Atlas biomolekularny szpiku kostnego zapewnia unikalny wgląd w proces hematopoezy

Naukowcy z Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) i Perelman School of Medicine na University of Pennsylvania stworzyli potężny nowy atlas szpiku kostnego, który zapewni społeczeństwu pierwszy w swoim rodzaju wizualny paszport do spektrum zdrowej i chorej hematopoezy. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Cell.

„Po raz pierwszy będziemy mieli kompleksowe ramy do przeglądania pełnej ekspresji genów i organizacji przestrzennej komórek szpiku kostnego ” — powiedział starszy autor badania Kai Tan, doktor, profesor w Katedrze Pediatrii i badacz w Centrum Badań nad Rakiem Dziecięcym w CHOP. „Chociaż nasza praca jest fundamentalna, przewidujemy, że atlas zostanie wykorzystany do opracowania nowych testów diagnostycznych, identyfikacji nowych celów terapii CAR-T i innych podejść terapeutycznych oraz odkrywania przestrzennych biomarkerów choroby”.

Chociaż inicjatywa była prowadzona przez CHOP i Penn, badania są również częścią większego projektu o nazwie Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). Konsorcjum HuBMAP składa się z 42 różnych grup badawczych z uniwersytetów w 14 stanach i czterech krajach. Naukowcy współpracują, aby stworzyć następną generację technologii analizy molekularnej i narzędzi obliczeniowych, które stworzą podstawowe mapy tkanek i atlasy funkcji i relacji między komórkami w ciele człowieka.

„Badania tej skali są możliwe tylko dzięki monumentalnemu wysiłkowi zespołu” — powiedział Showik Bandyopadhyay, doktor, główny autor badania i lekarz-naukowiec w trakcie szkolenia w laboratorium Tana. „Dzięki współpracy z wieloma instytucjami i konsorcjami badawczymi udało nam się uzyskać fundamentalne informacje na temat mikroskopijnych bloków budulcowych ludzkiego ciała”.

Naukowcy od dawna teoretyzowali, że chociaż większość szpiku kostnego składa się z komórek krwi, niewielki odsetek komórek niebędących komórkami krwi może odgrywać ważną rolę w dziecięcych i dorosłych chorobach szpiku kostnego, takich jak białaczka, zaburzenia mieloproliferacyjne lub zespoły niewydolności szpiku kostnego. Jednak do czasu tego badania takie badania były utrudnione przez wyzwania techniczne związane z rzadkością i kruchością tych komórek.

Niniejszy artykuł jest pierwszym, który przezwycięża te ograniczenia i kompleksowo profiluje dorosły szpik kostny człowieka przy użyciu sekwencjonowania RNA pojedynczej komórki. Ta technika pozwala na uchwycenie kompletnych profili genów dziesiątek tysięcy pojedynczych komórek, ujawniając pełny skład typów komórek, z których składa się narząd.

Źródło: Cell (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.013

W badaniu naukowcy skupili się na szpiku kostnym, który reguluje ważne procesy w rozwoju komórek krwi i odporności. Zidentyfikowali co najmniej dziewięć podtypów komórek niehematopoetycznych, w tym komórki podścieliska, komórki kostne i komórki śródbłonka (krwi), z których co najmniej trzy nie zostały wcześniej opisane, które wytwarzają ważne czynniki wsparcia. Naukowcy stworzyli encyklopedię tych rzadkich komórek niekrwiotwórczych, które wytwarzają czynniki uważane za ważne dla ludzkiej hematopoezy, co pomoże lepiej zrozumieć, na której komunikacji komórkowej należy się skupić w przyszłych badaniach.

Ich wyniki podkreślają coraz ważniejszą rolę technologii w dzisiejszych badaniach biomolekularnych. Autorzy stworzyli przestrzenny atlas szpiku kostnego, obejmujący około 800 000 komórek, wykorzystując zaawansowaną nową technikę zwaną CODEX połączoną z uczeniem maszynowym. To podejście, wraz ze staranną ręczną adnotacją tysięcy komórek i struktur, pozwoliło im ustalić, że zdrowy szpik kostny ma bardzo wyraźną organizację przestrzenną, a komórki tłuszczowe są bliżej spokrewnione z komórkami hematopoetycznymi, niż wcześniej sądzono.

„Dopiero zaczynamy rozumieć, co jest możliwe” — powiedział Tan. „Przyszłe badania mogą rozwijać naszą pracę, przyspieszając badania nad szpikiem kostnym z nadzieją, że pewnego dnia te cyfrowe ścieżki doprowadzą do przełomów medycznych w leczeniu ostrej białaczki i innych chorób szpiku kostnego”.

Ling Qing, dr nauk medycznych, współautor badania i profesor chirurgii ortopedycznej w Perelman School of Medicine, zgadza się z tym i uważa, że badanie przyniesie długoterminowe rezultaty.

„Zastosowane do próbek od pacjentów z białaczką, techniki te ujawniają ekspansję komórek mezenchymalnych, rzadkiego rodzaju komórek niekrwiotwórczych, w miejscu komórek rakowych w szpiku kostnym” – powiedział Qing. „To wskazuje na możliwy nowy kierunek przyszłego leczenia chorób”.