4D-Healing Data-Driven Drug Discovery in Wound Healing

Die Heilung von Wunden ist ein komplexer, multifaktorieller Prozess, der unvollständig verstanden wird. Europa steht vor einer wachsenden Zahl von kostspieligen chronischen Wunden, die die Lebensqualität der Patienten tief beeinflussen. Der Wundheilungsprozess ist hochdynamisch und heterogen und sein Verständnis könnte Einblicke in die regenerative Medizin geben. Der Beitrag der verschiedenen Zelllinien kann nicht durch Massen-Transkriptomik-Analyse beurteilt werden. Zusätzlich kann ein statischer Schnappschuss durch Einzelzellanalysen uninformativ sein. 4D-HEALING wird die vier räumlich-zeitlichen Dimensionen der menschlichen Wundheilung in noch nie dagewesener Weise abbilden: Das Transkriptom von Tausenden von Zellen aus einer in vivo überwachten menschlichen Wunde wird von der RNAseq auf der Einzelzell-Ebene analysiert. Wir modellieren die Transkriptionsdynamik von Zelllinien, die in allen Phasen der Heilung involviert sind, von der Verletzung der Auflösung. Um Positionsinformationen zu sammeln, schlagen wir ein neuartiges Rechenwerkzeug vor, um "Zelldocking" vorhersagen zu können, basierend auf der Wahrscheinlichkeit von Zell-zu-Zell- Interaktionen und der Herstellung einer benachbarten Karte, die durch Annotation von situ-Positionsinformationen von Zellen (multiplexierter Hybridisierungsansatz) validiert wird. Das aufgetretene Wissen liefert eine 4D-Karte der Zelltypen, die an der menschlichen Wundheilung beteiligt sind, die es uns ermöglicht, ein dynamisches mathematisches Modell des Prozesses zu schaffen, um das Übersprechen zwischen Zellsignalisierung und Interaktionen, Übergangszuständen und Position während der Heilung zu entwirren. Diese Modelle, die zusammen mit FDA-zugelassenen Arzneimitteldatenbanken integriert sind, erlauben informierte Entscheidungen über molekulare Kandidaten, die pharmakologisch moduliert werden können. Kandidatenverbindungen werden in ex vivo menschlichen Hautorgankulturen getestet, die akute und chronische Wundumgebungen nachahmen. Die daraus resultierenden Leads werden den üblichen Arzneimittelentwicklungsprogrammen unterzogen. Das Projekt wird datengesteuertes, umfassendes Verständnis des menschlichen Wundheilungsprozesses und in vitro Beweis für das Konzept einer neuartigen topischen Therapie zur Verbesserung der chronischen Wundheilung liefern.

Die Wundheilung ist ein hochdynamischer und heterogener Prozess, der es schwierig macht, den Beitrag der verschiedenen Zelllinien durch Transkriptomanalysen zu analysieren. Daher könnte eine statische Momentaufnahme durch Einzelzellanalysen wenig aussagekräftig sein. In 4D-HEALING kartieren wir die vier räumlichen und zeitlichen Dimensionen der menschlichen Wundheilung auf eine noch nie dagewesene Weise: das Transkriptom tausender Zellen aus einer in vivo beobachteten menschlichen Wunde durch RNA-Seq auf Einzelzellebene. Wir entnahmen an fünf verschiedenen Tagen von zwei Spendern 3 mm große Hautstiche in drei Sets: eines für die Aufspaltung von Dermiszellen, das zweite für die Aufspaltung von Dermis- und Epidermiszellen und das dritte für die Histologie und räumliche RNA-Analyse. Anhand der Ergebnisse modellieren wir die Transkriptionsdynamik von Zelllinien, die an allen Phasen der Heilung, von der Verletzung bis zur Auflösung, beteiligt sind. Um Positionsinformationen zu sammeln, entwickeln wir neuartige computergestützte Werkzeuge zur Vorhersage des "Zell-Docking" und zur Erstellung einer Nachbarschaftskarte, die durch Annotation der Positionsinformationen von Zellen validiert wird. Die neuen Erkenntnisse liefern eine 4D-Karte der Zelltypen, die an der menschlichen Wundheilung beteiligt sind, und ermöglichen es uns, ein dynamisches mathematisches Modell zu erstellen, um die Überschneidungen zwischen Zellsignalen und -interaktionen, Übergangszuständen und Position während des Heilungsprozesses zu entschlüsseln. Diese Modelle in Verbindung mit FDA-zugelassenen Arzneimitteldatenbanken ermöglichen eine fundierte Auswahl von molekularen Kandidaten, die pharmakologisch moduliert werden können. Unsere Einzelzell-RNA-Seq-Datenanalyse ergab, dass in Fibroblasten MMP-2 und Cathepsin K an Tag 0 hochreguliert sind und sich dann an den Tagen 2 und 3 langsam zurückbilden; beide sind bekanntermaßen am Umbau der extrazellulären Matrix während der Wundheilung beteiligt und in frischen Narben vorhanden, aber auch in diabetischen chronischen Wunden stark hochreguliert. MMP-2 kann mit Hilfe von Angiotensin-Converting-Enzyme-Hemmern wie Captopril und Lisinopril gezielt bekämpft werden. Wir planen, diese Entdeckung in 2D und 3D für Epidermolysis Bullosa (EB) auszuprobieren, aber da die Art der chronischen Wunden bei EB anders ist als bei Diabetes, werden wir sie mit anderen Medikamenten kombinieren. Wir werden die Wirkung von Medikamentenkandidaten auf 2D- und 3D-Präparate testen, die auf den von uns bereits hergestellten iPSC-Linien basieren, sowohl für WT als auch für EB. Die daraus resultierenden Wirkstoffkandidaten werden die üblichen Arzneimittelentwicklungsprogramme durchlaufen. Auf diese Weise liefert das Projekt ein datengestütztes, umfassendes Verständnis des menschlichen Wundheilungsprozesses und einen In-vitro-Konzeptnachweis für eine neuartige topische Therapie zur Verbesserung der chronischen Wundheilung. Das Verständnis der Wundheilung wird Licht in die regenerative Medizin bringen.