Ein neuer Rahmen für die Untersuchung der angeborenen Herzfehler: Kompletten Katalog von Zellen, die in Herz-Entwicklung

Jedes Jahr, 9 Monaten von träumen und die Vorfreude geteilt von Millionen von Eltern-zu-sein, um wiederum zu Verzweiflung und Schrecken, wenn Sie lernen, Ihr Kind ist geboren mit einem Geburtsfehler; eine oft verheerende Ereignis, die eine von 20 geborenen Kindern weltweit. Die Bildung unserer Organe, Gliedmaßen und Gesicht sind das Ergebnis sorgfältig choreographierten Bewegung und das Verhalten von Millionen von Zellen, ähnlich wie die Tänzer in der Truppe. Selbst wenn ein paar Zellen nicht bekommen, um die richtige position und machen Ihren job richtig, das Endergebnis ist ein Geburtsfehler. Doch, wie jede einzelne Zelle weiß, was zu tun ist, zu genau der richtigen Zeit und Ort, ist weitgehend ein Rätsel.

In einer neuen Studie, veröffentlicht in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Natureein team von Forschern an der Gladstone Institute, in Zusammenarbeit mit dem Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) der Universität Luxemburg ist, zeigen zum ersten mal, das volle Spektrum von Zellen, die zusammen kommen, um ein Herz in den frühesten Stadien der Bildung des Embryos. Sie haben auch aufgedeckt, wie sich die Zellen kontrolliert werden, und wie eine mutation in nur einem gen kann katastrophale Folgen haben, die eine kleine Gruppe von Zellen, aus denen sich die Orgel.

Angeborene Herzfehler sind die häufigste und tödlichste menschliche Geburt defekt. Dank der Einführung von leistungsstarken neuen Technologie, bekannt als single-cell-RNA-Sequenzierung, die Forscher waren schließlich in der Lage zu erkennen, die Rolle von Zehntausenden von einzelnen Zellen während der Bildung des Herzens, die unerlässlich ist, um zu bestimmen, wie genetische Mutationen, die Krankheiten verursachen.

“Mit der Sequenzierung des Genoms können wir nun leichter finden genetische Varianten, die wir glauben tragen zu einer Krankheit,” sagte Gladstone Präsident und Leitender Ermittler Deepak Srivastava, MD, der die Studie leitete. “Die große Herausforderung ist, herauszufinden, die spezifischen Zelltyp, in dem diese Variante funktioniert, und wie diese Zellen betroffen sind. Dies war besonders schwierig für Geburtsschäden, gegeben, dass genetische Varianten betreffen nur eine kleine Teilmenge der Zellen in der Orgel. Mit single-cell-Technologien, können wir endlich beginnen, zu entwirren, die Mechanismen hinter der Mängel, für die wir wissen, die genetische Ursache.”

Der Katalog, Srivastava und sein team zusammengestellt enthält alle Gene, die aktiv sind während der verschiedenen Phasen der Herz-Entwicklung und identifiziert dann die Zellen, in denen Sie gefunden werden können. Es ist der erste Schritt bei der Herstellung der Verbindung zwischen einer genetischen Variante und einem spezifischen Zelltyp.

“Dies kann uns sagen, unter vielen anderen Dinge, die Teil der Zellen, die Durchführung von kritischen Funktionen in bestimmten Regionen des Herzens und die sind beteiligt, um die zugrunde liegende Ursache der Erkrankung, die mit genetischen Mutationen”, erklärte Yvanka De Soysa, ein student im Aufbaustudium in Srivastava Labor und ersten Autor von der Studie.

Eine Reiche Quelle von Daten über Herz-Entwicklung

Zum Abschluss der repository, untersuchten die Forscher fast 40.000 einzelnen kardialen Zellen aus einer Maus-Modell der Herz-Entwicklung. Die Technologie, die diese Studie möglich ist single-cell-RNA-Sequenzierung. Diese anspruchsvolle Methode, die nur kommerziell verfügbar, für die letzten 3 Jahre in seiner jetzigen form, konnten die Wissenschaftler mit der Erfassung von Daten über Tausende von einzelnen Zellen auf einmal.

“Diese Sequenzierung Technik, die uns erlaubt, zu sehen, all die verschiedenen Arten von Zellen in verschiedenen Stadien der Herz-Entwicklung und halfen uns, sich identifizieren, welche Gene aktiviert und unterdrückt, auf dem Weg,” sagte Casey A. Gifford, PhD, staff scientist bei Gladstone, der ein senior-Autor auf dem Papier. “Wir waren nicht nur in der Lage zu entdecken, die Existenz von unbekannten Zelltypen, aber wir haben auch gewonnen, ein besseres Verständnis für die Funktion und das Verhalten von einzelnen Zellen-Informationen könnten wir uns niemals vor.”

Sobald Sie identifiziert, die zahlreiche Arten von Zellen im Herzen, in der Entwicklung, das team wollte erfahren, wie diese unterschiedlichen Zelltypen generiert werden. So zu tun, Sie zusammen mit computational Biologen am LCSB, die sich darauf spezialisieren mit Daten aus einem einzelnen Zell-RNA-Sequenzierung zur Aufdeckung der molekularen Treiber von verschiedenen Zelltypen.

“Unsere Gruppe hat eine lange Geschichte der Entwicklung von Computermodellen zu verstehen Zell-Konvertierung”, erklärt Antonio Del Sol, Leiter der Computational Biology-Gruppe am LCSB, und Ikerbasque Research Professor am Research Center CIC bioGUNE in Bilbao, Spanien. “Wir haben das know-how zu studieren, ganze Netzwerke von Genen, die Steuern, cell identity. Als wir zusammen mit dem Projekt haben wir unsere Methode, um vorherzusagen, — ohne jegliche Vorkenntnisse — welche molekularen Faktoren Regeln das Schicksal dieser verschiedenen kardialen Zellen.”

Eine Entdeckung, die 20 Jahre in der Herstellung

Die rechnerische Analyse vorausgesagt, dass die Gene, die bei der Generierung spezifischer Zelltypen im Herzen, das Licht auf die Zellen ” – Funktion. Die Analyse weist auch auf einen wichtigen Spieler, ein gen namens Hand2, die die Kontrolle über die Aktivität von tausenden anderer Gene, und welche Srivastava entdeckt und benannt, die vor mehr als zwei Jahrzehnten.

Dann, als junger Wissenschaftler, Srivastava Jahre damit verbracht, die Untersuchung der Rolle dieses Gens und master-regler. Er fand schließlich, dass es eines der wichtigsten Gene für die Bildung des Herzens. Aber vor etwa 10 Jahren bei dem Versuch, zu entdecken, wie diese gene tatsächlich wirkt sich auf die Zellen des Herzens, die Orgel, die sein Werk in eine Sackgasse geraten, weil die wissenschaftlichen Werkzeuge zu verfolgen, die Forschung nicht existieren. Heute, seine Bemühungen wurden schließlich wiederbelebt Dank neuer Technologie.

Durch Anwendung der single-cell-RNA-Sequenzierung, er und seine Mitarbeiter waren in der Lage, eine viel genauere und vollständiges Bild davon, wie der Verlust von Hand2 bewirkt, dass verschiedene zellpopulationen zu werden falsch reguliertes.

Mäusen fehlt das gen Hand2 scheitern zu bilden, in den rechten Ventrikel Kammer, die Pumpen von Blut zu den Lungen. Überraschend, der neue Vorhersage gemacht, von der Luxemburg-Forscher vorgeschlagen, dass Hand2 ist nicht erforderlich für die Zellen angewiesen werden rechtsventrikulären Zellen, sondern, dass es entscheidend ist bei der Bildung der Zellen in der ausflussbahn, die Struktur, wo die großen abgehenden Gefäße des Herzens entstehen.

“Das hat keinen Sinn, auf der Basis früherer Erkenntnisse”, sagte De Soysa. “Jedoch, fanden wir, dass in der Tat, Hand2 hat sehr unterschiedliche Funktionen für unterschiedliche Zelltypen.”

Die rechnerische Prognose stellte sich als richtig heraus. Das team entdeckte, dass die Herzen ohne die Hand2-gen nie-Zellen in der ausflussbahn, aber habe rechtsventrikulären Zellen. In der Choreografie von Herzen, es ist nicht genug für eine Zelle gemacht werden, es muss auch an den richtigen Ort relativ zu den anderen “Tänzer.” Ohne Hand2, rechten Ventrikel-Zellen wurden erstellt, aber stuck an Ihrem Ursprung, ohne sich zu bewegen in der Entwicklung von Herzen.

“Unsere gemeinsame Erkenntnisse hat uns die Art und Weise ändern, denken wir über die Herzen Bildung, und zeigte, wie die Störung der Zell-Schicksal, – migration oder-überleben von ein paar Zellen kann die Ursache für einen Herzfehler,” De Soysa Hinzugefügt.

Eine Hoffnungsvolle Zukunft für die Behandlung von Angeborenen Herzerkrankungen

Die Studie zeigt die Mechanismen, durch die relativ kleine Bevölkerung von Zellen, die betroffen sind, die während der Entwicklung und führen zu Defekten in der Bildung des Herzens. Es stellt auch eine Entdeckung, die konnte nicht möglich gewesen ohne die einzelnen Zell-RNA-Sequenzierung Technologie.

“Single-cell-Technologien können uns darüber informieren, wie Organe, form in einer Weise, die wir nicht verstehen konnte, bevor und kann die zugrunde liegende Ursache der Erkrankung, die mit genetischen Varianten”, sagte Gifford. “Wir offenbart feine Unterschiede in sehr, sehr kleinen Untergruppen von Zellen, die tatsächlich katastrophale Folgen haben und könnte leicht übersehen worden in der Vergangenheit. Dies ist der erste Schritt in Richtung der Entwicklung neuer Therapien.”

Deutlich, der neue Katalog von kardialen Zellen können jetzt dienen, Wissenschaftler und ärzte daran interessiert, die verschiedenen Aspekte der Herz-Entwicklung. Mit dem wissen über die Arten von Zellen, die in normalen und abnormen Bildung des Herzens, der scientific community beginnen können design-Strategien zu korrigieren genetischen Varianten, die zu kongenitalen Herzerkrankungen.

Diese Befunde konnten auch Führer therapeutische Ansätze zu helfen, sowohl Neugeborenen und der wachsenden Erwachsenen mit angeborenen Herzerkrankungen.

“Mit chirurgischen Eingriffen, haben wir uns sehr gut, halten die meisten Kinder mit Herzfehler lebendig”, sagte Srivastava, der auch ein pädiatrischer Kardiologe an der UCSF Benioff Children ‘ s Hospital und professor für Pädiatrie an der UC San Francisco. “Das Ergebnis ist, dass wir fast 2,5 Millionen überlebende von angeborenen Herzerkrankungen in den Vereinigten Staaten heute.”

Wenn Kinder mit einem Geburtsfehler sind glücklich genug, um zu überleben, die gleiche genetische Zustand, die die Entwicklungs-problem kann dazu führen, anhaltende Schwierigkeiten mit der Aufrechterhaltung eines gesunden Herz im Laufe eines Lebens.

“Wir beginnen zu sehen die langfristigen Folgen bei Erwachsenen, und jetzt, wir haben nicht wirklich jede Art, Sie zu behandeln,” Srivastava Hinzugefügt. “Meine Hoffnung ist, dass wenn wir verstehen können, die genetischen Ursachen und die Zelltypen betroffen, könnten wir möglicherweise eingreifen, bald nach der Geburt, um zu verhindern, dass die Verschlechterung Ihres Zustandes über die Zeit.”

Für Srivastava, der Heilige Gral wäre, um so ein klares Bild von den Mechanismen, die bei der Entstehung von angeborenen Herzfehlern, Sie könnten die Entwicklung präventiver Strategien für Menschen, die genetisch gefährdet.

“Folsäure-das beste Paradigma-werdende Mütter nun nehmen Sie höhere Niveaus dieses vitamins und kann erfolgreich verhindern, dass fast zwei Drittel der Fälle von spina bifida”, sagte er. “Das ultimative Ziel ist, um ähnliche Maßnahmen für die öffentliche Gesundheit, die Verringerung der Häufigkeit von Fehlbildungen durch Prävention. Aber zuerst, müssen wir wissen, wo und wie zu intervenieren.”