation and then the cells moved to apoptotic processes by c-Jun-N-terminal kinase1/2 (JNK1/2)-caspase-3 activation. In these states, the cells were induced cellular differentiation, which led to decrease in dopamine biosynthesis in PC12 cells. Next, a non-toxic concentration of L-DOPA (20 μM) induced transient ERK1/2 phosphorylation, which was mainly mediated by PKA in PC12 and embryonic rat midbrain primary cells. In contrast, a toxic concentration of L-DOPA (200 μM) induced sustained ERK1/2 phosphorylation, which was mediated by Epac expression in same cells. In addition, a non-toxic concentration of L-DOPA (20 μM) induced cJun phosphorylation at Ser73, which was mediated by a pathway that involved PKA and transient ERK1/2 activation. However, a toxic concentration of L-DOPA (200 μM) induced cJun phosphorylation at Ser63 in PC12 and rat embryonic rat midbrain primary cells, which was led to cell death via the Epac-sustained ERK1/2 and JNK1/2 systems. Furthermore, MT-LD (20 μM) induced cJun phosphorylation at Ser73, which maintained the cell survival at 1–3 days, however, MT-LD subsequently induced cJun phosphorylation at Ser63, which led to cell death processes at 4–6 days. Finally, long-term administration of L-DOPA (10 and 30 mg/kg) induced ERK1/2 phosphorylation for 1–4 weeks in 6-OHDA-lesioned rat model of PD, although L-DOPA administration at 30 mg/kg reduced ERK1/2 phosphorylation for 4 weeks. In these states, cJun phosphorylation at Ser63 and cJun expression were gradually increased by L-DOPA administration (10 and 30 mg/kg) for 1–4 weeks. cJun phosphorylation at Ser73 was first increased (at 2 weeks) and then reduced (for 3–4 weeks) by L-DOPA administration (10 mg/kg). However, cJun phosphorylation at Ser73 was gradually reduced by L-DOPA administration (30 mg/kg) for 1–4 weeks. At 1–2 weeks, L-DOPA administration at 10 and 30 mg/kg showed protective effects. However, L-DOPA administration at these doses for 3–4 weeks showed neurotoxicity via increased cJun phosphorylation at Ser63 and cJun expression, which could be mediated by ERK1/2 and JNK1/2 systems. Taken together, these results suggest that MT-LD at 1–3 days and a non-toxic concentration of L-DOPA maintain cell survival via PKA-transient ERK1/2-cJun at Ser73 phosphorylation, which stimulates dopamine biosynthesis in PC12, SK-N-BE(2)C and embryonic rat midbrain primary cells. In contrast, MT-LD at 4–6 days and a toxic concentration of L-DOPA induce differentiation via both prolonged Epac expression and sustained ERK1/2-cJun at Ser63 phosphorylation, which subsequently leads to cell death mediated by JNK1/2-caspase-3 pathways in same cells. Furthermore, the hypothesis was confirmed by long-term administration of L-DOPA in 6-OHDA-lesioned rat model of PD. Our data provide the first evidence that L-DOPA can cause neurotoxicity by ERK1/2-cJun pathways in dopaminergic neuronal and PC12 cells.

다중 처리군에서 성향점수 가중치 방법의 비교

김은진 전북대학교 일반대학원 2022 국내석사

관찰연구에서 처리효과 추정치는 공변량 불균형의 영향으로 인한 편향이 발생한다. 역확률 가중치, 중복 가중치 및 매칭 가중치와 같은 성향점수의 가중치 방법은 추정치의 편향을 줄일 수 있다. 다중 처리군의 경우에는 성향점수를 확장한 일반화 성향점수 방법이 제안되었다. 주로 일반화 성향점수 추정시 다항 로지스틱 회귀 모형이 사용되며, 가중치 방법에도 적용되었다. 그러나 표본 크기에 비해 공변량이 너무 많거나 정규성을 가정할 수 없는 경우, 모수적 방법인 다항 로지스틱 회귀의 치료효과 추정치는 편향이 발생 할 수 있다. 반면 일반화 부스팅 모형은 비모수적 방법과 같은 문제에 적합하다. 또한 대용량 데이터에서도 잘 구현되어 최근에는 일반화 성향점수 추정에도 사용되고 있다. 본 연구는 모의실험을 통해 다항 로지스틱 회귀 모형과 일반화 부스팅 모형에 의해 추정된 일반화 성향점수와 이를 기반으로 하는 역확률 가중치, 중복 가중치와 매칭 가중치의 소표본 속성을 비교하였다. 모의실험 결과, 처리 또는 결과 모형이 선형인 경우에만 다항 로지스틱 회귀 방법은 편향과 MSE가 작았으며 CP는 높게 나타났다. 그러나 일반화 부스팅 방법은 모형의 선형 여부에 관계없이 편향, MSE와 CP는 일관된 결과를 보였으며, 처리 또는 결과 모형이 비선형인 경우에는 다항 로지스틱 회귀 방법보다 우수한 성능을 보였다. 가중치 방법은 전반적으로 매칭 가중치, 중복 가중치, 역확률 가중치 순으로 우수한 성능 보였다. 매칭 가중치와 중복 가중치는 일반화 성향점수 추정 방법에 따른 결과와 비슷하게 나타났으며, 역확률 가중치는 일반화 부스팅 모형으로 추정할 경우 성능이 더 좋게 나타났다. In observational studies, the treatment effect estimates are often biased by the impact of covariate imbalances. The propensity score weighting methods such as inverse probability of treatment weights(IPW), overlap weights(OW) and matching weights(MW) can be used to reduce the bias. In the case of multiple treatments, the propensity scores are extended to generalized propensity scores. They have been estimated most often by multinomial logistic regression(MLR) and used for weighting methods. However, MLR, which is a parametric methods, may cause bias in the estimate of treatment effect when there are too many covariates for the sample size or when normality cannot be assumed. The generalized boosted models(GBM) is robust to such problems as a nonparametric methods and also implemented well in very large size of data so that it is recently adopted for the estimation of GPS. In this study, we compared small sample properties of generalized propensity scores estimated by MLR and GBM and three weighting methods(IPW, OW, MW) based on these scores through simulations. The result of simulation shows; The MLR had small bias and MSE, and CP was close to the specified value only when log-odds of the treatment or outcome was linear in covariates. The GBM, however, showed consistent results regardless of the models specification in bias, MSE and CP, and performs better than the MLR as both treatment and outcome models are non-linear. The weighting methods showed good performance in the order of MW, OW and IPW. MW and OW showed similar results according to the generalization propensity score estimation methods, and IPW performed better when estimated using the GBM.

Multiple comparisons with the best treatment for the scale parameters

곽봉군 서울대학교 대학원 1985 국내박사