Custom Probe-Based Spatial Transcriptomics Enables Microbiome Detection in FFPE Colorectal Cancer Tissue

모든 종양 내부에는 숨겨진 세계가 존재합니다. 수년 동안 과학자들은 박테리아가 인간의 암 속에 단순히 우연히 탑승한 승객이 아니라, 질병이 어떻게 성장하는지, 면역 체계가 어떻게 반응하는지, 심지어 환자가 치료에 얼마나 잘 반응하는지에 영향을 미칠 수 있는 능동적인 참여자로서 살고 있다는 사실을 알고 있었습니다. 이 미생물 공동체는 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라, 조직 내에 특정 이웃을 형성하며 인간 세포와 복잡한 방식으로 상호작용합니다. 이러한 상호작용을 이해하기 위해 연구자들은 박테리아가 인간 세포와 비교하여 어디에 위치해 있는지 알아야 하며, 이는 마치 집과 그 안에 사는 사람들을 모두 보여주는 지도와 같습니다. 오랫동안 이러한 정밀한 매핑은 신선한 조직 샘플을 통해서만 가능했는데, 이러한 샘플은 구하기가 매우 어렵고 희귀합니다. 그러나 대다수의 의료 기록은 수십 년간 표준으로 사용되어 왔으나 이러한 종류의 고해외상 박테리아 탐색을 하기에는 너무 퇴화되었다고 여겨졌던 방식인 파라핀 블록에 보존된 조직으로 구성되어 있습니다.

연구팀은 이제 이러한 간극을 메우며, 보존된 조직 샘플 내의 박테리아를 매핑하는 새로운 방법을 개발했습니다. 인간의 유전자를 읽기 위해 설계된 기술을 응용하여, 그들은 특정 유형의 박테리아를 찾아내고 위치를 파악할 수 있는 맞춤형 분자 도구 세트를 만들었습니다. 그들은 이 접근 방식을 대장암 샘젤에 적용하여 테스트했는데, 대장암은 박테리아와 종양 사이의 관계가 특히 중요한 질병입니다. 그들의 연구는 오래된 보관된 의료 표본에서 인간의 유전 코드를 함께 읽는 능력을 잃지 않으면서도 미생물의 공간적 배치를 보는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 이는 과거에는 보이지 않았던 방식으로 박테리아가 암에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해 저장된 수십 년간의 환자 샘플을 연구할 수 있는 문을 열어주었습니다.

연구진은 먼저 분자 프로브(probe)를 설계하는 것부터 시작했습니다. 프로브는 본질적으로 특정 유전자 서열에 달라붙는 맞와 맞춤 제작된 작은 태그입니다. 이 경우, 그들은 박테리아의 유전 코드, 구체적으로는 서로 다른 박테리아 그룹의 고유 식별자 역할을 하는 16S rRNA라는 분자의 가변 영역을 표적으로 삼았습니다. 그들은 이 프로브들이 조직의 원래 모양과 위치를 유지하면서 유전 정보를 포착하는 현대적인 이미징 플랫폼인 Visium CytAssist와 함께 작동하도록 구축했습니다. 과제는 이 박테리아 프로브들이 인간 유전자를 읽는 데 사용되는 표준 프로브와 함께 작동하면서도 두 시스템이 서로 방해하지 않도록 만드는 것이었습니다. 그들은 대장암과 관련이 있다고 알려진 15가지 서로 다른 박테리아 그룹을 표적으로 하는 195쌍의 프로브 풀을 제작하여 표준 테스트 키트에 혼합했습니다.

이 새로운 방법이 작동하는지 테스트하기 위해, 연구팀은 왁스 블록에 보존된 대장 조직 샘-플 6개를 적용했습니다. 이 중 3개는 종양 샘플이었고, 나머지 3개는 동일한 환자의 종양 근처에서 채취한 건강한 조직이었습니다. 과정은 조직을 얇게 자르고, 맞춤형 프로브 혼합물을 처리한 다음, 기계를 사용하여 유전 신호를 읽는 과정을 포함했습니다. 결과는 즉각적이고 명확했습니다. 시스템은 동일한 조직 섹션에서 인간 유전자와 박테리아 신호를 성공적으로 모두 검출했습니다. 결정적으로, 박테리아 프로브의 존재는 인간 유전자의 읽기를 방해하지 않았습니다. 연구진이 인간 유전 데이터를 분석했을 때, 세포들은 신선한 조직에서와 마찬가지로 대장의 내벽, 근육층, 면역 세포를 위한 뚜렷한 그룹을 형성하며 예상된 패턴대로 조직되었습니다. 이는 새로운 방법이 보존된 샘플에 저장된 섬세한 정보를 손상시키지 않고 안전하게 사용할 수 있음을 확인시켜 주었습니다.

가장 흥러운 발견은 연구진이 박테리아가 어디에 위치해 있는지 확인했을 때 나타났습니다. 건강한 조직 샘플에서 박테리아 신호는 주로 대장 내부를 따라 가장 표면에 위치했는데, 이는 박테리아가 건강한 장 내에서 자연스럽게 살아가는 방식과 일치합니다. 그러나 종양 샘플은 더 복잡한 이야기를 들려주었습니다. 대부분의 종양 샘플에서 박테리아는 작고 집중된 클러스터 형태로 발견되었습니다. 하지만 한 특정 종양 샘플은 극적으로 눈에 띄었습니다. 이 샘플은 다른 샘플들보다 훨씬 더 많은 양의 박테리아 신호를 포함하고 있었으며, 이 박테리아들은 단순히 표면에 머무는 것이 아니라 종양 조직 깊숙이 박혀 있었습니다.

연구진이 이 높은 신호가 나타난 종양 내의 박테리아 유형을 자세히 조사했을 때, Porphyromonas라는 속과 관련된 그룹과 Bacteroides-Phocaeicola와 관련된 두 가지 주요 그룹을 발견했습니다. 두 그룹 모두 종양 전반에 걸쳐 존재했지만, 조직 깊숙이 이동하는 경로는 서로 달랐습니다. 한 그룹은 다른 그룹보다 다른 방향이나 다른 속도로 종양을 침투하는 것처럼 보였습니다. 이는 서로 다른 유형의 박테리아가 각기 고유한 방식으로 종양에 침입하여 주변의 인간 세포와 다르게 상호작용할 수 있음을 시사합니다. 단일 샘플 내에서 이러한 뚜렷한 패턴을 볼 수 있는 능력은 이전의 방법들이 구현할 수 없었던 것인데, 기존 방법들은 모든 박테리아를 하나로 섞어버려 각 유형이 실제로 어디에 살고 있는지에 대한 정보를 잃어버렸기 때문입니다.

이 연구는 박테리아가 어떻게 암을 유발하는지에 대한 미스터리를 해결했다고 주장하거나, 이 특정 박테리아들이 질병의 유일한 동인임을 증명하는 것이 아닙니다. 대신, 이것은 새로운 역량을 확립한 것입니다. 연구진은 이제 전 세계 병원에 보관된 방대한 조직 샘플을 가져와 고정밀도로 박테리아 공동체를 매핑할 수 있음을 보여주었습니다. 연구진은 자신들의 방법이 특정 프로브를 사용하기 때문에 설계된 프로브에 해당하는 박테리아만을 찾을 수 있으며, 이 특정 설정으로는 완전히 새로운 미지의 종을 발견할 수 없다는 점을 언급했습니다. 그러나 이 시스템은 향후 더 많은 프로브를 통해 확장될 수 있을 만큼 유연합니다.

또한 이번 연구 결과는 미생물의 공간적 배치를 살펴보는 것의 중요성을 강조합니다. 서로 다른 박테리아가 동일한 종양 내에서 서로 다른 분포 패턴을 보였다는 사실은 그 위치가 중요하다는 것을 시사합니다. 어떤 것들은 표면에 잠복해 있는 반면, 어떤 것들은 암의 핵심부로 활발히 침투하고 있습니다. 이러한 수준의 세부 정보는 가장 흔한 유형의 의료 표본으로부터 얻는 것이 이전에는 불가능했습니다. 이 기술이 포르말린 고정 및 파라핀 매립 조직에서도 작동함을 입증함으로써, 연구진은 다른 질병과 다른 유형의 보존된 샘플에도 적용할 수 있는 일반적인 프레임워크를 제공했습니다. 이는 과학자들이 의료 역사를 바라보는 방식을 변화시켜, 우리 몸속에 살고 있는 보이지 않는 미생물 세계와 그것이 우리의 건강을 어떻게 형성하는지에 대해 새로운 질문을 던질 수 있게 해줍니다.