High-Dimensional Multi-omic Mapping of Post-Mortem Human Brain Using Iterative Indirect Immunofluorescence Imaging on Xenium-Processed Tissues

人間の脳は、数十億もの細胞が協力して思考、記憶、そして運動を生み出す、計り知れない複雑さを持つ景観です。何十年もの間、科学者たちは個々の細胞を研究することでこの景観を理解しようとしてきましたが、大きな限界となっていたのは「場所の喪失」でした。研究者が細胞の遺伝的指示を調べるために細胞を抽出するとき、彼らは実質的に地図を手に取り、それをバラバラに引き裂いているようなものであり、それぞれの断片がどこに属していたかという文脈を失ってしまうのです。近年、「空間トランスクリプトミクス」と呼ばれる新世代の技術により、科学者は組織切片の中の元の場所に留まったまま、細胞の遺伝的指示を読み取ることが可能になりました。これは画期的な進歩であり、異なる細胞型がどのように配置され、どのように相互作用しているかを明らかにしました。しかし、遺伝コードを読み取るだけでは不十分な場合があります。遺伝子は設計図ですが、それらが構築するタンパク質こそが、細胞の形や機能を定義する実際の労働者であり構造物なのです。脳の構造がタンパク質の塊や絡まり合った繊維によって破壊されるアルツハイマー病のような疾患において、遺伝コードを知りながら物理的な構造を見ることができないのは、建物を一度も見ることなく電話帳を読んで街を理解しようとするようなものです。

この溝を埋めるために、コロンビア大学とラッシュ大学の研究チームは、同じ脳組織片に対して2つの強力な技術を組み合わせる手法を開発しました。彼らはまず、単一の組織切片内の数千の遺伝子の活動を驚異的な詳細さで読み取る「Xenium」と呼ばれるハイテクイメージングシステムから始めました。通常、このプロセスが終了すると、その組織はさらなるタンパク質分析には「使い果たされた」とみなされます。しかし、研究者たちは、組織を次の調査のために保存する方法を見出しました。遺伝子の読み取りが完了した後、彼らは特殊なバッファーを用いて遺伝子プローブを取り除く一連の入念に時間を計った化学処理を行い、その後、同じ組織に特定のタンパク質を光らせる抗体を染色しました。この染色、イメージング、および除去のサイクルを5回繰り返すことで、彼らはすでに収集していた遺伝データと完璧に重なり合う、高解像度のタンパク質マップを作り上げました。これにより、どの遺伝子が活性化しているかだけでなく、細胞がどのような姿をしているのか、そしてそれらがアルツハイマー病の病理学的な罠に囚われているのかどうかまでも観察することができたのです。

研究者たちは、宗教団体研究（ROS）およびラッシュ・メモリー・アンド・エイジング・プロジェクト（MAP）の参加者の中から亡くなった方の脳組織である、視覚に関与する後頭部の領域、つまり楔状皮質を用いてこのアプローチをテストしました。彼らは、アミロイド斑やタウタンパク質の絡まり、さらには血管の異常といった、アルツハイマー病の特徴として知られる領域に焦点を当てました。チームは、ニューロン、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイトを含む主要な細胞型、および特定の疾患の兆候を特定するためのマーカーパネルを設計しました。彼らはまず遺伝子配列決定を行い、次に特殊な化学バッファーを使用して、組織やその下にあるタンパク質を損傷することなく遺伝子プローブを取り除きました。その後、特定のタンパク質を光らせる新しい抗体セットを適用し、高解像度の写真を撮影し、さらに4回の除去と染色を繰り返しました。「4i」として知られるこの反復プロセスにより、彼らは合計15種類の異なるタンパク質マーカーを全く同じ組織切片上で捉え、脳の微小環境に関する豊かで多層的な視点を作り出したのです。

この研究の最も重要な成果の一つは、以前よりもはるかに高い精度で細胞型を特定できるようになったことです。標準的な遺伝学的研究では、科学者はどの遺伝子がオンになっているかのみに基づいて、どのような細胞を見ているのかを推測しなければならないことがよくあり、それはノイズが多く混乱を招く可能性があります。タンパク質データを加えることで、研究者は細胞の物理的な形状やタンパク質マーカーを用いて、その正体を確定させることができました。彼らは、タンパク質画像に基づいて異なる細胞核の形状を認識するようにコンピュータプログラムを訓練しました。このプログラムは、特定の形状とタンパク質シグネチャーを持つニューロンと、見た目が異なり異なるマーカーを持つ免疫細胞であるミクログリアを区別することを学習しました。彼らがこのシステムをテストしたところ、主要な細胞型を大部分のケースで正しく特定し、遺伝データに強固な基盤を提供しました。これは、特定の細胞の遺伝的活動を見るときに、その細胞が実際に何であるかについて、より高い確信を持てることを意味しました。

研究はまた、細胞の物理的な境界が遺伝データの読み取りにどのように影響するかをも明らかにしました。脳内では、細胞はしばしば隣接する相手に触れるように伸びる、長く枝分かれした腕を持っています。科学者が細胞に遺伝的メッセージを割り当てようとするとき、細胞の中心からどこまで線を引くかを決定しなければなりません。線が小さすぎると重要なメッセージを見逃し、大きすぎると隣人のメッセージを誤ってカウントしてしまう可能性があります。遺伝データと細胞の明確なタンパク質輪郭を比較することにより、研究者たちは、細胞の境界を固定値の5マイクロメートルだけわずかに広げるのが最適であることを発見しました。この単純な調整により、隣の細胞と混ざり合うことなく、遺伝的メッセージを正確に捉えることができ、空間生物学における共通の課題を解決しました。

おそらく最も重要なことは、この手法によって、チームがアルツハイマー病による損傷に対して細胞がどのように位置しているかを見ることができたことです。彼らはアミロイド斑やタウタンレクトが正確にどこに位置しているかをマッピングし、それらの周囲にどの特定の細胞型が集まっているのかを見ることができました。彼らは、特定の免疫細胞や支持細胞がこれらの病理学的特徴の近くに集まり、疾患特有の微小環境を作り出していることを観察しました。これらすべての情報は同じ組織切片から得られたものであるため、遺伝的活動、タンパク質マーカー、および疾患の物理的な位置関係の間のつながりは、直接的かつ明白なものでした。研究者たちは、このワークフローが堅牢であり、ほとんどの医学アーカイブが脳サンプルを保存するために使用している標準的な方法である、ホルマリンで保存されたヒト脳組織にも適用可能であることを実証しました。

この研究は、アルツハイマー病を治療したり、この疾患の謎を解明したりすることを主張するものではありません。むしろ、脳を見るための、より精密な新しいツールを提供するものです。遺伝子の読み取りとタンパク質イメージングを同じ組織上で組み合わせることで、研究者たちは、脳の包括的なマップを構築することが可能であることを示しました。このマップには、遺伝的指示、物理的構造、そして疾患の兆候がすべて一箇所に含まれています。この手法は柔軟であり、異なるタンパク質や異なる疾患を探すように調整可能であり、以前は不可能であったレベルの詳細さで脳の複雑さを研究する方法を提供します。老化する脳を研究している科学者にとって、このアプローチは、病理が存在する中で細胞がどのように変化し、相互作用するかについてのより明確な窓を開き、これらの疾患がどのように進行するかについてのより深い理解へとつながる可能性があります。