Silica-challenged macrophage secretome drives distinct alveolar and bronchial epithelial-fibroblast crosstalk: a multicellular preclinical modelling approach

실리코시스(규폐증)는 모래, 돌, 콘크리트에서 발견되는 것과 동일한 물질인 결정질 실리카의 미세하고 날카로운 입자를 흡입하여 발생하는 끊임없는 폐 질환입니다. 이 입자들이 폐 깊숙이 자리 잡으면, 신체의 면역 체계는 이를 청소하기 위해 대식세포라고 불리는 특화된 세포들을 보냅니다. 그러나 실리카는 소화하기에는 너무 날카로워서, 면역 세포들은 그 과정에서 결국 죽게 되며 독성 화학물질의 혼합물을 방출하여 만성 염증을 유발합니다. 이 지속적인 신호는 폐의 내벽을 무너뜨리고 조직을 딱딱한 흉터 조직으로 변화시키는데, 이 과정을 섬유화라고 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 연쇄 반응이 정확히 어떻게 작동하는지, 그리고 어떻게 이를 멈출 수 있는지를 이해하기 위해 노력해 왔으나, 연구 방법론에 있어 어려운 선택에 직면해 왔습니다. 플라스틱 접시 위에 평평하게 펼쳐진 세포를 사용하는 전통적인 실험실 실험은 실제 폐 조직의 복잡한 3차원 구조를 포착하는 데 실패하는 경우가 많으며, 동물 실험은 해부학적 구조와 호흡 패턴의 차이로 인해 인간에게 잘 적용되지 않는 결과를 낳기도 합니다.

이 간극을 메우기 위해, 호주의 석면 및 분진 질환 연구소(Asbestos and Dust Diseases Research Institute)의 연구팀은 폐의 자연스러운 구조를 모방하도록 배열된 인간 세포를 사용하여 이 질병을 모델링하는 새로운 방법을 개발했습니다. 세포를 고립된 상태로 관찰하는 대신, 그들은 세포로 이루어진 작은 3차원 구체를 만들었으며, 서로 접촉하지 않고도 화학적 신호를 통해 소통할 수 있도록 서로 다른 유형의 세포들이 위아래로 배치된 층상 시스템도 구축했습니다. 그들의 목표는 실리카로 인해 자극받은 면역 세포가 방출하는 독성 신호가 폐의 내벽과 폐의 구조를 형성하는 세포들에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 세포의 물리적 배치가 결과에 변화를 주는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 이 복잡한 모델을 단순하고 평평한 모델과 비교함으로써, 이전에는 보이지 않았던 질병의 세부 사항을 밝혀내고자 했습니다.

연구진은 특정 유형의 인간 면역 세포를 폐에서 발견되는 대식세포처럼 행동하도록 훈련시키는 것으로 시작했습니다. 그들은 이 세포들을 두 가지 다른 크기의 실리카 입자에 노출시켜, 입자가 세포의 건강에 어떤 영향을 미치고 어떤 화학 물질을 방출하는지 측정했습니다. 그들은 더 작은 실리카 입자가 더 많은 손상을 입히며, 면역 세포가 더 많은 양의 염가성 염증 신호를 방출하게 만든다는 것을 발견했습니다. 그 후 연구팀은 스트레스를 받은 면역 세포 주변의 액체를 수집했는데, 여기에는 독성 화학물질의 혼합물이 포함되어 있었습니다. 연구진은 이 혼합물을 사용하여 다른 인간 폐 세포들을 처리했습니다. 그들은 두 종류의 폐 세포, 즉 산소 교환이 일어나는 허파꽈리(폐포) 세포와 더 큰 기도를 구성하는 기관지 세포를 대상으로 테스트했습니다. 연구진은 이를 세 가지 다른 설정, 즉 평평한 2차원 배양, 3차원 구체 형태, 그리고 면역 세포 위에 메시(mesh)를 두고 폐 세포가 놓인 층상 시스템에서 관찰했습니다.

연구진이 독성 면역 신호를 평평한 2차원 배양에 적용했을 때, 두 유형의 폐 세포 사이에서 명확한 차이를 발견했습니다. 허파꽈리 세포는 건강도가 떨어지고 시간이 지남에 따라 염증이 증가하는 징후를 보였습니다. 반면, 기관지 세포는 대체로 안정적인 상태를 유지했으며 며칠 후 염증 수준이 정상으로 돌아왔습니다. 그러나 연구진이 3차원 구체 모델로 넘어갔을 때, 상황은 더 복잡하고 드러나는 것이 많아졌습니다. 구체 속의 허파꽈리 세포는 건강도가 현저히 떨어졌고 강력하고 지속적인 염증 반응을 보였습니다. 더 중요한 점은, 이 세포들이 '상피-간엽 이행(epithelial-mesenchymal transition)'이라 불리는 과정을 통해 정체성을 바꾸기 시작하여, 흉터 조직을 만드는 세포처럼 행동하기 시작했다는 것입니다. 구체 속의 기관지 세포 또한 이러한 변화를 일부 보였으나, 그 정도는 덜 심했으며 주로 세포의 물리적 구조보다는 유전적 수준에서 나타났습니다.

연구진이 폐의 구조적 틀을 만드는 세포인 섬유아세포를 혼합물에 추가했을 때 가장 놀라운 결과가 나타났습니다. 폐 세포와 섬유아세포가 함께 들어있는 3차원 구체 내에서, 허파꽈리 세포는 강력한 반응을 주도했습니다. 독성 면역 신호의 존재는 섬유아세포를 매우 활성화시켜 흉터 조직을 구축하는 다량의 단백질을 생성하게 했습니다. 이는 허파꽈리 세포가 국소적인 면역 반응을 광범위한 섬유화 반응으로 전환하는 강력한 증폭기 역할을 한다는 것을 시사합니다. 섬유아세포와 결합했을 때의 기관지 세포는 동일한 강도의 반응을 일으키지 않았으며, 그들의 파트너인 섬유아세포는 흉터 형성 단백질을 적게 생성하며 비교적 차분한 상태를 유지했습니다. 이러한 차이는 손상된 폐 세포의 유형이 결과적인 흉터의 심각도를 결정한다는 점을 강조합니다.

세포들이 접촉하지 않고 어떻게 서로 소통하는지 더 깊이 이해하기 위해, 연구팀은 폐 세포가 섬유아세포 위에 있는 다공성 막 위에 놓인 층상 시스템을 사용했습니다. 이 설정은 세포들을 물리적으로는 분리하면서도 화학 물질이 층 사이를 통과할 수 있게 했습니다. 섬유아세포는 독성 면역 신호에 직접 노출되지 않았음에도 불구하고, 위의 폐 세포가 처치되었을 때 강하게 반응했습니다. 위험을 감지한 폐 세포들이 자신들만의 신호를 방출했고, 이 신호가 아래의 섬유아세포로 전달되어 조직 재구축을 지시했습니다. 이는 폐 세포가 초기 면역 공격을 조직의 재형성을 지시하는 메시지로 번역하는 중간 매개체 역할을 한다는 것을 확인시켜 주었습니다. 허파꽈리 세포는 기관지 세포보다 훨씬 더 큰 목소리의 메시지를 전달하여 섬유아세포의 더욱 공격적인 활성화를 유도했습니다.

본 연구는 폐 질환과 같은 폐 질환을 연구할 때 세포의 물리적 배열이 매우 중요하다는 결론을 내립니다. 기존의 많은 연구에서 사용된 단순한 평평한 모델은 손상의 전체적인 강도와 서로 다른 폐 세포들이 상호작용하는 구체적인 방식을 포착하는 데 실패했습니다. 실제 폐 구조를 더 잘 반영하는 3차원 모델을 사용함으로써, 연구진은 허파꽈리 세포가 기관지 세포보다 실리카로 인한 손상에 훨씬 더 취약하며 섬유화 과정을 주도할 가능성이 훨씬 높다는 것을 밝혀낼 수 있었습니다. 이러한 발견은 부상의 위치가 폐 내부에서 질병의 심각도를 결정한다는 점을 시사하며, 공기 주머니(허파꽈리)의 손상이 흉터 형성의 주요 동력임을 보여줍니다. 연구진은 이러한 복잡한 다세포 모델이 새로운 치료법을 테스트할 수 있는 더 정확한 플랫폼을 제공하며, 질병이 어떻게 진행되고 어떻게 이를 멈출 수 있는지에 대한 더 명확한 전망을 제시한다고 제안합니다.