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실험실에서 줄기세포로 자란 소형 기관인 오르가노이드를 사용.
단 하나의 바이러스 입자로 감염시킬 수 있어. 폐 오가노이드에서 SARS-CoV-2에 감염된 후 폐포 세포의 대부분을 파괴하는 데 3일 걸려. Covid-19의 경우 더 심각한 폐 손상은 일반적으로 감염 후 약 10일 후에 발생.

코로나바이러스가 폐 세포를 공격하는 방법
오가노이드(Organoide)테스트, 첫번째 접촉부터 폐 세포의 죽음까지 감염 과정 보여.

세 단계의 세포 사멸 :
연구자들이 처음으로 SARS-CoV-2가 어떻게 폐포의 개별 세포를 공격하고 파괴하는지 관찰했다. 폐 오가노이드에 대한 테스트에서 단 하나의 바이러스 입자만으로도 세포를 감염시킬 수 있음이 밝혀졌다. 첫날 감염된 세포는 바이러스의 사본을 생성하는 동시에 면역 메신저 물질을 방출한다. 이들은 48시간 후 항바이러스 세포 방어를 동원하지만 곧 세포가 죽기 시작한다.

▲ 연구원들이 SARS-CoV-2 감염이 개별 폐 세포 수준에서 어떻게 작용하는지 관찰했다. pixabay

SARS-CoV-2 코로나바이러스는 폐와 기도뿐만 아니라 혈관, 심장, 장, 뇌 및 신경계를 포함한 다른 기관의 세포와 조직에도 영향을 미친다. 이러한 기관 중 일부의 경우 의사는 이미 세포 수준에서 바이러스감염이 발생하는 방식을 관찰하기 위해 실험실에서 줄기세포로 자란 소형 기관인 오르가노이드를 사용했다.

미니 폐에 대한 바이러스 공격

무엇보다도 이 정보는 Covid-19에 의해 특히 심하게 영향을 받은 폐포에 대해 누락되었다. 영국에 있는 Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute의 이주현(Joo-Hyeon Lee) 선임 저자는 "SARS-CoV-2가 어떻게 폐에 영향을 미치고 이를 아프게 하는지에 대해서는 아직 놀랍게도 거의 알지 못한다"고 설명한다. "우리의 접근 방식 덕분에 이제 우리는 중요한 폐 조직의 3D 모델(기본적으로 실험실에서 일종의 소형 폐)을 성장시킬 수 있었다."

연구자들은 건강한 기증자의 줄기세포에서 이러한 폐 오가노이드를 키웠다.
이들은 주로 인간 폐포의 두 가지 세포 유형 중 하나인 2형 (AT2)의 소위 폐포 세포로 구성된다. 이 오르가노이드는 Lee와 그의 팀이 SARS-CoV-2로 감염시킨 다음 현미경, 분자 및 유전적 방법을 사용해 세포 수준에서 감염이 어떻게 발생했는지 추적했다.

하나의 바이러스 입자로 충분하다.

단일 바이러스와의 접촉은 분명히 폐 세포를 감염시키기에 충분하다는 것이 밝혀졌다.
연구자들은 단지 하나 이상의 바이러스 입자가 세포의 약 1/3을 관통했다는 것을 발견했다. 감염은 또한 매우 빠르게 확산된다. 검사 시작 후 첫날 동안 오가노이드에 있는 폐 세포의 61 %가 SARS-CoV-2에 감염됐다.

감염된 세포는 감염 후 몇 시간 만에 뚜렷한 변화를 보였다.
어떤 경우에는 큰 충치를 형성했으며 세포 혈장에서 수많은 바이러스 입자를 볼 수 있었다. 흥미롭게도 약 19%의 세포가 나머지 세포보다 훨씬 더 높은 바이러스 부하를 보였다.
"100나노미터에서 500개 이상의 바이러스 사본이 검출되었다. 이는 전체 세포에서 1만 개 이상의 SARS-CoV-2 입자를 의미한다."

▲ 폐포 세포로 만든 오르가노이드를 통한 단면. SARS-CoV-2가 세포에 들어가는 ACE2 수용체는 녹색으로 표시된다. © Jeonghwan Youk, Taewoo Kim, Seon Pyo Hong

첫 번째 경보 후 저항

유전자 활동을 분석한 결과 이 시점에서-감염 후 첫날-세포 기계는 이미 바이러스 유전 물질의 50%를 읽고 복사하고 있었다. 코로나 바이러스는 이미 이 세포를 바이러스 공장으로 전환했다.
그러나 동시에 폐 세포는 인터페론을 생산하고 방출함으로써 이러한 적대적인 인수에 대응했다. 이러한 면역 메신저 물질은 인접 세포에 대한 경보 신호 역할을 하고 세포 자체의 바이러스 방어 메커니즘을 촉발시킨다.

그러나 감염된 폐 세포와 그 주변 세포가 내성을 동원하는 데 48시간이 더 걸렸다.
폐 오가 노이드 분석에 따르면 감염 후 3일 만에 세포가 항바이러스 분자 생성을 20배 이상 상향 조절했다.
또한 바이러스 가드 분자는 바이러스 성분의 존재를 감지하는 센서의 일종인 세포의 세포 혈장에서 점점 더 많이 검출되었다.

▲ 자료 관련 논문에서 발췌

세포의 자살

그러나 대부분의 경우 세포 자체의 방어력은 코로나바이러스를 물리치기에는 충분하지 않았다. 오르가노이드에는 면역 세포가 없었기 때문이다. 따라서 폐 세포는 스스로 남겨졌다.
그 결과 감염 약 60시간 후에 항바이러스 물질 대신 세포 사멸 메신저 물질을 생산하기 시작했다. 이러한 물질은 세포 자살 프로그램을 활성화하고 궁극적으로 세포의 죽음과 파괴로 이어진다.

폐 오가노이드에서 SARS-CoV-2가 감염된 후 폐포 세포의 대부분을 파괴하는 데 3일 밖에 걸리지 않았다. 감염된 세포는 세포 기계의 바이러스 인수와 첫 번째 경보 신호부터 방어 조치 실패 및 세포의 죽음에 대한 세포 자체의 저항력 동원에 이르기까지 명확하게 인식할 수 있는 여러 단계를 거쳤다.

Covid-19 환자의 만료 지연

과학자들에 따르면, 이러한 관찰은 세포 수준에서 Covid-19 환자의 폐에서 일어나는 일에 대한 귀중한 정보를 제공한다.
그들은 환자의 신체에서 SARS-CoV-2에 대한 세포 반응이 매우 유사하지만 시간 지연이 있다고 가정한다. Covid-19의 경우 더 심각한 폐 손상은 일반적으로 감염 후 약 10일 후에 발생한다.

연구진은 이를 인간의 코로나바이러스가 상부 호흡기에서 폐에 도달하는 데 처음에 며칠이 걸린다는 사실에 기인한다.
“증상이 나타나기 전에 폐포 세포의 일정 비율이 영향을 받아야 할 수도 있다.”
Lee와 그의 동료는 말했다.
면역 체계와의 상호 작용도 아마도 중요한 역할을 한다.
(Cell Stem Cell, 2020; doi : 10.1016 / j.stem. 2020.10.004)

출처 : University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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