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

인간의 폐는 공기와 혈액이 만나는 거대하고 복잡한 풍경이며, 우리를 살아가게 하는 섬세한 교환이 일어나는 곳입니다. 특발성 폐섬유증이라는 질병에서는 이 풍경이 서서히 변형됩니다. 건강하고 폭신폭신한 조직이 두껍고 딱딱한 흉터 조직으로 대체되는데, 이는 마치 푸르른 정원이 콘크리트로 뒤덮이는 것과 같습니다. 이 과정은 균일하게 일어나지 않습니다. 이는 구역별로 발생하여, 폐의 일부 영역은 비교적 손상되지 않은 채 남겨두는 반면 다른 영역은 황폐화시킵니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 질병이 다양한 세포 유형의 혼란스러운 결합을 포함한다는 점을 이해해 왔지만, 이 세포들이 공간적으로 어떻게 배치되어 있는지는 파악하는 데 어려움을 겪었습니다. 세포를 연구하는 전통적인 방식은 대개 조직 샘플을 갈아버리는 과정을 포함하는데, 이는 각 세포가 어디에 위치해 있었는지에 대한 지도를 파괴합니다. 그 지도가 없다면, 이웃한 세포들이 서로 어떻게 대화하는지, 혹은 질병이 한 구역에서 다른 구역으로 어떻게 퍼져나가는지 이해하는 것은 불가능합니다.

이를 해결하기 위해, 연구진은 지형을 보존하면서 폐를 관찰할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 공간 전사체학(spatial transcriptomics)이라 불리는 기술을 사용했는데, 이는 과학자들이 세포 내부의 유전적 지침을 읽으면서도 세포들을 조직 내 원래 위치에 그대로 유지할 수 있게 해줍니다. 그러나 이러한 데이터를 분석하는 것은 까다로운데, 환자마다 고유한 변이가 있는 많은 서로 다른 샘플을 다뤄야 하기 때문입니다. 연구진은 이 여러 개의 분리된 지도들을 하나의 일관된 그림으로 엮어내기 위해 MAPLE이라고 명명한 새로운 컴퓨터 알고리즘을 만들었습니다. 이 방법을 건강한 기증자와 심각한 섬유증 환자의 폐 조직에 적용함으로써, 그들은 혼돈 속에서 숨겨진 질서를 발견했습니다. 그들은 질병이 단순히 모든 곳에서 동시에 발생하는 것이 아니라, 특정 지역적 규칙을 따른다는 것을 밝혀냈습니다. 폐의 상부에서는 구조 단백질의 과도한 축적이 손상을 주도하는 반면, 하부에서는 특정 유형의 면역 세포가 특정 이웃 구역에 모여들면서 질병을 가속화한다는 사실을 찾아냈습니다.

연구진은 먼저 네 명의 개인으로부터 폐 조직을 수집했습니다(건강한 사람 2명, 진행된 섬로증 환자 2명). 그들은 세포를 온전하게 유지하는 방식으로 조직을 보존하며 폐의 상부와 하부 샘찰을 모두 채취했습니다. 첨단 이미징 시스템을 사용하여, 이 조직 단면 전체의 수천 개 미세 지점(spots)에서 발생하는 유전적 활동을 포착했습니다. 각 지점은 세포들의 혼합물이었으며, 연구의 목표는 그곳에 어떤 종류의 세포가 있고 어떻게 조직되어 있는지 파악하는 것이었습니다. 새로운 MAPLE 알고리즘은 정교한 가이드 역할을 하여, 유전적 특징과 위치를 바탕으로 이 지점들을 별개의 영역으로 그룹화했습니다. 이 알고리즘은 모든 샘플로부터 동시에 학습함으로써, 환자 간의 차이를 고려하면서도 환자들에게 공통적으로 나타나는 패턴을 인식해 냈습니다.

영역이 지도화된 후, 연구진은 질병 진행의 명확한 이야기를 볼 수 있었습니다. 건강한 폐의 조직은 가스 교환의 필수 작업자인 공기 주머니(폐포)와 혈관을 감싸는 세포들로 채워져 있습니다. 섬유증이 있는 폐의 상부 폐엽을 거쳐 하부 폐엽으로 이동함에 따라, 이 필수적인 세포들은 사라졌습니다. 그 자리에는 다른 유형의 세포가 차지하게 되는데, 바로 중간엽 세포(mesenchymal cells)입니다. 이들은 신체의 구조적 틀을 만드는 데 책임이 있는 세포들이지만, 섬유증이 발생하면 과잉 활성화되어 너무 많은 흉터 조직을 쌓아 올립니다. 연구진은 건강한 가스 교환 세포들이 흉터를 만드는 세포들로 교체되는 꾸준한 변화를 관찰했으며, 이러한 전이는 질병이 있는 폐의 하부에서 가장 극단적으로 나타났습니다.

또한 연구는 폐의 상부와 하부가 동일한 방식으로 손상되는 것이 아니라, 서로 다른 메커니즘에 의해 손상된다는 것을 보여주었습니다. 상부 폐엽의 섬로 부위는 세포들을 붙잡아주는 비계(scaffolding) 역할을 하는 세포외 기질(extracellular matrix)의 대규모 재구성이 특징이었습니다. 이 영역은 콜라겐과 기타 구조 단백질을 구축하는 유전자들이 풍부했습니다. 반면, 하부 폐엽은 다른 이야기를 들려주었습니다. 이곳의 섬로 영역은 특정 유형의 면역 세포인 B세포의 밀집된 모임에 둘러싸여 있었습니다. 연구진은 개별 세포를 볼 수 있는 두 번째 고해역량 이미징 기술을 사용하여 이 발견을 확인했습니다. 그들은 이 B세ล์들이 단순히 무작위로 떠다니는 것이 아니라, 섬유성 흉터 주변에 빽빽하게 군집을 이루고 있다는 것을 보았으며, 이는 해당 폐 부위에서 면역 체계와 흉터 형성 과정 사이의 긴밀하고 활발한 관계를 시사합니다.

또 다른 중요한 발견은 흔히 "좀비" 세포라고 불리는 노화 세포(senescent cells)의 존재였습니다. 이들은 분열을 멈췄지만 죽기를 거부하며, 대신 주변에 해를 끼칠 수 있는 신호를 방출하는 세포들입니다. 연구진은 이러한 노화 세포들이 폐 전체에 고르게 흩어져 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 이들은 '이상 변형 기저세포(aberrant basaloid cell)'라고 불리는 기이하고 비정상적인 세포 유형 바로 옆의 특정 지점에 집중되어 있었습니다. 기저세포는 심각한 폐 손상과 잘못된 복구의 징후입니다. 데이터는 강력한 공간적 연관성을 보여주었습니다. 즉, 이러한 비정상적인 기저세포가 발견되는 곳에는 노화 세포 또한 높은 수치로 존재했습니다. 이는 이러한 해로운 비분열 세포의 축적이 비정상적인 복구 세포의 확장과 밀접하게 연결되어 있음을 시사하며, 질병을 몰아가는 국소적 환경을 조성한다는 것을 보여줍니다.

이 연구는 섬유증과 같은 복잡한 질병이 체내에서 어떻게 조직되는지를 이해하는 새로운 틀을 제공합니다. 여러 환자의 데이터를 결합하고 폐의 특정 지형을 고려함으로써, 연구진은 각 샘플을 개별적으로 연구했을 때 놓쳤을 패턴을 포착할 수 있었습니다. 그들은 질병이 단일하고 균일한 과정이 아니라, 각각 고유한 면역 세포, 구조적 변화, 그리고 세포 행동의 혼합물을 가진 지역적 프로그램들의 집합체임을 입증했습니다. 그들이 개발한 새로운 방법인 MAPLE은 어떤 조직에서도 이러한 공간적 관계를 탐구할 수 있는 길을 열어주며, 과학자들이 단순히 유전자의 목록을 넘어 자연스러운 환경 속에서 세포가 어떻게 상호작용하는지에 대한 진정한 이해로 나아가도록 돕습니다. 이 접근 방식은 단순히 폐에 무엇이 잘못되었는지를 설명하는 것에 그치지 않고, 정확히 어디에서 어떻게 붕괴가 일어나고 있는지를 보여줌으로써, 흉터 형성 과정을 멈추거나 되돌리기 위한 미래 연구의 더 명확한 경로를 제시합니다.