Nowy atlas mapuje rozwój szkieletu człowieka, ujawniając kluczowe informacje na temat tworzenia kości, powiązań genetycznych z zapaleniem stawów i schorzeniami takimi jak kraniosynostoza.
Pierwszy „plan” rozwoju szkieletu człowieka ujawnia, w jaki sposób powstaje szkielet, rzuca światło na proces zapalenia stawów i podkreśla komórki zaangażowane w stany wpływające na wzrost czaszki i kości.
Naukowcy z Wellcome Sanger Institute wraz ze współpracownikami wykorzystali najnowocześniejsze techniki genomiczne do zidentyfikowania wszystkich komórek i szlaków zaangażowanych we wczesne etapy rozwoju szkieletu. Zasoby te, stanowiące część szerszego projektu Atlas komórek ludzkich (HCA), można wykorzystać do zbadania, czy obecne lub przyszłe leki terapeutyczne mogą zakłócać wzrost szkieletu, jeśli będą stosowane w czasie ciąży.
Badanie opublikowane w Naturapokazuje jasny obraz tego, jak chrząstka pełni rolę rusztowania dla rozwoju kości w całym szkielecie, z wyjątkiem górnej części czaszki. Zespół zmapował wszystkie komórki niezbędne do tworzenia czaszki i zbadał, w jaki sposób mutacje genetyczne mogą powodować zbyt wczesne zrastanie się miękkich punktów w czaszce noworodków, ograniczając rozwój rozwijającego się mózgu. W przyszłości komórki te można wykorzystać jako potencjalne cele diagnostyczne i terapeutyczne do identyfikacji i leczenia chorób wrodzonych.
Genetyczne powiązania z zapaleniem stawów i rozwojem kości
Odkryli także, że we wczesnych komórkach kości aktywowane są pewne geny, które można powiązać ze zwiększonym ryzykiem rozwoju zapalenia stawów biodrowych w wieku dorosłym. Dla porównania sugerują, że inne geny we wczesnych komórkach chrząstki są powiązane ze zwiększonym ryzykiem rozwoju zapalenia stawów w kolanie, prawdopodobnie ze względu na ich rolę w naprawie chrząstki. W przyszłości dalsze badanie tych różnych komórek może pomóc w opracowaniu nowych metod leczenia tych schorzeń.
Ogólnie rzecz biorąc, rozwijający się atlas szkieletowy jest ogólnodostępnym zasobem, który można wykorzystać, aby lepiej poznać rozwój kości i jego wpływ na warunki wpływające na te tkanki występujące u dzieci i dorosłych.
Niniejsza praca stanowi jedną z kolekcji ponad 40 publikacji HCA w czasopismach Nature Portfolio, które stanowią kamień milowy w naszym rozumieniu ludzkiego ciała. Te wysoce uzupełniające się badania rzuciły światło na główne aspekty rozwoju człowieka oraz biologii zdrowia i chorób, a także doprowadziły do opracowania niezbędnych narzędzi i technologii analitycznych, które przyczynią się do stworzenia Atlasu Komórek Ludzkich
Czaszki dzieci w pełni twardnieją i łączą się w wieku od jednego do dwóch lat. Przed tym procesem rozwojowym w czaszce znajdują się miękkie punkty, które umożliwiają dalszy rozwój mózgu po urodzeniu dziecka. W niektórych przypadkach te miękkie punkty łączą się zbyt wcześnie, powodując stan zwany kraniosynostozą, który zapobiega rozszerzaniu się mózgu.
W Wielkiej Brytanii tę chorobę zwykle leczy się szybko operacyjnie, ale nieleczona może spowodować wzrost ciśnienia w czaszce, co prowadzi do trudności w nauce, problemów ze wzrokiem i utratą słuchu. Chociaż kraniosynostozę powiązano z mutacjami genetycznymi, dotychczas nie było możliwe określenie, które komórki u ludzi zakłócają te mutacje.
Choroba zwyrodnieniowa stawów i zwyrodnienie chrząstki
Choroba zwyrodnieniowa stawów (OA) jest najczęstszą postacią zapalenia stawów w Wielkiej Brytanii i powoduje, że stawy, takie jak biodra i kolana, z biegiem czasu stają się bolesne i sztywne. Dzieje się tak, ponieważ warstwa ochronna, zwana chrząstką, wokół tych stawów uległa uszkodzeniu lub zużyciu. Ostatecznie w większości przypadków konieczna jest wymiana stawu poprzez poważną operację, ponieważ dorośli nie są w stanie wyhodować nowych komórek w celu naprawy uszkodzonej chrząstki.
Korzystając z najnowocześniejszej technologii, naukowcy z Instytutu Sanger i współpracownicy zmapowali rozwój szkieletu w pierwszym trymestrze ciąży, od 5 do 11 tygodni po zapłodnieniu, na poziomie przestrzennym i pojedynczych komórek. Umożliwiło im to opisanie wszystkich komórek, sieci genów i interakcji związanych ze wzrostem kości na wczesnym etapie rozwoju, w tym położenia komórek w szybko rosnącej tkance.
Mapa pojedynczych komórek ujawniła, w jaki sposób najpierw rosną komórki chrząstki, pełniąc rolę rusztowania dla późniejszego wzrostu komórek kostnych. Zespół podkreślił, że dzieje się to w każdym miejscu szkieletu, z wyjątkiem górnej części czaszki, zwanej kością czaszki. W kalwarium odkryli nowe typy wczesnych komórek kostnych, które biorą udział w rozwoju czaszki. Zespół zbadał, w jaki sposób mutacje genetyczne powiązane z kraniosynostozą zakłócają te wczesne komórki kostne, powodując ich przedwczesną fuzję.
Naukowcy odkryli również, że warianty genetyczne powiązane z większym ryzykiem choroby zwyrodnieniowej stawu biodrowego biorą udział we wczesnym rozwoju komórek kostnych i działających na nie regulatorach, podczas gdy warianty wpływające na ryzyko zapalenia stawów kolanowych są zaangażowane w tworzenie chrząstki.
Ponadto zespół wykorzystał atlas do zbadania wpływu leków na rozwój układu kostnego. Sporządzili listę 65 leków zatwierdzonych klinicznie, które obecnie nie są zalecane w czasie ciąży, i podkreślili, gdzie mogą one zakłócać rozwój układu kostnego. Umieszczenie tych informacji w atlasie podkreśla wpływ, jaki leki mogą mieć na rozwijający się człowiek, i może mieć charakter informacyjny przy rozważaniu, czy leki są bezpieczne w czasie ciąży.
Rozwój potencjału badawczego i terapeutycznego
Dr Ken To, współpierwszy autor z Wellcome Sanger Institute, powiedział: „Istnieje niezliczona ilość procesów, które współdziałają podczas rozwoju ludzkiego szkieletu i stawów, a nasze badania scharakteryzowały typy komórek i mechanizmy zaangażowane w tworzenie kości i zespolenie czaszki. Studiując je, byliśmy w stanie nadać kontekst DNA warianty powiązane z wadami wrodzonymi, takimi jak kraniosynostoza, umożliwiające przewidywanie wpływu zmian genetycznych na rozwijający się szkielet. Ostatecznie korzystanie z tego atlasu może pomóc nam lepiej zrozumieć stan zarówno młodego, jak i starzejącego się szkieletu. Posiadanie tego „planu” tworzenia kości może nam również pomóc w opracowaniu skutecznych sposobów hodowania komórek kości i chrząstki w naczyniu, co ma ogromny potencjał terapeutyczny”.
Dr Jan Patrick Pett, współpierwszy autor z Wellcome Sanger Institute, powiedział: „Jesteśmy podekscytowani możliwością stworzenia pierwszej multiomicznej mapy rozwijającego się ludzkiego szkieletu, która ma ogromny potencjał zarówno w zrozumieniu, jak rosną nasze kości, jak i w leczenia schorzeń, które mogą mieć na to wpływ. Nasz wielowarstwowy atlas z rozdzielczością czasową i przestrzenną umożliwił przeprowadzenie nowatorskich analiz obliczeniowych, które wykorzystaliśmy do stworzenia zintegrowanego obrazu regulacji procesów rozwojowych. Posiadanie jaśniejszego obrazu tego, co dzieje się, gdy kształtuje się nasz szkielet i jak wpływa to na schorzenia takie jak choroba zwyrodnieniowa stawów, może pomóc w opracowaniu nowych metod leczenia w przyszłości”.
Profesor Sarah Teichmann, współzałożycielka Atlasu komórek ludzkich i starsza autorka, poprzednio pracująca w Wellcome Sanger Institute, obecnie mieszczącym się w Cambridge Stem Cell Institute na Uniwersytecie w Cambridge, powiedziała: „Nasz unikalny, ogólnodostępny atlas szkieletowy rzuca nowe światło na chrząstkę , rozwój kości i stawów w pierwszym trymestrze ciąży, po raz pierwszy szczegółowo opisując komórki i szlaki zaangażowane razem. Atlas ten łączy najnowocześniejszą technologię przestrzenną z analizą genetyczną i może być używany przez społeczność naukową na całym świecie. Ten szczegółowy atlas rozwoju kości w przestrzeni i czasie jest skoordynowany z innymi badaniami, co przybliża całą inicjatywę Atlas Komórek Ludzkich o krok bliżej do pełnego zrozumienia tego, co dzieje się w ludzkim ciele na przestrzeni rozwoju, zdrowia i choroby.
Literatura: „A multiomiczny atlas ludzkiego embrionalnego rozwoju szkieletu” autorstwa Kena To, Lijiang Fei, J. Patricka Petta, Kenny’ego Robertsa, Raphaela Blaina, Krzysztofa Polańskiego, Tong Li, Nadav Yayon, Peng He, Chuan Xu, James Cranley, Madelyn Moy, Ruoyan Li, Kazumasa Kanemaru, Ni Huang, Stathis Megas, Laura Richardson, Rakesh Kapuge, Shani Perera, Elizabeth Tuck, Anna Wilbrey-Clark, Ilaria Mulas, Fani Memi, Batuhan Cakir, Alexander V. Predeus, David Horsfall, Simon Murray, Martin Prete, Pavel Mazin, Xiaoling He, Kerstin B. Meyer, Muzlifah Haniffa, Roger A Barker, Omer Bayraktar, Alain Chédotal, Christopher D. Buckley i Sarah A. Teichmann, 20 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08189-z
