Während die Forschung viele Details über die Funktion der Blutzellen im Knochenmark ans Licht gebracht hat, ist die Arbeit anderer Zellen in diesem Bereich ein relatives Mysterium geblieben. Nun haben Forscher der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania und des Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP) veröffentlicht ein „Knochenmarkatlas“ in Zelle Das System bietet als erstes seiner Art einen vollständigen Überblick über alle darin vorhandenen Zellen und ermöglicht so ein besseres Verständnis der Blutproduktion bei gesunder und kranker Haut.
„Zum ersten Mal werden wir über einen umfassenden Rahmen verfügen, um die vollständige Genexpression und räumliche Organisation von Knochenmarkzellen zu betrachten“, sagte der leitende Studienautor Kai Tan, Ph.D., Professor für Pädiatrie an der Perelman School of Medicine und Forscher am CHOP Center for Childhood Cancer Research. „Obwohl unser Papier Grundlagenarbeit ist, gehen wir davon aus, dass der Atlas verwendet wird, um neue Diagnosetests zu entwickeln, neue CAR-T- oder andere therapeutische Ziele zu identifizieren und räumliche Biomarker von Krankheiten zu entdecken.“
Knochenmark besteht hauptsächlich aus Blutzellen. Ein kleiner Prozentsatz anderer Zellen kann jedoch bei Erkrankungen wie Leukämie, anderen Blutkrebsarten oder Knochenmarkversagen eine wichtige Rolle spielen. Dank der Bemühungen des Teams haben Forscher und Ärzte nun ein viel klareres Bild von den Funktionen der selteneren, aber wichtigen Zellen im Knochenmark wie Stromazellen, Knochenzellen und Endothelzellen (Blutgefäßzellen).
Durch die Verwendung der Einzelzell-RNA-Sequenzierung konnten die Forscher die vollständigen Genexpressionsprofile von Zehntausenden einzelner Zellen erfassen und so die komplette Mischung der Zelltypen aufdecken, aus denen ein Organ besteht.
Mithilfe einer künstlichen Intelligenz (KI)-Technik namens maschinelles Lernen und einer sorgfältigen manuellen Markierung einzelner Zellen konnte das Team erkennen, dass gesundes Knochenmark eine sehr ausgeprägte räumliche Organisation aufweist und dass Stromazellen enger mit blutproduzierenden Zellen verbunden sind als bisher angenommen.
Als Ergebnis konnten die Forscher eine Enzyklopädie erstellen, in der katalogisiert wird, welche dieser seltenen Nicht-Blutzellen Faktoren produzieren, von denen bekannt ist, dass sie für die menschliche Blutproduktion wichtig sind. Dies wird den Forschern als Orientierung für die Schwerpunktsetzung bei zukünftigen Studien dienen.
„Bei der Anwendung auf Proben von Leukämiepatienten identifizieren diese Techniken die Ausbreitung von mesenchymalen Zellen, einer Art seltener Nicht-Blutzellen, an der Krebszellenstelle im Knochenmark“, sagte der Co-Seniorautor der Studie, Ling Qin, Ph.D., Professor für orthopädische Chirurgie bei Penn Medicine. „Dies eröffnet eine mögliche neue Richtung für die zukünftige Behandlung der Krankheit.“
Die Studie ist Teil des umfassenderen Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP), an dem 42 verschiedene Forschungsteams an Universitäten in 14 Bundesstaaten und vier Ländern beteiligt sind. Die Forscher arbeiten gemeinsam an der Entwicklung der nächsten Generation von Technologien und Computerwerkzeugen zur molekularen Analyse, mit denen sie grundlegende Gewebekarten erstellen und eine vollständige Karte oder einen Atlas der Funktion und Beziehungen zwischen Zellen im menschlichen Körper erstellen können.
„Studien dieser Größenordnung sind nur mit enormen Teamleistungen möglich“, sagte Shovik Bandyopadhyay, Ph.D., einer der Hauptautoren der Studie und ein in Tans Labor in Ausbildung befindlicher Arzt und Wissenschaftler. „Durch die Zusammenarbeit mehrerer Institutionen und wissenschaftlicher Konsortien konnten wir grundlegende Einblicke in die mikroskopischen Bausteine des menschlichen Körpers gewinnen.“
Insgesamt ist das Team optimistisch, was die Möglichkeiten angeht, die seine Techniken und Forschungen ihm eröffnen.
„Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was möglich ist“, sagte Tan. „Zukünftige Forschung kann auf unserer Arbeit aufbauen und Knochenmarkstudien vorantreiben, in der Hoffnung, dass diese digitalen Wege eines Tages zu Durchbrüchen in der Gesundheitsversorgung bei akuter Leukämie und anderen Knochenmarkserkrankungen führen werden.“
Mehr Informationen:
Shovik Bandyopadhyay et al., Kartierung der zellulären Biogeographie menschlicher Knochenmarksnischen mittels Einzelzell-Transkriptomik und Proteom-Bildgebung, Zelle (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.013