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뉴스 생명과학
세계 최대 규모 암 데이터베이스 구축하다
Bio통신원(KAIST)
- 등록2024.05.22
- 조회2682
- 세계 최대 규모의 암 조직 단일세포, 공간전사체 데이터베이스를 구축해 분석 결과를 공개
- 암 미세환경의 이질성 이해에 새로운 전기가 되는 연구이며, 특히 면역 치료제의 예후 예측에 큰 효과를 보이는 세포 생태계 타입을 발견
디지털 암 정보 축적의 시대에는 데이터 생산을 넘어서, 데이터의 수집 및 관리 방법을 정립하고 거대 규모의 빅 데이터를 운용하는 것이 가장 큰 경쟁력이 될 수 있다. 전략적으로는 정밀 임상 정보와 연계할 수 있는 국내 생산 데이터와 다양성에 대한 이해를 도모할 수 있는 대규모 국제 데이터를 모두 수집해 통합하는 것은 매우 중요한 과제다.
KAIST(총장 이광형)는 의과학대학원 박종은 교수, 바이오및뇌공학과 최정균 교수 공동 연구팀(제1 저자: 강준호 박사, 이준형 박사)이 세계 최대 규모의 암 조직 단일세포 및 공간전사체* 데이터베이스를 구성하고, 이를 바탕으로 삼성서울병원 이세훈 교수 연구팀과 함께 면역 치료의 예후 예측에 중요한 세포 생태계 타입을 보고했다고 22일 밝혔다.
*단일세포 및 공간전사체: 모든 유전자의 발현 양상을 개별 세포 단위에서 혹은 3차원 조직 구조상에서 분석한 데이터
암은 우리 몸 안에서 스스로 진화하는 특성을 가지고 있어 암 조직 내의 세포 생태계를 구성하는 각 세포의 이질성과 이들의 상호작용을 파악하는 것이 가장 중요하다.
최근 발달하고 있는 단일세포 및 공간 전사체는 미세환경을 구성하는 세포들과 그들의 3차원적 배열 및 상호작용을 정량적으로 측정 및 표현한다는 점에서 미세환경의 이질성 개념을 생태계 수준으로 확장해 디지털 정보의 형태로 저장 및 분석할 수 있게 한다.
KAIST 연구팀은 암세포 생태계 타입들을 전 암종(pan-cancer) 수준에서 규명하기 위해 약 1,000개의 암 환자 조직 샘플, 500여 명의 정상 조직 샘플에 대한 단일세포 전사체 데이터를 30종 이상의 암종에 대해 수집하여 모든 암에 대한 세포 지도가 총망라된 전 암종 단일세포 지도(pan-cancer single-cell atlas)를 구축했다.
내과 전문의가 포함된 연구진이 직접 데이터를 수집하고, 메타데이터 재처리 및 암종 분류를 진행함으로써 암 조직을 구성하는 100여 개의 세포 상태를 규정하고, 이들의 발생빈도를 바탕으로 각 암종별 조직의 상태를 분류했다. 또한 미국의 암 환자 공공 데이터베이스(TCGA) 등의 대규모 코호트 데이터를 활용해 각 세포 상태가 암 환자의 치료 및 예후에 미치는 영향을 분석했다.
특히 여러 세포 상태 간의 상호작용 분석을 통해서 암세포 생태계 네트워크를 구축하였고, 이 중에서 삼차 림프 구조(tertiary lymphoid structure)* 구성요소를 포함하는 인터페론 연관 생태계가 삼성서울병원 이세훈 교수 연구팀의 폐암 코호트를 포함해 면역관문 억제 치료(immune checkpoint inhibitor)**를 받은 여러 암종들에서 면역관문 억제 치료 반응 예측에 효과적임을 확인했다.
*삼차 림프 구조: 림프절과 유사하지만 건강한 조직에서는 형성되지 않고, 만성염증, 감염, 암 등이 있는 곳에서 면역 세포들이 조직화되어 형성되는 구조물
**면역관문 억제치료: T세포 혹은 암세포에서 발현되는 PD-1/PD-L1, CTLA-4와 같은 면역관문(immune checkpoint)을 차단하여 암세포와 싸우는 면역 반응을 활성화시키는 치료방법
연구를 주도한 박종은 교수는 “이번 연구를 통해 세계 최대 규모의 암 조직 데이터베이스를 구축하였고, 이를 바탕으로 면역 치료의 예후 예측에 중요한 영향을 줄 것이다. 또한 소수의 환자에게 아주 좋은 치료반응을 보이나 일부의 경우 면역 관련 부작용을 나타내는 면역 관문 억제제의 치료 대상군 선정에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지에 5월 14일 자 출판됐으며, KAIST 세포 아틀라스 웹 포탈 https://cellatlas.kaist.ac.kr 을 통해 공개되고 있다. (제목: Systematic dissection of tumor-normal single-cell ecosystems across a thousand tumors of 30 cancer types)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 차세대바이오유망범용기술연구지원사업과 우수신진연구사업, 한국보건산업진흥원 연구중심병원 육성사업, 융합형의사과학자양성사업 및 포스코사이언스펠로우십의 지원을 받아 수행되었다.
□ 연구개요
1. 연구 배경 및 내용
암의 이질성은 암을 치료하는 데 가장 큰 장애가 된다. 특히, 암세포 뿐만 아니라 암세포 주변을 둘러싸고 있는 여러 세포가 구성하는 미세환경 생태계 또한 환자마다, 그리고 환자 암 조직의 공간적 위치마다 다양한 양상을 보이며, 이들 각각의 서로 다른 치료 반응성을 나타내기 때문에 치료 저항성의 대표적 원인이 된다.
본 연구는 암 미세환경의 이질성을 파악하고 암 조직에서 반복적으로 관찰되는 세포 생태계의 기본 구성 요소를 파악하기 위해, 세계 최대 규모의 단일세포 및 공간 전사체 아틀라스를 구축하였다. 1,000여 명의 암 환자와 500여 명의 정상인 조직 샘플, 30개 이상의 암종을 커버하는 본 아틀라스를 통해 암과 정상 조직 생태계를 구성하는 100여 가지의 세포 상태를 정의하였으며, 이들 간의 상호작용 분석을 통해서 암세포 생태계 네트워크를 구축하였다. 이 중에서 삼차 림프 구조 구성요소를 포함하는 인터페론 연관 생태계가 삼성서울병원의 폐암 코호트를 포함해 면역관문 억제 치료를 받은 여러 암종들에서 면역관문 억제 치료 반응 예측에 효과적임을 확인하였다.
2. 기대 효과
본 연구를 통해 만들어진 전암 수준의 암 미세환경 hallmark는 향후 여러 암 연구에서 레퍼런스로 널리 활용될 것으로 기대된다. 특히 세포 타입 어노테이션이 중요하게 작용하는 암 조직 공간전사체 분석에서 효과적일 것으로 기대된다. 또한 면역관문 억제제 반응 예측 진단 마커를 개발함으로써 기존에 PD-1, PDL1 항원 발현 등의 단순한 지표를 활용했던 한계를 넘어서 보다 효과적인 치료 환자군 결정이 가능해질 것으로 기대된다.
그림 1. 본 연구진에서 구축한 세계 최대 규모의 단일세포 암 전사체 데이터베이스 구성도 (왼쪽) 및 구축에 사용된 파이프라인 (오른쪽) [출처: KAIST]
그림 2. 단일세포 암 전사체 데이터의 상세 분석을 위한 데이터 프로세싱 과정 모식도 [출처: KAIST]
그림 3. 암과 정상 조직의 세포 생태계 네트워크 비교 [출처: KAIST]
그림 4. 다양한 암종에서 관찰한 삼차 림프 구조와 그 구성 세포들의 공간적 배열 양상 [출처: KAIST]
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