对胎儿头骨及骨骼在第一孕期形成的完整见解揭示了珍贵的细胞和分子路径，这些可能会增强未来对骨骼疾病的诊断和治疗。
人类骨骼生长的初步“蓝图”展示了骨骼的发展，提供了对关节炎的见解，并强调了那些参与颅骨和骨骼形成的细胞。
来自威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）及其合作伙伴的研究人员利用先进的基因组技术绘制了在骨骼形成早期阶段涉及的各种细胞和路径。这项工作是更大的人类细胞图谱（Human Cell Atlas，HCA）计划的一部分，为研究现有或未来药物对孕期骨骼发育的潜在影响提供了资源。
这项研究于今天（11月20日）在《自然》（Nature）杂志上发表，概述了软骨在整个骨骼的骨骼发育中的重要框架作用，除了颅骨顶部外。研究团队识别了所有负责颅骨发展的基本细胞，并检查了基因突变如何可能导致新生儿颅骨软点的过早融合，从而限制大脑的生长。未来，这些被识别的细胞可能成为诊断和治疗先天性疾病的目标。
此外，团队发现早期骨细胞中激活的特定基因可能与日后髋关节关节炎的风险升高相关。他们强调，与早期软骨细胞相关的其他基因可能会导致膝关节关节炎风险增加，这可能与它们在软骨修复中的功能有关。对这些细胞的持续研究可能为开发这些疾病的新疗法铺平道路。
总体而言，开发的骨骼图谱作为一个公开可访问的资源，增强了我们对骨骼发育及其与儿童和成人这些组织相关的疾病的理解。
这项出版物是HCA系列超过40项研究的一部分，出现在多个《自然》系列期刊上，标志着我们对人类生物学理解的重大进展。这些相互关联的研究揭示了人类发展、健康和疾病的关键方面，并促进了重要分析工具的创建，为人类细胞图谱作出了贡献。
在儿童中，颅骨在一到两岁之间完成硬化和融合。在此之前，颅骨中的软点存在，以适应出生后持续的脑部生长。然而，如果这些软点过早融合，就会导致一种称为颅缝早闭症（craniosynostosis）的状况，可能限制大脑扩张。
在英国，这种情况通常通过手术及时处理，但如果不处理，可能会导致颅内压力升高，从而导致学习挑战、视力问题和听力损失。虽然基因突变与颅缝早闭症有关，但在此之前，确定受这些突变影响的特定人类细胞一直非常具有挑战性。
骨关节炎（OA）是英国最常见的关节炎形式，随着时间的推移会导致膝关节和髋关节等关节的疼痛和僵硬。这发生在保护这些关节的软骨层退化或受损时。最终，可能需要大型手术来更换关节，因为成年人无法再生新的细胞来修复受损的软骨。
利用尖端技术，桑格研究所的研究人员及其合作伙伴在妊娠的第一孕期（受孕后5至11周）从空间和单细胞层面绘制了骨骼的发展。这种方法为对所有涉及早期骨生长的细胞、基因网络和相互作用的综合描述提供了可能，包括在快速发展的组织内细胞的排列。
单细胞绘图表明，软骨细胞最先形成，为随后的骨细胞生长提供结构支持。团队强调，这一过程在整个骨骼中进行，除了顶骨（calvarium）或头骨的上部。在顶骨内，他们识别出对于颅骨形成重要的新型早期骨细胞。他们的调查促使他们探索与颅缝早闭症相关的基因突变如何影响这些初始骨细胞并导致它们过早融合。
此外，研究人员发现与髋关节骨关节炎风险升高相关的基因变异参与了早期骨细胞及其相关调节因子的发育，而影响膝关节骨关节炎风险的则与软骨形成相关。
利用他们的图谱，团队还审查了特定药物对骨骼发育的影响。他们创建了一份65种临床批准的药物清单，这些药物在孕期被建议避免，并指出这些药物可能如何干扰骨骼发育。将此信息纳入图谱强调了药物对胎儿发育的显著影响，有助于决定在怀孕期间使用的疗法的安全性。
来自威康桑格研究所的共同第一作者Ken To博士表示：“在人的骨骼和关节发展过程中，有众多过程共同作用。我们的研究定义了骨形成和颅骨融合所需的细胞类型和机制。通过研究这些，我们可以将与颅缝早闭症等先天状况相关的DNA变异背景化，从而帮助预测基因改变如何影响骨骼的发展。最终，这个图谱可以增加我们对年轻和老年骨骼健康的理解。建立这种骨骼发展的‘蓝图’也对实验室环境中生成骨和软骨细胞具有重要的治疗意义。”
来自威康桑格研究所的共同第一作者Jan Patrick Pett博士表示：“我们非常高兴地制作了人类发育骨骼的首个多组学图谱，这在理解骨生长和解决相关情况方面拥有广泛的潜力。我们的多维度、时间和空间上分辨的图谱促进了新型计算分析的开展，创造了对发展过程调节的整体视角。更加清晰地了解骨骼的形成及其对骨关节炎等情况的影响，可能为未来开辟革命性治疗的方法。”
人类细胞图谱的共同创始人、曾担任威康桑格研究所高级作者的Sarah Teichmann教授，现任剑桥大学干细胞研究所职务，补充道：“我们独特的、可自由访问的骨骼图谱为了解第一孕期的软骨、骨骼和关节发育提供了新的见解，以前所未有的细节展示了涉及的细胞和路径。这个图谱将先进的空间技术与基因分析相结合，向全球的研究人员开放。我们详细的时空图谱为正在进行的研究做出贡献，推动整个HCA计划朝着全面理解人类发展、健康和疾病的方向发展。”
您可以在此访问可自由获取的人类骨骼图谱：
https://developmental.cellatlas.io/skeleton-development
- 本研究是国际人类细胞图谱（HCA）联盟的一部分，旨在开发全面的人类细胞参考图谱，以增强对人类健康的理解，并改善疾病的诊断、监测和治疗。HCA是一个全球合作努力，涉及来自100多个国家的3500多名成员，致力于创建一个多样化和可访问的图谱，惠及全人类。此倡议的发现已在医学实践中产生影响，从诊断到药物发现，塑造精准医学的新纪元。您可以了解更多信息，访问 https://www.humancellatlas.org
- 有关颅缝早闭症的信息可以在NHS网站找到：https://www.nhs.uk/conditions/craniosynostosis/
- 有关骨关节炎的详细信息可以在NHS网站找到：https://www.nhs.uk/conditions/osteoarthritis/
- 该图谱将空间转录组学与336,000个细胞核液滴的单核转录和表观遗传分析整合在一起。研究人员开发了ISS-Patcher，这是一个用于标记液滴数据中的细胞并将其与高分辨率测序数据集相关联的新工具，揭示了细胞类型、位置及其周围环境的相互作用信息。他们还使用了一种新的空间转录组学注释工具OrganAxis，追踪颅骨的发育。
- 研究人员研究了来自法国INSERM生物样本库和剑桥大学临床神经科学系的人类胚胎肢体和颅骨组织，时间为受孕后5至11周。
- 该团队将各种空间转录组学方法与RNA和DNA测序结合，揭示了与骨骼和关节形成相关的基因调控网络，绘制了细胞谱系如何在时间和空间上演变。
