Proteome modulation by opposite inotropic drugs in human engineered cardiac tissue revealed by topology-driven cross-modal integration

인간의 심장은 끊임없이 펌프질을 하는 근육으로, 휴식 없이 하루에 약 10만 번 정도 박동합니다. 이 리듬을 유지하기 위해 심장은 수축하고, 신호를 보내고, 에너지를 생성하는 단백질들의 복잡한 내부 기계 장치에 의존합니다. 과학자들이 새로운 약물을 테스트하거나 심장 질환을 이해하고자 할 때, 그들은 종종 공학적으로 제작된 심장 조직(engineered heart tissues)으로 눈을 돌립니다. 이것들은 실제 인간의 심장 행동을 모방하도록 설계되어 실험실에서 배양된 살아있는 심장 세포들의 작은 3차원 덩어리입니다. 이들은 약물이 심장 박동의 강도를 어떻게 변화시키는지 관찰하고, 동시에 세포 내부에서 어떤 일이 일어나는지 볼 수 있는 방법을 제공합니다. 하지만 근육의 가시적인 움직임을 수천 개의 단백질이 일으키는 보이지 않는 변화와 연결하는 것은 어려웠습니다. 전통적인 방법들은 물리적 움직임과 분자 데이터를 별개의 이야기로 취급하여, 이들이 서로 어떻게 영향을 미치는지 파악하기 어렵게 만들었습니다.

새로운 연구에서 연구진은 인간 줄기세포로부터 공학적으로 제작된 심장 조직을 배양하고, 심장을 더 강하게 뛰게 만드는 에피네프린(epinephrine)과 심장을 약화시키는 것으로 알려진 항암제 독소루비신(doxorubicin)이라는 매우 다른 두 가지 약물을 처리함으로써 이 과제에 도전했습니다. 그들은 심장 박동의 힘을 측정했고, 그 후 조직 내부의 단백질을 분석하여 세포가 어떻게 반응했는지 확인했습니다. 방대한 양의 데이터를 이해하기 위해 연구팀은 위상 데이터 분석(topological data analysis)이라 불리는 수학적 접근법을 사용했습니다. 데이터를 단순한 차트로 강제로 밀어 넣는 대신, 이 방법은 정보 내의 전반적인 형태와 연결성을 살펴봄으로써 연구진이 약물, 근육의 강도, 그리고 단백질 변화 사이의 관계를 한꺼번에 매핑할 수 있게 해줍니다.

실험은 실험실에서 배양되어 작은 박동하는 조직을 형성할 때까지 자란 인간 심장 세포 한 배치로부터 시작되었습니다. 연구진은 이 조직들을 여러 그룹으로 나누었습니다. 일부는 그대로 두었고, 일부는 무해한 용매를 처리했으며, 한 그룹은 에피네프린을, 또 다른 그룹은 독소루비신을 받았습니다. 24시간 후, 그들은 각 조직이 얼마나 강하게 수축하는지 측정했습니다. 예상대로 에피네프린을 처리한 조직은 더 강한 힘으로 쥐어짰고, 독소루비신을 처리한 조직은 더 약해졌습니다. 이 힘을 측정한 직후, 연구진은 세포 내부의 단백질을 포착하기 위해 조직을 급속 냉동했습니다. 그들은 각 샘플에서 7,000개 이상의 서로 다른 단백질 그룹을 식별하였으며, 이를 통해 세포 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 상세한 분자 지도를 만들었습니다.

이 수천 개의 단백질이 심장 박동의 강도와 어떻게 관련되어 있는지 이해하기 위해, 팀은 통합 네트워크 모델을 구축했습니다. 데이터를 단순한 숫자 목록이 아니라, 모든 점이 하나의 조직 샘플을 나타내는 하나의 풍경(landscape)이라고 상상해 보십시오. 이 풍경 속에서 연구진은 단백질 수준과 심장 박동 강도를 기준으로 샘플들을 배치했습니다. 이는 조직들이 유사한 행동과 분자 프로필을 가질 때 함께 모이게 하는 연결된 지도를 만들어냈습니다. 이 지도는 어떤 약물을 받았는지에 따라 조직들을 명확하게 구분했습니다. 에피네프린을 처리한 조직은 높은 힘을 특징으로 하며 한 영역에 모였고, 독소루비신을 처리한 조직은 낮은 힘을 특징으로 하며 완전히 다른 영역에 모였습니다. 처리되지 않은 조직들은 중간에 위치하여, 약물이 심장 세포를 뚜렷한 분자 상태로 몰아넣었음을 보여주었습니다.

이 지도에서의 연결성을 조사함으로써, 연구진은 이러한 변화를 주도하는 구체적인 단백질이 무엇인지 발견했습니다. 그들은 에피네프린에서 보이는 것처럼 강한 심장 박동과 관련된 단백질들이 에너지 생산 및 세포의 발전소로 알려진 미토콘드리아 내부에서 새로운 단백질을 구축하는 기계와 밀접하게 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 반면, 독소루비신에 의해 심장이 약해질 때 변하는 단백질들은 거의 정반대의 패턴을 보였습니다. 약물들은 이러한 에너지 및 단백질 구축 과정이 심장 기능과 연관되는 방식을 역전시켰습니다. 긍정적인 약물은 에너지 생산과 근육 힘 사이의 연결을 강화한 반면, 부정적인 약물은 그 연결을 방해했는데, 이는 심장의 수축 능력은 에너지 관리 및 내부 단백질 균형 유지 능력과 깊이 연관되어 있음을 시사합니다.

이 연구가 이러한 단백질 변화가 심장을 더 강하게 혹은 더 약하게 만든다는 인과관계를 입증한 것은 아니지만, 그것들 사이의 강력하고 직접적인 연관성을 보여주었습니다. 연구진은 단순히 단백질이 변한다는 것이 그 단백질이 더 활성화되었다는 것을 의미하는 것이 아니라, 단지 다른 양으로 존재한다는 것을 의미한다고 언급했습니다. 그러나 패턴의 명확성은 에너지 항상성과 미토콘드리아 건강이 심장이 약물에 반응하는 데 핵심적이라는 점을 시사합니다. 물리적 기능과 분자 구성을 하나의 상호 연결된 시스템으로 다루는 이 새로운 방식의 데이터 관찰법은 복잡한 생물학적 반응을 이해하는 강력한 도구를 제공합니다. 이는 과학자들이 고립된 사실을 넘어 시스템 전체로서의 이해를 통해, 약물이 살아있는 조직을 어떻게 변화시키는지에 대한 큰 그림을 볼 수 있게 해줍니다. 이러한 접근 방식은 에너지 항상성과 미토콘드리아 건강이 심장 반응의 중심에 있음을 밝혀냄으로써, 더 나은 약물을 개발하고 심장 질환을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 심장의 박동 뒤에 숨겨진 분자 이야기를 밝혀냄으로써 더 넓은 통찰을 제공할 수 있습니다.