생명/의료

고수확 논벼의 메탄 배출 저감 입증

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논벼는 중국의 가장 중요한 식량작물인 동시에 온실가스 메탄의 최대 배출원이기도 하다. 중국은 세계 최대 논벼 생산지 및 소비국이다. 세계 기후변화 담판 및 국제 포럼에서 중국의 논벼 생산으로 인한 메탄 배출 문제는 줄곧 논쟁의 중심에 있다. 중국농업과학원 작물과학연구소 작물경작생태 연구팀은 지난 50년간 중국의 논벼 품종 개량과 벼농사 기술 혁신이 식량 증산을 촉진함과 아울러 탄소 배출 저감을 위하여 중대한 기여를 했음을 입증함으로써 중국의 현대 벼농사 다수확이 고탄소 배출을 동반한다는 오해를 바로잡았다. 해당 성과는 "Environmental Research Letters"에 게재되었다. 연구팀은 수년간 대표본 품종 비교, 논밭 위치결정 모니터링, 지역 조사와 역사 데이터 발굴을 통해 지난 50년간 중국 논벼의 품종 갱신, 재배 혁신 및 벼재배 조정 등이 논벼 수확량과 논벼 온실기체 배출에 미치는 영향을 종합 평가하였다. 연구 결과, 논벼 재배가 북쪽으로 갈수록 고수확 품종과 물조절 산소증가 경작 등 혁신을 통해 논벼의 단위면적당 생산량이 130% 증가하는 경우, 논벼 온실기체 배출은 70% 감소하였으며 특히, 메탄 배출 저감이 현저했다. 해당 연구 성과는 중국의 논벼 재배업에 대한 국제적인 오해를 풀었을 뿐만 아니라 고수확 저탄소 논벼 재배를 위한 방향을 제시했으며 세계 작물 생산의 기후변화 대응을 위한 이론적 및 기술적 참조를 제공했다.

약 3억 년 전 "식물폼페이"에서 좌선성 전요식물 화석 발견

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중국과학원 난징(南京)지질고생물연구소 연구팀은 네이멍구(內蒙古)자치구의 약 3억 년 전 "식물폼페이" 소택지 삼림에서 안정적 좌선성 전요식물 화석을 발견했다. 이는 지질 역사상 전요식물 화석의 2번째 사례이다. 해당 발견은 식물의 전요(Twining) 습성 발생을 3억 년 전의 고생대 말기로 역추적했다. 해당 성과는 국제 저명 학술지 "Current Biology"에 게재됐다. 현존 전요식물의 90% 이상은 우선성이다. "카이랄성"은 1개 물체가 그 물체의 거울상과 중첩되지 않는 현상을 가리킨다. "카이랄성"은 우주에 광범위하게 존재한다. 예를 들면 큰 은하계로부터 작은 중성미자의 운동 궤적에 이르기까지 모두 비대칭 회전이 존재하며 또한 대부분 단일 카이랄성(좌선성 또는 우선성)이다. 현존 전요식물은 주로 피자식물에 존재하며 또한 나자식물의 그네툼(Gnetum) 및 양치식물의 해금사속(Lygodium Sw)에도 전요식물이 존재한다. 네이멍구자치구 우하이시(烏海市) 우다(烏達)탄전에는 화산 분출로 생성된 화산재에 의해 매립된 약 3억 년 전의 소택지 삼림이 있다. 그 보존 방식은 이탈리아 폼페이와 매우 유사하기에 중국의 "식물폼페이"로 불린다. 연구팀은 소택지 삼림 군락에서 새로운 전요식물 화석을 발견했다. 표본에 대한 포매 및 절편을 통해 연구팀은 전요식물에서 양치식물의 엽축에 속하는 C형 유관속을 발견했다. 해당 지역의 다른 한 위치에서 채집한 전요식물 잎사귀 화석을 분석한 결과, 해당 전요식물은 Anachoropteris의 양치식물로 추정됐다. 흥미로운 점은 양치식물 해금사속을 포함한 현존 전요식물은 주로 우선성이다. 하지만 지질 역사상의 2종 전요식물 화석은 모두 좌선성이다. 연구팀은 전요식물 및 숙주식물은 해당 생존 시기에 동시에 한그루 나무로 칭칭 감겨 위로 올라갔다고 추정했다. 이는 초기 페름기 소택지 삼림 군락 생태가 매우 복잡했음을 의미한다.

실시간 정확한 인체 건강 모니터링 가능한 생체모방 섬유 센서 개발

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푸단대학교 연구팀은 주사 가능한 섬유상 바이오센서를 개발했다. 해당 센서는 이식 후 모발처럼 피부 표면에 부착되고 가늘고 부드러우며 또한 체내 다양한 화학 물질의 장기적이고 실시간적인 모니터링이 가능하다. 의료 기술이 발달함에 따라 개인 생리 정보의 실시간 모니터링 및 이에 따른 개별화 의료가 관심을 받고 있다. 전기화학적 바이오센서는 화학 신호를 전기 신호로 전환시킬 수 있는 장치로 특정 화학물질을 모니터링하는데 사용할 수 있고 웨어러블 의료 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 기존의 삽입 가능한 센서는 재료 자체의 모듈러스가 크고 강성 소자와 유연조직 사이의 반복된 기계적 손상이 존재한다. 또한 2차원 평면 구조에 기반하여 설계한 삽입식 소자는 최소 침습술 이식이 어려워 조직과의 안정적인 인터페이스 형성이 어렵고 장기적이고 정확한 모니터링이 어려워 신호 수집과 생체 안전에 영향을 미친다. 연구팀은 생체모방 근육 구조의 새 연구 방법을 개척하여 다단 나선 구조의 섬유상 전기화학 센서를 설계했다. 역학적 시뮬레이션과 나노압입 실험 결과, 탄소 나노튜브 섬유는 기존의 삽입 재료(금실, 폴리디메틸실록산 등)보다 더 낮은 만곡 내응력을 구비하고 휨강성이 기타 전통 삽입 재료보다 유연 조직에 더 접근하였다. 또한 섬유 1차원 구조에 적합한 주사 방법을 이용하여 섬유 센서를 목표구역에 정확하게 삽입하였는데 체외에서의 섬유 형태는 마치 동물 모발이 피부 표면에 부착된 것과 유사했다. 세포실험과 조직절편 결과, 섬유상센서 주사 후, 동물의 염증반응과 흉터를 유발하지 않았고 주변 조직과의 결합이 양호하였으며 섬유 센서는 우수한 생체 적합성과 생체 통합성을 보유했다. 해당 연구는 생물전자학 분야에서 새 방향을 제시했다. 섬유상 바이오센서는 집적회로, 블루투스 및 관련 소프트웨어를 통하여 원격으로 생리학적 데이터를 실시간 수집할 수 있고 소자는 혈관에서 안정적으로 4주간 작동할 수 있다.

세계 최초 척추측만증 대규모 인공지능 검사 시스템 개발

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상하이교통대학교, 중산대학교 중산안과센터 및 시안전자과학기술대학교 공동연구팀은 세계 최소로 척추측만증 관련 대규모 인공지능 검사 기술을 개발하였다. 해당 성과는 "Development and validation of deep learning algorithms for scoliosis screening using backimages"라는 제목으로 "Communications Biology"에 게재되었다. 연구팀은 환자의 X-ray와 초음파 영상을 척추측만 골드표준 라벨로 하고 라벨을 부착한 외관 이미지에 대한 모델 훈련을 통해 최초로 등 외관 특징과 척추측만 심각도의 관계를 명확히 하고 등 노출 외관 사진에 기반한 척추측만 인공지능 검사 시스템을 구축했다. 아울러, 혁신적으로 객체 검출 네트워크를 이용하여 환자의 노출 등부위를 정위하고 다수의 합성곰 신경망을 이용하여 상이한 검사 작업의 요구를 충족시켰다. 해당 모델은 청소년의 척추측만 검사 및 치료 필요성 여부를 확정하고 척추측만 정도를 명확히 하는 등 3가지 분야에서 탁월한 성능을 구비했다. 해당 지능 시스템의 검사 정확도는 인간 전문가의 평균 수준에 도달했고 속도는 인공보다 훨씬 뛰어나며 대규모 척추측만 검사에 응용될 전망으로 중요한 의학적, 경제적 및 사회적 가치가 있다.

신형 나노 발광 재료 개발하여 종양 광역학요법에 조력

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중국과학원 유전발생생물학연구소 장위창(降雨强) 연구팀과 베이징대학교 기초의학대학 사인린(沙印林) 연구팀은 공동으로 새로운 나노 발광 재료-디하이드로리포산을 리간드로 하는 금 나노클러스터(Gold nanoclusters)를 개발하여 종양 광역학요법에 힘을 보탤 전망이다. 디하이드로리포산을 리간드로 하는 금 나노클러스터는 광조사 조건에서 아주 강한 자유기를 생성하는 특성을 보유하고 있기에 종양 세포와 조직에 대한 살상 효과가 양호하며 또한 성능이 우수한 광증감제로서 기존에 임상에서 사용하는 알라 광증감제보다 치료 효과가 훨씬 우수하다. 이 외에도 해당 재료는 우수한 이광자 성질을 구비하여 근적외선 레이저로 여기시킬 수 있고 조사 깊이를 효과적으로 증가할 수 있어 고형 종양 치료에 사용할 수 있다. 더욱이 양호한 생체 적합성을 구비하고 치료 과정에서 빛 차단이 필요 없기에 임상 조종성을 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 연구의 종양 광역학요법 분야에서 달성한 주요 성과는 2가지 발명 특허를 출원하였으며 "ACS Nano"에 온라인에 게재되었다.

인간 유래 칼륨-염소 공수송 단백질의 고해상도 구조 해석

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톈진(天津)대학교 생명과학대학 류쓰(劉斯) 연구팀은 최초로 인간 유래 칼륨-염소 공수송(Co-transport) 단백질(KCC1)의 고해상도 구조를 해석함과 아울러 칼륨-염소 공수송 메커니즘을 제안함으로써 뇌전증 등 관련 질병 치료 및 약물 개발에 새 관점을 제공했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 인체 세포내 칼륨, 나트륨, 염소의 이온 농도 불균형은 고혈압, 우울증, 뇌전증 등 질병을 유발한다. 세포막에 양이온-염소이온 공수송 단백질이 존재하며 전문적으로 인체 세포 내외의 이온 농도 조절을 담당한다. 기존에 정밀한 구조 정보 부족으로 해당 종류 막단백질의 작용 메커니즘에 대한 이해가 매우 제한적이다. 뇌전증은 대뇌 뉴런의 돌발성 비정상 방전으로 인한 일과성 대뇌 기능 장애 기반 만성질환이다. 뇌전증은 복잡하고 다양한바 유전요인, 뇌부질환, 전신성 및 계통성 질환 등이 포함된다. 그중 유전요인은 뇌전증 특히 특발성 뇌전증을 유발하는 주요 원인이다. 분자유전학적 연구 결과에 의하면 일부 유전성 뇌전증의 분자 메커니즘은 세포 이온통로, 관련 분자 구조 및 기능 변화이다. 생체 세포의 끊임없는 신진대사 과정에서 필연적으로 주위 환경과 물질을 교환하는데 세포막의 이온통로, 수송 단백질 등 이온 수송 단백질은 해당 물질교환의 주요 경로이다. 다양한 이온, 당류 등 대부분 생명에 대하여 중요한 의미를 보유한 물질은 수용성이다. 그들은 세포에 진입해야 하지만 생명활동 과정에서 생성된 수용성 폐기물은 세포를 떠나야 하는데 해당 과정에 이온 수송 단백질이 참여해야 한다. 그중 수송 단백질은 세포막에 위치하여 있기에 수용성 소분자의 막관통 수송을 유도할 수 있다. 신경교질세포와 말초신경계 뉴런에서 양이온-염소이온 공수송 단백질은 인체 세포 내외의 이온농도 조절을 전문적으로 담당함과 아울러 세포막 내외 양측의 칼륨 이온 농도 기울기를 이용하여 세포 내 칼륨/염소를 세포외로 공수송하기에 세포의 이온화 평형을 유지하고 생물 세포 활성을 보장하는데 매우 중요하다. 유전학적 및 생화학적 연구에 의하면 인간 신경계에서 KCC1 돌연변이는 KCC1이 세포외로 염소이온을 수송하는 활성에 뚜렷한 영향을 미치며 더 나아가 뇌전증 등 질병을 유발한다. KCC1은 중요한 생리 기능을 보유하고 있기에 임상에서 뇌전증 등 질병을 치료하는 약물 표적으로 될 수 있다. 따라서 KCC1의 정밀한 구조 정보 연구는 해당 구조 기반 약물을 개발하여 임상에서 관련 질병을 치료하는데 정밀한 데이터 지원을 제공할 수 있다. KCC1의 단백질 정밀 구조를 해석하려면 해당 단백질 구조를 "포착"해야 한다. 단일입자 냉동전자현미경 기술은 현재 선진적인 단백질 구조 해석 기술이다. 해당 기술의 응용 핵심 조작은 샘플 냉동, 냉동 이미징 및 3차원 재구성이다. KCC1는 분자량이 매주 작을 뿐만 아니라 세포내 영역 도메인 상태가 비고정적이다. 연구팀은 KCC1 단백질 발현 유전자를 바큐로바이러스에 피복한 후 포유동물 세포를 이용하여 과발현시켰다. 또한 양호한 균일성 KCC1를 획득하기 위해 세제 종류를 선별하여 최종적으로 고순도의 인간 유래 KCC1 단백질 샘플을 획득했다. KCC1 단백질의 3차원 구조를 분석하려면 KCC1 단백질이 정상적인 단백질 형태를 보유하게 해야 한다. 생리 상태에 가장 접근하는 KCC1 단백질을 얻기 위해 연구팀은 KCC1 단백질을 나노디스크(모의 세포막의 지질 이중 분자층)에 구축했다. 그리고 KCC1 단백질 용액을 "그물(Net)"에 떨구어 넣은 후 "그물"을 액체 에탄 환경에서 "쾌속 내동"시켰다. 1개 격자에 수백 개의 중공 공극이 있는데 KCC1 단백질 입자를 그 중에서 냉동시켰다. 최종적으로 연구팀은 단일입자 냉동전자현미경 기술을 기반으로 3개의 인간 유래 KCC1의 원자 해상도 구조를 성공적으로 해석했다. 1) KCC1는 이합체 형식으로 존재한다. 2) KCC1가 1:1의 비율로 동시에 동일한 방향으로 칼륨이온과 염소이온을 수송하는 메커니즘을 규명했다. 3) KCC1이 칼륨이온과 염소이온을 공수송하는 모델을 제안했다. 해당 성과는 양이온-염소이온 공수송 단백질을 표적으로 하는 뇌전증 치료 약물 개발에 거대한 현실적 의미 및 응용 가치가 있다.

2광자 광역학 치료용 신형 광민감제 개발

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중국과학원 유전·발육생물학연구소 등 기관의 연구팀은 신형 나노발광재료—디히드로리포산(dihydrolipoic acid)을 배위체로 하는 금나노클러스터(Au nanocluster)를 설계하고 합성했다. 해당 금나노클러스터 기반의 2광자 광역학 요법은 종양치료 특히 뇌신경교종, 고형종양(solid tumor) 등에서의 임상중개 전망이 밝다. 해당 성과는 "ACS Nano"에 온라인으로 게재되었다. 종양 광역학 요법은 종양 표적화 광민감제를 레이저로 조사하여 대량의 활성산소 자유기를 생성함으로써 종양조직을 괴멸시킨다. 광역학 요법은 화학방사선 요법 등 일반적 종양 치료방법에 비해 공간 선택성이 높고 약물내성을 쉽게 유발하지 않으며 시스템적 독성부작용이 낮은 등 장점이 있어 최근 식도암, 방광암, 피부암 등 암치료에 광범위하게 활용되고 있다. 광민감제 성능은 광역학치료 효과를 결정짓는 관건이다. 현재 임상에서 사용되는 광민감제는 가시광에 의해 여기되며 조직 투과 깊이가 얕아 고형종양, 심부종양 등 치료에서의 적용이 어렵다. 또한 치료받은 환자는 몇 주간 빛을 피해야 하는 등 생활에서 많은 불편을 감안해야 한다. 최근 장파에 의해 여기되는 차세대 2광자 광역학 치료가 빠르게 발전하고 있지만 현재 그를 뒷받침할 2광자 광민감제가 없어 임상응용은 큰 제한을 받고 있다. 연구팀이 설계·합성한 신소재는 광조사 조건에서 자유기를 생성하는 특성이 매우 강해 종양세포 및 조직에 대한 살상 작용이 뛰어나다. 해당 광역학 치료용 광민감제의 치료효과는 현재 임상에 사용되고 있는 ALA 광민감제에 비해 훨씬 우수하다.

영장류동물 배태 원장형성의 면사포를 벗겨

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2019년 10월 31일, 중국과학원 동물연구소, 중국과학원 줄기세포재생의학혁신연구원의 왕훙메이(王红梅) 연구팀, 리레이(李磊) 연구팀 및 중국과학원 쿤밍(昆明)동물연구소 정핑(郑萍) 연구팀의 영장류동물 배태 원장형성의 체외 구현(In vitro culture of cynomolgus monkey embryos beyond early gastrulation)의 연구 성과가 "Science"에 "Research article" 형식으로 온라인으로 발표되었다. 초기 배태 발육은 생명의 원천에 관련되며 생물학 연구의 핫이슈이면서도 난제이다. 포유동물 배태는 수란관에서 일련의 난할과 분화를 거쳐 낭배를 형성한다. 다음, 낭배가 자궁으로 이동하여 착상한다. 착상 후, 배태 중의 일부 세포는 이동, 재배열 및 분화를 시작하고 원장형성(Gastrulation)을 시작하여 내, 중, 외 3개 배엽을 형성함으로써 배태체축 건립과 기관 발육을 위한 기반을 마련한다. 초기 배태 발육과 원장형성이 이상 현상이 발생할 경우, 흔히 임신 실패와 출생 후 기관 결함 등 중대 질병을 초래한다. 영국의 저명한 발육생물학자인 Louis·Wolpert는 "사람의 일생에서 가장 중요한 순간은 출생, 결혼, 사망이 아니라 원장형성이다"라고 했다. 윤리와 연구기술 등의 제한으로 영장류동물 배태의 원장형성에 관한 연구는 아주 제한적이다. 착상 후 배태 발육의 모체에 대한 의존 정도가 여전히 불분명하다. 동물연구소와 쿤밍동물연구소 공동배양 박사연구생 마화이샤오(马怀孝, 현 쿤밍동물연구소 조리연구원), 동물연구소와 줄기세포재생의학혁신연구원 박사연구생 자이징레이(翟晶磊), 조리연구원 완하이펑(万海峰), 박사후 장샹샹(蒋祥祥)이 해당 논문의 공동 제1저자이고 왕훙메이, 리레이, 정핑이 공동 통신저자이다. 그림: 게잡이원숭이 배태의 체외 배양 20일. (A) 체외 배양 13-14일째와 19일째의 배태를 각각 세포계보 표지항체 OCT4(녹색)와 GATA6(적색)으로 염색. (B) 배양 20일째의 배태를 헤마틴과 에오신(H&E)으로 염색. 상이한 시기의 배태를 수입하여 단세포 시퀀싱을 진행하고 상이한 세포계보의 발육 궤적 분석.

상부 소화관암의 인공지능 보조적 진단 시스템 개발

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중산(中山)대학교 부속종양병원 연구팀은 완전한 자체 지식재산권을 보유한 상부 소화관암의 내시경 인공지능 보조적 진단 시스템(Gastrointestinal Cancer Endoscopy Real-time Artificial Intelligence Diagnostic System, GRAIDS)을 개발했다. 해당 성과는 2019년 10월 4일, "Real-time Artificial Intelligence for Detection of Upper Gastrointestinal Cancer by Endoscopy: a Multicentre, Case-control, Diagnostic Study"라는 제목으로 "Lancet Oncology"에 온라인으로 게재됐다. 중국의 상부 소화관암 환자는 전세계 상부 소화관암 환자의 약 50%를 차지하며 그중 85% 이상 환자가 처음 진단시 이미 중·말기이다. 상부 소화관 조기암 환자의 5년 생존율은 90% 이상이지만 상부 소화관 말기암 환자의 5년 생존율은 10%도 되지 않는다. 따라서 상부 소화관암의 조기 진단/치료는 치료효과를 향상시키는 핵심이다. 현재 내시경 검사 및 생체검사(biopsy)는 상부 소화관암을 조기 진단하는 주요 표준이다. 상부 소화관 조기암은 내시경 검사에서 뚜렷한 증상이 없으며 또한 내시경 의사의 수준 차이로 진단율은 10%도 되지 않는다. 따라서 정밀하고 효과적인 조기진단 방법 개발이 시급하다. 연구팀은 연구 초기단계에 5만여 장의 상부 소화관암 환자 내시경 영상과 12만여 장의 정상인 내시경 영상 식별 및 기계학습(Machine learning)을 완료했다. 또한 내시경 영상 식별이 어렵고 질병 종류가 다양하며 병변 증상이 복잡한 상황에서 심층 콘볼루션 신경망 기술 기반 연구를 통해 높은 정확성, 강한 안정성, 인간-기계 결합도가 높은 실시간 인공지능 보조적 검사 시스템을 개발했다. 동시에 클라우드 기술 기반 다중심 GRAIDS 플랫폼을 구축해 자동적으로 포획한 내시경 검사 이미지를 클라우드 단말기에 전송하여 분석할 수 있게 됐을 뿐만 아니라 실시간으로 검사자에게 의심되는 병소 부위 정보를 제공하여 검사자가 목적성으로 생검 부위를 선택함으로써 생검 양성률 진단 효율을 향상시킬 수 있다. GRAIDS 시스템으로 중국의 5개 다양한 지역, 다양한 급별의 병원에서 다중심 연구 검증을 통해 84,424명 환자의 103,6496장 내시경 영상을 식별/분석한 결과, 해당 시스템의 상부 소화관암 진단 정확률은 90% 이상에 달하고 진단 민감도(94.2%)는 전문가급 내시경 의사(94.5%) 수준에 도달했다. GRAIDS 시스템의 심층적 연구 보급과 더불어 상부 소화관 종양의 조기 진단/치료 수준이 향상되어 종양의 규모화 치료 및 의료전달체계 달성을 추진할 전망이다.

중국 뇌혈관질환 치료 방안, 권위적 뇌혈관 관리 지침의 최고급 증거로 선정

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중국국가신경계질환임상의학연구센터 왕융쥔(王擁軍) 연구팀이 최초로 제안한 고위험 비장애성 뇌혈관질환의 "CHANCE" 항혈소판요법 방안이 미국 "급성 허혈성 뇌혈관질환 관리 지침(2019 최신판)"의 최고급 증거(IA)로 선정되어 전세계에 보급됐다. "CHANCE" 방안은 이미 중국, 캐나다, 영국, 미국 등 권위적 뇌혈관질환 관리 지침의 최고급 증거로 선정됐다. "CHANCE" 방안은 고위험 비장애성 뇌혈관질환 발병 후 24시간 "시간대" 내에 중·저 약제량 아스피린 및 클로피도그렐 이중표적 결합 항혈소판제로 21일 동안 단기 치료하여 고위험 뇌혈관질환의 90일내 재발 위험성을 상대적으로 32% 감소시킴과 아울러 출혈 부작용을 감소시킨다. 기존에 뇌혈전 형성에 대한 다양한 표적 기반의 항혈소판요법 연구를 대량으로 수행했지만 효과가 좋지 않거나 출혈 위험성을 증가시키는 등 원인으로 실패했다. 연구팀은 4년 동안 대형 임상시험 및 과학연구를 통해 "CHANCE" 항혈소판요법의 안전성, 유효성 및 적합성을 입증했다. 중국의 뇌혈관질환 유행병학적 데이터로 추산한 결과에 의하면 "CHANCE" 방안을 중국에서 6년 동안 응용하여 누계로 86만 건의 뇌혈관질환 재발 병례를 감소시켜 거액의 입원비를 절감시켰다. 뇌혈관질환 환자 절반 이상은 고위험 비장애성 뇌혈관질환으로서 그 증상은 일과성 뇌허혈 또는 비장애성 경미한 뇌졸중으로 고위험성, 쉬운 재발 등 특성이 있다. 고위험 비장애성 뇌혈관질환 환자는 뇌혈관질환 예방치료 "최적 환자층"이다. "CHANCE" 방안은 뇌혈관질환 예방치료에서 주요한 역할을 발휘할 전망이다.