Mantpy: a framework for extracellular matrix analysis in spatial proteomics

살아있는 조직의 미시 세계에서 세포는 고립되어 존재하지 않는다. 세포들은 세포외 기질(extracellular matrix)이라고 알려진 복잡하고 섬유질로 된 비계(scaffold) 속에 박혀 있다. 이 물질은 단순히 수동적인 채움재가 아니다. 이는 물리적 지지력과 화학적 신호를 제공하여 세포가 어떻게 행동하고, 이동하며, 소통하는지를 안내하는 역동적인 구조물이다. 수십 년 동안 인체의 조직을 연구해 온 과학자들은 주변의 기질을 배경 소음으로 취급하며 거의 전적으로 세포 자체에만 집중해 왔다. 이러한 접근 방식은 세포 기능에 대한 깊은 통찰을 제공했지만, 우리 이해의 결정적인 공백을 남겼다. 집을 이해할 때 그 안에서 움직임을 형성하는 벽과 바닥을 고려하지 않고 오직 그 안에 사는 사람들만을 연구해서는 집을 완전히 이해할 수 없는 것과 마찬가지로, 조직 또한 세포를 결합하고 있는 기질을 무시한 채 세포만을 관찰해서는 완전히 이해할 수 없다. 현대의 이미징 기술은 마침내 세포와 이 복잡한 기질을 본래의 방해받지 않은 위치 그대로 포착할 수 있는 수준에 도달했으나, 이 결합된 데이터를 분석할 도구는 그 뒤처져 있었다.

Mantpy라고 불리는 새로운 프레임워크는 세포와 그 주변 환경 사이의 관계를 하나의 연결된 시스템으로 매핑하는 방법을 제공함으로써 이러한 불균형을 해결한다. 이 연구의 개발자들은 기존의 분석 도구들이 세포 중심의 관점으로 설계되어, 과학자들이 기질을 별개의 개체나 정적인 배경으로 취급하게 만든다는 점을 인식했다. Mantpy는 조직을 공간 그래프(spatial graph), 즉 물리적 근접성에 따라 관심 지점들을 서로 연결하는 디지털 구조체로 표현함으로써 이러한 관점을 변화시킨다. 이 시스템에서 프레임워크는 기질 물질을 식별하는 마커로부터 직접 네트워크를 구축하여 비계 자체의 지도를 만든다. 그런 다음 이 기질 지도를 별도의 세포 지도와 연결하여, 이들을 하나의 결합된 네트워크로 엮어낸다. 이를 통해 소프트웨어는 기질과 세포를 개별적으로 분석하는 대신, 이들이 어떻게 상호작용하는지를 고려하여 통계를 계산하고 고급 학습 방법을 적용할 수 있다. 이 도구는 단일 유형의 기질 마커부터 다양한 세포 및 기질 신호를 포함하는 복잡한 패널에 이르는 데이터를 처리할 수 있도록 설계되었다.

이러한 접근 방식의 유용성은 여러 뚜ğer한 생물학적 환경에서 입증되었으며, 이전에는 보기 어려웠던 세부 사항들을 밝혀냈다. 인간의 장 조직에서 이 프레임워크는 기질이 세포와 함께 뚜렷한 층을 이루며 어떻게 스스로를 조직하는지를 보여줌으로써 장기의 층상 구조를 성공적으로 복원해 냈다. 감염된 마우스 간 조직에 적용했을 때는 질병 상태와 연관된 기질의 구성 및 조직화의 구체적인 변화를 규명하여, 감염에 반응하여 비계가 어떻게 재구조화되는지를 강조했다. 마찬가지로, 마우스 폐 조직에서 이 시스템은 개별 세포와 그 세포가 접촉하고 있는 기질 구조 사이의 특정한 연관성을 특징지었다. 이러한 발견은 단지 이론적인 것에 그치지 않았다. 프레임워크는 세포 및 기질 마커를 모두 포함하는 실제 다중(multiplexed) 데이터셋을 대상으로 테스트되었으며, 복잡하고 다층적인 생물학적 정보를 처리할 수 있는 능력을 증명했다.

이 도구를 더 넓은 과학계가 쉽게 사용할 수 있도록 하기 위해, 연구진은 연구에 사용된 데이터셋과 함께 이를 공개하였으며, 여기에는 다른 이들이 연구를 재현하는 데 필요한 세포외 기질 정보가 포함되어 있다. 이 프레임워크는 단일 세포 데이터 분석에 널리 사용되는 소프트웨어 도구 모음인 scverse 생태계와 상호 운용되도록 구축되어, 기존의 워크플로우에 원활하게 통합된다. 분석 단위를 세포를 넘어 이를 둘러싼 기질까지 확장함으로써, Mantpy는 조직 생물학에 대한 더 완전한 그림을 제공한다. 이는 조직을 고립된 단위들의 집합이 아니라, 비계와 세포가 불가분하게 연결된 통합된 경관으로 바라보게 함으로써, 세포 사이의 공간에 의해 건강과 질병이 어떻게 형성되는지에 대한 더 명확한 시각을 제공한다.