Spatiaalisen transkriptomiikan menetelmien vertailu reumaattisen nivelkalvon immunologisten muutosten tutkimuksessa

Abstract

Nivelreuma on pitkäaikainen heterogeeninen autoimmuunisairaus, jonka tyypillisin oire on nivelkalvon tulehdus useassa nivelessä. Nivelreuma on yleisin tulehduksellinen nivelsairaus, jonka syntymekanismi on monitekijäinen ja edelleen osittain selvittämättä. Kyseessä on parantumaton sairaus, jonka vuoksi sen hoidossa pyritään oireettomuuteen. Reumaattinen nivelkalvo on voimakkaasti verisuonittunut kudos, johon tunkeutuu soluja sekä synnynnäisestä että hankitusta immuunijärjestelmästä. Tulehtuneet alueet sisältävät tunkeutuvien leukosyyttien paikallisia kertymiä, jotka muistuttavat histologisesti sekundaarisia imukudoksia. Näissä rakenteissa on runsaasti T- ja B-soluja ja niitä kutsutaan tertiäärisiksi lymfaattisiksi rakenteiksi. Spatiaalinen transkriptomiikka tutkii lähetti-RNA:iden eli transkriptomien sijaintia kudoksissa ja sen avulla solutyypit voidaan osalla menetelmistä paikantaa histologisilla leikkeillä, sekä määrittää lähetti-RNA:n sijainti jopa solun sisällä. Spatiaalinen transkriptomiikka tarjoaa mahdollisuuden tutkia esimerkiksi solujen geneettistä toimintaa suhteessa niiden sijaintiin kudoksessa, sekä solujen välisiä vuorovaikutuksia ja signalointireittejä. Tutkielmassa vertailtiin kolmea kaupallista spatiaalisen transkriptomiikan menetelmää reumaattisen nivelkalvon immunologisten muutosten tutkimuksessa. Historiallisesti nivelreuman tutkimuksessa on käytetty verrokkeina nivelrikkonäytteitä, jonka vuoksi myös tässä tutkielmassa käytettiin reumaattisen nivelkalvon verrokkina nivelrikkopotilaiden nivelkalvoa. Ennen varsinaisia menetelmiä käytettävissä olevista näytteistä valittiin RNA:n laadun ja histologian perusteella mielenkiintoisimmat näytteet. Käytetyt spatiaalisen transkriptomiikan menetelmät olivat Visium HD (10X Genomics), Curio Seeker (Curio Bioscience) ja BMKMANU S1000 (BMKGENE). Tutkielmassa analysoitiin muun muassa näytteiden ja sekvensointikirjastojen laatua, sekä vertailtiin menetelmien soveltuvuutta nivelreuma/nivelrikko nivelkalvojen immunologiseen tutkimukseen tekemällä geeniekspression perusprofilointia tärkeimmistä immuuni- ja morfologiaa kuvaavista markkereista. Tulosten perusteella voitiin muun muassa huomata, miten käytetyt näytteenkäsittelymenetelmät vaikuttavat olennaisesti analyysin lopputulokseen, sekä visualisoida missä osissa nivelkalvoa esiintyy lymfosyyttejä. Merkittävänä heikkoutena, yksi menetelmistä ei sisältänyt käytettävän kudoksen kuvantamista, jonka vuoksi saatua geeniekspressiota ei voitu kohdistaa kudokseen. Kahdessa muussa menetelmässä geenien ilmentyminen voitiin kohdistaa kudokseen ja tutkia markkerigeenien ilmentymistä spatiaalisesti.

Rheumatoid arthritis is a chronic, heterogenous autoimmune disease characterized by inflammation of the synovium in multiple joints. Rheumatoid arthritis is the most common inflammatory joint disease, with a multifactorial pathogenesis that remains partly unresolved. As it is an incurable disease, treatment aims to achieve symptom-free remission. The rheumatic synovium is a highly vascularized tissue infiltrated by innate and adaptive immune cells. Inflamed regions contain localized clusters of invasive leukocytes that resemble secondary lymphoid tissues, known as tertiary lymphoid structures, rich in T and B cells. Spatial transcriptomics enables the study of messenger RNA distribution within tissue sections, linking gene expression to precise anatomical locations. It enables identification of cell types and analysis of cellular function in the context of tissue structure, providing insights into cell interactions and signaling pathways. The aim of this thesis was to compare three commercial spatial transcriptomics methods for investigating immunological changes in rheumatoid synovial tissue. Historically, osteoarthritic tissue samples have been used as controls in rheumatoid arthritis research; therefore, in this thesis, synovial tissue from osteoarthritis patients was also used as a control for rheumatoid synovium. Prior to the main experimental procedures, the most relevant samples were selected from the available material based on RNA quality and histological features. The spatial transcriptomics platforms used in this study were Visium HD (10X Genomics), Curio Seeker (Curio Bioscience), and BMKMANU S1000 (BMKGENE). The thesis analyzed the quality of samples and sequencing libraries, and compared the suitability of the methods for immunological analysis of synovium by performing basic gene expression profiling of key immune and morphology-related markers. The results demonstrated that sample processing methods significantly influenced the analysis outcomes and enabled visualization of specific regions of the synovium where lymphocytes were present. A significant limitation was that one of the platforms did not include imaging of the tissue used, which prevented the alignment of the obtained gene expression data to the tissue. In contrast, the other two methods allowed for the spatial mapping of gene expression to the tissue, enabling the investigation of marker gene expression in a spatial context.