En biomolekylär atlas av benmärgen ger en unik inblick i hematopoiesprocessen

Forskare vid Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) och Perelman School of Medicine vid University of Pennsylvania har skapat en kraftfull ny benmärgsatlas som kommer att ge allmänheten ett unikt visuellt pass till hela spektrumet av frisk och sjuk hematopoes. Resultaten publiceras i tidskriften Cell.

”För första gången kommer vi att ha ett heltäckande ramverk för att se hela genuttrycket och den rumsliga organisationen av benmärgsceller ”, säger seniorförfattaren till studien, PhD, professor vid institutionen för pediatrik och forskare vid Center for Childhood Cancer Research vid CHOP. ”Även om vår artikel är grundläggande, föreställer vi oss att atlasen kommer att användas för att utveckla nya diagnostiska tester, identifiera nya mål för CAR-T-behandling och andra terapeutiska metoder, och upptäcka rumsliga biomarkörer för sjukdom.”

Även om initiativet leddes av CHOP och Penn, är forskningen också en del av ett större projekt som kallas Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). HuBMAP-konsortiet består av 42 olika forskargrupper från universitet i 14 stater och fyra länder. Forskare samarbetar för att skapa nästa generations molekylära analystekniker och beräkningsverktyg som kommer att skapa grundläggande vävnadskartor och atlaser över funktionerna och relationerna mellan celler i människokroppen.

”Forskning av denna omfattning är endast möjlig genom en monumental laginsats”, säger Showik Bandyopadhyay, PhD, huvudförfattare till studien och läkare och forskare under utbildning i Tans laboratorium. ”Genom samarbeten mellan flera institutioner och forskningskonsortier kunde vi få grundläggande insikter i de mikroskopiska byggstenarna i människokroppen.”

Forskare har länge teoretiserat att även om det mesta av benmärgen består av blodkroppar, kan en liten andel icke-blodkroppar spela en viktig roll i benmärgssjukdomar hos barn och vuxna, såsom leukemi, myeloproliferativa sjukdomar eller benmärgssviktssyndrom. Fram till denna studie hade dock sådana studier hindrats av tekniska utmaningar i samband med dessa cellers sällsynthet och skörhet.

Denna artikel är den första som övervinner dessa begränsningar och heltäckande profilerar vuxen mänsklig benmärg med hjälp av RNA-sekvensering från enstaka celler. Denna teknik möjliggör insamling av kompletta genprofiler av tiotusentals individuella celler, vilket avslöjar den fullständiga sammansättningen av de celltyper som utgör ett organ.

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

I studien fokuserade forskarna på benmärg, som reglerar viktiga processer i blodkroppsutveckling och immunitet. De identifierade minst nio subtyper av icke-hematopoetiska celler, inklusive stromala celler, benceller och endotelceller (blodceller), varav minst tre inte tidigare beskrivits, som producerade viktiga stödfaktorer. Forskarna skapade ett uppslagsverk över dessa sällsynta icke-blodceller som producerar faktorer som anses vara viktiga för mänsklig hematopoes, vilket kommer att bidra till att bättre förstå vilken cellulär kommunikation som bör fokuseras på i framtida studier.

Deras resultat belyser den allt viktigare rollen som teknik spelar i dagens biomolekylära forskning. Författarna skapade en rumslig atlas över benmärg, inklusive cirka 800 000 celler, med hjälp av en sofistikerad ny teknik som kallas CODEX i kombination med maskininlärning. Denna metod, tillsammans med noggrann manuell annotering av tusentals celler och strukturer, gjorde det möjligt för dem att fastställa att frisk benmärg har en mycket distinkt rumslig organisation, och att fettceller är närmare besläktade med hematopoetiska celler än man tidigare trott.

”Vi har precis börjat förstå vad som är möjligt”, sa Tan. ”Framtida studier kan bygga vidare på vårt arbete och påskynda benmärgsforskningen med förhoppningen att dessa digitala vägar en dag kommer att leda till medicinska genombrott i behandlingen av akut leukemi och andra benmärgssjukdomar.”

Ling Qing, PhD, en annan seniorförfattare till studien och professor i ortopedisk kirurgi vid Perelman School of Medicine, håller med och tror att studien kommer att ge långsiktiga resultat.

"När dessa tekniker tillämpas på prover från leukemipatienter avslöjar de en expansion av mesenkymala celler, en typ av sällsynta icke-blodceller, på platsen för cancerceller i benmärgen", sa Qing. "Detta pekar på en möjlig ny riktning för framtida sjukdomsbehandling."