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Wissenschaftler haben ihre ersten Forschungsergebnisse zur Kartierung der Zellen im menschlichen Körper vorgestellt.Motortion/Getty Images
  • Forscher haben die Fortschritte enthüllt, die sie bei der Erstellung einer Karte der Zellen im menschlichen Körper gemacht haben.
  • Sie sagen, dass eine solche Karte helfen könnte, eine Vielzahl von Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln.
  • Sie vergleichen die Forschung mit dem Human Genome Project, das alle Gene des menschlichen Genoms sequenziert hat.

Vor fast 20 Jahren, dem jahrzehntelangenHumangenomprojektalle Gene im menschlichen Genom vollständig identifiziert, kartiert und sequenziert.

Es war eine bahnbrechende Errungenschaft, die zu großen Fortschritten in der biomedizinischen Technologie und Forschung beigetragen hat.

Diese Woche wurde eine möglicherweise noch bedeutsamere Errungenschaft vorgestellt, als das internationale Konsortium Human Cell Atlas (HCA) detaillierte Karten von mehr als 1 Million einzelner Zellen in 33 Organen und Systemen enthüllte.

Die Daten, die in vier großen Studien in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, stellen die weltweit umfassendsten gewebeübergreifenden Zellatlanten dar.Es ist ein wichtiger Schritt in Richtung des Ziels des HCA, alle Zelltypen des menschlichen Körpers zu kartieren.

„Der Human Cell Atlas verändert unser Verständnis von Biologie und Krankheit“, sagte Sten Linnarsson, Ph.D., Professor am Karolinska Institutet in Schweden und Mitglied des HCA-Organisationskomitees. „Diese gewebeübergreifenden Studien stellen einen Meilenstein für die HCA- und Einzelzellbiologie dar, indem sie einen systematischen, tiefgreifenden Vergleich derselben Zelltypen über die Entwicklung und das Erwachsenenalter hinweg ermöglichen. Sie sind ein großer Schritt nach vorn, um einen Human Cell Atlas aller Zelltypen im menschlichen Körper zu erstellen und den Grundstein für eine neue Ära der Diagnose, Gesundheitsversorgung und Präzisionsmedizin zu legen.“

Eine „Google-Karte“ des Körpers

Auf einer Online-Pressekonferenz sagte Sarah A.Teichmann, Ph.D., Mitbegründer und Hauptleiter des internationalen HCA-Konsortiums und Leiter der Zellgenetik am Wellcome Sanger Institute in Cambridge, England, verglich das Projektziel mit der Erstellung „einer Google-Karte des menschlichen Körpers – einer Street View‘ Karte aller Zellen und Gewebe.“

„Was [der HCA] wirklich eröffnet, ist die Fähigkeit, Gewebe in seiner ganzen Pracht zu verstehen“, fügte Aviv Regev, Ph.D., Mitbegründer des Projekts und Mitglied des Broad Institute of MIT und der Harvard University in Massachusetts, hinzu.

Die Ergebnisse – und diejenigen, die folgen werden – werden den Forschern helfen, Krankheiten, Impfstoffentwicklung und Bereiche wie Anti-Tumor-Immunologie und regenerative Medizin besser zu verstehen, sagten Experten.

Zum Beispiel, sagte Teichmann, hat die Forschung bereits gezeigt, „wie sich Immunzellen auf neue und unerwartete Weise entwickeln“ – im Darm, der Thymusdrüse und anderen Geweben, nicht nur im Knochenmark.

Regev sagte, dass die Zellkartierung „uns hilft, genau zu verstehen, wo Krankheiten entstehen“ auf zellulärer Ebene.

„Die Leute halten das Genom oft für eine Blaupause, aber es ist wirklich eine Stückliste.“Stephen Quake, Ph.D., ein Gründer des Quake Lab, eines biologischen Forschungszentrums an der Stanford University in Kalifornien, gegenüber Healthline.

Mithilfe von maschinellem Lernen bietet die Fähigkeit der HCA-Forscher, Gewebe zur Analyse in einzelne Zellen zu trennen, einen Einblick, wie diese genetischen „Teile“ im ganzen Körper zusammenarbeiten.

„Das Genom ist die Stückliste, aber es ist nicht der Bediener – das sind die Zellen“, fügte Regev hinzu. „Sobald man die Gene hat, muss man verstehen, wo sie wirken.“

Regev verglich das HCA-Projekt mit dem „Human Genome Project, aber gemacht für das 21. Jahrhundert“.

„Der HCA ist ein völlig offener Prozess mit mehr als 2.000 Wissenschaftlern in 83 Ländern“, sagte sie. „Das war in den 1990er Jahren nicht möglich.“

Bekämpfung von Krankheiten auf zellulärer Ebene

Laut Experten wird die Zellkartierung für die Arzneimittelentwicklung, Gentherapie und Zelltherapie besonders wertvoll sein.

„Wenn Sie auf eine bestimmte Zelle abzielen, möchten Sie wissen, wo diese Zelle sonst noch im Körper exprimiert wird.“Beben sagte.

"Zu wissen, wo Ihr Ziel sonst exprimiert wird, ist entscheidend für die Verhinderung von Toxizität", fügte Regev hinzu.

In einer der vier ersten Studien sequenzierten Forscher des Wellcome Sanger Institute RNA aus 330.000 einzelnen Immunzellen, um besser zu verstehen, wie Immunzellen in verschiedenen Geweben funktionieren.

„Durch den Vergleich bestimmter Immunzellen in mehreren Geweben derselben Spender haben wir unterschiedliche ‚Geschmacksrichtungen‘ von Gedächtnis-T-[Immun-]Zellen in verschiedenen Bereichen des Körpers identifiziert, was große Auswirkungen auf die Behandlung von Infektionen haben könnte“, sagte Teichmann. „Unsere offen zugänglichen Daten werden zum Human Cell Atlas beitragen und könnten als Rahmen für die Entwicklung von Impfstoffen oder zur Verbesserung der Entwicklung von Immuntherapien zur Bekämpfung von Krebs dienen.“

In einer zweiten Studie erstellte ein vom Sanger Institute geleitetes Forschungsteam einen umfassenden Atlas des sich entwickelnden menschlichen Immunsystems.Die Studie umfasste Gewebe, die an der Bildung von Blut- und Immunzellen beteiligt sind, und zeigte, dass bestimmte Zelltypen mit zunehmendem Alter des Menschen verloren gehen.Die Forscher sagten, die Ergebnisse könnten die In-vitro-Zelltechnik und die Forschung in der regenerativen Medizin stärken.

Regev leitete eine dritte Studie, die maschinelle Lernalgorithmen zur Analyse von gefrorenem Zellmaterial verwendete und damit eine erhebliche Barriere in einem Forschungsgebiet überwand, das typischerweise auf frisches Gewebe für die Analyse angewiesen ist.Die 200.000 Zellen, die das Team des Broad Institute dem Atlas hinzugefügt hat, wurden erfolgreich mit 6.000 Einzelgenkrankheiten und 2.000 komplexen genetischen Krankheiten in Verbindung gebracht.

Regev sagte, die Studie „öffne den Weg zu Untersuchungen von Geweben ganzer Patientenkohorten auf Einzelzellebene“.

„Wir waren in der Lage, eine neue Roadmap für mehrere Krankheiten zu erstellen, indem wir Zellen direkt mit der Biologie menschlicher Krankheiten und Krankheitsrisikogenen über Gewebe hinweg in Beziehung setzten“, sagte sie.

Die „Tabula Sapiens“

Schließlich verwendete eine Studie von Quake und Kollegen am Chan Zuckerberg Biohub die Einzelzell-RNA-Sequenzierung lebender Zellen, um mehrere Organe eines Spenders zu analysieren.

Dies ermöglichte den Vergleich verschiedener Gewebe unter Berücksichtigung von Faktoren wie genetischem Hintergrund, Alter und Umwelteinflüssen.

Der resultierende Zellatlas, der mehr als 400 Zelltypen umfasst, wurde „The Tabula Sapiens“ genannt.

„Die Tabula Sapiens ist ein Referenzatlas, der eine molekulare Definition von Hunderten von Zelltypen in 24 Organen des menschlichen Körpers bietet“, sagte Quake.

Die Ergebnisse enthüllten neue Einblicke in die Zellbiologie, einschließlich der Frage, wie dasselbe Gen unterschiedlich in verschiedene Zelltypen gespleißt werden kann und wie Klone von Immunzellen von Geweben gemeinsam genutzt werden können.

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