Cell Painting and machine learning for mechanistic profiling of hepatotoxic botanicals and their constituents

사람들은 단순한 차에서부터 복잡한 허브 보충제에 이르기까지, 건강을 지원하기 위해 오랫동안 식물에 의지해 왔습니다. 이러한 식물성 제품은 글로벌 웰니스 산업의 거대한 부분을 차지하고 있지만, 안전 전문가들에게는 독특한 과제를 안겨줍니다. 단일 화학 약물과 달리, 허브 보충제 한 병은 수백 가지의 서로 다른 화합물을 포함하는 복잡한 혼합물입니다. 우리는 일부 식물이 간에 해로울 수 있다는 점은 알고 있지만, 그 혼합물 중 어떤 특정 성분이 문제를 일으키는지, 혹은 그 성분이 어떻게 손상을 유발하는지 파악하는 것은 종종 불가능합니다. 전통적인 안전성 테스트는 이러한 복잡성 때문에 어려움을 겪으며, 규제 당국과 소비자들을 천연 요법 속에 숨겨진 실제 위험으로부터 소외시키곤 합니다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 '셀 페인팅(Cell Painting)'이라 불리는 방법론에 주목하고 있습니다. 세포의 사진을 찍는 것을 넘어, 세포의 핵, 에너지 공장, 또는 외피와 같은 세포 기계의 특정 부분을 강조하는 다섯 가지 형광 색상으로 세포를 색칠하는 현미경을 상상해 보십시오. 화학 물질이 세포를 방해하면, 이 색칠된 부분들은 독특한 방식으로 모양이나 배열을 바꿉니다. 이러한 변화를 포착함으로써, 과학자들은 단순히 세포가 죽고 있는지뿐만 아니라, 세포가 어떻게 반응하고 있는지를 볼 수 있습니다. 이 시각적 데이터는 알려진 수천 가지 화학 물질을 학습한 컴퓨터 모델에 입력됩니다. 이 모델들은 생물학적 반응의 도서관 역할을 하며, 연구자들이 새로운 식물 추출물을 알려진 행동 양식의 방대한 데이터베이스와 비교하여 세포 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 추측할 수 있게 해줍니다.

최근 한 연구에서 과학자 팀은 이 접근 방식을 13가지의 서로 다른 식물 추출물과 85가지의 개별 화학 성분에 적용했습니다. 그들은 이 물질들을 인간 간의 안전성을 이해하는 데 가장 적절한 모델인 일차 인간 간세포에 테스트했습니다. 연구진은 각 식물 추출물과 그 구성 성분을 8가지 다른 농도로 세포에 노출시킨 후, 셀 페인형 기술을 사용하여 세포의 반응을 포착했습니다. 또한 세포가 누출되거나 에너지를 잃는지 확인하기 위해 표준 건강 검진을 실시하여 비교를 위한 기준점을 마련했습니다. 목표는 이 첨단 이미징 기술이 전통적인 테스트가 놓친 활동을 포착할 수 있는지, 그리고 더 중요한 것은 식물 혼합물 내의 어떤 특정 성분이 그러한 효과를 주도하는지 식별할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

결과는 셀 페인팅 방식이 표준 건강 검진보다 훨씬 더 민감하다는 것을 보여주었습니다. 전통적인 테스트는 9개의 추출물과 40개의 성분에서만 활동을 발견한 반면, 셀 페인팅 방식은 13개 추출물 중 11개, 85개 개별 성분 중 46개에서 생물학적 활동을 감지했습니다. 결정적으로, 이미징 방식은 훨씬 낮은 농도에서도 이러한 효과를 포착하는 경우가 많았습니다. 예를 들어, 식물 추출물이 반응을 일으킨 13가지 사례 중 9가지에서, 추출물 내의 적어도 하나의 단일 성분이 더 낮은 용량에서 심지어 더 강력한 반응을 일으켰습니다. 이는 식물 혼합물의 전체적인 효과가 모든 부분이 똑같이 작용하는 합이 아니라, 소수의 강력한 성분에 의해 주도되는 경우가 많음을 시사합니다나.

연구는 또한 가장 강력한 식물 추출물이 아리스톨로키아(Aristolochia)와 골드센설(Goldenseal)임을 밝혀냈습니다. 두 식물 모두 매우 낮은 용량에서도 강한 세포 스트레스 징후를 보였습니다. 연구진은 이를 아리스톨로키아의 아리스톨로치산 I(aristolochic acid I)과 골드센설의 베르베린(berberine) 같은 특정 성분으로 추적할 수 있었으며, 이 성분들 자체가 매우 활발했습니다. 그러나 전체 식물과 그 부분 사이의 관계가 항상 명확한 것은 아니었습니다. 아슈와간다(Ashwagandha)와 컴프리(Comfrey)의 경우처럼, 개별 성분은 실험실에서 매우 활발했음에도 불구하고 전체 식물 추출물은 테스트된 수준에서 동일한 강한 반응을 보이지 않는 경우가 있었습니다. 반대로, 아시아 인삼 추출물은 개별 성분들이 단독으로는 덜 강력함에도 불구하고 강한 반응을 보였습니다. 이는 혼합물 내부에서 성분들이 상호작용하는 방식이 최종 결과를 변화시킬 수 있으며, 고립된 화학 물질만을 보고는 안전성을 예측하기 어렵다는 점을 강조합니다.

연구진은 단순히 활동을 감지하는 것을 넘어, 시각적 데이터를 사용하여 이 식물들이 간에 어떤 영향을 미치는지에 대한 가설을 생성했습니다. 세포 '페인팅'을 알려진 효과가 있는 1,000가지 이상의 화학 물질이 담긴 방대한 참조 라이브러리와 비교함으로써, 컴퓨터 모델은 구체적인 작용 기전을 예측했습니다. 예를 들어, 모델은 골드센설과 아리스톨로키아가 신체 호르몬 체계를 방해하거나 DNA를 손상시킬 수 있다고 예측했는데, 이는 이 식물들에 대해 알려진 독성과 일치합니다. 또한 이미징을 통해 세포의 서로 다른 부분이 다르게 반응한다는 점을 보여주었습니다. 예를 들어, 아리스톨로치산 I는 DNA 채널에서 뚜렷한 변화를 일으켰는데, 이는 유전적 손상을 일으키는 것으로 알려진 특성과 일치합니다.

이 연구는 고해상도 이미징과 머신 러닝의 결면이 복잡한 식물 혼합물을 스크리닝하는 강력한 새로운 방법을 제공한다고 결론짓습니다. 이는 과학자들이 단순히 "이것이 독성이 있는가?"라는 질문을 넘어 "이것이 무엇을 하고 있으며, 식물의 어느 부분이 그것을 하고 있는가?"라는 질문으로 나아갈 수 있게 해줍니다. 비록 이 결과가 실험실에서 배양된 간세포를 바탕으로 하고 있어 사람에게 직접적인 간 손상을 일으킨다는 것을 증명하는 것은 아니지만, 이 방법은 가장 활발한 성분을 우선적으로 선별하여 추가 연구를 할 수 있게 해줍니다. 이는 식물성 제품의 숨겨진 독성 동인을 이해하는 명확하고 확장 가능한 경로를 제공하며, 광대한 허브 요법의 세계에서 유익한 것과 해로운 것을 구분하는 데 도움을 줍니다.