Лабораторная мышь давно стала основной моделью в биомедицинских исследованиях. Однако до сих пор ученые не могли одновременно увидеть, как работают ткани всего организма и какие гены активируются в разных клетках, не нарушая их естественного расположения в организме. Существующие методы позволяли изучать либо отдельные молекулы и клетки, либо только небольшие участки тканей.
Ученые из США и Японии решили эту проблему. Они разработали метод для анализа тканей всего организма мыши с одновременным измерением активности генов. В результате ученые получили подробные пространственные карты всего тела мыши. Эти карты точно воспроизводят структуру 16 ключевых органов и множества тканей в их естественном анатомическом окружении. Метод позволил увидеть не только расположение тканей, но и распределение разных типов клеток по всему организму.
Кроме того, ученые разработали систему LABEL — модель на основе искусственного интеллекта, которая автоматически распознает органы, ткани и типы клеток на гистологических изображениях. LABEL точно определяла большинство органов, включая мозг, печень, почки, кишечник и легкие. Модель также успешно распознавала различные ткани и типы клеток — например, гепатоциты, клетки почечного эпителия, нейроны, мышечные и эпидермальные клетки.
Возможности нового метода ученые продемонстрировали на модели системного воспаления — эндотоксемии. Результаты позволили увидеть, как воспаление меняет состояние клеток сразу по всему организму.
Реакция клеток и тканей на системное воспаление
Ученые имитировали системное бактериальное воспаление с помощью введения липополисахарида (LPS). Новый метод позволил выявить более 5 тысяч генов, активность которых изменялась в 37 тканях в 16 органов.
Результаты показали, что воспалительный ответ охватывает практически весь организм, но проявляется по-разному в разных тканях. Например, гены белков сывороточного амилоида — ключевых маркеров воспаления — были особенно активны в печени, но некоторые из них дополнительно активировались в кишечнике, почках и других тканях.
Уровни хемокинов Ccl5 и Cxcl9 повышались сразу во многих органах, Ccl12 особенно активно вырабатывался в мозге и тимусе, а Cxcl13 — преимущественно в селезенке и коже.
Стимулированный интерфероном ген Irgm1 (ISG) активировался в почках, печени, легких и сердце после введения LPS. Это может быть связано с его защитной ролью при септическом шоке.
Также ученые обнаружили изменения в сигналах межклеточного взаимодействия. Во многих органах усиливалась активность путей, связанных с воспалением, миграцией иммунных клеток, сосудистой активацией и ремоделированием тканей. Одновременно активировались и противовоспалительные пути, ограничивающие чрезмерный иммунный ответ.
Изменения затронули и состав клеток:
- Иммунные клетки: в легких, печени, селезенке и почках увеличивалось количество макрофагов, в легких и селезенке — нейтрофилов, тогда как количество лимфоцитов селезенки и тимоцитов снижалось.
- Неиммунные клетки: в легких, сердце, печени и почках изменялись пропорции эндотелиальных, эпителиальных клеток и фибробластов, что соответствует признакам повреждения тканей и клеточной гибели при эндотоксемии.
Системное воспаление изменяло экспрессию генов во многих типах клеток и органах, однако наиболее сильные изменения происходили в эпителиальных и мышечных клетках. Основной вклад в воспалительный ответ вносили эпителиальные клетки печени, почек, кишечника и желудка, а также мышечные клетки сердца и скелетных мышц.
У клеток крови и иммунной системы сильнее всего менялась активность генов в селезенке, тимусе, костном мозге, а также в легких и печени.
Среди разных типов клеток во многих тканях организма наиболее выраженные изменения наблюдались у макрофагов, эндотелиальных клеток и фибробластов. При этом макрофаги не только увеличивались в количестве, но и по-разному изменяли активность генов в зависимости от ткани.
В эпителиальных и иммунных клетках активировались сигнальные пути интерферона II типа, IL-17A и IL-1. При этом в эпителиальных клетках легких, почек, толстой кишки, кожи и тимуса активировались тканеспецифические наборы генов в ответ на воспаление.
STAT1 и IRF1 управляют воспалительным ответом по всему организму
При системном воспалении белки-регуляторы STAT1 и IRF1 активируют гены ISG сразу во многих органах и типах клеток. Активность генов Stat1 или Irf1 возрастает почти во всех гемопоэтических и негемопоэтических клетках, включая эпителий, эндотелий, фибробласты, мышцы и нейроны. При этом, активность Stat1 и Irf1 различается в разных тканях. Например, в клетках мозга особенно сильно возрастает активность Stat1, тогда как Irf1 — нет.
Эксперименты на мышах без генов Stat1 или Irf1 показали, что в отсутствие белков STAT1 и IRF1 воспалительный ответ резко ослабляется. У таких мышей значительно уменьшалась активация генов ISG по всему организму и исчезало характерное снижение температуры тела после введения LPS.
Вывод
В будущем LABEL и другие подобные модели можно будет обучать на данных разных видов животных — как млекопитающих, так и немлекопитающих. Это позволит автоматически распознавать ткани и клетки на гистологических изображениях и сравнивать биологические процессы между разными организмами. Дальнейшее развитие LABEL улучшит анализ гистологических изображений и позволит адаптировать систему для работы с человеческими тканями.
Разработанная технология позволит:
- изучать влияние генетических мутаций сразу на все органы, ткани и типы клеток;
- получить детальную информацию о расположении и состоянии клеток в разных органах;
- лучше понять, как клетки взаимодействуют между собой в норме и как эти взаимодействия меняются при заболеваниях;
- оценивать действие лекарств на разные ткани, выявлять как полезные, так и побочные эффекты препаратов, а также точнее изучать механизмы их работы в тканях-мишенях.
Источник
Whole-body molecular and cellular mapping of the laboratory mouse
