Cellatlaser av människans hjärna presenteras i Science

Att veta vilka celler som bygger upp den friska hjärnan, var olika cellslag finns och hur hjärnan utvecklas från embryostadiet är fundamentalt för att kunna jämföra och bättre förstå hur sjukdomar uppstår. I dag finns avancerade atlaser över hur hjärnan hos möss är uppbyggd, men sådana har saknats för den mänskliga hjärnan. Fram tills nu.

Folkräkning av hjärnans celler

– Vi har skapat de mest detaljerade cellatlaserna för den mänskliga hjärnan hos vuxna och för hjärnans utveckling under graviditetens första månader. Man kan säga att vi har utfört ett slags folkräkning av hjärnans celler, säger Sten Linnarsson, professor i molekylär systembiologi vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik, Karolinska Institutet.

Det första projektet leddes av Kimberly Siletti i Linnarssons grupp, och genomfördes i nära samarbete med Ed Lein vid Allen Institute for Brain Science i Seattle, USA. Det är en del av det internationella initiativet Human Cell Atlas. Här utgick forskarna från tre donerade hjärnor från avlidna vuxna. Forskarna analyserade mer än tre miljoner enskilda cellkärnor med så kallad RNA-sekvensering som avslöjar varje cells genetiska identitet. Sammanlagt studerades celler från drygt hundra hjärnregioner och man fann mer än 3000 celltyper. Omkring 80 procent av dessa är nervceller, medan övriga är olika slags stödjeceller.

– Mycket forskning har fokuserat på hjärnbarken, men den största diversiteten vad gäller olika slags nervceller fann vi i hjärnstammen. Vi tror att en del av dessa celler styr medfödda beteenden, som smärtreflexer, rädsla, aggressivitet och sexualitet, säger Sten Linnarsson.

Grunden till medicinska framsteg

Det gick också att se att cellernas identitet avspeglar den plats i hjärnan där de först utvecklades i fostret, vilket länkar till det andra projektet. Där har bland andra Emelie Braun och Miri Danan-Gotthold i Sten Linnarssons grupp samarbetat med det svenska konsortiet för Human Developmental Cell Atlas och analyserat mer än en miljon enstaka cellkärnor från 27 embryon. Dessa var i olika utvecklingsstadier, mellan 5 och 14 veckor efter befruktningen. Här kunde forskarna visa hur hela hjärnan utvecklas och organiseras över tid.

Resultaten är exempel på molekylärbiologisk grundforskning, men den nya kunskapen kan även lägga grunden till medicinska framsteg. Sten Linnarsson berättar att forskargruppen med liknande metodik har undersökt olika slags hjärntumörer. En var glioblastom som i dag är en cancersjukdom med dålig prognos.

– Tumörcellerna liknar omogna stamceller och det ser ut som om de försöker bilda en hjärna, men helt oorganiserat. Det vi såg är att dessa cancerceller har aktiverat hundratals gener som är specifika för dem och det kan vara intressant att nysta i om det finns potential att hitta nya måltavlor för behandling, säger han.

Fritt tillgängliga hjärnatlaser

Hjärnatlaserna kommer att finnas fritt tillgängliga för forskare internationellt, så att det går att jämföra de hjärnsjukdomar man forskar om med hur det ser ut i en normalt utvecklad hjärna.

Studierna är delar av ett större artikelpaket som publiceras samtidigt i den vetenskapliga tidskriften Science. Studien om den vuxna hjärnan har fått stöd från National Institutes of Health, medan studien om embryon har fått stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och Erling-Perssons stiftelse.

Sten Linnarsson är vetenskaplig rådgivare till Moleculent, Combigene och Oslo University Center of Excellence in Immunotherapy. Han och medförfattarna Alejandro Mossi Albiach och Lars E. Borm är även aktieägare i EEL Transcriptomics AB, som äger immateriella rättigheter till EEL-metoden (”Spatial RNA localization method”). Medförfattarna Žaneta Andrusivová och Joakim Lundeberg är vetenskapliga konsulter för 10x Genomics, som innehar immateriella rättigheter till teknologin Spatial Transcriptomics (Visium).

Publikation 1: ”Transcriptomic diversity of cell types across the adult human brain”, Kimberly Siletti, Rebecca Hodge, Alejandro Mossi Albiach, Ka Wai Lee, Song-Lin Ding, Lijuan Hu, Peter Lönnerberg, Trygve Bakken, Tamara Casper, Michael Clark, Nick Dee, Jessica Gloe, Daniel Hirschstein, Nadiya V. Shapovalova, C. Dirk Keene, Julie Nyhus, Herman Tung, Anna Marie Yanny, Ernest Arenas, Ed S. Lein, Sten Linnarsson, Science, online 12 oktober 2023, doi: 10.1126/science.add7046.

Publikation 2: ”Comprehensive cell atlas of the first-trimester developing human brain”, Emelie Braun, Miri Danan-Gotthold, Lars E. Borm, Ka Wai Lee, Elin Vinsland, Peter Lönnerberg, Lijuan Hu, Xiaofei Li, Xiaoling He, Žaneta Andrusivová, Joakim Lundeberg, Roger A. Barker, Ernest Arenas, Erik Sundström, Sten Linnarsson, Science, online 12 oktober 2023, doi: 10.1126/science.adf1226.