Defining transcriptomic niches in human fibrotic lung with multi-sample spatial transcriptomics analysis using the MAPLE algorithm

ヒトの肺は、空気と血液が出会う、生命を維持するための繊細な交換が行われる、広大で複雑な景観です。特発性肺線維症と呼ばれる疾患では、この景観がゆっくりと変貌していきます。健康でスポンジのような組織は、まるで青々とした庭園がコンクリートに飲み込まれていくかのように、厚く硬い瘢痕組織へと置き換わっていきます。このプロセスは一様ではありません。それはパッチ状に発生し、肺の一部には比較的影響を与えないまま残される一方で、他の領域は荒廃していきます。数十年にわたり、科学者たちはこの疾患が異なる細胞タイプの混沌とした混合物であることを理解してきましたが、それらの細胞が空間内でどのように配置されているかを知ることに苦慮してきました。細胞を研究する伝統的な手法の多くは、組織サンプルをすり潰すことを伴いますが、これでは各細胞がどこに位置していたかという地図を破壊してしまいます。その地図がなければ、隣接する細胞がどのように互いに通信しているのか、あるいは病気がどのように一つのパッチから別のパッチへと広がっていくのかを理解することは不可能です。

これを解決するために、研究チームは、その地理的構造を保存したまま肺を観察する新しい方法を開発しました。彼らは空間トランスクリプトミクスと呼ばれる技術を用いました。これは、細胞を組織内の正確な位置に保持したまま、細胞内の遺伝的指示を読み取ることができる技術です。しかし、このようなデータの解析は困難です。なぜなら、それは患者ごとに固有のバリエーションを持つ、多くの異なるサンプルを含んでいるからです。研究者たちは、これらの別々の地図を単一の首尾一貫した絵へと縫い合わせるための、MAPLEと名付けられた新しいコンピュータ手法を作成しました。この手法を、健康なドナーおよび重度の線維症患者の肺組織に適用することで、彼らは混沌の中に隠された秩序を見出しました。病気は単にいたるところで同時に起こるのではなく、特定の地域的なルールに従っていることが判明しました。肺の上部では、構造タンパク質の過剰な蓄積によって損傷が引き起こされる一方で、下部では、特定の領域に集まる独特な種類の免疫細胞によって病気が進行しているのです。

研究者たちはまず、4名の個人から肺組織を収集することから始めました。2名は健康な人々であり、2名は進行した線維症の患者です。彼らは、細胞の完全性を保つ方法で、肺の上部および下部のセクションからサンプルを採取しました。ハイテクなイメージングシステムを用いて、これら組織切片の数千の微小なスポットにおける遺伝活動を捉えました。各スポットには細胞の混合物が含まれており、目標は、どのような種類の細胞が存在し、それらがどのように組織化されているかを解明することでした。新しいMAPLEアルゴリズムは、洗練されたガイドとして機能し、遺伝的シグネチャーとその位置に基づいて、これらのスポットを明確な領域へとグループ化しました。これは、すべてのサンプルから同時に学習することで、患者間で共通するパターンを認識すると同時に、上葉と下葉の違いも考慮しながら行われました。

領域がマッピングされると、チームは病気の進行に関する明確な物語を見ることができました。健康な肺では、ガス交換の不可欠な働き手である、肺胞を覆う細胞や血管を構成する細胞が組織を支配しています。病気が健康な組織から線維症の肺の上部へと、そして最終的に下部へと進行するにつれ、これら不可欠な細胞は消失していきました。その代わりに、別のタイプの細胞が取って代わりました。それは間葉系細胞です。これらは体の構造的枠組みを構築する責任を持つ細胞ですが、線維症においては過剰に活動し、過剰な瘢痕組織を形成してしまいます。研究者たちは、健康なガス交換細胞がこれら瘢らを作る細胞に置き換わっていく、着実な推移を観察しました。この遷移は、病変のある肺の下部において最も極端なものとなりました。

また、研究は肺の上部と下部が単に同じように損傷を受けているのではなく、異なるメカニズムによって損傷を受けていることも明らかにしました。上葉では、線維化領域は細胞を繋ぎ止める足場である細胞外マトリックスの劇的なリモデリングを特徴としていました。この領域は、コラーゲンやその他の構造タンパク質を構築する遺伝子に富んでいました。対照的に、下部は異なる物語を伝えていました。ここでの線維化領域は、B細胞と呼ばれる特定の種類の免疫細胞の密な集まりに囲まれていました。研究者たちは、個々の細胞を見ることができる第二の、より高解像度のイメージング技術を用いて、この発見を確認しました。彼らは、これらのB細胞が単にランダムに浮遊しているのではなく、線維性の瘢痕の周囲に固まって集まっている様子を観察しました。これは、その特定の部位における免疫系と瘢痕化プロセスの間の、密接かつ活動的な関係を示唆しています。

もう一つの重要な発見は、しばしば「ゾンビ」細胞と呼ばれる老化細胞の存在に関するものでした。これらは分裂を停止しているものの死ぬことを拒み、代わりに周囲に害を与える信号を放出する細胞です。研究者たちは、これらの老化細胞が肺全体に均一に散らばっているのではなく、異常な基底細胞様細胞（aberrant basaloid cell）と呼ばれる奇妙で異常な細胞のすぐ隣にある特定の場所に集中していることを見出しました。これらの基底細胞様細胞は、深刻な肺損傷と誤った修復の兆候です。データは強い空間的関連性を示しました。これらの異常な基底細胞様細胞が見られる場所では、老化細胞も高い数で存在していました。これは、これらの有害な非分裂細胞の蓄積が、これら異常な修復細胞の拡大と密接に関連していることを示唆しており、病気を前進させる局所的な環境を作り出している可能性があります。

この研究は、線維症のような複雑な疾患が体内でどのように組織化されているかを理解するための新しい枠組みを提供します。複数の患者のデータを組み合わせ、肺の特定の地理を考慮に入れることで、研究者たちは、各サンプルを個別に研究した場合に見逃されていたであろうパターンを見出すことができました。彼らは、疾患が単一の一様なプロセスではなく、それぞれが独自の免疫細胞、構造的変化、および細胞行動の混合物を持つ、地域的なプログラムの集合体であることを実証しました。彼らが開発した新しい手法であるMAPLEは、あらゆる組織におけるこれらの空間的関係を探索する手段を提供し、科学者が単なる遺伝子のリストを超えて、自然な環境における細胞の相互作用を真に理解することを助けます。このアプローチは、肺に何が起きているかを単に記述するだけでなく、どこで、どのように崩壊が起きているのかを正確に示しており、瘢痕化のプロセスを阻止または逆転させるための将来の研究に向けた、より明確な道筋を提示しています。