Biomolekularer Knochenmarkatlas bietet einzigartige Einblicke in die Hämatopoese

Forscher des Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) und der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania haben einen leistungsstarken neuen Knochenmarkatlas erstellt, der der Öffentlichkeit einen einzigartigen visuellen Pass für das Spektrum gesunder und kranker Hämatopoese bietet. Die Ergebnisse wurden im Cell-Magazin veröffentlicht.

„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 Tang, Ph.D., Professor in der Abteilung für Pädiatrie und Forscher am Center for Children's Cancer Research am CHOP. „Obwohl unser Papier grundlegend ist, gehen wir davon aus, dass der Atlas zur Entwicklung neuer Diagnosetests, zur Identifizierung neuer Ziele für die CAR-T-Therapie und andere therapeutische Ansätze sowie zur Entdeckung räumlicher Biomarker von Krankheiten verwendet wird.“

Obwohl die Initiative von CHOP und Penn geleitet wurde, ist die Forschung auch Teil des umfassenderen Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). Das HuBMAP-Konsortium besteht aus 42 verschiedenen Forschungsgruppen von Universitäten in 14 Bundesstaaten und vier Ländern. Die Forscher arbeiten zusammen, um die nächste Generation von molekularen Analysetechnologien und Computertools zu entwickeln, mit denen grundlegende Gewebekarten und ein Atlas der Funktionen und Beziehungen zwischen Zellen im menschlichen Körper erstellt werden können.

„Forschung dieser Größenordnung ist nur durch enorme Teamarbeit möglich“, sagte Showik Bandyopadhyay, Ph.D., Hauptautor der Studie und Arzt und Wissenschaftler, der in Tans Labor ausgebildet wird. „Durch die Zusammenarbeit mehrerer Institutionen und wissenschaftlicher Konsortien konnten wir grundlegende Erkenntnisse über die mikroskopischen Bausteine des menschlichen Körpers gewinnen.“

Wissenschaftler vermuten schon lange, dass, obwohl der Großteil des Knochenmarks aus Blutzellen besteht, ein kleiner Prozentsatz nicht-blutbildender Zellen eine wichtige Rolle bei Knochenmarkserkrankungen im Kindes- und Erwachsenenalter wie Leukämie, myeloproliferativen Erkrankungen oder Knochenmarkversagensyndromen spielen könnte. Vor dieser Studie waren derartige Forschungen jedoch aufgrund technischer Probleme im Zusammenhang mit der Seltenheit und Fragilität dieser Zellen schwierig.

Dieses Papier überwindet diese Einschränkungen erstmals und erstellt mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierung ein umfassendes Profil des Knochenmarks erwachsener Menschen. Mit dieser Technik können vollständige Genprofile von Zehntausenden einzelner Zellen erfasst werden, wodurch die vollständige Zusammensetzung der Zelltypen, aus denen ein Organ besteht, offengelegt wird.

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

In der Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf das Knochenmark, das wichtige Prozesse der Blutzellentwicklung und Immunität reguliert. Sie identifizierten mindestens neun Subtypen nicht-hämatopoetischer Zellen, darunter Stromazellen, Knochenzellen und Endothelzellen (Blutzellen), von denen mindestens drei zuvor nicht beschrieben worden waren und die wichtige unterstützende Faktoren produzierten. Die Forscher haben eine Enzyklopädie dieser seltenen Nicht-Blutzellen erstellt, die Faktoren produzieren, von denen angenommen wird, dass sie für die menschliche Hämatopoese wichtig sind, was helfen wird, besser zu verstehen, auf welche zelluläre Kommunikation sich zukünftige Forschung konzentrieren sollte.

Ihre Ergebnisse unterstreichen die zunehmend wichtige Rolle der Technologie in der heutigen biomolekularen Forschung. Die Autoren erstellten einen räumlichen Atlas des Knochenmarks, der etwa 800.000 Zellen umfasst, und verwendeten dazu eine hochentwickelte neue Technik namens CODEX in Kombination mit maschinellem Lernen. Dieser Ansatz, gepaart mit einer sorgfältigen manuellen Annotation von Tausenden von Zellen und Strukturen, ermöglichte es ihnen, festzustellen, dass gesundes Knochenmark eine sehr klare räumliche Organisation aufweist und Fettzellen enger mit hämatopoetischen Zellen verbunden sind als bisher angenommen.

„Wir beginnen gerade erst zu erkennen, was möglich ist“, sagte Tan. „Zukünftige Forschung kann auf unserer Arbeit aufbauen, indem sie die Knochenmarkforschung beschleunigt, in der Hoffnung, dass diese digitalen Wege eines Tages zu medizinischen Durchbrüchen bei der Behandlung von akuter Leukämie und anderen Knochenmarkserkrankungen führen werden.“

Ling Qing, Ph.D., ein weiterer leitender Autor dieser Studie und Professor für orthopädische Chirurgie an der Perelman School of Medicine, stimmt dem zu und glaubt, dass diese Studie langfristige Ergebnisse liefern wird.

„Wenn diese Techniken auf Proben von Leukämiepatienten angewendet werden, erkennen sie die Ausbreitung von mesenchymalen Zellen, einer Art seltener Nicht-Blutzellen, an der Stelle von Krebszellen im Knochenmark“, sagte Qing. „Dies weist auf eine mögliche neue Richtung für die Behandlung der Krankheit in der Zukunft hin.“