Создав первый пространственный атлас развивающегося тимуса человека — жизненно важного органа, который тренирует иммунные клетки для защиты от инфекций и рака, ученые обнаружили, что основа пожизненного иммунитета закладывается раньше, чем считалось ранее.
Исследователи из Института Уэллкома Сэнгера и их коллеги из Гентского университета (Бельгия), Национального института аллергии и инфекционных заболеваний Национального института здравоохранения и других обнаружили ключевые различия в развитии иммунных клеток. Это понимание может помочь ученым создавать иммунные клетки вне организма для борьбы с раком, противодействия возрастному снижению иммунитета или предотвращения рисков отторжения трансплантата.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, является частью международной инициативы Human Cell Atlas (HCA) по картированию каждого типа клеток в организме человека. Знания, полученные в результате изучения того, как образцы тимуса изменяются до и после рождения, могут помочь будущим исследователям создать искусственный тимус, что станет первым шагом на пути к созданию терапевтических иммунных клеток для пожилых людей или людей с ослабленной иммунной системой.
Эта статья входит в коллекцию из более чем 40 публикаций HCA в журналах Nature Portfolio, которые представляют собой важный шаг в нашем понимании человеческого тела.
Иммунная система защищает организм от инфекций и рака с помощью разнообразного набора Т-клеток, типа белых кровяных клеток. Сначала Т-клетки должны быть обучены распознавать угрозы, не нападая на собственные здоровые клетки организма. Тимус, небольшой орган за грудиной, является местом, где происходит это важное обучение Т-клеток.
Нарушение работы тимуса может привести к ослаблению иммунитета или аутоиммунным заболеваниям, когда организм ошибочно атакует сам себя, что приводит к таким заболеваниям, как диабет 1 типа или ревматоидный артрит.
Несмотря на свою важность, мало что известно о раннем развитии тимуса, поскольку он уникально функционирует в первую очередь в младенчестве, а затем постепенно дегенерирует в течение жизни. Изучение его ранних стадий может позволить нам понять, почему иммунитет ослабевает с возрастом, делая пожилых людей уязвимыми для инфекций и менее восприимчивыми к вакцинам.
В этом новом исследовании ученые из Института Уэллкома Сэнгера и их коллеги отслеживали развитие тимуса и Т-клеток в образцах в возрасте от одиннадцати недель после зачатия до трех лет, используя секвенирование отдельных клеток и передовые методы пространственного картирования.
Они обнаружили, что базовая структура и функции органа формируются уже через двенадцать недель после зачатия, что позволяет предположить, что факторы ранней беременности могут оказывать более глубокое влияние на иммунную функцию на протяжении всей жизни, чем считалось ранее.
Команда обнаружила ключевые различия в развитии различных типов Т-клеток 5 — некоторые из них помогают организовывать иммунные реакции, направляя другие иммунные клетки, а другие напрямую атакуют инфицированные или раковые клетки. Это понимание может дать информацию о новых методах инженерии Т-клеток, которые избирательно усиливают иммунитет для лечения рака или подавляют его при аутоиммунных заболеваниях и трансплантациях.
Исследователи также обнаружили местоположения клеток-предшественников, которые дают начало важным поддерживающим клеткам в тимусе, которые также имитируют собственную среду организма, чтобы Т-клетки не реагировали на себя. Это может помочь исследователям в будущем создать искусственный тимус для регенеративной иммунной терапии для пожилых людей или людей с ослабленной иммунной системой.
Ключевым достижением исследования стало создание стандартизированного метода пространственного картирования высокого разрешения под названием OrganAxis для сравнения состава и структурной организации образцов тимуса на разных стадиях развития с гораздо более высоким разрешением, чем когда-либо прежде. Этот подход может быть применен к другим органам, которые значительно изменяются с течением времени или сильно различаются у разных людей, например, к печени или почкам.
«Тимус имеет уникальное значение для формирования пожизненного иммунитета, но до сих пор сравнение его различных стадий развития было практически невозможным, поскольку они выглядели как совершенно разные органы. OrganAxis позволяет нам интегрировать различные пространственные наборы данных, чтобы раскрыть скрытые свойства, которые остаются незамеченными при индивидуальном рассмотрении. Используя ключевые структуры в качестве опорных точек, подобно тому, как турист использует ориентиры для навигации, мы теперь видим, как структуры формируются на ранней стадии, что позволяет нам отслеживать обучение Т-клеток с течением времени», - сказал соавтор исследования Надав Яйон.
«Наш атлас здорового развития тимуса может привести к новым стратегиям повышения иммунитета, особенно у пожилых людей или людей с дефицитом тимуса. Мы уже применяем этот ресурс для изучения возрастных иммунных изменений и состояний, таких как синдром ДиДжорджи, при котором дети рождаются без функционирующего тимуса и очень уязвимы для инфекций», - отметила соавтор исследования Вероника Кедлиан.
«Эта карта тимуса является первой полной моделью человеческого органа с разрешением на уровне одной клетки и транскриптомной широтой. Она представляет собой важнейшую часть головоломки в наших усилиях по пониманию биологии человека клетка за клеткой в Атласе клеток человека. Понимая, как тимус обучает иммунные клетки с самых ранних стадий, мы открываем для себя понимание иммунодефицитов и аутоиммунных состояний. Карта предлагает важную перспективу для разработки методов лечения для усиления или коррекции иммунных реакций», - говорит соавтор исследования Сара Тейхманн.
