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我们绘制了100万亿个人类细胞(和它们的所有基因)图谱

人体由大约100万亿个细胞组成。一项新的大型科学努力将对80个已知器官中的200种或更多类型的细胞进行分类和成像,并识别这些细胞中活跃的基因。

这项新的努力紧跟着在20世纪90年代和21世纪初席卷生物学的人类基因组计划。现在科学家们设想了一个新的令人兴奋的挑战:创建整个人体的细胞图谱,这个项目被称为人类生物分子图谱计划或HuBMAP。佛罗里达大学是参与组织制图的五个中心之一。在佛罗里达大学中心,我们负责绘制胸腺、淋巴结和脾脏——这些都是免疫系统的关键组成部分。

我已经研究1型糖尿病或青少年糖尿病近35年了,和我的其他同事一起佛罗里达大学糖尿病研究所一直在努力寻找一种预防和治疗这种疾病的方法。直到最近,这一直是个挑战,因为我们不知道1型糖尿病的病因。

作为一个组织测绘中心,我们的目标是识别独特的细胞类型,它们产生哪些蛋白质,哪些基因被激活,并建立每个器官的虚拟三维模型。这张地图将为包括1型糖尿病在内的许多疾病的研究提供信息。

为什么了解1型糖尿病的病因很重要?

我们知道1型糖尿病是一种所谓的“自身免疫性疾病”。在1型糖尿病中,被称为“T淋巴细胞”的免疫细胞被认为会破坏负责产生胰岛素的胰腺细胞,胰岛素可以调节我们血液中的糖分水平。

就在十多年前,由于无法预防和治愈这种疾病,我开始了一项行动,从1型糖尿病患者和非糖尿病患者的器官捐赠者那里收集人类胰腺。收集后一组以了解“正常”健康胰腺。到目前为止,我们已经收集了500多个个体的胰腺。我们已将这些组织分发给全球21个国家的约230个项目。这一努力的结果导致了新的发现,改写了我们对这种疾病如何发展的理解。

一些被诊断为1型糖尿病的患者25000年在美国每年都要面临终身依赖每天注射胰岛素来生存,并有很高的发展风险长期的并发症包括失明、肾病、脚麻、截肢和心血管疾病。今天,估计差不多了125万人在美国有很多人患有这种疾病。

与这些并发症让患者感到沮丧一样,也许更令人生畏的是必须控制或解释的许多日常生活因素,以控制疾病:监测碳水化合物,估计运动,评估血糖水平,注射胰岛素以避免高血糖和低血糖水平。这些只是日常疾病相关挑战中的一小部分。

由于这些原因,我们佛罗里达大学糖尿病研究所的集体研究的目标一直是了解这种疾病的原因。了解这一点将使我们能够预测哪些人处于危险之中,确定预防疾病发展的方法,并开发一种治疗方法。

为什么要研究这些器官呢?

1型糖尿病是已知的80多种免疫系统疾病中的一种,由于未知的原因,免疫系统开始对抗自身。除了自身免疫,免疫反应也是对抗癌症和传染病的健康的一个关键组成部分。从我们研究胰腺和1型糖尿病的经验来看,我们看到了通过绘图来理解免疫在这些情况下的作用的巨大进步。这将使我们能够深入了解免疫系统是如何工作的。

在健康个体中,T细胞只有在对感染或癌细胞作出反应时才会活跃。但在易患自身免疫性疾病的人群中,某些T细胞会被“自身”蛋白质错误激活,导致它们破坏健康组织。

在其他情况下——比如癌症或传染病——免疫系统无法提供足够强大的反应从而有效。或者免疫系统的细胞不受控制地增殖,导致血液和淋巴癌症,如淋巴瘤和白血病。这就是为什么胸腺、脾脏和淋巴结是那些研究健康人体免疫系统的人感兴趣的组织。研究人员需要了解所有这些器官的健康基线,这样我们就能识别出什么时候开始出现故障和变化,导致自身免疫疾病、癌症和传染病。换句话说,我们首先需要了解在人的一生中,正常的淋巴系统是由什么构成的。

为什么定义正常很重要?

你可能想知道我们从哪里得到这些正常的细胞。正如我们在过去11年所做的那样,我们将从死去的器官捐赠者那里获得移植级的人体组织器官组织,在家庭成员或法定遗嘱执行人提供知情同意后。在这个悲痛的时刻,这些珍贵的解剖天赋(在脾脏、胸腺和淋巴结的例子中,它们无法用于挽救生命的移植手术)为科学研究和发现提供了独一无二的资源。

只有被认为“正常”的组织——不受已知或可观察到的病理影响——将被包括在这些初步研究中。我们将收集从婴儿到成年人到70岁的捐赠者的组织。我们希望这将有助于了解年龄是如何改变每个器官中所有细胞的类型和健康的。

在佛罗里达大学糖尿病研究所,一个多学科团队,包括细胞和分子生物学家,研究临床淋巴样本的血液病理学家,生物医学工程师,免疫学家和其他许多人将为HuBMAP项目合作。事实上,UF组织测绘中心将与全球尖端显微镜和数据收集专家网络广泛合作。

我们正在建立一个成像管道,用八种不同的显微镜来检测几十种蛋白质和RNA分子,这些分子表征神经、血管、基质支持组织和组织切片中的免疫细胞。

在HuBMAP的前两年,我们计划绘制11个器官捐赠者的脾脏、胸腺和淋巴结。

我们期望得到的数据将揭示新的细胞类型、分子和细胞结构、细胞间的相互作用及其在人体解剖学和生理学中的功能含义。因此,高分辨率、三维的人类生物分子图谱计划有望促进发现。

在我快50岁的时候,受疾病影响的同事、朋友和家人的数量每年都在增加。我最近也当上了爷爷。我认为,我们提议做的事情将对当前和未来几代人的健康产生重大影响。这将是一份遗产。谈话

Mark Atkinson是佛罗里达大学的医学教授。这幅作品最早出现在谈话

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