지금까지 만들어진 가장 포괄적인 인간 장 세포 지도는 160만 개 세포의 공간적 데이터와 단일 세포 데이터를 결합하여 만들어졌다. 장 세포를 매핑하면 장암 및 염증성 장 질환(IBD)과 같은 질환에서 무슨 일이 일어나는지에 대한 추가 통찰력을 얻을 수 있다. 웰컴 샌저 연구소의 연구원과 협력자들은 이 아틀라스를 사용하여 특정 장 세포의 새로운 역할을 발견했다.

지난 11월 20일 Nature지에 발표된 이 연구는 인간 위장관(GI)의 25개 이상의 단세포 데이터 세트를 어떻게 조화시켜 지금까지 세계에서 가장 자유롭게 이용 가능한 인간 장의 자원을 만들어냈는지 자세히 설명한다. 여기에는 건강 문제가 있는 사람과 없는 사람의 샘플이 포함된다.

건강한 장과 질병에 걸린 장에 대한 더욱 완벽한 그림을 얻음으로써 연구자들은 궤양성 대장염이나 크론병과 같은 질병의 발병에 관여할 수 있는 주요한 변화나 차이점을 식별하고, 이를 통해 약물 개발을 위한 새로운 가능한 표적을 찾을 수 있다.

이 논문은 Nature Portfolio 저널에 실린 40개 이상의 HCA 출판물 중 하나로, 인체에 대한 이해에 있어 획기적인 도약이다. 이러한 매우 상호 보완적인 연구는 인간 발달, 건강 및 질병 생물학의 핵심 측면에 빛을 비추었으며, 필수적인 분석 도구와 기술의 개발로 이어졌다. 이 모든 것이 Human Cell Atlas 1의 생성에 기여할 것으로 보인다.

GI관은 소화계에 관여하는 기관 그룹의 일반적인 명칭으로, 음식에서 영양소를 흡수하고 병원균에 대한 장벽 역할을 하기 위해 함께 작동한다. 입에서 시작하여 인후, 식도, 위, 소장, 대장, 직장 및 항문까지 연결된 기다란 연결관이다.

위장관 질환은 전 세계 수백만 명의 삶에 영향을 끼치고 있다. 예를 들어, IBD의 두 유형인 궤양성 대장염과 크론병은 전 세계적으로 700만 명 이상에게 영향을 주며, 영국에서는 123명 중 1명이 IBD를 앓고 있다. IBD 증상은 사람마다 다를 수 있으며 우리의 일상 생활에 큰 영향을 끼친다. 여기에는 복통, 설사, 직장 출혈, 극심한 피로 및 관절 문제가 포함된다.

대장암은 대장에서 시작되며 영국에서 네 번째로 흔한 암으로 매년 약 43,000명이 진단받는다. 전 세계적으로 약 200만 건이 발생하며 17명 중 1명의 남성과 20명 중 1명의 여성이 평생 대장암 진단을 받을 것으로 추산된다. 이러한 조건의 영향으로 건강과 질병에서 GI관의 세포 구조를 조사하는 여러 단일 세포 연구가 있었다. 이러한 연구에는 별도의 프로세스와 라벨링 시스템이 있어 외부 연구자가 사용하려고 할 때 어려움이 발생할 수 있다.

이 최신 연구에서 Wellcome Sanger Institute의 연구원과 협력자들은 기존의 데이터를 조화시키는 새로운 도구를 개발하여 전 세계 연구자들이 이용할 수 있는 표준화된 장 세포 리소스를 만들었다. 이 도구는 다른 장기에도 적용할 수 있으며 추가 연구를 쉽게 만드는 데 도움이 될 수 있다.

이 팀은 25개의 데이터 세트를 병합하여 단일 세포와 공간 데이터를 모두 포함하는 160만 개의 세포 아틀라스를 만들어 연구자들이 어떤 세포가 존재하고, 어디에 위치하고, 주변 환경과 어떻게 소통하는지 확인할 수 있게 했다. 이 아틀라스는 위장 문제가 없는 사람과 위암, 대장암, 복강 질환, 궤양성 대장염, 크론병이 있는 사람의 조직 샘플에서 얻은 데이터로 만들어졌다.

연구팀은 또한 염증에 역할을 할 수 있는 장 세포 유형을 확인했다. 장 이형성 세포로 알려진 이 세포는 위 점막을 치유하는 데 관여하는 것으로 알려져 있다. 그러나 연구팀은 이 세포가 염증에 관여하는 다른 GI 세포와 유전적 유사성을 가지고 있다는 것을 발견했다. 그들은 IBD의 염증이 이 이형성 세포의 변화로 이어지고, 이는 추가적인 염증 반응에 적극적으로 기여한다고 의견을 피력한다. 염증의 순환에 대해 더 많이 이해하면 IBD에서 이를 예방하거나 치료할 수 있는 새로운 방법을 찾을 수 있으며, 이러한 지식을 다른 조직과 질환에 적용할 수도 있다. 더구나 이 연구의 Gut Cell Atlas는 무료로 제공되며, 해당 연구진은 향후 연구를 추가할 수 있는 새로운 프로세스를 개발하여 과학자들에게 진화하고 접근 가능한 리소스를 제공한다.

웰컴 샌저 연구소의 첫 번째 저자인 아만다 올리버 박사는 "공간 및 단일 세포 데이터는 장 세포가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 고유한 정보를 제공하며, 이를 사용하여 인체가 작동하는 방식에 대한 심층적인 이해를 계속 조각해 낼 수 있습니다. 기존 단일 세포 데이터 세트를 결합하면 인간의 장에 대한 보다 완전한 그림을 만들 수 있으며 연구자들이 협력하여 인간 건강에 계속 이바지할 수 있습니다. 우리의 장 세포 아틀라스도 조화롭고 무료로 제공되며, 사람들이 이를 기반으로 계속해서 발전하여 전 세계 과학자들이 사용할 수 있는 데이터를 추가하기를 바랍니다."라고 말했다.

이전에 Wellcome Sanger Institute에 있었고 현재 Ensocell Therapeutics에 있는 공동 수석 저자인 Rasa Elmentaite 박사는 "통합 아틀라스에는 장 질환이 있는 사람과 없는 사람의 방대한 양의 데이터가 포함되어 있기 때문에 일부 만성 질환에서 역할을 할 수 있고 미래에 개입 대상이 될 수 있는 병원성 세포 유형을 발견할 수 있었습니다. 이는 연구에서 통합 단일 세포 아틀라스를 사용하는 힘을 보여주며, 이 접근 방식을 다른 조직과 기관에 적용하면 다양한 질환에 대한 새로운 치료법을 발견할 수 있다고 확신합니다."라고 말했다.

Human Cell Atlas의 공동 선임 저자이자 공동 창립자인 Sarah Teichmann 교수는 이전에 Wellcome Sanger Institute에 있었고 현재는 University of Cambridge의 Cambridge Stem Cell Institute에 있다. 그는 "Human Cell Atlas를 통해 세포를 자세히 이해하면 인간 건강과 질병의 여러 측면을 설명하는 데 도움이 될 것이며, 아마도 새로운 치료 방법을 밝혀낼 수 있을 것입니다. 이 조화로운 Gut Cell Atlas는 전 세계 과학자와의 개방형 협업을 통해 무엇을 이룰 수 있는지 보여주며, 모든 사람이 질병을 이해하고 치료하는 새로운 방법을 찾는 데 사용할 수 있는 접근 가능한 통합 리소스로 이어졌습니다."라고 연구 성과를 밝혔다.

참조:
Amanda J. Oliver, Ni Huang, Raquel Bartolome-Casado, Ruoyan Li, Simon Koplev, Hogne R. Nilsen, Madelyn Moy, Batuhan Cakir, Krzysztof Polanski, Victoria Gudiño, Elisa Melón-Ardanaz, Dinithi Sumanaweera, Daniel Dimitrov, Lisa Marie Milchsack, Michael E. B. FitzPatrick, Nicholas M. Provine, Jacqueline M. Boccacino, Emma Dann, Alexander V. Predeus, Ken To, Martin Prete, Jonathan A. Chapman, Andrea C. Masi, Emily Stephenson, Justin Engelbert, Sebastian Lobentanzer, Shani Perera, Laura Richardson, Rakeshlal Kapuge, Anna Wilbrey-Clark, Claudia I. Semprich, Sophie Ellams, Catherine Tudor, Philomeena Joseph, Alba Garrido-Trigo, Ana M. Corraliza, Thomas R. W. Oliver, C. Elizabeth Hook, Kylie R. James, Krishnaa T. Mahbubani, Kourosh Saeb-Parsy, Matthias Zilbauer, Julio Saez-Rodriguez, Marte Lie Høivik, Espen S. Bækkevold, Christopher J. Stewart, Janet E. Berrington, Kerstin B. Meyer, Paul Klenerman, Azucena Salas, Muzlifah Haniffa, Frode L. Jahnsen, Rasa Elmentaite, Sarah A. Teichmann. Single-cell integration reveals metaplasia in inflammatory gut diseases. Nature, 2024; 635 (8039): 699 DOI: 10.1038/s41586-024-07571-1