Cell. 2023 Dec 5:S0092-8674(23)01230-8. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.013. Online ahead of print.
A tridimensional atlas of the developing human head (発達中のヒト頭部の三次元アトラス)
Raphael Blain 1, Gérard Couly 1, Eimad Shotar 2, Joséphine Blévinal 1, Maryne Toupin 3, Anais Favre 1, Ali Abjaghou 1, Megumi Inoue 1, Edwin Hernández-Garzón 1, Frédéric Clarençon 4, Frédéric Chalmel 3, Séverine Mazaud-Guittot 3, Paolo Giacobini 5, Yorick Gitton 6, Alain Chédotal 7
Sorbonne Université, INSERM, CNRS, Institut de la Vision, Paris, France; Institut de pathologie, Groupe Hospitalier Est, Hospices Civils de Lyon, Lyon, France; University Claude Bernard Lyon 1, MeLiS, CNRS UMR 5284, INSERM U1314, 69008 Lyon, France. Electronic address: alain.chedotal@inserm.fr.
ソルボンヌ大学は、フランス・パリの公立研究大学。2018年にパリ第4大学とピエールエマリーキュリーパリ第6大学、および小規模な機関が合併統合して創立された。1257年にルイ9世の宮廷付説教師であるロベール・ド・ソルボンが、貧しい俗世聖職者のために学ぶ場を提供するためにソルボンヌ学寮を立てたことに起因する。そのため、合併前の各大学の歴史も長く、フランスを代表する大学の一つとして高い評価を得ている。ソルボンヌ大学は、人文学、科学・工学、医学の3つに分かれている。(Wikipedia)
フランス国立衛生医学研究所(INSERM)は、基礎医学研究に特化したフランスの国立研究所
Highlights
•3D imaging reveals the developmental sequence of human head organs during gestation
•Salivary gland morphogenesis is asymmetric and shows interindividual variability
•Virtual reality and interactive 3D tools improve our understanding of human development
•Hudeca.com, a web interface and image database to explore and learn human embryology
-3Dイメージングにより、妊娠中のヒト頭部器官の発生順序が明らかになった。
-唾液腺の形態形成は非対称であり、個体間変異を示す
-バーチャルリアリティとインタラクティブな3Dツールにより、ヒトの発生に関する理解が深まる
-Hudeca.com、ヒト発生学を探求し学ぶためのウェブインターフェースと画像データベース
Summary
The evolution and development of the head have long captivated researchers due to the crucial role of the head as the gateway for sensory stimuli and the intricate structural complexity of the head. Although significant progress has been made in understanding head development in various vertebrate species, our knowledge of early human head ontogeny remains limited. Here, we used advanced whole-mount immunostaining and 3D imaging techniques to generate a comprehensive 3D cellular atlas of human head embryogenesis. We present detailed developmental series of diverse head tissues and cell types, including muscles, vasculature, cartilage, peripheral nerves, and exocrine glands. These datasets, accessible through a dedicated web interface, provide insights into human embryogenesis. We offer perspectives on the branching morphogenesis of human exocrine glands and unknown features of the development of neurovascular and skeletomuscular structures. These insights into human embryology have important implications for understanding craniofacial defects and neurological disorders and advancing diagnostic and therapeutic strategies.
頭部の進化と発達は、感覚刺激の入り口としての頭部の重要な役割と、頭部の複雑な構造のために、長い間研究者を魅了してきた。様々な脊椎動物の頭部発生に関する理解は大きく進展しているが、ヒトの頭部発生初期に関する知識はまだ限られている。ここでは、高度なホールマウント免疫染色と3Dイメージング技術を用いて、ヒト頭部発生に関する包括的な3D細胞アトラスを作成した。筋肉、血管系、軟骨、末梢神経、外分泌腺など、多様な頭部組織と細胞タイプの詳細な発生系列を示す。これらのデータセットには専用のウェブインターフェースを通してアクセスでき、ヒトの胚発生に関する洞察を提供する。ヒトの外分泌腺の分岐形態形成や、神経血管や骨格筋構造の発生における未知の特徴についての視点を提供する。ヒト発生学に関するこれらの洞察は、頭蓋顔面欠損や神経疾患の理解、診断・治療戦略の進展に重要な意味を持つ。
Keywords
Tissue clearing, iDISCO, human embryo, virtual reality, skull, oculomotor system, light-sheet microscopy, vascular
(A-C）画像処理パイプラインを示すPCW7胚の側方3Dビュー。生の画像データ（A）は、すべての軟骨テンプレートを分離するためにsyGlassを用いてセグメント化され（B）、3Dレンダリングのためにメッシュ画像が構築される（C）。
(DとE） （D）は、個々の骨格要素すべてに色付けされている（側面図）。(E）は同じ胚の正面図。
(F-M）（F）は頭蓋の高倍率3Dレンダリングで、発達中のすべての軟骨要素に仮着色が施されている。名前は画像右のチャートに表示されている。(G)～(L)は、各要素をその場で撮影したもの（上段）または分離したもの（下段）。鼻甲介（G）は中篩骨（Mes）と外篩骨（Ect）を組み立てている。舌骨と喉頭（要素番号1-4）は（H）に見られる。(I)では、メッケル軟骨が結合部で結合している（矢頭）。(J) 蝶形骨の正面図（上）と上面図（下）。(K)は内耳の骨（暗紫色は槌骨、ピンク色は切頭骨、赤色はアブミ骨）と、その臼蓋への挿入部（黄色）を示す。L）では、推定後頭骨複合体の軟骨性腹側-後側部成分の脳底突起（矢印）と大後頭孔（アスタリスク）が見られる。(M）は、ヒトの頭蓋の5.6PCWから11PCWまでの発生時間経過を示す。すべてのパネルは、抗Sox9で免疫染色した胚（PCW5.6、PCW7、PCW8）と胎児（PCW11.3）のLSFM画像からsyGlassで生成した3Dレンダリング画像である。 頭蓋の成長を説明するために、画像は同じ縮尺で表示されている。
要約
- この研究では、全身免疫染色と3Dイメージング技術を使用して、ヒトの頭部の胚発生に関する包括的な3D細胞アトラスを生成した。
- 筋肉、血管、軟骨、末梢神経、外分泌腺など、多様な頭部組織と細胞タイプの詳細な発達シリーズを提示した。
- これらのデータセットは、人間の胚発生に関する洞察を提供し、外分泌腺の分岐形態形成や神経血管構造および骨格筋肉構造の発達に関する未知の特徴を提供する。
背景
- 頭部の進化と発達は、感覚刺激のゲートウェイとしての頭部の重要な役割と構造的複雑さのため、研究者を長い間魅了してきた。
- しかし、早期の人間の頭部発生に関する知識は限られており、従来の組織学的手法に頼っていたため、細胞プロセスの理解が不完全だった。
- この研究では、組織透明化方法を使用し、人間の胚における細胞構造を解析した。
方法
- この研究では、フランスのHudecaバイオバンクから提供された胚および胎児を使用している。
- 70種類の抗体を評価し、36種類が3Dで肯定的で再現可能な染色を示した。
- 各標本は最大4つの個別チャネルでイメージングされ、デジタルスライスが生成された。
結果
- 頭部の骨格、筋肉、神経の発達を分析し、それらの複雑な構造と相互作用を明らかにした。
- 舌の筋肉や眼球運動筋など、特定の筋肉群の発達過程を詳細に調査した。
- 唾液腺や涙腺のような外分泌腺の発達過程も調べ、それらの分岐形態形成に関する新しい知見を提供した。
Discussion
- この研究は、人間の頭部発生の理解を深め、先天性欠陥や神経学的障害の理解に貢献することが期待される。
- また、診断や治療戦略の進歩にも寄与する可能性がある。
先天性欠陥は出生の3%以上に影響を及ぼすが、人間における細胞間相互作用と組織形成の分子機構は、大部分が未解明である。発達障害は個人に生涯にわたる影響を与えるため、原因の理解と適切な治療戦略の開発が重要である。動物モデルは洞察を提供してきたが、人間特有の発達プロセスを完全には再現していない。このため、ヒト胚発生の研究とヒト幹細胞由来の体外モデルへの関心が高まっている。
最近の研究イニシアチブ、例えばヒト細胞アトラスプロジェクトは、発達中の人間の細胞タイプを特定し、発達中の人間の臓器の高解像度細胞地図を構築するために先進技術を活用している。しかし、これらの技術は空間情報を捉えることには失敗している。現在、全標本免疫染色と3Dイメージングの組み合わせが、人間の胚発生の3D発達マップを構築する最良の方法である。
この研究では、この戦略を人間の頭部の発達に適用し、筋肉、軟骨、分泌腺などの様々な組織や臓器の3Dイメージデータセットを生成した。これらは専用のウェブインターフェースを通じてアクセス可能である。また、医学生の教育ツールとして利用できる高解像度の3D胚モデルも作成された。
ただし、このイメージングパイプラインの制限として、同時に限られた数のマーカー（最大4つ）のイメージングが可能である点が挙げられる。しかし、この研究は、リコンビナント結合抗体が効果的に機能し、複数の抗体の組み合わせが可能であることを示している。
さらに、本研究は人間の頭部における分泌腺形成の初期段階についての洞察を提供する。特に、唾液腺と涙腺は、隣接するサブ腺の枝分かれの複雑さに大きな個体差があることが示されている。これらの3D相互作用の調査は、人間の腺形成の発達的意義を評価するための重要な洞察を提供するであろう。
また、このアプローチを使用することで、人間の頭部と首の動脈の発達に関する理解を深める機会が生まれている。これにより、これらの血管構造の複雑な構成と関係に関する洞察が得られるであろう。
解剖学教育では、実際の人間の胚の3D再構築を特徴とするユーザーフレンドリーなウェブベースのインターフェースの提供が、人間の胚発生教育を活性化する強力なツールとして機能すると考えられている。
まとめ：この研究は、ヒト頭部発生に関する包括的で詳細な3Dビューを提供し、頭部の複雑な構造と機能の理解を深めることに貢献するものである。
本記事の作成には、paper interpreterを用いています。