Spatiotemporal Profiling of Human Development Using Multiplexed Imaging

• Human development is complex and intricate, where the positions of cells, expression of key markers, and cell-cell interactions contribute to the development of various organs from different germ layers and the establishment of the body axis. Therefore, understanding human development within spatial and temporal aspects is crucial. Spatial and temporal aspects can be studiedthrough multiplexed imaging, which enables the assessment of multiple markers on the same tissue, offering critical insights into protein expressions in the cells and tissues. Within the scope of this thesis, we focused on the spatial and single-cell profiling of cell types during the first trimester of human development, both at the systemic and organ levels, using multiplexed imaging. Paper I of this thesis presents a spatial and single-cell map of the developing human lung in the first trimester. We used multiplexed imaging on post-conception week 6 to 13 lungs employing a 30-plex antibody panel and, as a result, analyzed nearly 1 million cells. We provide a spatially resolved cell type composition of the developing human lung, focusing on spatiotemporal changes in the cell types, such as immune cells, endothelial cells, lymphatic cells, and proliferative cell states. Key findings of the first paper are that the proliferation patterns in the epithelium reveal differences in the elongation of smaller and larger distal and proximal airways and the presence of some immune cells around arteries, highlighting location-function relationships. Additionally, this paper represents the first application of multiplexed imaging on the developing human lung. Paper II aimed to systematically investigate human development in whole embryos by focusing on cell types such as immune and endothelial cells. We analyzed human whole embryo tissues from week 3 to 5 using a 28-plex multiplexed antibody panel. A key finding of the paper is the appearance of liver immune cells as early as week 4 and differences in their marker expression profiles compared to the other immune cells. In Paper III, we proposed a simple and flexible open-source method for visualizing in situ expressions of hundreds of genes, which can be combined with other methods, such as multiplexed imaging. In Paper IV, we explored the spatial dynamics of the developing human heart at the cellular and subcellular levels. In conclusion, this thesis elucidates the spatiotemporal changes during the first trimester of human development by presenting spatial maps of developing organs and whole embryos at various stages. The objective is to illustrate the characteristics of a healthy state, contributing to a better understanding of abnormalities associated with congenital diseases.

• Människans utveckling är komplex och invecklad, där cellernas positioner, uttryck av viktiga proteinmarkörer och cell-cell interaktioner bidrar till etableringen av kroppens axel och till utvecklingen av organ från olika germinallager. Därför är spatiala och temporala aspekter avgörande för förståelsen av människans utveckling. Detta är möjligt att studera genom multiplexad bildteknik, vilket möjliggör samtidig bedömning av multipla markörer i samma vävnadsprov och erbjuder viktiga insikter kring proteinuttrycket i olika celler och vävnader. Inom ramen för denna avhandling fokuserade vi på spatial- och single-cellprofilering av olika celltyper under den första trimestern av människans utveckling, både på system- och organnivå, med hjälp av multiplexad bildteknik.Artikel I i denna avhandling presenterar en spatial och single-cellkarta av den mänskliga lungans utveckling under den första trimestern. Vi använde multiplexad bildteknik med en 30-plex antikroppspanel för vävnadsprover från lungor isolerade 6-13 veckor efter befruktningen och analyserade nästan 1 miljon celler. Vi tillhandahåller en karta över celltypskomposition med spatial upplösning under den mänskliga lungans utveckling, med fokus på spatio-temporala förändringar av olika celltyper, såsom immunceller, endotelceller och lymfatiska celler, och proliferativa celltillstånd. Nyckelfynden i den första artikeln är att proliferationsmönstren i epitelet avslöjar skillnader i förlängningen av mindre respektive större distala och proximala luftvägar, och att närvaron av vissa immun-celler runt artärerna belyser förhållandet mellan lokalisation och funktion. Dessutom representerar denna artikel den första tillämpningen av multiplexad bildteknik för att studera den mänskliga lungans utveckling. Artikel II syftade till att systematiskt undersöka människans utveckling i hela embryon, med fokus på celltyper som immunceller och endotelceller. Vi analyserade hela mänskliga embryovävnader isolerade vid 3-5 veckor med hjälp av en 28-plex antikroppspanel. Ett nyckelfynd i artikeln är framträdandet av leverns immunceller redan vid 4 veckor och skillnader i dessa cellers profiler för uttryck av markörer jämfört med andra immunceller. I Artikel III föreslog vi en enkel och flexibel öppen källkodsmetod för att visualisera in situ-uttryck av hundratals gener, som kan kombineras med andra metoder, så som multiplexad bildteknik. I Artikel IV utforskade vi den spatiala dynamiken under det mänskliga hjärtats utveckling på cellulär och subcellulär nivå.Sammanfattningsvis belyser denna avhandling de spatiotemporala förändringarna under den första trimestern av människans utveckling genom att presentera kartor över utvecklingen av organ och hela embryon vid olika stadier. Målet är att illustrera egenskaperna vid ett friskt tillstånd, vilket bidrar till en bättre förståelse för avvikelser som är förknippade med medfödda sjukdomar.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi -- Utvecklingsbiologi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences -- Developmental Biology (hsv//eng)

Nyckelord

human development

organ development

spatial proteomics

single-cell proteomics

proliferation

immune system

mänsklig utveckling

organutveckling

spatial proteomik

single-cell proteomik

proliferation

immunsystem

Biotechnology

Bioteknologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)