Ein biomolekularer Atlas des Knochenmarks bietet einen einzigartigen Einblick in den Prozess der Blutbildung

Forscher des Children's Hospital of Philadelphia (CHOP) und der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania haben einen neuen, aussagekräftigen Knochenmarkatlas entwickelt, der der Öffentlichkeit einen einzigartigen visuellen Überblick über das Spektrum gesunder und krankhafter Hämatopoese bietet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.

„Zum ersten Mal verfügen wir über einen umfassenden Rahmen, um die vollständige Genexpression und räumliche Organisation von Knochenmarkzellen zu betrachten “, sagte Dr. Kai Tan, leitender Studienautor und Professor in der Abteilung für Pädiatrie und Forscher im Zentrum für Kinderkrebsforschung am CHOP. „Obwohl unsere Arbeit 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 Krankheitsbiomarker genutzt wird.“

Die Initiative wurde zwar von CHOP und Penn geleitet, ist aber auch Teil eines größeren Projekts namens Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP). Das HuBMAP-Konsortium besteht aus 42 verschiedenen Forschungsgruppen von Universitäten aus 14 Bundesstaaten und vier Ländern. Die Forscher arbeiten gemeinsam an der Entwicklung der nächsten Generation molekularer Analysetechnologien und Computerwerkzeuge, die grundlegende Gewebekarten und Atlanten der Funktionen und Beziehungen zwischen Zellen im menschlichen Körper erstellen sollen.

„Forschung dieser Größenordnung ist nur durch eine enorme Teamleistung möglich“, sagte Dr. Showik Bandyopadhyay, Hauptautor der Studie und angehender Arzt und Wissenschaftler in Tans Labor. „Durch die Zusammenarbeit verschiedener Institutionen und Forschungskonsortien konnten wir grundlegende Erkenntnisse über die mikroskopischen Bausteine des menschlichen Körpers gewinnen.“

Wissenschaftler vermuten seit langem, dass Knochenmark zwar größtenteils aus Blutzellen besteht, ein kleiner Anteil nicht-blutbildender Zellen jedoch eine wichtige Rolle bei Knochenmarkserkrankungen im Kindes- und Erwachsenenalter wie Leukämie, myeloproliferativen Erkrankungen oder Knochenmarkversagen spielen könnte. Bis zu dieser Studie wurden solche Studien jedoch durch technische Herausforderungen im Zusammenhang mit der Seltenheit und Fragilität dieser Zellen erschwert.

Diese Arbeit überwindet erstmals diese Einschränkungen und erstellt ein umfassendes Profil des Knochenmarks erwachsener Menschen mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung. Diese Technik ermöglicht die Erfassung vollständiger Genprofile von Zehntausenden einzelner Zellen und enthüllt so die vollständige Zusammensetzung der Zelltypen, aus denen ein Organ besteht.

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 bisher nicht beschrieben wurden und die wichtige Unterstützungsfaktoren produzieren. Die Forscher erstellten eine Enzyklopädie dieser seltenen Nicht-Blutzellen, die Faktoren produzieren, die für die menschliche Hämatopoese wichtig erscheinen. Dies wird dazu beitragen, besser zu verstehen, auf welche zelluläre Kommunikation zukünftige Studien den Fokus legen sollten.

Ihre Ergebnisse unterstreichen die zunehmend wichtige Rolle der Technologie in der heutigen biomolekularen Forschung. Die Autoren erstellten mithilfe einer neuen, hochentwickelten Technik namens CODEX in Kombination mit maschinellem Lernen einen räumlichen Atlas des Knochenmarks mit rund 800.000 Zellen. Dieser Ansatz, zusammen mit der sorgfältigen manuellen Annotation Tausender Zellen und Strukturen, ermöglichte es ihnen festzustellen, dass gesundes Knochenmark eine sehr ausgeprägte räumliche Organisation aufweist und dass Fettzellen enger mit hämatopoetischen Zellen verwandt sind als bisher angenommen.

„Wir beginnen gerade erst zu verstehen, was möglich ist“, sagte Tan. „Zukünftige Studien können auf unserer Arbeit aufbauen und die Knochenmarkforschung vorantreiben, in der Hoffnung, dass diese digitalen Wege eines Tages zu medizinischen Durchbrüchen bei der Behandlung von akuter Leukämie und anderen Knochenmarkerkrankungen führen werden.“

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

„Bei der Anwendung dieser Techniken auf Proben von Leukämiepatienten zeigen sich im Knochenmark an der Stelle der Krebszellen eine Ausbreitung mesenchymaler Zellen, einer seltenen Art von Nicht-Blutzellen“, sagte Qing. „Dies weist auf eine mögliche neue Richtung für die zukünftige Behandlung der Krankheit hin.“