Forskare vid Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP) och Perelman School of Medicine vid University of Pennsylvania har presenterat en ny kraftfull benmärgsatlas som kommer att ge allmänheten en unik visuell inblick i spektrumet av frisk och sjuk blodproduktion. Resultaten publiceras i tidskriften Cell.
”För första gången kommer vi att ha ett omfattande ramverk för att se det fullständiga genuttrycket och den rumsliga organisationen av benmärgsceller”, säger Kai Tan, Ph.D., professor vid institutionen för pediatrik och forskare vid CHOP:s Center for Childhood Cancer Research. ”Även om vår artikel är grundläggande, föreställer vi oss att atlasen kommer att användas för att utveckla nya diagnostiska tester, identifiera nya CAR-T eller andra terapeutiska mål och upptäcka rumsliga biomarkörer för sjukdom.”
Även om studien leds av CHOP och Penn är den också en del av det bredare Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). HUBMAP-konsortiet består av 42 olika forskargrupper vid universitet i 14 delstater och fyra länder. Forskarna samarbetar för att skapa nästa generations molekylära analystekniker och beräkningsverktyg, som kommer att göra det möjligt för forskarna att skapa grundläggande vävnadskartor och konstruera en atlas över funktionen och relationerna mellan cellerna i människokroppen.
”Studier av den här storleken är bara möjliga med monumentala teaminsatser”, säger Shovik Bandyopadhyay, Ph.D., huvudförfattare till studien och läkare och forskare under utbildning i Tans laboratorium. ”Genom samarbete mellan flera institutioner och vetenskapliga konsortier har vi kunnat få en grundläggande inblick i människokroppens mikroskopiska byggstenar.”
Forskare har länge haft en teori om att även om den största delen av benmärgen består av blodceller, kan en liten andel icke-blodceller spela en viktig roll vid benmärgssjukdomar hos barn och vuxna, t.ex. leukemi, myeloproliferativa sjukdomar eller syndrom med benmärgssvikt. Före denna studie var forskningen dock utmanande på grund av tekniska problem som uppstod till följd av dessa cellers sällsynthet och bräcklighet.
Denna artikel är den första som övervinner dessa begränsningar och gör en omfattande profilering av vuxen mänsklig benmärg med hjälp av encells-RNA-sekvensering. Tekniken fångar de fullständiga genuttrycksprofilerna för tiotusentals enskilda celler, vilket avslöjar den kompletta mixen av celltyper som utgör ett organ.
I studien fokuserade forskarna på benmärg som reglerar viktiga processer i blodcellsutveckling och immunitet. De fångade minst nio undergrupper av icke-hematopoetiska celler, inklusive stromaceller, benceller och endotelceller (blodkärlsceller) – varav minst tre inte tidigare har rapporterats och som producerade kritiska stödjande faktorer. Forskarna kunde skapa en encyklopedi över vilka av dessa sällsynta icke-blodceller som producerar faktorer som är kända för att vara viktiga i människans blodproduktion, vilket kommer att hjälpa forskarna att bättre förstå vilken cellulär kommunikation de ska fokusera framtida studier på.
Resultaten understryker den alltmer centrala roll som tekniken spelar i dagens biomolekylära forskning. Författarna skapade den spatiala benmärgsatlasen med uppskattningsvis 800.000 celler för att motsvara en transkriptionsatlas genom att utnyttja en sofistikerad ny teknik som kallas CODEX tillsammans med maskininlärning. Detta tillvägagångssätt, tillsammans med noggrann manuell annotering av tusentals celler och strukturer, ledde dem till att urskilja att frisk benmärg har en mycket distinkt rumslig organisation och att fettceller är närmare associerade med blodproducerande celler än vad som tidigare förståtts.
”Vi har bara börjat skrapa på ytan av vad som är möjligt”, säger Tan. ”Framtida forskning kan bygga vidare på vårt arbete och påskynda benmärgsstudier med förhoppningen att dessa digitala vägar en dag ska leda till genombrott inom vården av akut leukemi och andra benmärgssjukdomar.”
Ling Qin, Ph.D., den andra huvudförfattaren till denna studie och professor i ortopedisk kirurgi vid Perelman School of Medicine, höll med och sa att hon också ser att forskningen kan ge bestående effekter.
”När dessa tekniker tillämpas på prover från leukemipatienter identifierar de expansionen av mesenkymala celler, en typ av sällsynta icke-blodceller, vid cancercellen i benmärgen”, säger Qin. ”Detta visar på en potentiell ny riktning för framtida sjukdomsbehandling.”
Ytterligare information: Shovik Bandyopadhyay et al, Mapping the cellular biogeography of human bone marrow niches using single-cell transcriptomics and proteomic imaging, Cell (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.013
