Oamenii de știință cartografiază întregul intestin uman la rezoluția unei singure celule – ScienceDaily

Dacă devii nervos, s-ar putea să simți asta în intestine. Dacă mănânci chili, intestinul tău s-ar putea revolta, dar prietenul tău poate mânca orice și se poate simți grozav. Poți să spargi ibuprofen ca o bomboană fără efecte nocive, dar burta prietenului tău ar putea sângera și nu ameliorează durerea. De ce asta? Răspunsul rapid este că toți suntem diferiți. Următoarele întrebări sunt Cum exact diferit și ce înseamnă aceste diferențe pentru sănătate și boală? Răspunsul la acestea este mult mai dificil, dar laboratorul Școlii de Medicină UNC al lui Scott Magness, PhD, dezvăluie câteva răspunsuri științifice interesante.

Pentru prima dată, laboratorul Magness a folosit întreg tractul gastro-intestinal uman de la trei donatori de organe pentru a arăta cum diferă tipurile de celule în toate regiunile intestinului, pentru a face lumină asupra funcțiilor celulare și pentru a arăta diferențele de expresie genetică între aceste celule și între indivizi.

Această lucrare, publicată în Gastroenterologie și Hepatologie celulară și molecularădeschide ușa pentru a explora numeroasele fațete ale sănătății intestinale într-un mod mult mai precis, la o rezoluție mai mare decât oricând.

„Laboratorul nostru a arătat că este posibil să învățăm despre funcția fiecărui tip de celulă în procese importante, cum ar fi absorbția nutrienților, protecția împotriva paraziților și producția de mucus și hormoni care reglează comportamentul alimentar și motilitatea intestinală”, a spus Magness, profesor asociat în Joint. Departamentul de Stat de Inginerie Biomedicală UNC-NC și autor principal al lucrării. „Am aflat, de asemenea, cum ar putea interacționa mucoasa intestinală cu mediul prin receptori și senzori și cum ar putea interacționa medicamentele cu diferite tipuri de celule”.

Intestinul sensibil

Gândiți-vă la o voce tipică comercială farmaceutică când actorul de voce recită în mod plăcut posibile efecte secundare, cum ar fi diaree, vărsături, sângerare intestinală și alte daune colaterale neplăcute. Ei bine, laboratorul Magness încearcă să înțeleagă de ce apar acele efecte secundare, până la nivelul celulelor individuale, funcțiile lor, locațiile și genele lor.

Pentru această cercetare, laboratorul Magness s-a concentrat pe epiteliu: stratul gros de o singură celulă care separă interiorul intestinelor și colonului de orice altceva. La fel ca și alte populații de celule și microbiota, epiteliul este incredibil de important pentru sănătatea umană și de ani de zile oamenii de știință l-au explorat. Dar până acum, cercetătorii puteau preleva doar biopsii mici de mărimea boabelor de orez din câteva părți ale tractului digestiv, de obicei din colon sau regiuni limitate ale intestinului subțire.

„O astfel de explorare ar fi ca și cum ar fi privit Statele Unite din spațiu, dar doar ar investiga ceea ce se întâmplă în Massachusetts, Oklahoma și California”, a spus Magness. “La într-adevăr Învățați despre țară, am dori să vedem totul.”

Magness s-a sprijinit pe primii autori, pe coleg postdoctoral Joseph Burclaff, doctorat și pe studentul absolvent, Jarrett Bliton, ambii stagiari în laboratorul Magness.

„Nu doar că vrem să identificăm unde se află celulele, dar vrem să știm exact ce tipuri de celule fac ce și de ce”, a spus Burclaff. „Așa că, rămânând cu analogia hărții, nu vrem să spunem doar „oh, există Carolina de Nord”. Vrem să știm de unde să luăm cel mai bun grătar. Vrem o vedere la nivelul solului pentru a ști cât mai multe. “

În trecut, cercetătorii amestecau acele biopsii de mărimea orezului pentru a identifica toate tipurile de celule epiteliale și pentru a afla câteva caracteristici generale ale acestor celule. Abordarea lui Magness a fost de a eșantiona mii de celule individuale din fiecare parte a tractului digestiv inferior (intestinul subțire și colon) pentru a crea un atlas și apoi a studia rolurile potențiale ale acestor celule prin genele pe care fiecare celulă le exprimă. Cunoașterea tuturor acestor lucruri ar aprofunda cunoștințele științifice despre epiteliul intestinal și, sperăm, ar încuraja alți oameni de știință să exploreze funcția fiecărei celule în biologie, în boli și în scenariul nefericit al efectelor secundare farmaceutice.

Pentru a face o scufundare atât de adâncă a celulelor individuale, Magness avea nevoie de două lucruri: o tehnologie mai bună și întregul tract digestiv al oamenilor.

Biologia datelor

UNC-Chapel Hill a achiziționat tehnologie de ultimă oră de secvențiere a ARN cu câțiva ani în urmă pentru crearea Centrului de analiză avansată de bază prin Centrul UNC pentru boli și biologie gastrointestinale, care a dezvoltat puterea științifică și intelectuală – facultate de cercetare, personal , postdoc și studenți — pentru a utiliza echipamente de ultimă generație.

Grupul Magness a achiziționat tractul digestiv uman printr-un acord de cercetare cu serviciile de donatori de organe de la HonorBridge. Când intestinele sunt recoltate pentru transplant și dacă nu sunt revendicate de grupuri cu prioritate mai mare, personalul HonorBridge se coordonează cu Grupul Magness pentru a dona organele de calitate pentru transplant pentru cercetare.

La șase până la opt ore după recoltare, laboratorul Magness primește tracturi intestinale intacte, fiecare de aproximativ 15 până la 30 de picioare lungime. Ele îndepărtează stratul epitelial, care este o bucată lungă de țesut conectată, în ciuda faptului că are o singură celulă grosime. Apoi, cercetătorii folosesc enzime pentru a descompune epiteliul în celule individuale. Pentru acest studiu, au repetat acest lucru pentru organe de la trei donatori separați.

Folosind tehnologia de secvențiere pentru a caracteriza expresia genelor, grupul Magness extrage mai întâi ARN-ul din fiecare celulă, menținând fiecare celulă separată, apoi rulează secvențierea cu o singură celulă, care face un instantaneu al genelor pe care fiecare celulă intestinală exprimă și cât de mult.

„Imaginea pe care o obținem de la fiecare celulă este un mozaic al tuturor tipurilor diferite de gene pe care celulele le fac, iar acest complement de gene creează o „semnătură” care să ne spună ce fel de celulă este și, potențial, ce face”, a spus Magness. . „Este o celulă stem sau o celulă mucoasă sau o celulă producătoare de hormoni sau o celulă de semnalizare imună?

Burclaff a adăugat: „Am putut vedea diferențele dintre tipurile de celule de-a lungul întregului tract digestiv și putem vedea diferite niveluri de expresie a genelor în aceleași tipuri de celule de la trei persoane diferite. Putem vedea diferitele seturi de gene activate sau dezactivate. „În celule individuale. Acesta este modul în care, de exemplu, am putea începe să înțelegem de ce unii oameni formează toxicitate pentru anumite alimente sau medicamente, iar alții nu.”

O problemă majoră cu acest tip de cercetare este cantitatea mare de date produse. Secvențierea unei singure celule preia aproximativ 11.000 de „citiri” sau mostre individuale de produse genetice într-o singură celulă și în multe mii de celule individuale, fiecare cu combinații diferite ale celor peste 20.000 de gene umane care sunt activate sau dezactivate. Acest lucru creează aproape 140.000.000 de puncte de date pentru toate cele 12.590 de celule din studiu care trebuie puse într-un format care poate fi afișat, astfel încât oamenii de știință să poată înțelege cantitatea mare de informații.

„Creierul uman poate înțelege doar două dimensiuni, trei este o provocare”, a spus Magness. „Adăugați timp și este și mai dificil să înțelegeți ce face o singură celulă. Cantitatea de date produsă de experimentele noastre a fost practic de milioane de dimensiuni simultan.”

Bliton a conceput tehnici de calcul pentru a filtra datele pentru a produce un set de date gestionabil care a inclus populații de celule din toate porțiunile tractului GI. Apoi, pe baza a ceea ce Magness și alți cercetători au aflat deja despre fiecare tip de celulă, Bliton a putut identifica computațional fiecare tip de celulă din fiecare regiune. Apoi a trasat aceste date într-un mod pe care oamenii le pot înțelege și interpreta.

Limitarea datelor imense a permis oamenilor de știință să învețe multe despre fiecare tip de celulă. Luați în considerare celula smoc, descoperită acum 40 de ani și numită așa pentru că arată ca și cum ar avea smocuri de păr pe suprafața lor. Se pare că aceste celule smoc exprimă gene similare cu cele de pe papilele gustative de pe limbă. Alți cercetători au descoperit că aceste celule smocuri au detectat infecții cu viermi și au trimis semnale sistemului imunitar pentru a începe războiul. Laboratorul Magness a arătat că celulele smocuri prezintă un set de gene considerate a fi importante pentru a detecta și „gusta” alte tipuri de conținut intestinal, astfel încât să poată semnala sistemul imunitar dacă este necesar. Aceasta ar reprezenta o funcție mult mai largă decât a detecta dacă există sau nu un parazit în intestin.

„Nu numai că am descris fiecare tip de celulă și fiecare genă pe care o exprimă individual, dar ne-am uitat și la funcțiile potențiale”, a spus Burclaff. „Dacă ne uităm la mucusul intestinal, care este un amestec complex care protejează celulele, arătăm care celule exprimă diferite proteine ​​mucine, cât de mult și în ce regiuni ale tractului digestiv. Am analizat unde sunt exprimate enzimele specifice care digeră alimentele. „Ne-am uitat la celulele cu expresia genelor antiinflamatorii și genele sinapselor în care intestinul este probabil conectat la nervi, astfel încât să poată vorbi cu restul corpului. Ne-am uitat la acvaporine, proteine ​​implicate în transferul apei prin membrana intestinală”.

Ceea ce grupul Magness a descoperit a fost un nivel cu totul nou de variație în funcțiile potențiale care nu fuseseră apreciate anterior prin amestecarea probelor de biopsie.

Cercetătorii au explorat toți receptorii epiteliali – proteinele de suprafață celulară folosite pentru a comunica cu alte celule și molecule și cu mediul intestinului. Magness și colegii au putut vedea care receptori au fost exprimați cel mai mult și în ce tipuri de celule, creând o nouă imagine a modului în care celulele ar putea interacționa cu conținutul intestinal, cum ar fi nutrienți, microbi, toxine și medicamente.

„Din câte știm, suntem primii care fac acest tip de analiză pe toată lungimea intestinului uman de la trei donatori completi”, a spus Bliton. „Putem privi fiecare tip de celulă și putem prezice care produse farmaceutice ar putea afecta fiecare tip de celulă în mod individual”.

De exemplu, există o clasă de medicamente pentru tratarea bolilor inflamatorii intestinale; sunt concepute pentru a atinge ținte specifice, anumite celule imunitare care declanșează inflamația. Dar laboratorul Magness a aflat că unele celule epiteliale exprimă aceleași gene ca și cele din celulele imune care sunt destinate să fie ținta. Această constatare indică faptul că ar putea exista efecte „în afara țintă” în celulele epiteliale care nu sunt intenționate și ar putea duce la efecte secundare.

„Nu se știa acest lucru”, a spus Burclaff. „O mulțime de medicamente au efecte secundare negative asupra GI. Și s-ar putea datora faptului că medicamentele afectează celulele individuale de-a lungul întregii lungimi a tractului gastro-intestinal. Arătăm unde acești receptori sunt cei mai exprimați și în ce tipuri de celule”.

Acest tip de cunoștințe este doar un rezultat al studiului inițial al laboratorului Magness.

„Vrem ca comunitatea științifică, medicală și farmaceutică să folosească ceea ce am găsit”, a spus Magness. „Am adoptat o abordare analitică pentru a aborda în mod metodic fiecare tip de celulă, pentru a produce foi de calcul ușor de citit și accesibile pentru majoritatea oamenilor de știință și pentru a arăta câteva exemple despre ceea ce putem fi descoperit cu acest tip de abordare de înaltă rezoluție și precizie”.

Finanțarea pentru această cercetare a venit de la National Institutes of Health, Katherine E. Bullard Charitable Trust, Crohns and Colitis Foundation și University Cancer Research Fund de la UNC-Chapel Hill.

Pe lângă cercetătorii menționați mai sus, alți autori sunt Keith Breau, Meryem Ok, Ismael Gomez-Martinez, Jolene Ranek, Aadra Bhatt, Jeremy Purvis și John Woosley, toți la UNC-Chapel Hill.

.

Leave a Comment