Et biomolekylært atlas af knoglemarv giver et unikt indblik i hæmatopoieseprocessen

Forskere på Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) og Perelman School of Medicine ved University of Pennsylvania har skabt et nyt og kraftfuldt knoglemarvs-atlas, der vil give offentligheden et unikt visuelt pas til spektret af raske og syge hæmatopoieser. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Cell.

"For første gang vil vi have en omfattende ramme til at se den komplette genekspression og rumlige organisering af knoglemarvsceller," sagde seniorforfatter Kai Tan, ph.d., professor i pædiatriafdelingen og forsker ved Center for Childhood Cancer Research på CHOP. "Selvom vores artikel er grundlæggende, forestiller vi os, at atlaset vil blive brugt til at udvikle nye diagnostiske tests, identificere nye mål for CAR-T-terapi og andre terapeutiske tilgange og opdage rumlige biomarkører for sygdom."

Selvom initiativet blev ledet af CHOP og Penn, er forskningen også en del af et større projekt kaldet Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). HuBMAP-konsortiet består af 42 forskellige forskningsgrupper fra universiteter i 14 stater og fire lande. Forskere samarbejder om at skabe den næste generation af molekylære analyseteknologier og beregningsværktøjer, der vil skabe grundlæggende vævskort og atlasser over funktionerne og forholdet mellem celler i menneskekroppen.

"Forskning af denne størrelsesorden er kun mulig gennem en monumental holdindsats," sagde Showik Bandyopadhyay, ph.d., hovedforfatter til studiet og læge-forsker under uddannelse i Tans laboratorium. "Gennem samarbejde på tværs af flere institutioner og forskningskonsortier var vi i stand til at få grundlæggende indsigt i menneskekroppens mikroskopiske byggesten."

Forskere har længe teoretiseret, at selvom det meste knoglemarv består af blodceller, kan en lille procentdel af ikke-blodceller spille en vigtig rolle i knoglemarvssygdomme hos børn og voksne, såsom leukæmi, myeloproliferative lidelser eller knoglemarvssvigtsyndromer. Indtil denne undersøgelse havde sådanne undersøgelser dog været hæmmet af tekniske udfordringer forbundet med disse cellers sjældenhed og skrøbelighed.

Denne artikel er den første, der overvinder disse begrænsninger og omfattende profilerer voksen menneskelig knoglemarv ved hjælp af enkeltcellet RNA-sekventering. Denne teknik muliggør indfangning af komplette genprofiler af titusindvis af individuelle celler, hvilket afslører den fulde sammensætning af de celletyper, der udgør et organ.

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

I studiet fokuserede forskerne på knoglemarv, som regulerer vigtige processer i blodlegemers udvikling og immunitet. De identificerede mindst ni undertyper af ikke-hæmatopoietiske celler, herunder stromale celler, knogleceller og endotelceller (blodceller), hvoraf mindst tre ikke tidligere var blevet beskrevet, og som producerede vigtige støttefaktorer. Forskerne har skabt et leksikon over disse sjældne ikke-blodceller, der producerer faktorer, der menes at være vigtige for menneskelig hæmatopoiese, hvilket vil bidrage til bedre at forstå, hvilken cellulær kommunikation der bør fokuseres på i fremtidige studier.

Deres resultater fremhæver den stadig vigtigere rolle, som teknologi spiller i nutidens biomolekylære forskning. Forfatterne skabte et rumligt atlas af knoglemarv, inklusive omkring 800.000 celler, ved hjælp af en sofistikeret ny teknik kaldet CODEX kombineret med maskinlæring. Denne tilgang, sammen med omhyggelig manuel annotering af tusindvis af celler og strukturer, gjorde det muligt for dem at fastslå, at sund knoglemarv har en meget distinkt rumlig organisation, og at fedtceller er tættere beslægtet med hæmatopoietiske celler end tidligere antaget.

"Vi er lige begyndt at forstå, hvad der er muligt," sagde Tan. "Fremtidige studier kan bygge videre på vores arbejde og fremskynde knoglemarvsforskningen med håbet om, at disse digitale veje en dag vil føre til medicinske gennembrud i behandlingen af akut leukæmi og andre knoglemarvssygdomme."

Ling Qing, ph.d., en anden ledende forfatter af studiet og professor i ortopædkirurgi ved Perelman School of Medicine, er enig og mener, at studiet vil give langsigtede resultater.

"Når disse teknikker anvendes på prøver fra leukæmipatienter, afslører de en udvidelse af mesenkymale celler, en type sjælden ikke-blodcelle, på stedet for kræftceller i knoglemarven," sagde Qing. "Dette peger på en mulig ny retning for fremtidig sygdomsbehandling."