一本新的圖集繪製了人類骨骼發育圖，揭示了骨骼形成、遺傳聯絡以及顱骨發育不良等疾病的關鍵資訊。人類骨骼發育的首張"藍圖"揭示了骨骼的形成過程，揭示了關節炎的發病過程，並突出了影響頭骨和骨骼生長的相關細胞。
由測量組織中基因表達的空間轉錄組學切片構建的影象。 這顯示了發育中的上肢，包括髮育中的手和手指。 每個點代表一個分割的細胞。 每個點檢測到 155 個不同基因的表達程度。 每種顏色代表一種廣泛的細胞型別（肌肉/韌帶/皮膚等）。 資料來源：K. To, L. Fei, J. P. Pett, et al. (2024) A multiomic atlas of human early skeletal development. 自然》雜誌。
來自韋爾科姆-桑格研究所的研究人員及其合作者利用最先進的基因組學技術鑑定了骨骼發育早期階段所涉及的所有細胞和通路。 作為更廣泛的人類細胞圖譜（HCA）專案的一部分，這一資源可用於研究當前或未來的治療藥物在孕期使用是否會破壞骨骼生長。
這項發表在《自然》（Nature）上的研究清楚地展示了軟骨是如何充當整個骨骼（除頭骨頂部外）的骨骼發育支架的。 研究小組繪製了對頭骨形成至關重要的所有細胞，並研究了基因突變如何可能導致新生兒頭骨中的軟點過早融合，從而限制發育中大腦的生長。 將來，這些細胞可能會被用作診斷和治療目標，以確定和治療先天性疾病。
他們還發現，早期骨細胞中被啟用的某些基因可能與成年後罹患髖關節炎的風險增加有關。 相比之下，他們認為早期軟骨細胞中的其他基因與膝關節炎患病風險的增加有關，這可能是由於它們在軟骨修復中的作用。 未來，進一步研究這些不同的細胞有助於開發治療這些疾病的新方法。
總之，發育中骨骼圖譜是一種可免費使用的資源，可用於進一步瞭解骨骼發育以及骨骼發育如何影響兒童和成人這些組織的狀況。
這篇論文是《自然》系列期刊上發表的 40 多篇 HCA 論文中的一篇，這些論文代表了我們對人體認識的一次里程碑式的飛躍。 這些高度互補的研究揭示了人體發育、健康和疾病生物學的核心問題，並促進了重要分析工具和技術的發展，所有這些都將有助於人類細胞圖譜的建立。
顯示發育中頭骨的渲染影象的三維檢視，其中軟骨為藍色，骨骼為紫色。 在這張圖片中，頭骨頂部沒有任何軟骨（藍色），這表明它不需要軟骨就能單獨形成骨骼（紫色）。 圖片來源：A.Chédotal & R. Blain，巴黎視覺研究所 & MeLiS/UCBL/ HCL，里昂
兒童的頭骨在一到兩歲時完全硬化和融合。 在這一發育過程之前，頭骨中會有一些軟點，讓大腦在孩子出生後繼續生長。 在某些情況下，這些軟點會過早融合，造成一種稱為顱骨發育不良的疾病，使大腦無法擴充套件。
在英國，這種病通常可以透過手術快速治療，但如果不及時治療，就會導致顱內壓力增高，從而導致學習困難、視力問題和聽力損失。 雖然顱骨發育不良與基因突變有關，但直到現在還無法確定這些突變破壞了人類的哪些細胞。
骨關節炎（OA）是英國最常見的關節炎，會導致髖關節和膝關節等關節長期疼痛和僵硬。 這是因為這些關節周圍被稱為軟骨的保護層已經破損或磨損。 最終，在大多數情況下，必須透過大手術來更換關節，因為成年人無法生長出新細胞來修復受損的軟骨。
桑格研究所的研究人員及其合作者利用新的尖端技術，在空間和單細胞水平上繪製了懷孕頭三個月（從懷孕後5周到11周）的骨骼發育圖。 這使他們能夠描述早期發育過程中與骨骼生長有關的所有細胞、基因網路和相互作用，包括細胞在快速生長的組織中的位置。
單細胞圖揭示了軟骨細胞如何首先生長，然後作為骨細胞生長的支架。 研究小組強調了除了頭骨頂部（稱為顱骨）之外，骨架的其他地方是如何發生這種情況的。 在顱骨內部，他們發現了參與頭骨發育的新型早期骨細胞。 研究小組研究了與顱骨發育不良有關的基因突變如何破壞這些早期骨細胞，導致它們過早融合。
研究人員還發現，與髖關節OA風險較高相關的基因變異涉及早期骨細胞發育及其下游調節因子，而影響膝關節炎風險的變異涉及軟骨形成。
此外，研究小組還利用該圖集探討了藥物對骨骼發育的影響。 他們編制了一份目前不建議在孕期使用的 65 種臨床批准藥物清單，並強調了這些藥物可能會干擾骨骼發育的地方。 透過將這些資訊納入圖集，突出了藥物對發育中的人類可能產生的影響，併為考慮孕期使用治療藥物是否安全提供了參考。
第一作者之一、威康桑格研究所的 Ken To 博士說："在人類骨骼和關節發育過程中，有無數個過程在協同作用，我們的研究已經確定了參與骨骼形成和頭骨融合的細胞型別和機制。 透過研究這些過程，我們能夠為與顱骨發育不良等先天性疾病相關的DNA變異提供背景資訊，預測基因變化如何影響發育中的骨骼。 最終，使用該圖譜可以幫助我們更好地瞭解年輕和衰老骨骼的狀況。 擁有這張骨骼形成的藍圖還能幫助我們開發出在培養皿中培育骨骼和軟骨細胞的有效方法，這具有巨大的治療潛力。"
第一作者之一、威康桑格研究所的揚-帕特里克-佩特（Jan Patrick Pett）博士說："我們很高興能繪製出第一張人類骨骼發育的多原子圖譜，這在瞭解骨骼如何生長以及治療可能影響骨骼生長的疾病方面都具有巨大潛力。 我們的多層次、時間和空間分辨圖譜實現了新穎的計算分析，我們利用這些分析建立了一個發育過程調控方式的綜合檢視。 更清楚地瞭解骨骼形成過程中發生了什麼，以及這對骨關節炎等疾病有何影響，有助於在未來找到新的治療方法。"
"人類細胞圖譜"共同創始人、資深作者莎拉-泰克曼（Sarah Teichmann）教授曾在威康-桑格研究所工作，現在劍橋大學劍橋幹細胞研究所工作："我們獨一無二的免費骨骼圖譜為軟骨、骨骼和關節在妊娠頭三個月的發育提供了新的線索，首次詳細介紹了相關的細胞和通路。 該圖集結合了尖端的空間技術和基因分析，可供全球研究界使用。 這份詳細的骨骼發育時空圖譜與其他研究相協調，使整個人類細胞圖譜計劃向全面瞭解人體在發育、健康和疾病過程中發生的情況又邁進了一步"。
編譯自/ScitechDaily
