Por Aviv Regev
Imaginé que tenía una manera de curar el cáncer que implicaba tomar una molécula de un tumor y la ingeniería de las células inmunes del cuerpo para reconocer y matar a cualquier célula con esa molécula. Pero antes de que pudieras aplicar este enfoque, tendrías que estar seguro de que ninguna célula sana también expresó esa molécula. Dado los 20 trillones de células en un cuerpo humano, ¿cómo harías eso? Este no es un ejemplo hipotético, pero fue uno de los que se planteó recientemente a nuestro laboratorio. Más fundamentalmente, sin un mapa de diferentes tipos de células y dónde se encuentran dentro del cuerpo, ¿cómo podrías estudiar sistemáticamente los cambios en el mapa asociados con diferentes enfermedades, o entender dónde están asociados los genes asociados con la enfermedad en nuestro cuerpo, o analizar la regulación Mecanismos que rigen la producción de diferentes tipos de células, o determinar cómo diferentes tipos de células se combinan para formar tejidos específicos?
Sugerimos que la respuesta a estas preguntas es crear un Atlas de células humanas que organiza las células por tipo y ubicación en tejidos específicos. Lo que lo hace posible ahora es el reciente desarrollo de tres nuevas herramientas:
- La capacidad de determinar rápidamente tipos de células por captura rápida, procesamiento y secuenciación de ARN de células individuales. La secuencia de ARN revela el perfil genético de una célula individual, identificando qué genes se activan, produciendo activamente proteínas. Es en efecto el código postal de los tipos de células. Las herramientas automatizadas recién inventadas pueden ahora procesar miles de células para la secuenciación por segundo por un bajo costo.
- La capacidad de mapear la ubicación de tipos de células específicas dentro del tejido vivo a alta resolución. Una técnica usa haces de iones que dispersan las partículas celulares de ubicaciones específicas en un tejido; Los tipos de células son identificados por las proteínas que utilizan y que la información sintetizada con la ubicación en una imagen que localiza las células de interés.
- Algoritmos de muestreo y técnicas computacionales de Big Data que permiten la creación de un censo celular general. Estos enfoques son nuevos para la biología en la escala propuesta aquí. Con el muestreo apropiado, el análisis de sólo 50 millones de células -una por cada 400.000 en el cuerpo- puede proporcionar un borrador detallado de los tipos de células humanas. Las técnicas Big Data se pueden utilizar para combinar códigos postales y ubicaciones físicas en una base de datos de referencia única e invaluable.
Las células son la unidad básica de la vida, pero varían enormemente. Se producen enormes cantidades de nuevos glóbulos rojos todos los días, mientras que las células nerviosas -especialmente las neuronas que son los procesadores del cerebro- se toman temprano en la vida y otras nuevas rara vez nacen después. Los tipos de células también varían ampliamente de un tejido a otro. El revestimiento del intestino contiene células que absorben los nutrientes, las células inmunes para evitar los microbios nocivos y las neuronas, así como las células de las bacterias beneficiosas que nos colonizan. La retina en la parte posterior del ojo funciona como una especie de cámara digital, capturando una imagen y enviándola al cerebro para su análisis, y contiene más de 100 tipos diferentes de neuronas; Un tipo de neurona puede ser importante para identificar cuando se enciende la luz, otra para cuando la luz se apaga y así sucesivamente. Las células T de nuestro sistema inmunológico vienen en diferentes formas, dependiendo de si se encuentran en la sangre, en el intestino, en la boca o en los conductos nasales. Además, las variaciones en los genes específicos que pueden conducir a la enfermedad se manifiestan típicamente en células específicas, aquellas células donde los genes serían normalmente distrofia muscular activa en las células del músculo esquelético, por ejemplo. Tanto esta enorme variedad de un tipo de célula a otro, y la mezcla de células de tejido a tejido son fundamentales para el funcionamiento de nuestro cuerpo, pero no han sido totalmente estudiados o caracterizados.
Laboratorio de Joshua Sanes, Harvard
En estudios preliminares del tipo aquí propuesto, nuestro laboratorio y colaboradores han descubierto un tipo completamente desconocido de células dendríticas-células inmunes que constituyen nuestra primera línea de defensa contra patógenos- que constituyen sólo 4 de cada 10.000 células en la sangre. Otro estudio de una clase particular de células T asociadas con enfermedades autoinmunes encontró diferencias sutiles en células tomadas del intestino y del cerebro, cambios que parecen provenir de grasas en la dieta y que pueden sugerir nuevos objetivos de fármacos para tratar estas enfermedades autoinmunes . El análisis de decenas de miles de células de la retina llevó al descubrimiento de dos nuevos tipos de células que han eludido décadas de investigación meticulosa.
Hace 25 años, los científicos propusieron por primera vez el Proyecto Genoma Humano para descubrir sistemáticamente todos los componentes celulares codificados por nuestros genes. En ese momento parecía un objetivo audaz, pero uno que resultó factible. Ahora proponemos un esfuerzo sistemático similar para definir las células que subyacen a la salud humana y la enfermedad.
Específicamente, dentro de cinco años proponemos generar un primer borrador detallado de un atlas molecular de células en el cuerpo humano. Este Atlas de células humanas:
- Catalogar todos los tipos y subtipos de celdas.
- Distinguir los estados celulares (p. Ej., Una célula inmune ingenua que todavía no ha encontrado un patógeno en comparación con el mismo tipo de célula inmunológica después de que se activa al encontrarse con una bacteria).
- Los tipos de células de mapa a su ubicación dentro de los tejidos y dentro del cuerpo.
- Capturar las características clave de las células durante las transiciones, como la diferenciación (de una célula madre) o la activación.
- Trace la historia de las células a través de un linaje, como desde una célula madre predecesora en la médula ósea hasta un glóbulo rojo en funcionamiento.
Al igual que con el Proyecto del Genoma Humano, la tarea es grande pero finita y sólo puede realizarse con éxito dentro del contexto de un proyecto unificado que involucra a una amplia comunidad de biólogos, tecnólogos, físicos, científicos computacionales y matemáticos.
Algunos factores que apuntan hacia el éxito del proyecto incluyen:
Escala manejable:
El número de tipos de células humanas depende del nivel de resolución en el que se definen. A pocos cientos de tipos se citan a menudo, pero sólo la sangre y el sistema inmunológico por sí solo puede tener más de 300 molecular y funcionalmente distintos subtipos. Mientras que el número aparece desalentador al principio, hay múltiples «copias» celulares del mismo tipo, y por lo tanto este es un problema de muestreo. Las consideraciones estadísticas y la teoría matemática sugieren que podemos probar un número manejable de células y todavía recuperar distinciones finas con confianza.
Coleccion de muestra:
La experiencia ha demostrado cómo adquirir excelentes colecciones de muestras de tejido humano con un esfuerzo bien concertado, incluso por laboratorios individuales. Y, a diferencia de los estudios genéticos, un gran número de individuos no es necesario. Proponemos complementar el muestreo humano con estudios limitados y similares de organismos modelo-primates, ratones y otros- para obtener muestras de otra manera inaccesibles y relacionar el conocimiento de las células humanas con el obtenido de los experimentos de laboratorio, para los cuales hay un extenso conocimiento de legado de décadas de investigación científica.
Organización Inclusiva:
Entendemos un esfuerzo a escala comunitaria que equilibre la necesidad de dominio-experiencia en un sistema biológico con oportunidades para nuevas tecnologías (más que en proyectos de genómica anteriores), y también permite la recopilación de datos que es comparable a través de sistemas. Dentro de este consorcio, que se definirá a través de un proceso comunitario, habrá grupos de trabajo para muestras humanas, organismos modelo y desarrollo tecnológico, además de la adquisición y administración centralizada de datos. Esperamos múltiples esfuerzos analíticos.
Estadificación apropiada:
Un Atlas de células humanas es un esfuerzo de nueva escala y tipo. Una fase piloto que pueda establecerse rápidamente y servir para probar estrategias alternativas y evaluar las premisas básicas del trabajo sería probablemente muy eficaz. Proponemos una fase piloto con una encuesta relativamente escasa de 100.000 células de cada uno de los 50 tejidos cuidadosamente seleccionados de humanos y ratones, complementada por una encuesta mucho más profunda en unos pocos sistemas complementarios bien escogidos, como la sangre periférica y la médula ósea, el intestino, Y el hígado. Un proyecto a gran escala, basado en el piloto, analizaría más células por tejido, tejidos adicionales, ampliaría el trabajo en organismos modelo y desplegaría más técnicas de medición; También podría extender el análisis a los tejidos de la enfermedad.
Tener un Atlas de células humanas completo sería como tener un código postal único de cada tipo de célula combinado con un mapa tridimensional de cómo los tipos de células se entretejen para formar tejidos, el conocimiento de cómo el mapa conecta todos los sistemas del cuerpo y las ideas de Cómo los cambios en el mapa subyacen a la salud ya la enfermedad. Este recurso no sólo facilitaría la investigación biológica existente, sino que también abriría nuevos paisajes para la investigación. Un Atlas de células humanas proporcionará conocimientos biológicos fundamentales sobre la composición de organismos multicelulares, así como permitirá el desarrollo de diagnósticos y terapias médicas eficaces.
Cómo crear un Atlas de células humanas
El campo de la genómica tiene una experiencia sustancial en proyectos de gran escala como el que se propone aquí, pero hay diferencias importantes. Los estudios genéticos a menudo se centran en las diferencias en el ADN entre los individuos, pero no puede decir las diferencias críticas entre las células individuales, incluyendo donde las diferencias genéticas se manifiestan. De hecho, dentro de un individuo, casi todas las células tienen el mismo ADN, pero usa (o «expresa») sólo una parte de él. Por el contrario, un Atlas de células humanas se centra directamente en las diferencias entre los tipos de células y, por lo tanto, es más diverso y complejo-seguimiento de varios tipos muy diferentes de datos y requiere más innovación tecnológica y computacional.
Lo que hace posible tal proyecto es los avances muy recientes en la capacidad de analizar el perfil genómico de una sola célula. Esto significa determinar qué moléculas de ARN se expresan a partir de su ADN, qué proteínas se expresan a partir del ARN, e información relacionada, tal como la forma en que el ADN de la célula está decorado con moléculas adicionales que lo controlan. Con tecnologías avanzadas recientes esto se puede hacer para un gran número de células muy rápidamente y de bajo costo. Estos datos caracterizan qué genes son activos en una célula dada, en efecto, qué proteínas produce y qué hace la célula.
Estas innovaciones-basadas en avances en biología molecular, microfluídica, tecnología de gotas y computación- ahora permiten ensayos masivamente paralelos que pueden procesar cientos de miles de células a muy bajo costo; Estimamos un costo de alrededor de $ 0.17 por célula. Un segundo método emergente de caracterización implica imágenes de células dentro de los tejidos a alta resolución. Por último, nuevas técnicas experimentales y computacionales asocian el perfil molecular (de ARN o proteínas) con haces de iones a información espacial de alta resolución sobre su ubicación dentro de un tejido o incluso dentro de una célula, proporcionando una caracterización única de la estructura de los tejidos. Estimamos que el costo total para caracterizar las células por estos métodos combinados será $ 1 por célula (una estimación que asume una reducción continua en los costos de secuenciación y almacenamiento y un enfoque en las mediciones de ARN como la primera línea de caracterización). Nos proponemos analizar 50 millones de células en un esfuerzo inicial de cinco años.
Esta fase inicial del Atlas de células humanas también definirá marcadores para diferentes tipos de células, para lo cual se pueden desarrollar anticuerpos y otras sondas para encontrar tipos específicos de células dentro de un tejido. Proporcionará una visión directa de los efectos distorsionantes de la eliminación de tejidos humanos vivos del cultivo celular en los que se basa gran parte del conocimiento actual. Proporcionará una manera de integrar una gran cantidad de datos heredados. Además, el Atlas de células humanas ayudará a descubrir los procesos reguladores que controlan la diferenciación celular y las interacciones celulares. Finalmente, y de manera no trivial, el proyecto generará métodos experimentales y computacionales estandarizados, probados y ampliamente aplicables que serán útiles en muchos otros contextos.
Un nivel de apoyo de 100 millones de dólares durante cinco años respaldaría la organización inicial y la ejecución de este ambicioso esfuerzo. La financiación federal de esta magnitud es improbable y las subvenciones múltiples no permitirían la integración de conocimientos especializados en muchos grupos de investigadores y la compleja coordinación necesaria para garantizar resultados comparables y reproducibles. El Atlas de células humanas es, pues, una extraordinaria oportunidad para la filantropía privada.
