Expansion Revealing of Pathology Resolves Nanostructures Associated with Inflammatory Phenotypes in COVID-19 Decedent Human Brain Tissue

본 연구는 COVID-19 사망자의 뇌 조직을 고해상도로 이미징하여 SARS-CoV-2 와 공국소화되는 주기적인 아밀로이드 나노클러스터를 규명하고 새로운 신경염증성 질환 기전을 제시하기 위해 인간 병리 표본과 호환되는 적응형 확장 현미경 프로토콜 (ExRPath 및 15ExMPath) 을 소개합니다.

핵심

헬리콥터에서 붐비는 도시 거리를 내려다보려 한다고 상상해 보세요. 높은 곳에서 보면 건물들과 교통 흐름의 대략적인 양상은 보이지만, 사람들의 얼굴이나 차량의 구체적인 세부 사항까지 구별해 내기는 어렵습니다. 과학자들이 현미경으로 인간 뇌 조직을 관찰할 때 자주 마주치는 상황도 이와 같습니다. 세포와 단백질이 너무 빽빽하게 밀집되어 있어 흐릿하고 구별할 수 없는 덩어리처럼 보이기 때문입니다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 더 나은 렌즈 없이도 '확대'할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 이를 **병리학적 확장 가시화 (ExRPath)**라고 부릅니다.

다음은 간단한 비유를 통해 그 작동 원리를 설명한 것입니다:

"신축성 있는 천" 트릭
뇌 조직을 고체 암석으로 생각하지 말고, 매우 밀집되고 엉켜 있는 천 조각으로 생각하세요. 보통 천 안쪽에 무엇이 짜여 있는지 보기 위해 실을 떼어내려 하면, 조직을 의학 검사용으로 보존하는 데 사용된 화학 물질들이 실들을 서로 붙들어 매고 있기 때문에 천이 찢어지거나 실이 끊어집니다.

과학자들은 보존된 뇌 조직을 신축성 있는 고무줄처럼 작용하는 젤에 담글 수 있게 해주는 gentle, 마법 같은 용제 역할을 하는 새로운 특수 레시피 (ExRPath) 를 개발했습니다. 이 고무줄을 당기면 조직이 모든 방향으로 20 배 확장됩니다.

• 이전: 어깨와 어깨가 맞닿아 있는 붐비는 방을 상상해 보세요. 누가 누구 옆에 서 있는지 볼 수 없습니다.
• 이후: 이제 같은 방이 갑자기 확장되어 모든 사람이 20 피트씩 떨어져 있다고 상상해 보세요. 갑자기 누가 누구 옆에 서 있는지, 무엇을 들고 있는지, 어떻게 상호작용하는지 명확하게 볼 수 있습니다.

"붐비는 방"에서 발견한 것
연구자들은 COVID-19 로 사망한 사람들의 뇌 조직에 이 새로운 신축 기술을 적용했습니다. 바이러스 크기까지의 미세한 세부 사항을 마침내 볼 수 있게 되자, 몇몇 환자들에서 놀라운 사실을 발견했습니다:

뇌 염증과 자주 연관되는 단백질인 아밀로이드의 tiny, 반복되는 군집이 SARS-CoV-2 바이러스 바로 옆에 서 있는 것을 발견한 것입니다.

큰 그림
이는 마치 특정 지역 몇 곳에서 특정 브랜드의 배송 트럭 (바이러스) 위에 특정 유형의 낙서 (아밀로이드) 가 직접 그려져 있는 것을 발견하는 것과 같습니다. 이는 모든 곳에서 일어나는 것은 아니지만, 발생한다면 바이러스와 연관될 수 있는 뇌의 특정 염증 패턴을 시사합니다.

왜 이것이 중요한가
여기서 주요 성과는 이러한 군집을 발견한 것뿐만 아니라, 이전에는 이렇게 가까이 연구할 수 없었던 오래된 보존 의료 샘플에 이 '신축성 있는' 현미경 트릭을 사용할 수 있음을 입증한 것입니다. 먼지 쌓인 잠긴 옛 사진 아카이브를 가져와 갑자기 사진 뒷면의 작은 손글씨를 읽을 수 있게 되어, 질병이 뇌에 미치는 영향에 대한 새로운 단서를 드러내는 것과 같습니다.

간단히 말해, 이 논문은 다음과 같이 말합니다: "우리는 보존된 뇌 조직을 늘려 미세한 세부 사항을 명확하게 볼 수 있는 방법을 고안했고, 이를 통해 일부 환자들에서 COVID-19 바이러스와 뇌 염증 사이의 특정 연관성을 발견했습니다."

기술 요약

기술 요약

문제
확장 가시화 (ExR) 는 20 배 선형 확장을 통해 밀집된 나노구조 내의 단백질을 물리적으로 분리함으로써 세포 조직을 해명하도록 설계된 기술로, 이를 통해 초고해상도 이미징이 가능해집니다. 그러나 표준 ExR 의 중요한 한계는 포름알데히드 고정 파라핀 포매 (FFPE) 인간 병리 검체와 양립할 수 없는 고정 절차에 의존한다는 점입니다. 이러한 양립성 부재는 ExR 을 보관된 임상 조직에 적용하는 것을 방해하여, 특히 인간 뇌 병리학에서의 나노구조적 변화 연구를 저해했습니다.

방법론
이러한 한계를 극복하기 위해 저자들은 인간 뇌 병리 검체와 양립할 수 있도록 20 배 반복 확장 공정을 적응시킨 **병리학적 확장 가시화 (ExRPath)**를 개발했습니다. 이 프로토콜은 약 20 nm 의 해상도를 달성하고 밀집된 조직 구조의 '밀집 해소 (decrowding)'를 가능하게 합니다. 또한, 저자들은 단일 단계에서 15 배 선형 확장을 달성하는 간소화된 단일 샷 프로토콜인 **병리학적 15 배 확장 (15ExMPath)**을 도입했습니다. 두 방법 모두 FFPE 인간 뇌 조직에 사용하도록 특별히 최적화되었습니다.

주요 기여 및 결과
저자들은 ExRPath 와 15ExMPath 를 COVID-19 로 사망한 사체의 뇌 조직에 적용했습니다. 이러한 확장된 프로토콜의 대용량 나노이미징 능력은 다음과 같은 구체적인 구조적 발견을 밝혔습니다:

• 조직 내 주기적인 아밀로이드 나노클러스터의 확인.
• 이러한 나노클러스터가 검토된 환자 검체 중 극히 소수에서 SARS-CoV-2 와 공국소화된다는 관찰.

의의
이 논문은 이러한 발견이 COVID-19 와 관련된 잠재적인 신경염증성 표현형을 가리킨다고 주장합니다. 저자들은 기존 병리학의 해상도 한계와 표준 확장 프로토콜이 보관된 인간 조직과 양립하지 못해 이전에는 접근할 수 없었던 잠재적 새로운 질병 기전을 밝혀낼 수 있음을 보여주는, 임상 검체의 대용량 나노이미징에 적응된 확장 현미경의 힘을 입증한 본 연구의 의의를 강조합니다.