신장 분자지도, 질병 치료와 진단에 새로운 기준 제시

신장 아틀라스, 분자 지형도 작성으로 신장 건강과 질병에 대한 실마리 제공 신장은 체내 폐기물 필터링과 체액 조절을 담당하는 중요한 장기로, 신장 건강에 대한 이해를 재정립할 수 있는 분자 매핑 프로젝트가 진행되고 있다. 이 프로젝트는 전사체학(transcriptomics)과 단백체학(proteomics)의 발전에도 불구하고, 신장 기능에 있어 중요한 구조물질 및 신호분자인 지질(lipids)에 대해 상대적으로 탐구되지 않았던 부분을 집중적으로 연구하고 있다. 이 새로운 연구는 밴더빌트 대학교의 질량 분광학 연구 센터와 제프 스프래진(Jeff Spraggins) 교수의 연구실, 델프트 공과대학교의 라프 반 데 플라스(Raf Van de Plas) 연구팀이 Science Advances에 발표한 내용이다. 연구팀은 최첨단 질량 분광학 기술인 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)와 해석 가능한 기계 학습(ML)을 활용하여 인간 신장의 고해상도 분자 아틀라스를 작성했다. 이 아틀라스는 29명의 신장 기증자로부터 수집된 데이터를 바탕으로 만들어졌으며, 연구팀은 각각의 조직 부위에서 수십만 개의 질량 분광학 측정을 통해 지질 종들을 매핑했다. 이를 통해 신장 네프론의 주요 기능적 조직 단위인 구미체(glomeruli), 근위세관(proximal tubules), 원위세관(distal tubules), 두꺼운 상승부(thick ascending limb), 그리고 수집관(collecting ducts)에서 지질 성분의 분자 바코드를 생성할 수 있었다. 스프래진 교수는 "이 작업은 지금까지 가장 야심차고 포괄적인 다모달 분자 영상 연구"라고 말하며, "지질 성분을 신장의 해剖학적 및 기능적 영역과 공간적으로 연결함으로써, 우리는 인간 네프론의 각 구성 요소에 대한 분자 바코드를 효과적으로 생성할 수 있었다"고 설명했다. 이 연구의 주요 발견 중 하나는 신장 기능의 분자적 시각에서 특정 기능적 조직 단위에 대한 공간적으로 구별되는 지질 생체표지자(biomarker)를 밝혀냈다는 것이다. 예를 들어, 구미체에서는 특정 스핑고마일린(sphingomyelins)이 일관되게 풍부하게 발견되어, 필터링에 중요한 세포 유형을 지원하는 역할을 할 가능성이 제시되었다. 다른 지질 클래스들은 엔헬레 루프(loop of Henle)와 근위세관에서 영양소 재흡수와 이온 운송에 강하게 연관되어 있어, 이러한 구조의 기능에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 연구팀은 또한 성별과 체질량 지수(BMI)에 따른 지질 프로필의 변화를 탐구했다. 해석 가능한 기계 학습 모델을 활용하여, 아라키돈산(arachidonic acid)을 포함하는 인지질(phospholipids) 등이 성별 특유의 생리학과 호르몬 조절을 반영할 수 있는 후보 생체표지자를 식별했다. 또한 비만 관련 신장 조직의 변화와 관련된 특징적인 인지질과 스핑고마일린을 찾아냈다. "이는 마치 모든 사람에게 신장의 구글 맵을 제공하는 것과 같습니다. 하지만 이 맵에서는 거리와 랜드마크 대신 세포 조직과 분자 서명을 매핑합니다," 스프래진 교수가 말했다. "매핑이 되면, 질병 진단이나 치료에 더 정밀하게 접근할 수 있게 됩니다." 이 프로젝트의 잠재적 이점은 매우 광범위하다. 신장의 세포와 분자의 분포 관계를 더 잘 이해할 수 있고, 분자 데이터를 바탕으로 환자의 질병 위험을 더 정확히 분류할 수 있으며, 궁극적으로는 신장 관련 질병에 대한 지질을 대상으로 한 치료법 개발로 이어질 수 있다. 멜리사 팰로우(Melissa Farrow) 교수는 "이 아틀라스는 분자적 기준선을 설정합니다. 병변 조직을 이 기준선과 비교하면, 병리학적 변화를 일으키는 지질 변동을 파악할 수 있습니다"라고 말했다. 이 프로젝트는 지질체학(lipidomics)을 의학적 주류로 통합하는 결정적인 단계이며, 장기를 분자적 관점으로 보는 방법을 재정의한다. 특히, 이 데이터셋과 도구들은 NIH(National Institutes of Health)의 Human Biomolecular Atlas Program(HuBMAP)을 통해 무료로 제공되어, 연구 커뮤니티가 새로운 가설을 도출할 수 있는 자원으로 활용될 수 있다. BIOMIC(Biomolecular Multimodal Imaging Center)는 6년 동안 인간 신장과 다른 장기 시스템의 아틀라스 개발에 집중해 왔으며, 밴더빌트 대학교 연구원들뿐만 아니라, 밴더빌트 대학교 의과대학의 임상의들과 델프트 공과대학교의 데이터 과학자들로 구성되어 있다. 이 연구의 통찰력은 신장 관련 질병의 새로운 진단 표지자나 치료 목표로 이어질 가능성이 있다. "분자 아틀라스를 통해 병변 조직과 건강한 조직 사이의 차이를 정확히 파악할 수 있어, 질병의 근본적인 원인을 밝히는 데 도움이 될 것입니다," 팰로우 교수가 강조했다. 산업계 전문가들은 이 연구가 신장 질환의 조기 진단과 개인화된 치료법 개발에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 또한, HuBMAP을 통해 무료로 제공되는 이 데이터셋은 다양한 연구자들이 활용할 수 있는 중요한 자원으로 평가받고 있으며, 분자 영상학 분야의 미래를 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. BIOMIC은 신장 연구뿐만 아니라 다른 장기 시스템의 연구에도 활발히 참여하고 있으며, 지질체학을 의학적 주류로 통합하는 데 기여하고 있다.