Тимус начинает функционировать раньше, чем считалось

Основа для пожизненного иммунитета закладывается на более ранней стадии развития, чем было принято считать. К такому выводу пришли авторы статьи в Nature, которые создали первый пространственный атлас развивающегося тимуса.

Работа была проведена в рамках инициативы Human Cell Atlas — масштабного проекта по картированию человеческого тела на уровне единичных клеток.

Тимус — высокоспециализированный орган лимфопоэза, в котором происходит созревание и иммунологическое «обучение» Т-клеток. Два его макроскопических отдела — медулла (мозговое вещество) и кора — связаны с различными стадиями формирования Т-лимфоцитов. Чтобы охарактеризовать типы клеток в тканях тимуса на протяжении всего развития, исследователи проанализировали образцы тимуса плода (11–21 недели после зачатия) и детей возрастом до трех лет. Три общедоступных набора данных секвенирования РНК единичных клеток (scRNA-seq) объединили с самостоятельно полученными результатами — scRNA-seq и клеточным индексированием транскриптомов и эпитопов (CITE-seq). Их дополнили данными пространственной транскриптомики, полученной с помощью Visium (10x Genomics). Протеом клеток картировали при помощи мультиплексной флуоресцентной визуализации. Для аннотирования типов клеток ученые разработали вычислительную платформу TissueTag, которая опирается на данные гистологии.

Интегрировав все данные, исследователи построили общую координатную систему тимуса — ее обозначили как кортико-медуллярную ось (CMA). Она фиксировала пространственную вариативность как на уровне отдельного участка тимуса, так и между участками, независимо от размеров образца ткани или возраста донора.

Применив CMA к транскриптомным данным, в том числе пространственным, авторы отследили траектории дифференцировки Т-клеточных линий. Они оказались хорошо развиты уже к началу второго триместра беременности. При этом распределение тимоцитов канонической αβ T-клеточной линии оказалось высококонсервативным на протяжении всего развития — количество клеток основных стадий дифференцировки в целом было неизменно.

Развитие Т-клеток напрямую зависит от резидентных стромальных и иммунных клеток. Ключевую роль играют тимические эпителиальные клетки — в кортикальной части они обеспечивают положительную селекцию (отбор на репертуар Т-клеточных рецепторов), а в медуллярной — отрицательную (отбор на толерантность к аутоантигенам), в которой участвуют также дендритные клетки, B-лимфоциты и фибробласты. Ученые подробно картировали тканевую нишу, которая предположительно заселена предшественниками тимических эпителиальных клеток. В тимусе 12-недельного плода она локализована в области соединительнотканной капсулы, но смещается в сторону функциональных областей у младенцев.

Несмотря на то, что структурно тимус существенно менялся в ходе развития, обнаруженные авторами градиенты сигнальных молекул — цитокинов и хемокинов, — устанавливались уже на 12-й неделе, и это формировало каноническую линию дифференцировки Т-лимфоцитов.

В медуллярной зоне кератиноциты и специализированные тимические эпителиальные клетки были тесно связаны с тельцами Гассаля — слоистыми эпителиальными структурами, а также некоторыми субпопуляциями дендритных клеток, регуляторных T-клеток и B-клеток. Другие специализированные подтипы тимических эпителиальных клеток были более ассоциированы с глубокими слоями медуллы, а не с тельцами Гассаля. Опираясь на это, авторы заключают, что клетки медуллы тимуса можно различать по локализации и близости к тельцам Гассаля — это понимание важно для сравнения пренатального тимуса и тимуса ребенка, поскольку архитектура этого органа подвергается сильной перестройке, которая усложняет анатомический анализ.

Наконец, ученые сопоставили картирование транскриптомными методами и классификацию типов клеток по поверхностным маркерам. Они выяснили, что CD4⁺ T-лимфоциты покидают кортикальные области намного раньше, чем это делают CD8⁺ T-лимфоциты. Разница связана с профилями экспрессии хемокиновых рецепторов CCR4 и CXCR3.

В целом проведенный учеными подробный анализ показал, что структура и функция тимуса закладываются уже на 12-й неделе эмбрионального развития. Из этого следует предположение, что ранние сроки беременности могут оказывать более значимое влияние на функционирование иммунной системы будущего ребенка, чем считалось ранее.