Biomolekulárny atlas kostnej drene poskytuje jedinečný pohľad na proces krvotvorby

Výskumníci z Detskej nemocnice vo Philadelphii (CHOP) a Perelmanovej lekárskej fakulty na Pensylvánskej univerzite vytvorili nový a výkonný atlas kostnej drene, ktorý poskytne verejnosti prvý vizuálny pas svojho druhu do spektra zdravej a chorej hematopoézy. Výsledky sú publikované v časopise Cell.

„Po prvýkrát budeme mať komplexný rámec na zobrazenie kompletnej génovej expresie a priestorovej organizácie buniek kostnej drene,“ povedal vedúci autor štúdie Kai Tan, PhD, profesor na Katedre pediatrie a výskumník v Centre pre výskum rakoviny u detí na CHOP. „Hoci je náš článok zásadný, predpokladáme, že atlas sa použije na vývoj nových diagnostických testov, identifikáciu nových cieľov pre terapiu CAR-T a ďalšie terapeutické prístupy a na objavenie priestorových biomarkerov ochorenia.“

Hoci iniciatívu viedli CHOP a Penn, výskum je zároveň súčasťou väčšieho projektu s názvom Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). Konzorcium HuBMAP sa skladá zo 42 rôznych výskumných skupín z univerzít v 14 štátoch a štyroch krajinách. Výskumníci spolupracujú na vytvorení novej generácie technológií molekulárnej analýzy a výpočtových nástrojov, ktoré vytvoria základné mapy tkanív a atlasy funkcií a vzťahov medzi bunkami v ľudskom tele.

„Výskum tohto rozsahu je možný len vďaka monumentálnemu tímovému úsiliu,“ povedal Showik Bandyopadhyay, PhD, hlavný autor štúdie a lekár-vedec v príprave v Tanovom laboratóriu. „Vďaka spolupráci medzi viacerými inštitúciami a výskumnými konzorciami sme dokázali získať základné poznatky o mikroskopických stavebných kameňoch ľudského tela.“

Vedci už dlho predpokladajú, že hoci väčšina kostnej drene pozostáva z krviniek, malé percento nekrvných buniek môže hrať dôležitú úlohu pri ochoreniach kostnej drene u detí a dospelých, ako je leukémia, myeloproliferatívne poruchy alebo syndrómy zlyhania kostnej drene. Až do tejto štúdie však takéto štúdie brzdili technické problémy spojené so vzácnosťou a krehkosťou týchto buniek.

Táto práca je prvou, ktorá prekonáva tieto obmedzenia a komplexne profiluje dospelú ľudskú kostnú dreň pomocou sekvenovania RNA jednotlivých buniek. Táto technika umožňuje zachytiť kompletné génové profily desiatok tisíc jednotlivých buniek a odhaliť tak úplné zloženie bunkových typov, ktoré tvoria orgán.

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

V štúdii sa vedci zamerali na kostnú dreň, ktorá reguluje dôležité procesy vo vývoji krviniek a imunite. Identifikovali najmenej deväť podtypov nekrvotvorných buniek vrátane stromálnych buniek, kostných buniek a endotelových (krvných) buniek, z ktorých najmenej tri neboli predtým opísané a ktoré produkujú dôležité podporné faktory. Výskumníci vytvorili encyklopédiu týchto vzácnych nekrvotvorných buniek, ktoré produkujú faktory považované za dôležité pre ľudskú hematopoézu, čo pomôže lepšie pochopiť, na ktorú bunkovú komunikáciu by sa malo v budúcich štúdiách zamerať.

Ich výsledky zdôrazňujú čoraz dôležitejšiu úlohu technológií v dnešnom biomolekulárnom výskume. Autori vytvorili priestorový atlas kostnej drene, ktorý obsahuje približne 800 000 buniek, pomocou sofistikovanej novej techniky s názvom CODEX v kombinácii so strojovým učením. Tento prístup spolu s dôkladnou manuálnou anotáciou tisícov buniek a štruktúr im umožnil určiť, že zdravá kostná dreň má veľmi odlišnú priestorovú organizáciu a že tukové bunky sú viac príbuzné hematopoetickým bunkám, ako sa doteraz predpokladalo.

„Len začíname chápať, čo je možné,“ povedal Tan. „Budúce štúdie môžu stavať na našej práci a urýchliť výskum kostnej drene s nádejou, že jedného dňa tieto digitálne dráhy povedú k medicínskym prelomom v liečbe akútnej leukémie a iných ochorení kostnej drene.“

Ling Qing, PhD, ďalší vedúci autor štúdie a profesor ortopedickej chirurgie na Perelman School of Medicine, súhlasí a verí, že štúdia prinesie dlhodobé výsledky.

„Pri aplikácii na vzorky od pacientov s leukémiou tieto techniky odhaľujú expanziu mezenchymálnych buniek, čo je typ vzácnych nekrvných buniek, na mieste rakovinových buniek v kostnej dreni,“ povedal Qing. „To poukazuje na možný nový smer liečby ochorení v budúcnosti.“