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

인간의 뇌는 수십억 개의 세포가 협력하여 사고, 기억, 운동을 만들어내는 엄청난 복잡성의 풍경입니다. 수십 년 동안 과학자들은 개별 세포를 연구함으로써 이 풍경을 이해하려고 노력해 왔지만, 위치 정보의 상실은 주요한 한계였습니다. 연구자들이 유전적 지침을 연구하기 위해 세포를 추출할 때, 그들은 사실상 지도를 조각내어 찢어버리는 것과 같으며, 각 조각이 어디에 속해 있었는지에 대한 맥락을 잃게 됩니다. 최근 몇 년 동안, 공간 전사체학(spatial transcriptomics)이라 불리는 새로운 세대의 기술은 과학자들이 조직 절편 내의 원래 위치에 머물러 있는 상태로 세포의 유전적 지침을 읽을 수 있게 해주었습니다. 이는 서로 다른 세포 유형이 어떻게 배치되고 어떻게 상호작용하는지를 밝혀낸 획기적인 발전이었습니다. 그러나 유전 코드를 읽는 것만으로는 항상 충분하지 않습니다. 유전자는 설계도이지만, 그들이 만들어내는 단백질은 세포의 형태와 기능을 정의하는 실제 일꾼이자 구조물입니다. 뇌의 구조가 단백나 결합체와 엉킨 섬유로 인해 무너지는 알츠하이머병과 같은 질병에서, 물리적 구조를 보지 못한 채 유전 코드만을 아는 것은 건물을 한 번도 본 적 없이 전화번호부만 읽으며 도시를 이해하려는 것과 같습니다.

이 간극을 메우기 위해 컬럼비아 대학교와 러쉬 대학교의 연구진은 동일한 뇌 조직 조각 위에 두 가지 강력한 기술을 결в합한 방법을 개발했습니다. 그들은 먼저 수천 개의 유전자의 유전적 활동을 놀라운 디테일로 읽어내는 Xenium이라는 첨단 이미징 시스템으로 시작했습니다. 보통 이 과정이 끝나면 해당 조직은 추가적인 단백질 분석을 위해 "사용 완료"된 것으로 간주됩니다. 그러나 연구진은 조직을 두 번째 조사의 데로 활용할 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 유전적 판독이 완료된 후, 그들은 특수 버퍼를 사용하여 유전적 프로브를 제거하는 정교하게 조절된 화학적 처리를 적용한 다음, 동일한 조직을 특정 단백질을 밝혀주는 항체로 염색했습니다. 이 염기 염색, 이미징, 제거 과정을 다섯 번 반복함으로써, 그들은 이미 수집한 유전 데이터와 완벽하게 겹쳐지는 고해상도의 단백질 지도를 만들어냈습니다. 이를 통해 그들은 어떤 유전자가 활성화되어 있는지뿐만 아니라, 세포가 어떤 모습인지, 그리고 알츠하이머병의 병리적 함정에 빠져 있는지까지 볼 수 있었습니다.

연구진은 Religious Orders Study (ROS) 및 Rush Memory and Aging Project (MAP) 참여자 중 사망한 이들의 뇌 조직인 시각을 담당하는 뇌 뒷부분의 설회상 피질(calcarine cortex)에서 이 접근법을 테스트했습니다. 그들은 아밀로이드 플라크와 타우 단백질 엉킴, 그리고 혈관 이상과 같이 알츠하이머의 특징을 포함하고 있는 것으로 알려진 영역에 집중했습니다. 연구팀은 뉴런, 성상세포, 미세아교세포, 희소돌기아교세포를 포함한 주요 세포 유형과 특정 질병의 징후를 식별하기 위한 마커 패널을 설계했습니다. 그들은 유전 시퀀싱을 먼저 수행한 다음, 특수 화학 버퍼를 사용하여 하단의 조직이나 단백질을 손상시키지 않고 유전적 프로브를 제거했습니다. 그 후 특정 단백질을 밝혀줄 새로운 항체 세트를 적용하여 고해 resolution 사진을 찍었으며, 이 제거 및 염색 과정을 네 번 더 반복했습니다. 4i라고 알려진 이 반복적인 과정은 총 15개의 서로 다른 단백질 마커를 정확히 동일한 조직 섹션에서 포착하여, 뇌의 미세환경에 대한 풍부하고 다층적인 시각을 만들어냈습니다.

이 작업의 가장 중요한 결과 중 among 하나는 이전보다 훨씬 더 높은 정확도로 세포 유형을 식별할 수 있는 능력이었습니다. 표준 유전 연구에서 과학자들은 종종 어떤 유전자가 켜져 있는지에만 근거하여 어떤 종류의 세포를 보고 있는지 추측해야 하는데, 이는 노이즈가 많고 혼란스러울 수 있습니다. 단백질 데이터를 추가함으로써, 연구진은 세포의 물리적 형태와 단백질 마커를 사용하여 그 정체를 확인할 수 있었습니다. 그들은 단백질 이미지를 기반으로 서로 다른 세포 핵의 형태를 인식하도록 컴퓨터 프로그램을 훈련시켰습니다. 이 프로그램은 특정 형태와 단백질 서명을 가진 뉴런과, 다르게 생기고 다른 마커를 운반하는 뇌의 면역 세포인 미세아교세포를 구별하는 법을 배웠습니다. 연구진이 이 시스템을 테스트했을 때, 프로그램은 대다수의 경우에서 주요 세포 유형을 정확하게 식별해냈으며, 이는 유전 데이터에 대한 견고한 토대를 제공했습니다. 이는 연구진이 특정 세포의 유전적 활동을 관찰할 때, 그 세포가 실제로 무엇인지에 대해 훨씬 더 확신할 수 있음을 의미했습니다.

또한 이 연구는 세포의 물리적 경계가 유전 데이터의 판독에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀냈습니다. 뇌에서 세포들은 흔히 이웃에게 닿기 위해 뻗어 나가는 길고 가지가 달린 팔을 가지고 있습니다. 과학자들이 세포에 유전적 메시지를 할당하려고 할 시, 세포 중심으로부터 얼마나 멀리까지 선을 그을지 결정해야 합니다. 만약 선이 너무 작으면 중요한 메시지를 놓치게 되고, 너무 크면 이웃의 메시지를 실수로 포함할 수 있습니다. 유전 데이터를 명확한 단백질 윤곽과 비교함으로써, 연구진은 세포의 경계를 5마이크로미터라는 아주 작은 고정된 양만큼 확장하는 것이 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다. 이 간단한 조정은 이웃 세포와 섞이지 않으면서 유전적 메시지를 정확하게 포착하여 공간 생물학의 흔한 문제를 해결했습니다.

아마도 가장 중요한 점은, 이 방법이 팀으로 하여금 알츠하이머병에 의한 손상과 관련하여 서로 다른 세포들이 어떻게 위치해 있는지 볼 수 있게 해주었다는 것입니다. 그들은 아밀로이드 플라크와 타우 엉킴이 정확히 어디에 위치하는지 매핑할 수 있었고, 어떤 특정 세포 유형들이 그 주변에 모여 있는지를 볼 수 있었습니다. 그들은 특정 면역 세포와 지지 세포들이 이러한 병리적 특징 근처에 모여들어 특정한 질병 미세환경을 형성하는 것을 관찰했습니다. 이 모든 정보가 동일한 조직 절편에서 나왔기 때문에, 유전적 활동, 단백질 마커, 그리고 질병의 물리적 위치 사이의 연결 고리는 직접적이고 부정할 수 없는 것이었습니다. 연구진은 이 워크플로우가 견고하며, 대부분의 의료 기록 보관소에서 뇌 샘플을 보관하는 표준 방식인 포르말린에 보존된 인간 뇌 조직에도 적용될 수 있음을 입증했습니다.

이 연구는 알츠하이머병을 치료하거나 질병의 미스터리를 풀었다고 주장하는 것이 아닙니다. 대신, 뇌를 바라보는 새롭고 더 정밀한 도구를 제공합니다. 동일한 조직 위에서 유전적 판독과 단백질 이미징을 결합함으로써, 연구진은 뇌의 세포 경관을 포괄적으로 구축하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 이 지도는 유전적 지침, 물리적 구조, 그리고 질병의 징후를 모두 한 곳에 담고 있습니다. 이 방법은 유연하여 서로 다른 단백질이나 다른 질병을 찾도록 조정될 수 있으며, 이전에는 불가능했던 수준의 디테일로 뇌의 복잡성을 연구할 수 있는 길을 열어줍니다. 노화하는 뇌를 연구하는 과학자들에게 이 접근법은 병리 현상 속에서 세포가 어떻게 변화하고 상호작용하는지에 대한 더 명확한 창을 제공하며, 잠재적으로 이러한 질병이 어떻게 진행되는지에 대한 더 깊은 이해로 이어질 수 있습니다.