CyTOF가 바이러스의 지속과 제거 메커니즘에 대한 Nadia Roan 박사의 이해를 도와주는 중요한 역할을 하다

03 Dec 2020

CyTOF가 바이러스의 지속과 제거 메커니즘에 대한 Nadia Roan 박사의 이해를 도와주는 중요한 역할을 하다

by Jean Huang

Nadia Roan, Associate Professor at the University of California, San Francisco, and a scientist at Gladstone Institutes

비록 HIV 감염에 대한 치료법이 그 병을 막지 못하지만, 효과적인 백신도 HIV에 대한 치료법도 현재는 존재하지 않는다. Nadia Roan 박사는 면역세포와 미생물 병원균의 상호작용을 연구하는 데 오랜 관심을 갖고, HIV가 어떻게 초기 감염을 확립하고 어떻게 antiretroviral therapy 에도 지속될 수 있는지를 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있다.

Host와 병원체 상호작용의 이해는 면역 반응에 중점을 둔다. HIV에 감염되었을 때 면역 반응을 조정하는 핵심 세포는 바이러스에 의해 공격받는 세포와 동일하다. 이 세포는 CD4+T 세포이며, HIV 감염의 주요 대상이다. 많은 종류의 CD4+T 세포들 중 가장 감염에 취약하고 먼저 감염되는 세포는 무엇일까? 어떻게 HIV는 빠르게 확산 할 수 있도록 감염된 CD4+T 세포를 조작하고 개조하며, antiretroviral drug가 있는 곳에서 저장소 (long-lived reservoir) 형태로 살아남을 수 있을까? 이러한 질문에 대한 대답은 HIV의 확산을 막는 데 도움이 될 뿐만 아니라 면역항상성 (Immune homeostasis) 에서 CD4+T세포가 하는 역할에 대한 이해를 도울 수 있을 것이다.

샌프란시스코 캘리포니아 대학의 부교수이자 글래드스톤 연구소의 과학자인 Roan 박사 (PhD)는 HIV 전염의 메커니즘과 치료의 가능성에 연구를 집중하고 있다. Roan 박사가 이끄는 연구소는 다양한 ex vivo HIV 감염 모델을 사용한다. 건강한 사람의 혈액과 다양한 조직으로부터 면역 세포를 분리하고 그 세포를 리포터 HIV 바이러스에 노출시킴으로써, 연구소는 세포 종류, 활성화 상태, 감염 민감성 등을 연구할 수 있다.

eLife에 게재된 Roan 연구소의 최근 논문에서는 HIV 감염 이후 새로 감염된 세포가 어떻게 스스로의 조절 (regulation)과 신호 (signaling)를 바꾸는지 묘사하고 있다. 이 그룹에서는 여성 생식기관을 통한 HIV 전염을 모델링 한 ex vivo 생식기 감염 모델에서 CyTOF®를 이용하여 감염된 세포가 다른 세포로 바이러스를 전파할 수 있을 만큼 충분히 오래 살 수 있도록 적절한 신호와 생존 인자의 up-regulation을 방해할 수 있는 수용체들의 down-regulation을 발견했다. 그들은 또한 HIV에 가장 취약한 CD4+T 세포를 알아내기 위해 바이러스에 의한 remodeling 전에 감염된 세포의 이전 상태를 예측하기 위해 생물정보학 접근법을 사용했다.

CyTOF의 지원

초기 연구에서 Roan 박사는 면역 세포의 특징과 반응을 연구하기 위해 flow cytometry를 사용했지만, 최근에는 면역 세포 집단을 보다 쉽게 특성화하고 직접 비교하기 위해 mass cytometry로 전환했다.

"Mass cytometry의 일반적인 용도는 하나의 샘플에 모든 주요 면역 세포 집단을 표현하는데 있다"고 설명했다. "여러 개의 작은 표현형 패널에 샘플을 분할하여 염색할 필요가 없다. 그리고 우리는 편의성 때문에 mass cytometry를 사용하지만, 그것보다 CD4+T 세포와 같은 특정 세포 집단에 대해 더 깊이 연구하는 장점을 더 자주 이용한다."

Roan 박사는

이 장점을 살려서, 연구소는 여러 개의 T 세포 및 NK 세포 패널과 바이러스를 감지할 수 있는 세포 내 센서와 제한 인자 (restriction factor)의 발현에 초점을 맞춘 패널들을 설계했다. Roan박사의 연구소에 의해 설계된 T 세포 패널의 한 가지 용도는 antiretroviral therapy 중 특히 in vivo HIV 저장소의 표현형태를 밝히고 HIV 잠복 (latency)을 자세히 연구하는 것이었다. HIV가 잠복한 세포의 표현형과 이러한 세포들의 지속성을 허용하는 메커니즘을 이해함으로써, Roan은 새로운 접근법이 이러한 세포들을 목표로 HIV를 치료하기 위한 전략으로 고안될 수 있기를 희망한다.

CyTOF 데이터세트의 고차원적 특성은 다양한 유사시간 분석 접근법 (pseudotime analytical approaches)을 허용하는데, 바이러스 재활성화에 의한 것을 포함한 세포 변화 이전의 세포 상태를 예측하는 데 사용할 수 있다.

HIV는 antiretroviral therapy를 받은 사람들에게서도 존재하는데, 이는 HIV의 저장소를 가지고 오래 살아있는 CD4+T세포와 휴지기의 HIV를 가진 다른 면역세포 때문이다. HIV를 연구하는 연구원들은 이 저장소의 존재에 대해 꽤 오랫동안 알고 있었지만, 이 세포 집단을 구체적으로 감지할 수 있는 바이오마커는 발견되지 않았다. CyTOF를 기반으로 한 감염 세포의 표현형과 거리 추정(PP-SLIDE)을 통해 단세포 연계 (single-cell linkage)에 의해 결정된 전구세포의 예측을 결합하여 Roan 박사는 잠복 감염된 세포의 원래 상태를 추적할 수 있었다. 이것은 서로 다른 CD4+ 세포형의 지도책 (atlas)를 수립하고 이후 생체정보학 접근방식을 사용하여 재활성화에 의해 잠복 상태에서 빠져 나오도록 유도된 HIV에 잠복된 세포의 원래 표현형을 식별함으로써 완성되었다. In vivo 잠복 저장소를 도표로 작성하는 이러한 접근방식은 최근 eLife에 게재되었다.

Roan 박사는

"CyTOF 데이터세트의 고차원적 특성은 다양한 유사시간 분석 접근법 (pseudotime analytical approaches)을 허용하는데, 바이러스 재활성화에 의한 것을 포함한 세포 변화 이전의 세포 상태를 예측하는 데 사용할 수 있다. "고 말한다. "CyTOF의 또 다른 장점은 고정된 세포로 작업할 수 있는 능력이다. 이는 종방향 (장기적인 변화; longitudinal) 을 다룬 인간 표본을 수집하여 batch effect를 최소화하기 위해 한꺼번에 분석하고자 하는 우리의 연구에서 매우 중요하다."

SARS-CoV-2Host-병원체 지식을 적용하다

Roan 박사와 연구원들은 이미 T세포의 행동과 바이러스 감염에 대한 반응에 대해 심도 있는 지식을 가지고 있었기 때문에, 심각한 COVID-19 사례에서 T세포가 고갈되었다는 초기 보고들은 그들의 호기심을 자극했다. "우리는 이미 T세포가 바이러스 감염에 매우 중요한 것을 알고 있으며, 심각한 COVID-19의 경우 이러한 세포들이 현저하게 고갈되었다."

HIV 연구를 통해 다양한 T세포별 패널이 개발됨에 따라, 이 연구팀은 이미 SARS-CoV-2에 특화된 T세포의 기능적 특징을 연구할 준비가 되어 있었다. 또한, 연구팀은 세포 내 사이토카인 자극 분석법 (cytokine stimulation assay)을 수정해서 펩타이드 풀에 반응하는 세포를 CyTOF를 이용하여 심층 분석하는 방법으로 세포 내 cytomegalovirus 특이 T 세포와 HIV 특이 T 세포를 식별할 수 있도록 만들었다.

경증 및 무증상 환자를 더 잘 이해하면 SARS-CoV-2에 감염된 후 덜 심각한 증상을 유도하는 백신이나 치료의 가능성을 열어준다.”

환자 코호트(COVID-19 Host Immune Response Tracking Genesis Report; CHIRP) 를 구축한 UCSF 동료인 이설기 박사 (MD, PhD)와 함께 Roan 박사는 경증이나 무증상 COVID-19 에서 회복된 사람에게 발생하는 SARS-CoV-2 특이 면역반응을 검사할 수 있었다. 경증 및 무증상 환자를 더 잘 이해하면 SARS-CoV-2에 감염된 후 덜 심각한 증상을 유도하는 백신이나 치료의 가능성을 열어준다.

최근 Cell Reports Medicine에 게재된 논문에서 Roan과 동료들은 가벼운 SARS-CoV-2 감염에서 회복되어 입원한 적이 없는 사람들에 대해 종방향 분석을 실시했다. 연구팀은 SARS-CoV-2 특정 CD4+와 CD8+T 세포의 특징과 그들의 수명을 측정하기 위해 CyTOF를 사용하고 맞춤형 T 세포 패널을 개발했다. 연구팀은 감염 후 69일까지 환자를 검사했는데, 이때도 SARS-CoV-2 특이 T세포의 명확한 세포 집단을 볼 수 있었다. 그 세포들은 IL-7에 대응하여 증식할 수 있었고, 이는 그들의 잠재적인 증식 능력을 보여주었다.

Roan 박사의 연구팀에 의해 진행 중인 연구는 바이러스에 대해 효과적이거나 효과적이지 않은 (병적인) 면역반응을 밝히기 위해 경미하고 무증상적인 환자들을 증상이 심각하여 입원한 환자와 비교하는 것이 될 것이다. 이러한 환자 코호트의 종방향 분석은 완전하고 빠른 회복과 연관된 반응을 더 잘 이해하기 위한 연구의 중요한 측면이 될 것이다. Roan 박사는 CyTOF 플랫폼의 장점을 이용하여 이러한 데이터를 생성할 수 있으며 다양한 수준의 증상을 보이는 사람들의 반응을 직접적으로 연관시킬 수 있다. 전염병이 여전히 진행중인 상황에서, 희망은 SARS-CoV-2가 궁극적으로 HIV와 같은 것 보다 관리하기 쉬워질 것이라는 것이다. "S-CoV-2에 대해 시행되고 있는 전통적인 접근방식은 평생 면역이 아니더라도 어느 정도 능력을 발휘해야 한다. 그리고 가능한 많은 정보를 얻기 위해 CyTOF와 다른 기술을 사용하는 것에 대해 더 많이 이해할수록, 우리는 질병 관리와 통제를 발전시킬 수 있을 것이다."

라고 Roan이 덧붙였다.

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