Forscher kartieren erstmals die Lungenentwicklung nach der Geburt bis in die späte Kindheit

Wie entwickelt sich die Lunge nach den ersten Atemzügen außerhalb der Gebärmutter? Welche zellulären Ereignisse und Veränderungen im frühen Leben führen zu Lungenfunktionsstörungen und -erkrankungen? Um diese Fragen zu beantworten, haben Wissenschaftler den ersten Einzelzellatlas der postnatalen Lungenentwicklung bei Menschen und Mäusen erstellt.

Die Forschung könnte dazu beitragen, ein detaillierteres Verständnis – auf der Ebene einzelner Zellen – zu erlangen, welche genetischen und epigenetischen Faktoren die Lungengesundheit über die gesamte menschliche Lebensspanne hinweg beeinflussen, beginnend mit der Geburt.

Die kürzlich erschienene Arbeit in Zellgenomikwurde von einem Forscherteam der University of California San Diego und der University of North Carolina at Chapel Hill geleitet.

Durch die Analyse von Lungengewebeproben von neugeborenen und jungen Menschen sowie von Mäusen konnten die Forscher Erkenntnisse darüber gewinnen, wie bestimmte Zelltypen in der Lunge im Kindesalter entstehen und sich verändern.

„Dies sind einzigartige Proben, über die wir Informationen während einer Zeit in der Lungenentwicklung gesammelt haben, die nicht gut untersucht wurde“, sagte Erstautorin Thu Elizabeth Duong, Ärztin und Wissenschaftlerin für pädiatrische Atemwegsmedizin an der UC San Diego School of Medicine und Pneumologin im Rady Children’s Hospital-San Diego. „Das Spannende ist, in Einzelzellauflösung sehen zu können, was die Lungenzellen in diesem Entwicklungsstadium tun.“

Ziel ist es, eine sogenannte „Referenzkarte“ der menschlichen Lunge zu erstellen. Eine solche Karte würde als Grundlage dienen, um die zellulären Unterschiede zwischen gesunden und erkrankten Lungen zu verstehen. Diese Arbeit stellt einen kleinen Schritt zum Aufbau einer Referenz für die pädiatrische Population dar.

„Ihre Gesundheit der Atemwege wird durch die Ereignisse in Ihren frühen Lebensjahren geprägt. Wenn also etwas schief geht, können wir auf diese frühen Jahre zurückgreifen, um mögliche Krankheitsursachen zu identifizieren“, sagte Duong.

„In Fällen von Lungenanomalien oder -erkrankungen können wir hineinzoomen und untersuchen, welche spezifischen Zelltypen sich von ihren Gegenstücken in den gesunden Referenzen unterscheiden und welche molekularen Wege diesen Veränderungen zugrunde liegen“, sagte Kun Zhang, Professor und Lehrstuhl für Bioingenieurwesen an UC San Diego, der ein leitender Autor der Studie ist. „Diagnose und Therapie könnten dann anhand der Unterschiede zur Referenzkarte entwickelt werden.“

Die Lunge ist eine wichtige Barriere im Körper. Sie lassen lebenswichtige Substanzen wie Sauerstoff ein und halten sie im Gleichgewicht, während sie Abfallstoffe wie Kohlendioxid entfernen. Und sie filtern die Luft, die wir atmen. Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse hier die Grundlage für tiefer gehende Studien darüber legen, wie Umweltfaktoren wie Luftverschmutzung und Rauchen die Gesundheit und Krankheit der Lunge in verschiedenen Lebensphasen beeinflussen.

Um ihre Karte zu erstellen, analysierten die Forscher postmortales menschliches Lungengewebe, das zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt wurde, beginnend am ersten Tag und bis zu 9 Jahre nach der Geburt. Die Forscher sammelten auch Lungengewebeproben von Mäusen zu passenden Zeitpunkten zwischen einem Tag und fast einem Monat nach der Geburt.

Die Forscher verwendeten Einzelzell-Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation, die in Zhangs Labor entwickelt wurden, um einzelne Kerne von mehr als 80.000 menschlichen und Maus-Lungenzellen zusammen zu analysieren.

Mit dieser Analyse könnten die Forscher damit beginnen, Entwicklungswege für verschiedene Lungenzelltypen, einschließlich Alveolarepithelzellen Typ 1, zu kartieren. Diese Zellen sind lebenswichtig für den Austausch von Sauerstoff- und Kohlendioxidgasen. Die Forscher erhielten Hinweise darauf, wie alveoläre Typ-1-Zellen mit anderen Zellen wie Myofibroblasten kommunizieren und wie diese Kommunikation bei der Entwicklung von Alveolarzellen eine Rolle spielen könnte.

Die Studie zeigte auch eine einzigartige Population von Fibroblastenzellen in der menschlichen Lunge, die bei Mäusen nicht beobachtet wurde. Diese Fibroblasten sind Zellen im Bindegewebe, die eine Rolle bei der Dehnung der Lunge spielen. Die Forscher fanden auch Zellzustände in der menschlichen Lunge, die im frühen Leben bei der Geburt vorhanden sind, aber im Alter von 9 Jahren verschwinden.

„Diese Daten helfen uns herauszufinden, wie wichtige Zelltypen in der Lunge entstehen“, sagte Duong. „Wir hoffen, dass dies eine wertvolle Ressource für die Lungenforscher sein wird, die sich weiterentwickeln.“