Naukowcy ujawniają „przepis molekularny” na ludzką skórę

Nowy atlas ludzkiej skóry i organoid skóry mogą zrewolucjonizować metody leczenia chorób skóry i udoskonalić techniki medycyny regeneracyjnej.

Zespół naukowców stworzył pierwszy atlas jednokomórkowy ludzkiej skóry w okresie prenatalnym, aby zrozumieć, jak powstaje skóra i co dzieje się nie tak podczas choroby.

Zespół składający się z naukowców z Wellcome Sanger Institute na Uniwersytecie w Newcastle i ich współpracowników wykorzystał sekwencjonowanie pojedynczych komórek i inne techniki genomiki, aby stworzyć atlas i odkryć, w jaki sposób powstaje ludzka skóra, w tym mieszki włosowe. Odkrycia te można wykorzystać do tworzenia nowych mieszków włosowych w medycynie regeneracyjnej i przeszczepach skóry u ofiar oparzeń.

Rozwój i zastosowanie organoidu skóry

W badaniu opublikowanym niedawno w Naturazespół stworzył także w naczyniu „mini-organ” ze skóry, który ma zdolność wzrostu włosów. Korzystając z organoidu, pokazali, jak komórki odpornościowe odgrywają ważną rolę w naprawie skóry bez blizn, co może znaleźć zastosowanie kliniczne w zapobieganiu powstawaniu blizn pooperacyjnych lub gojeniu się ran bez blizn.

W ramach Atlasu Komórek Ludzkich,^[1] w ramach której mapuje się wszystkie typy komórek w organizmie człowieka, aby zmienić zrozumienie zdrowia i choroby, naukowcy przedstawiają molekularny „przepis” na budowę skóry oraz nowy model organoidów do badania wrodzonych chorób skóry.

Skóra to największy organ człowieka, mierzący średnio dwa metry kwadratowe. Stanowi barierę ochronną, reguluje temperaturę ciała i potrafi się regenerować. Skóra rozwija się w sterylnym środowisku macicy, a wszystkie mieszki włosowe powstają przed urodzeniem – po urodzeniu następuje obieg mieszków włosowych, ale nie powstają nowe. Przed urodzeniem skóra ma wyjątkową zdolność gojenia się bez pozostawiania blizn.

Rozwój skóry i badania genetyczne

Badanie rozwoju ludzkiej skóry było trudne, ponieważ modele zwierzęce mają zasadnicze różnice. W ramach Atlasu Komórek Ludzkich zespół badaczy koncentruje się na poznawaniu budowy ludzkiej skóry. Zrozumienie, jak rozwija się skóra, rozmieszczenie komórek w przestrzeni i czasie oraz rola genetyki pomoże odkryć, w jaki sposób określone mutacje powodują wrodzone choroby skóry, takie jak pęcherze i łuszczenie się skóry.

W ramach nowego badania naukowcy z Wellcome Sanger Institute na Uniwersytecie w Newcastle i ich współpracownicy stworzyli pierwszy jednokomórkowy i przestrzenny atlas ludzkiej skóry w okresie prenatalnym.

Zespół wykorzystał próbki prenatalnej tkanki skóry,^[2] które rozbili, aby przyjrzeć się pojedynczym komórkom w zawiesinie, a także komórkom znajdującym się na miejscu w tkance. Naukowcy wykorzystali najnowocześniejsze sekwencjonowanie pojedynczych komórek i transkryptomikę przestrzenną^[3] do analizy poszczególnych komórek w przestrzeni i czasie oraz zmian komórkowych regulujących rozwój skóry i mieszków włosowych. Opisali etapy powstawania mieszków włosowych człowieka i zidentyfikowali różnice w stosunku do mieszków włosowych myszy.

Postępy w modelach organoidów skóry

Wykorzystanie dorosłych komórek macierzystych,^[4] badacze stworzyli także w naczyniu „miniorgan” ze skóry, zwany organoidem, posiadający zdolność do wzrostu włosów. Porównali charakterystykę molekularną organoidów skóry ze skórą prenatalną i odkryli, że model organoidów skóry bardziej przypomina skórę prenatalną niż skórę osoby dorosłej.

Zespół odkrył, że w organoidzie skóry nie tworzyły się naczynia krwionośne w porównaniu ze skórą prenatalną. Dodając do organoidu komórki odpornościowe zwane makrofagami, odkryli, że makrofagi sprzyjają tworzeniu się naczyń krwionośnych, a zespół przeprowadził obrazowanie 3D, aby ocenić powstawanie naczyń krwionośnych w tkance.

Rola makrofagów w rozwoju skóry

Wiadomo, że te komórki odpornościowe chronią skórę przed infekcjami. Jednakże po raz pierwszy wykazano, że makrofagi odgrywają kluczową rolę w tworzeniu ludzkiej skóry na wczesnym etapie rozwoju, wspierając wzrost naczyń krwionośnych. Daje to możliwość poprawy unaczynienia innych organoidów tkankowych.

Zespół przeanalizował także różnice w typach komórek między skórą prenatalną a skórą osoby dorosłej. Pokazują, jak makrofagi odgrywają ważną rolę w naprawie skóry bez blizn w okresie prenatalnym, co może znaleźć zastosowanie kliniczne w celu uniknięcia blizn pooperacyjnych lub ranach.

Zastosowania kliniczne i przyszłe badania

W wyniku tego badania zespół opracował molekularny „przepis” na budowę ludzkiej skóry i powstawanie mieszków włosowych. Odkrycia te można wykorzystać do tworzenia nowych mieszków włosowych na potrzeby medycyny regeneracyjnej, np. przy przeszczepach skóry u ofiar oparzeń lub osób cierpiących na łysienie bliznowaciejące.

Prenatalny atlas ludzkiej skóry zostanie również wykorzystany do określenia, w których komórkach są aktywne lub ulegają ekspresji geny, o których wiadomo, że powodują wrodzone choroby włosów i skóry, takie jak pęcherze i łuszcząca się skóra. Naukowcy odkryli, że geny odpowiedzialne za te zaburzenia ulegają ekspresji w skórze prenatalnej, co oznacza, że ​​powstają w macicy. Organoidy skóry utworzone w tym badaniu oferują nowy, dokładny model do badania tych chorób.

„W naszym atlasie prenatalnej ludzkiej skóry przedstawiliśmy pierwszy molekularny „przepis” na wytwarzanie ludzkiej skóry i odkryliśmy, w jaki sposób powstają ludzkie mieszki włosowe przed urodzeniem. Odkrycia te mają niesamowity potencjał kliniczny i można je zastosować w medycynie regeneracyjnej, oferując przeszczepy skóry i włosów, na przykład u ofiar oparzeń lub osób z łysieniem bliznowatym” – powiedziała dr Elena Winheim, współpierwsza autorka z Wellcome Sanger Institute.

Dr Hudaa Gopee, współpierwsza autorka z Uniwersytetu w Newcastle, powiedziała: „Jesteśmy podekscytowani możliwością stworzenia modelu organoidu skóry, z którego wyrastają włosy. W tym procesie odkryliśmy nową, ważną rolę komórek odpornościowych w promowaniu wzrostu naczyń krwionośnych w rozwijającej się tkance skórnej, co może pomóc w udoskonaleniu innych modeli organoidów. Wydaje się, że te komórki odpornościowe, zwane makrofagami, również odgrywają kluczową rolę w naprawie skóry prenatalnej bez blizn. Nasze odkrycia mogą pomóc w postępie klinicznym w zakresie unikania blizn pooperacyjnych”.

Profesor Muzlifah Haniffa, współautorka i tymczasowy dyrektor genetyki komórkowej w Wellcome Sanger Institute, powiedziała: „Nasz prenatalny atlas ludzkiej skóry i model organoidów zapewniają społeczności badawczej ogólnodostępne narzędzia do badania wrodzonych chorób skóry i odkrywania możliwości medycyny regeneracyjnej. Robimy ekscytujące postępy w kierunku stworzenia Atlasu Komórek Ludzkich, zrozumienia biologicznych etapów budowy człowieka i zbadania, co dzieje się nie tak w chorobie”.

Notatki

1. Badanie to jest częścią Human Cell Atlas (HCA), międzynarodowego konsorcjum współpracującego, które tworzy kompleksowe mapy referencyjne wszystkich ludzkich komórek – podstawowych jednostek życia – jako podstawę do zrozumienia zdrowia ludzkiego oraz diagnozowania, monitorowania i leczenia chorób . HCA prawdopodobnie wpłynie na każdy aspekt biologii i medycyny, napędzając odkrycia i zastosowania o charakterze translacyjnym, a ostatecznie prowadząc do nowej ery medycyny precyzyjnej. HCA zostało założone w 2016 roku przez dr Sarah Teichmann, następnie w Wellcome Sanger Institute (Wielka Brytania) i dr Aviva Regeva, a następnie w Broad Institute of MIT i Harvardzie (USA). Ta prawdziwie globalna inicjatywa liczy obecnie ponad 3500 członków HCA ze 101 krajów na całym świecie. https://www.humancellatlas.org
2. Prenatalne próbki tkanki skóry zostały dostarczone przez Human Developmental Biology Resource (HDBR) i Cambridge Bio Resource.
3. Transkryptomika przestrzenna to metoda molekularna, która mapuje aktywność genów w próbce tkanki i jej lokalizację. Umożliwia badaczom dokładny pomiar ekspresji genów na poziomie komórkowym w nienaruszonych próbkach tkanek.
4. Organoid skóry wytworzono przy użyciu indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) z linii komórkowej KOLF, wygenerowanej w ramach inicjatywy Human Induced Pluripotent Stem Cell Initiative (HipSci). Dowiedz się więcej o HipSci: https://www.hipsci.org/

Odniesienie: „Atlas skóry prenatalnej ujawnia regulację immunologiczną morfogenezy ludzkiej skóry” autorstwa Nusayhah Hudaa Gopee, Elena Winheim, Bayanne Olabi, Chloe Admane, April Rose Foster, Ni Huang, Rachel A. Botting, Fereshteh Torabi, Dinithi Sumanaweera, Anh Phuong Le , Jin Kim, Luca Verger, Emily Stephenson, Diana Adão, Clarisse Ganier, Kelly Y. Gim, Sara A. Serdy, CiCi Deakin, Issac Goh, Lloyd Steele, Karl Annusver, Mohi-Uddin Miah, Win Min Tun, Pejvak Moghimi, Kwasi Amoako Kwakwa, Tong Li, Daniela Basurto Lozada, Ben Rumney, Catherine L. Tudor, Kenny Roberts, Nana-Jane Chipampe, Keval Sidhpura, Justin Englebert, Laura Jardine, Gary Reynolds, Antony Rose, Vicky Rowe, Sophie Pritchard, Ilaria Mulas , James Fletcher, Dorin-Mirel Popescu, Elizabeth Poyner, Anna Dubois, Alyson Guy, Andrew Filby, Steven Lisgo, Roger A. Barker, Ian A. Glass, Jong-Eun Park, Roser Vento-Tormo, Marina Tsvetomilova Nikolova, Peng He , John EG Lawrence, Josh Moore, Stephane Ballereau, Christine B. Hale, Vijaya Shanmugiah, David Horsfall, Neil Rajan, John A. McGrath, Edel A. O’Toole, Barbara Treutlein, Omer Bayraktar, Maria Kasper, Fränze Progatzky, Pavel Mazin, Jiyoon Lee, Laure Gambardella, Karl R. Koehler, Sarah A. Teichmann i Muzlifah Haniffa, 16 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08002-x

Finansowanie: Ta praca była wspierana przez Wellcome, program CIFAR MacMillan Multiscale Human i inne. Pełna informacja o finansowaniu dostępna jest w publikacji.