Por primera vez, el laboratorio de Magness ha utilizado tractos gastrointestinales humanos completos de tres donantes de órganos para mostrar cómo los tipos de células difieren en todas las regiones de los intestinos y, de esta manera, arrojar luz sobre las funciones celulares y mostrar las diferencias de expresión génica entre estas células y entre individuos.
Para hacer una inmersión celular individual tan profunda, Magness necesitaba dos cosas: mejor tecnología y todo el tracto digestivo de los humanos.
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 Joint Departamento de Ingeniería Biomédica del Estado de UNC-NC.
"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
Ante los posibles efectos secundarios de los medicamentos, el laboratorio de Magness está tratando de entender por qué ocurren y cuáles son sus funciones, ubicaciones y genes.
Para esta investigación, el laboratorio de Magness se centró en el epitelio: la capa gruesa de una sola célula 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 mirar 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”.
La exploración del Intestino Humano puede precedir que productos farmacéuticos podrían afectar a cada tipo de célula individualmente.
Magness se apoyó en el becario postdoctoral Joseph Burclaff, PhD, y el estudiante graduado, Jarrett Bliton, ambos aprendices en el laboratorio de Magness.
“No solo queremos identificar dónde se encuentran 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 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 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 biología, en enfermedades y en 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 BIOLOGIA DE LOS DATOS
El Grupo Magness adquirió tractos digestivos humanos 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 aptos para trasplante para la investigación.
De seis a ocho horas después de la "cosecha", el laboratorio de Magness recibe tractos intestinales intactos. 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.
Usando la tecnología de secuenciación para caracterizar la expresión génica, 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 qué genes está expresando 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 inmunológica?
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 comprender por qué algunas personas desarrollan toxicidad con ciertos alimentos o medicamentos y otras no”.
Muchos medicamentos tienen efectos secundarios gastrointestinales malos. Y podría deberse a que los medicamentos están afectando células individuales a lo largo de todo el tracto gastrointestinal.
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 más de 20.000 genes humanos que se activan o desactivan. Esto crea casi 140 000 000 de puntos de datos para las 12 590 celdas del estudio que deben colocarse en un formato visualizable para que los científicos puedan entender la gran cantidad de información.
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. 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 celda del mechón, descubierta hace 40 años y llamada así porque parece tener mechones de cabello en su superficie. Resulta que estas células de penacho expresan genes similares a los de las papilas gustativas de la lengua. Otros investigadores descubrieron que estas células de mechones detectaban infecciones de gusanos y enviaban señales al sistema inmunológico para comenzar la guerra. El laboratorio de Magness mostró que las células del penacho exhiben un conjunto de genes que se cree que 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 el intestino o no.
La secuenciación de una sola célula recoge alrededor de 11.000 'lecturas', o muestras individuales de productos genéticos en una sola célula.
“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 las células, mostramos qué células expresan varias proteínas de mucina, cuántas y en qué regiones del tracto digestivo. Observamos 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 está conectado a los nervios para que pueda comunicarse con el resto del cuerpo. Observamos las acuaporinas, proteínas involucradas en la transferencia de agua a través de la membrana intestinal”.
Lo que el grupo de Magness encontró fue un nivel completamente nuevo de variación en las funciones potenciales que no se había apreciado previamente al mezclar muestras de biopsias.
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 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 medicamentos.
“Hasta donde 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.
“Muchos medicamentos tienen efectos secundarios gastrointestinales malos. Y podría deberse a que los medicamentos están afectando células individuales a lo largo de todo el tracto gastrointestinal. Mostramos dónde se expresan más estos receptores y en qué tipos de células”.