Los científicos mapean todo el intestino humano con resolución de una sola célula
Proteína MUC5b (roja) en células caliciformes residentes en criptas; MUC2 (verde) en todas las células caliciformes. Crédito: Magness Lab, Facultad de Medicina de la UNC
Si te pones nervioso, es posible que lo sientas en el estómago. Si comes chili, tu intestino puede rebelarse, pero tu amigo puede comer cualquier cosa y sentirse genial. Puedes tomar ibuprofeno como si fuera un caramelo sin efectos nocivos, pero la barriga de tu amigo podría sangrar y no aliviar el dolor. ¿Por qué es esto? La respuesta rápida es porque todos somos diferentes. Las siguientes preguntas son qué tan diferentes son exactamente y qué significan estas diferencias para la salud y la enfermedad. Responderlas es mucho más difícil, pero el laboratorio de la Facultad de Medicina de la UNC de Scott Magness, Ph.D., está revelando algunas respuestas científicas interesantes.
Por primera vez, el laboratorio de Magness utilizó tractos gastrointestinales humanos completos de tres donantes de órganos para mostrar cómo los tipos de células difieren en todas las regiones de los intestinos, arrojar luz sobre las funciones celulares y mostrar las diferencias de expresión génica entre estas células y entre individuos.
Este trabajo, publicado en Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology, abre la puerta a la exploración de las múltiples facetas de la salud intestinal de una manera mucho más precisa y con mayor resolución que nunca.
«Nuestro laboratorio demostró que es posible aprender sobre la función de cada tipo de célula en procesos importantes, como la absorción de nutrientes, la protección contra parásitos y la producción de moco y hormonas que regulan el comportamiento alimentario y la motilidad intestinal», dijo Magness, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica del Estado Conjunto UNC-NC y autor principal del artículo. «También aprendimos cómo el revestimiento intestinal podría interactuar con el medio ambiente a través de receptores y sensores, y cómo los medicamentos podrían interactuar con diferentes tipos de células».
El intestino sensible
Piense en un típico locución comercial farmacéutica cuando el actor de doblaje recita de manera agradable los posibles efectos secundarios, como diarrea, vómitos, sangrado intestinal y otros daños colaterales desagradables. Bueno, el laboratorio de Magness está tratando de comprender por qué ocurren esos efectos secundarios, hasta el nivel de las células individuales, sus funciones, sus ubicaciones y sus genes.
Para esta investigación, el laboratorio de Magness se centró en la epitelio: la capa gruesa unicelular que separa el interior de los intestinos y el colon de todo lo demás. Al igual que otras poblaciones de células y la microbiota, el epitelio es increíblemente importante para la salud humana y durante años los científicos lo han estado explorando. Pero hasta ahora, los investigadores solo podían tomar pequeñas biopsias del tamaño de granos de arroz de unas pocas partes del tracto digestivo, generalmente del colon o regiones limitadas del intestino delgado.
«Tal exploración sería como mirando a los Estados Unidos desde el espacio pero solo investigando lo que está pasando en Massachusetts, Oklahoma y California», dijo Magness. «Para aprender realmente sobre el país, nos gustaría verlo todo».
Magness se apoyó en los primeros autores, el becario postdoctoral Joseph Burclaff, Ph.D., y el estudiante de posgrado Jarrett Bliton, ambos aprendices en el laboratorio de Magness.
«No solo queremos identificar dónde están ubicadas las células, sino que queremos saber exactamente qué tipos de células hacen qué y por qué», dijo Burclaff. «Así que, siguiendo con la analogía del mapa, no queremos simplemente decir, ‘oh, ahí está Carolina del Norte’. Queremos saber dónde conseguir la mejor barbacoa. Queremos una vista a nivel del suelo para saber tanto como sea posible. «
En el pasado, los investigadores trituraban esas biopsias del tamaño de un arroz para identificar todos los tipos de células epiteliales y aprender algunas características generales de estas células. El enfoque de Magness fue tomar muestras de miles de células individuales de cada parte del tracto digestivo inferior (intestino delgado y colon) para crear un atlas y luego estudiar los roles potenciales de estas células a través de los genes que expresa cada célula. Saber todo esto profundizaría el conocimiento científico sobre el epitelio intestinal y, con suerte, alentaría a otros científicos a explorar la función de cada célula en biología, en enfermedades y en el desafortunado escenario de los efectos secundarios farmacéuticos.
Hacer un estudio tan profundo inmersión de células individuales, Magness necesitaba dos cosas: mejor tecnología y todo el tracto digestivo de los humanos.
La biología de los datos
UNC-Chapel Hill adquirió ARN de última generación tecnología de secuenciación hace varios años para la creación de la Instalación central de análisis avanzado a través del Centro de enfermedades gastrointestinales y biología de la UNC, que desarrolló la facultad de investigación científica e intelectual, el personal, los posdoctorados y los estudiantes para utilizar equipos de última generación.
El Grupo Magness adquirió tractos digestivos humanos a través de un acuerdo de investigación con los servicios de donantes de órganos en HonorBridge. Cuando los intestinos se extraen para trasplante y si no son reclamados por grupos de mayor prioridad, el personal de HonorBridge se coordina con Magness Group para donar los órganos aptos para trasplante para investigación.
Seis a ocho horas después de la extracción, el El laboratorio de Magness recibe tractos intestinales intactos, cada uno de unos 15 a 30 pies de largo. Eliminan la capa epitelial, que es una pieza larga de tejido conectado a pesar de tener solo una célula de espesor. Luego, los investigadores usan enzimas para descomponer el epitelio en células individuales. Para este estudio, repitieron esto para los órganos de tres donantes distintos.
Las proteínas CFTR (verde) y FKBP1A (roja) son un objetivo principal del fármaco Tacrolimus en las células BEST4+ del intestino delgado. Crédito: Laboratorio Magness, Facultad de Medicina de la UNC
Usando la tecnología de secuenciación para caracterizar la expresión génica, el grupo de Magness primero extrae el ARN de cada célula mientras mantiene cada célula separada, y luego ejecuta la secuenciación de una sola célula, que toma una instantánea de la cual genes que cada célula intestinal está expresando y cuánto.
«La imagen que obtenemos de cada célula es un mosaico de todos los diferentes tipos de genes que las células producen y este complemento de genes crea una ‘firma’ para decir qué tipo de célula es y potencialmente qué está haciendo», dijo Magness. «¿Es una célula madre, una célula mucosa, una célula productora de hormonas o una célula de señalización inmunitaria?
Burclaff agregó: «Pudimos ver las diferencias en los tipos de células en todo el tracto digestivo, y podemos ver diferentes niveles de expresión génica en los mismos tipos de células de tres personas diferentes. Podemos ver los diferentes conjuntos de genes activados o desactivados en células individuales. Así es como, por ejemplo, podríamos comenzar a entender por qué algunas personas desarrollan toxicidad a ciertos alimentos o medicamentos y otras no».
Un problema importante con este tipo de investigación es la gran cantidad de datos producidos La secuenciación de una sola célula recoge alrededor de 11,000 ‘lecturas’, o muestras individuales de productos genéticos en una sola célula, y en muchos miles de células individuales, cada una con diferentes combinaciones de los más de 20,000 genes humanos que están activados o activados. Esto crea casi 140 000 000 de puntos de datos para las 12 590 células del estudio que deben colocarse en un formato visualizable para que los científicos puedan entender la gran cantidad de información.
«El cerebro humano puede solo comprender dos dimensiones, tres es un desafío «, dijo Magness. «Agregue tiempo, y es aún más complicado comprender lo que está haciendo una sola célula. La cantidad de datos que produjeron nuestros experimentos fue básicamente millones de dimensiones a la vez».
Bliton ideó técnicas computacionales para filtrar los datos y producir un conjunto de datos manejable que incluyera poblaciones de células de todas las partes del tracto GI. Luego, basándose en lo que Magness y otros investigadores ya habían aprendido de cada tipo de célula, Bliton pudo identificar computacionalmente cada tipo de célula de cada región. Luego trazó estos datos de una manera que los humanos pueden entender e interpretar.
Controlar la inmensa cantidad de datos permitió a los científicos aprender mucho sobre cada tipo de célula. Considere la célula del penacho, descubierta hace 40 años y llamada así porque parece tener mechones de cabello en su superficie. Resulta que estas células del penacho expresan similares genes como los de las papilas gustativas en la lengua.Otros investigadores descubrieron que estas células en penacho detectaban infecciones por gusanos y enviaban señales al sistema inmunitario para comenzar a librar una guerra.El laboratorio de Magness demostró que las células en penacho exhiben un conjunto de g Se cree que los enes son importantes para detectar y «saborear» otros tipos de contenido intestinal para que puedan enviar señales al sistema inmunitario si es necesario. Esto representaría una función mucho más amplia que detectar si hay un parásito en su intestino o no.
«No solo describimos cada tipo de célula y cada gen que expresan individualmente, sino que también observamos el potencial funciones», dijo Burclaff. «Si observa la mucosidad intestinal, que es una mezcla compleja que protege las células, mostramos qué células expresan varias proteínas de mucina, cuánto y en qué regiones del tracto digestivo. Observamos dónde se expresan las enzimas específicas que digieren los alimentos. «Observamos células con expresión génica antiinflamatoria y genes de sinapsis donde el intestino probablemente está conectado a los nervios para que pueda hablar con el resto del cuerpo. Examinamos las acuaporinas, proteínas involucradas en la transferencia de agua a través de la membrana intestinal». /p>
Lo que el grupo de Magness encontró fue un nivel completamente nuevo de variación en las funciones potenciales que no se había apreciado previamente mediante la mezcla de muestras de biopsia.
Los investigadores exploraron todos los receptores epiteliales, las proteínas de la superficie celular utilizadas para comunicarse con otras células y moléculas y con el entorno del intestino. Magness y sus colegas pudieron ver qué receptores se expresaban más y en qué tipos de células, dibujando una nueva imagen de cómo las células podrían interactuar con los contenidos intestinales, como nutrientes, microbios, toxinas y drogas.
«Hasta ahora como sabemos, somos los primeros en hacer este tipo de análisis a lo largo del intestino humano de tres donantes completos», dijo Bliton. «Podemos observar cada tipo de célula y predecir qué productos farmacéuticos podrían afectar a qué tipo de célula individualmente».
Por ejemplo, hay una clase de medicamentos para tratar la enfermedad inflamatoria intestinal; están diseñados para atacar objetivos específicos, ciertas células inmunitarias que desencadenan la inflamación. Pero el laboratorio de Magness descubrió que algunas células epiteliales expresan los mismos genes que los de las células inmunitarias que están destinadas a ser el objetivo. Este hallazgo indica que podría haber efectos «fuera del objetivo» en las células epiteliales que no están previstos y que podrían provocar efectos secundarios.
«Esto no se sabía», dijo Burclaff. «Muchos medicamentos tienen efectos secundarios GI malos. Y podría deberse a que los medicamentos están afectando células individuales a lo largo de todo el tracto GI. Mostramos dónde se expresan más estos receptores y en qué tipos de células».
Este tipo de conocimiento es solo uno de los resultados del estudio inicial del laboratorio de Magness.
«Queremos que la comunidad científica, médica y farmacéutica use lo que hemos encontrado», dijo Magness. «Adoptamos un enfoque analítico para abordar metódicamente cada tipo de célula, generar hojas de cálculo fáciles de leer y accesibles para la mayoría de los científicos y mostrar varios ejemplos de lo que podemos descubrir con este tipo de enfoque de alta resolución y precisión».
Además de los investigadores antes mencionados, otros autores son Keith Breau, Meryem Ok, Ismael Gomez-Martinez, Jolene Ranek, Aadra Bhatt, Jeremy Purvis y John Woosley, todos en UNC-Chapel Hill.
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Los científicos identifican un gen vital para la reconstrucción del intestino después del tratamiento del cáncer por transcriptómica unicelular, Gastroenterología y Hepatología Celular y Molecular (2022). DOI: 10.1016/j.jcmgh.2022.02.007 Proporcionado por University of North Carolina Health Care Cita: Los científicos trazan un mapa del intestino humano completo con resolución de una sola célula (2022, 18 de febrero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https: //medicalxpress.com/news/2022-02-scientists-entire-human-gut-cell.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.