单细胞分辨率绘制人类骨髓细胞空间图谱 揭示衰老与造血干细胞和巨核细胞形态学改变有关

在9月29日发表在《Blood》杂志上的这项研究中，研究人员分析了纽约长老会/威尔康奈尔医学中心保存的存档骨髓样本中29名患者的骨髓样本，获得了大量关于骨髓细胞之间的空间关系的数据。

资深作者Sanjay Patel博士是病理学和实验室医学系多参数原位成像(MISI)实验室主任，也是威尔康奈尔医学院病理学和实验室医学助理教授。他说，从历史上看，创建骨髓图像一直很困难。骨髓造血的空间解剖已经在小鼠和其他临床前模型中进行了广泛的研究，但技术挑战阻碍了对人类进行相应的探索。所幸机构病理档案中保存着数以千计的石蜡化骨髓核心活检组织标本，为研究各种生理状态下完整的人类骨髓形态提供了丰富的资源。他和他的同事们克服了这些挑战，他们设计了一套方法，包括多参数全组织染色、单细胞分辨率原位成像和基于人工智能(AI)的数字全幻灯片图像(WSI)分析，然后将其应用于一组无病样本，可以将整个组织可视化，人工智能(AI)分析。“我们已经能够以一种以前不可能的方式将我们的方法应用于存档样本，”成功地识别并确定了总共约150万个细胞的位置，以调查与衰老相关的造血细胞分布变化。

将难以捉摸的血液发源地转变成可视图像

我们的血细胞在骨髓中生成，干细胞在骨髓中产生祖细胞，继而产生红细胞和白细胞，以及被称为血小板的伤口愈合片。这些过程中的错误可能导致获得性疾病，包括癌症，如白血病、淋巴瘤和多发性骨髓瘤，以及镰状细胞性贫血等出生时就存在的疾病。

然而，研究血细胞如何在人体组织的自然环境中诞生，已被证明是具有挑战性的。当收集骨髓样本时的保存技术可能会导致细胞内的一些核酸和蛋白质降解。为了避免偏差，研究人员需要捕捉整个组织的图像，从而产生大量的数据。

Patel博士的团队提出了一系列解决方案。他们首先从威尔康奈尔医学院病理和实验室医学系的组织档案中收集样本。这些一到两厘米长的组织碎片来自接受过活组织检查的患者，但结果证明他们没有疾病。MISI实验室的研究人员从常规临床诊断中使用的经过彻底审查的标记物目录中选择，以查看哪种最有效地标记骨髓内容物，使其通过基于荧光的成像仪器可见，并测试了多种抗体。

他们在医学生物信息学公司波士顿基因公司(BostonGene Corporation)的合作者随后使用人工智能分析生成的图像，挑选出单个细胞，如干细胞和产生血小板的巨核细胞，以及骨骼、脂肪和血管。根据Patel博士的说法，这项技术使该团队能够将原本无法管理的大量信息整理成复杂的分析。

重要发现

1. 骨髓脂肪组织(MAT)含量在每个年龄组中存在异质性，MAT含量与早期髓系和红系前体的比例呈负相关，与年龄无关。

2. 造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的内皮和血管周围定位与更多分化元素的髓质定位一致，重要的是，发现了细胞和血管形态的衰老相关变化的新证据，微结构改变提示淋巴细胞增加的病灶，以及潜在活跃的巨核细胞生态位的减少。

先前的研究表明，在正常的血细胞发育过程中，干细胞和祖细胞位于骨骼和血管附近的特定位置，在那里周围的细胞为它们的正常功能创造了关键的环境。这些细胞也会聚集在巨核细胞周围——巨核细胞是产生血小板的大细胞。新的研究证实了这些模式，包括人类样本中的巨核细胞。他们发现在老年样本中这些细胞不再与巨核细胞密切相关，而巨核细胞在老年患者中也往往更小。这表明，人类造血细胞的分布重塑与衰老有关。

3. 作者展示了利用完整的档案组织标本深入揭示正常和病理人类骨髓状态的空间生物学的潜力。

虽然这些发现有助于科学家对正常骨髓的理解，但Patel博士认为，这种新方法在研究疾病方面具有最大的潜力，尤其是在疾病的进化过程中。对于一些疾病，如急性髓性白血病，研究人员已经有证据表明干细胞和祖细胞的空间排列可能会被破坏。这种新方法可以为专门探索这些变化的研究打开大门，也可以为测试新疗法和评估现有疗法打开大门。他说:“我希望我们的工作能激发研究骨髓相关疾病的人们的想象力。”