Los científicos mapean todo el intestino humano con resolución de una sola célula

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Si te pones nervioso, puedes sentirlo en el estómago. Si comes chile, tu intestino puede rebelarse, pero tu amigo puede comer cualquier cosa y sentirse bien. Puede tomar ibuprofeno como un caramelo sin efectos nocivos, pero el vientre de su amigo puede sangrar y no aliviar el dolor. ¿Por qué es esto? La respuesta rápida es porque todos somos diferentes. Las siguientes preguntas son cómo exactamente diferente, y ¿qué significan estas diferencias para la salud y la enfermedad? Responderlas es mucho más difícil, pero Scott Magness, PhD, del laboratorio de la Facultad de Medicina de la UNC, 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 del intestino, arrojar luz sobre las funciones celulares y mostrar las diferencias en la expresión génica entre estas células y entre individuos

Este trabajo, publicado en Gastroenterología y Hepatología Celular y Molecularabre la puerta para explorar las múltiples facetas de la salud intestinal de una manera mucho más precisa y con mayor resolución que nunca.

“Nuestro laboratorio ha demostrado que es posible conocer la función de cada tipo de célula en procesos importantes, como la absorción de nutrientes, la protección contra parásitos y la producción de mocos y hormonas que regulan la conducta alimentaria y la motilidad intestinal”, dijo Magness. , profesor asociado en el Departamento Estatal Conjunto de Ingeniería Biomédica en 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 las drogas podrían interactuar con diferentes tipos de células».

El intestino sensible

Piense en una típica voz en off farmacéutica cuando el actor de doblaje recita amablemente los posibles efectos secundarios, como diarrea, vómitos, sangrado intestinal y otros daños colaterales desagradables. Bueno, el laboratorio de Magness está tratando de entender por qué ocurren estos efectos secundarios, hasta el nivel de las células individuales, sus funciones, su ubicación y sus genes.

Para esta investigación, el laboratorio de Magness se centró en el epitelio, la gruesa capa unicelular que separa el interior del intestino 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 los científicos lo han estado explorando durante años. Pero hasta ahora, los investigadores solo podían tomar pequeñas biopsias del tamaño de granos de arroz de ciertas partes del tracto digestivo, generalmente del colon o regiones limitadas del intestino delgado.

“Tal exploración sería como mirar a los Estados Unidos desde el espacio, pero solo investigando lo que está pasando en Massachusetts, Oklahoma y California”, dijo Magness. «PARA verdaderamente conocer el país, nos gustaría verlo todo”.

Magness se apoyó en los coprimeros autores, el becario postdoctoral Joseph Burclaff, PhD, y el estudiante graduado, Jarrett Bliton, ambos pasantes en el laboratorio de Magness.

«No solo queremos identificar dónde están las células, sino que queremos saber exactamente qué tipos de células hacen qué y por qué», dijo Burclaff. «Entonces, siguiendo con la analogía del mapa, no solo queremos decir ‘ah, ahí está Carolina del Norte’. Queremos saber dónde encontrar la mejor barbacoa. Queremos una vista a nivel del suelo para saber tanto como sea posible. «

En el pasado, los investigadores habrían mezclado esas biopsias del tamaño de un arroz para identificar todos los tipos de células de la piel y aprender algunas características generales de estas células. El enfoque de Magness fue tomar muestras de miles de células individuales de todas las partes del tracto digestivo inferior (intestino delgado y colon) para crear un atlas y luego estudiar las funciones 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 la biología, la enfermedad y el desafortunado escenario de los efectos secundarios farmacéuticos.

Para hacer una inmersión celular individual tan profunda, Magness necesitaba dos cosas: mejor tecnología y todo el tracto digestivo de los humanos.

La biología de los datos.

UNC-Chapel Hill adquirió tecnología de secuenciación de ARN de última generación hace varios años para la creación de Advanced Analytics Core Facility a través del Centro de Biología y Enfermedades Gastrointestinales de UNC, que desarrolló el peso científico e intelectual: profesores de investigación, personal, graduados alumnos y alumnas – para utilizar equipos de última generación.

El Grupo Magness adquirió el tracto digestivo humano a través de un acuerdo de investigación con los servicios de donantes de órganos en HonorBridge. Cuando se extraen intestinos 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 de trasplante para la investigación.

De seis a ocho horas después de la cosecha, Magness Lab recibe tractos intestinales intactos, cada uno de unos 15 a 30 pies de largo. Eliminan la capa epitelial, que es una pieza de tejido larga y conectada a pesar de tener solo una célula de espesor. Luego, los investigadores usan las enzimas para descomponer el epitelio en células individuales. Para este estudio, lo repitieron para los órganos de tres donantes distintos.

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, luego realiza la secuenciación de una sola célula, que toma una instantánea de qué genes expresa cada célula intestinal y cuánto.

«La imagen que obtenemos de cada célula es un mosaico de todos los diferentes tipos de genes que producen las células y este complemento de genes crea una ‘firma’ para decirnos qué tipo de célula es y potencialmente qué está haciendo», dijo Magness. . . ¿Es una célula madre o una célula mucosa o 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, podemos comenzar a entender por qué algunas personas crean toxicidad a ciertos alimentos o medicamentos y otras no «.

Un gran problema con este tipo de investigación es la enorme cantidad de datos que se producen. La secuenciación de una sola célula recolecta aproximadamente 11 000 «lecturas» o muestras individuales de productos genéticos en una sola célula y muchos miles de células individuales, cada una con diferentes combinaciones de los más de 20 000 genes humanos activados o desactivados. Esto crea casi 140 000 000 puntos de datos para las 12 590 celdas del estudio que deben ingresarse en un formato visible para que los científicos puedan entender la gran cantidad de información.

«El cerebro humano solo puede entender dos dimensiones, tres es un desafío», dijo Magness. «Agregue tiempo y es aún más complicado averiguar qué está haciendo una sola celda. 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 gastrointestinal. Luego, basándose en lo que Magness y otros investigadores ya habían aprendido sobre 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.

Mantener la inmensa cantidad de datos bajo control ha permitido a los científicos aprender mucho sobre cada tipo de célula. Considere la celda del mechón, descubierta hace 40 años y llamada así porque parece tener mechones de cabello en la superficie. Resulta que estas células agrupadas expresan genes similares a los de las papilas gustativas de la lengua. Otros investigadores descubrieron que estos grupos de células detectaban infecciones por gusanos y enviaban señales al sistema inmunitario para iniciar la guerra. El laboratorio de Magness ha demostrado que las células del penacho exhiben una serie de genes que se cree que son importantes para detectar y «probar» otros tipos de contenidos intestinales 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 el intestino o no.

«No solo describimos cada tipo de célula y cada gen que expresan individualmente, sino que también analizamos las funciones potenciales», dijo Burclaff. «Si nos fijamos en la mucosidad intestinal, que es una mezcla compleja que protege a las células, mostramos qué células expresan diversas proteínas de mucina, en qué cantidades y en qué regiones del tracto digestivo. Examinamos dónde se expresan las enzimas específicas que digieren los alimentos». Observamos células con expresión de genes antiinflamatorios y genes de sinapsis donde el intestino probablemente esté conectado a los nervios para que pueda comunicarse con el resto del cuerpo. Examinamos las acuaporinas, proteínas involucradas en la transferencia de agua a través de la membrana intestinal».

Lo que el grupo de Magness descubrió fue un nivel completamente nuevo de variación en las funciones potenciales que no se había apreciado previamente a través de la combinación de muestras de biopsia.

Los investigadores exploraron todos los receptores epiteliales, las proteínas de la superficie celular que se utilizan para comunicarse con otras células y moléculas, y con el entorno intestinal. 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 medicamentos.

«Hasta donde sabemos, somos los primeros en hacer este tipo de análisis completo del intestino humano de tres donantes completos», dijo Bliton. «Podemos observar cada tipo de célula y predecir qué productos farmacéuticos podrían afectar individualmente a qué tipo de célula».

Por ejemplo, existe una clase de fármacos para el tratamiento de enfermedades inflamatorias del intestino; están diseñados para atacar ciertas células inmunitarias específicas que desencadenan la inflamación. Pero el laboratorio de Magness descubrió que algunas células de la piel expresan los mismos genes que los de las células inmunitarias que se supone que son el objetivo. Este hallazgo indica que puede haber efectos «fuera del objetivo» en las células epiteliales que no se prevén y que podrían provocar efectos secundarios.

«Esto no se sabía», dijo Burclaff. «Muchos medicamentos tienen efectos secundarios gastrointestinales negativos. Y podría deberse a que los medicamentos se dirigen a células individuales a lo largo de todo el tracto gastrointestinal. 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 Magness.

«Queremos que las comunidades científica, médica y farmacéutica utilicen lo que hemos encontrado», dijo Magness. «Hemos adoptado 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».

El financiamiento para esta investigación provino de los Institutos Nacionales de Salud, Katherine E. Bullard Charitable Trust, Crohn’s and Colitis Foundation y University Cancer Research Fund en UNC-Chapel Hill.

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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