Peta Lengkap Pertama Pembentukan Kerangka Manusia Dapat Mengubah Pengobatan Penyakit Tulang
Atlas baru memetakan perkembangan kerangka manusia, mengungkapkan wawasan penting tentang pembentukan tulang, hubungan genetik dengan arthritis, dan kondisi seperti craniosynostosis.
“Cetak biru” pertama perkembangan kerangka manusia mengungkapkan bagaimana kerangka terbentuk, menjelaskan proses arthritis, dan menyoroti sel-sel yang terlibat dalam kondisi yang mempengaruhi pertumbuhan tengkorak dan tulang.
Para peneliti dari Wellcome Sanger Institute dan kolaboratornya telah menggunakan teknik genomik mutakhir untuk mengidentifikasi semua sel dan jalur yang terlibat dalam tahap awal perkembangan kerangka. Sebagai bagian dari proyek Human Cell Atlas (HCA) yang lebih luas, sumber daya ini dapat digunakan untuk menyelidiki apakah obat terapeutik saat ini atau di masa depan dapat mengganggu pertumbuhan tulang jika digunakan selama kehamilan.
Penelitian yang dipublikasikan di Alammenunjukkan gambaran yang jelas tentang bagaimana tulang rawan bertindak sebagai perancah untuk perkembangan tulang di seluruh kerangka, selain di bagian atas tengkorak. Tim tersebut memetakan semua sel penting untuk pembentukan tengkorak dan menyelidiki bagaimana mutasi genetik dapat menyebabkan titik-titik lunak di tengkorak bayi baru lahir menyatu terlalu dini, sehingga membatasi pertumbuhan otak yang sedang berkembang. Di masa depan, sel-sel ini dapat digunakan sebagai target diagnostik dan terapeutik untuk mengidentifikasi dan mengobati kondisi bawaan.
Kaitan Genetik dengan Artritis dan Perkembangan Tulang
Mereka juga menemukan gen tertentu yang diaktifkan pada sel-sel tulang awal yang mungkin terkait dengan peningkatan risiko terkena artritis pinggul saat dewasa. Sebagai perbandingan, mereka berpendapat bahwa gen-gen lain pada sel-sel tulang rawan awal terkait dengan peningkatan risiko terkena arthritis pada lutut, mungkin karena peran mereka dalam perbaikan tulang rawan. Di masa depan, mempelajari sel-sel yang berbeda ini lebih lanjut dapat membantu mengembangkan pengobatan baru untuk kondisi ini.
Secara keseluruhan, atlas kerangka yang sedang berkembang merupakan sumber daya yang tersedia secara gratis dan dapat digunakan untuk memahami lebih lanjut tentang perkembangan tulang dan bagaimana hal ini memengaruhi kondisi yang mempengaruhi jaringan-jaringan ini yang terjadi pada anak-anak dan orang dewasa.
Makalah ini adalah salah satu dari kumpulan lebih dari 40 publikasi HCA di jurnal Nature Portfolio yang mewakili lompatan penting dalam pemahaman kita tentang tubuh manusia. Studi-studi yang sangat saling melengkapi ini telah menyoroti aspek-aspek sentral dari perkembangan manusia, serta biologi kesehatan dan penyakit, dan telah mengarah pada pengembangan alat-alat dan teknologi analisis yang penting, yang semuanya akan berkontribusi pada penciptaan Atlas Sel Manusia.
Tengkorak anak-anak mengeras dan menyatu sepenuhnya ketika mereka berusia antara satu dan dua tahun. Sebelum proses perkembangan ini, terdapat titik lunak di tengkorak yang memungkinkan otak terus berkembang setelah anak lahir. Dalam beberapa kasus, titik lemah ini menyatu terlalu dini, menyebabkan kondisi yang disebut craniosynostosis, yang mencegah otak berkembang.
Di Inggris, penyakit ini biasanya ditangani dengan cepat melalui operasi, tetapi jika tidak ditangani, penyakit ini dapat menyebabkan penumpukan tekanan di tengkorak, yang menyebabkan kesulitan belajar, masalah penglihatan, dan gangguan pendengaran. Meskipun craniosynostosis telah dikaitkan dengan mutasi genetik, hingga saat ini belum mungkin untuk mengidentifikasi sel mana pada manusia yang terganggu oleh mutasi tersebut.
Osteoartritis dan Degenerasi Tulang Rawan
Osteoartritis (OA) adalah bentuk radang sendi yang paling umum di Inggris dan menyebabkan persendian, seperti pinggul dan lutut, menjadi nyeri dan kaku seiring berjalannya waktu. Hal ini karena lapisan pelindung yang disebut tulang rawan di sekitar sendi telah rusak atau aus. Pada akhirnya, dalam banyak kasus, penggantian sendi perlu dilakukan melalui operasi besar, karena orang dewasa tidak dapat menumbuhkan sel-sel baru untuk memperbaiki tulang rawan yang rusak.
Dengan menggunakan teknologi mutakhir, para peneliti dari Sanger Institute dan kolaborator memetakan perkembangan tulang pada trimester pertama kehamilan, dari 5 hingga 11 minggu pasca pembuahan, pada tingkat spasial dan sel tunggal. Hal ini memungkinkan mereka untuk mendeskripsikan semua sel, jaringan gen, dan interaksi yang terlibat dengan pertumbuhan tulang selama perkembangan awal, termasuk posisi sel dalam jaringan yang berkembang pesat.
Peta sel tunggal mengungkapkan bagaimana sel-sel tulang rawan pertama kali tumbuh, bertindak sebagai perancah bagi sel-sel tulang untuk kemudian tumbuh. Tim menyoroti bagaimana hal ini terjadi di seluruh kerangka selain bagian atas tengkorak, yang disebut calvarium. Di dalam calvarium, mereka menemukan jenis sel tulang awal baru yang terlibat dalam perkembangan tengkorak. Tim menyelidiki bagaimana mutasi genetik yang terkait dengan craniosynostosis mengganggu sel-sel tulang awal, menyebabkan mereka menyatu terlalu dini.
Para peneliti juga menemukan bahwa varian genetik yang terkait dengan risiko OA pinggul yang lebih tinggi terlibat dalam perkembangan awal sel tulang dan pengatur hilirnya, sementara varian yang memengaruhi risiko artritis lutut terlibat dalam pembentukan tulang rawan.
Selain itu, tim menggunakan atlas untuk mengeksplorasi dampak pengobatan terhadap perkembangan tulang. Mereka menyusun daftar 65 obat yang disetujui secara klinis, namun saat ini tidak direkomendasikan selama kehamilan, dan menyoroti di mana obat-obatan tersebut dapat mengganggu perkembangan tulang. Dengan memasukkan informasi ini ke dalam atlas, hal ini menyoroti dampak obat terhadap perkembangan manusia dan dapat menjadi informasi ketika mempertimbangkan apakah terapi aman untuk digunakan selama kehamilan.
Memajukan Penelitian dan Potensi Terapi
Ken To, salah satu penulis pertama dari Wellcome Sanger Institute, mengatakan: “Ada banyak sekali proses yang terjadi bersamaan selama perkembangan kerangka dan sendi manusia, dan penelitian kami telah mengkarakterisasi tipe sel dan mekanisme yang terlibat dalam pembentukan tulang dan tulang. menyatunya tengkorak. Dengan mempelajari hal ini, kami dapat memberikan konteksnya DNA varian yang terkait dengan kondisi bawaan, seperti craniosynostosis, yang memprediksi bagaimana perubahan genetik berdampak pada perkembangan kerangka. Pada akhirnya, penggunaan atlas ini dapat membantu kita lebih memahami kondisi kerangka muda dan tua. Memiliki 'cetak biru' pembentukan tulang ini juga dapat membantu kita mengembangkan cara efektif untuk menumbuhkan sel-sel tulang dan tulang rawan dalam sebuah cawan, yang memiliki potensi terapeutik yang sangat besar.”
Dr Jan Patrick Pett, salah satu penulis pertama dari Wellcome Sanger Institute, mengatakan: “Kami sangat gembira telah menciptakan peta multi-omik pertama dari kerangka manusia yang sedang berkembang, sesuatu yang memiliki potensi besar dalam memahami bagaimana tulang kita tumbuh dan berkembang. mengobati kondisi yang mungkin berdampak pada hal ini. Atlas kami yang berlapis-lapis dan dapat diselesaikan dalam ruang dan waktu memungkinkan analisis komputasi baru, yang kami gunakan untuk menciptakan pandangan terpadu tentang bagaimana proses perkembangan diatur. Memiliki gambaran yang lebih jelas tentang apa yang terjadi saat kerangka kita terbentuk, dan bagaimana hal ini berdampak pada kondisi seperti osteoartritis, dapat membantu membuka pengobatan baru di masa depan.”
Profesor Sarah Teichmann, salah satu pendiri Human Cell Atlas dan penulis senior sebelumnya di Wellcome Sanger Institute, sekarang berbasis di Cambridge Stem Cell Institute di Universitas Cambridge, mengatakan: “Atlas kerangka unik kami yang tersedia secara gratis memberikan pencerahan baru tentang tulang rawan. , perkembangan tulang dan sendi pada trimester pertama, merinci sel dan jalur yang terlibat bersama untuk pertama kalinya. Atlas ini menggabungkan teknologi spasial mutakhir dengan analisis genetik dan dapat digunakan oleh komunitas riset di seluruh dunia. Atlas perkembangan tulang yang terperinci dalam ruang dan waktu ini dikoordinasikan dengan penelitian lain yang membawa seluruh inisiatif Atlas Sel Manusia satu langkah lebih dekat untuk sepenuhnya memahami apa yang terjadi dalam tubuh manusia di seluruh perkembangan, kesehatan, dan penyakit.”
Referensi: “Atlas multi-omik perkembangan kerangka embrio manusia” oleh Ken To, Lijiang Fei, J. Patrick Pett, Kenny Roberts, Raphael Blain, Krzysztof Polański, 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 dan Sarah A. Teichmann, 20 November 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08189-z
