La nostra conoscenza delle cellule che compongono il corpo umano, e come variano da persona a persona, o durante tutto lo sviluppo e in salute o malattia, è ancora molto limitata. Questa settimana, un anno dopo l’ inizio della pianificazione del progetto, più di 130 biologi, scienziati computazionali, tecnologi e medici si stanno riunendo a Rehovot, in Israele, per l’ iniziativa Human Cell Atlas. Questa collaborazione internazionale tra centinaia di scienziati provenienti da decine di università e istituti – tra cui il Wellcome Trust Sanger Institute britannico, RIKEN in Giappone, il Karolinska Institute di Stoccolma e l’ Broad Institute of MIT e Harvard di Cambridge, Massachusetts – mira a creare mappe di riferimento complete di tutte le cellule umane come base per la ricerca, la diagnosi, il monitoraggio e il trattamento.
Le cellule sono state caratterizzate e classificate con crescente precisione da Robert Hooke che le ha identificate per la prima volta al microscopio nel XVII secolo. Ma i biologi non hanno ancora determinato tutti i costituenti molecolari delle cellule, né hanno stabilito come tutti questi costituenti sono associati tra loro in tessuti, sistemi e organi. Di conseguenza, ci sono molti tipi di cellule che non conosciamo. Non sappiamo come le cellule del corpo cambiano da uno stato all’ altro, con quali altre cellule interagiscono o come vengono alterate durante lo sviluppo.
Rivoluzione tecnologica
Le nuove tecnologie offrono l’ opportunità di costruire un atlante sistematico con una risoluzione senza precedenti. Questi strumenti spaziano dal sequenziamento dell’ RNA a singola cellula alle tecniche per valutare le molecole proteiche di una cellula e profilare l’ accessibilità della cromatina. Per esempio, possiamo ora determinare i profili RNA per milioni di cellule singole in parallelo. Possiamo anche profilare molteplici varianti di RNA e proteine in situ per mappare le cellule e le loro molecole nella loro posizione nei tessuti.
Prevediamo che l’ atlante delle cellule umane aiuterà i ricercatori a rispondere a domande chiave in diversi campi biologici. In istologia, dovrebbe consentire ai ricercatori di collegare la struttura dei tessuti alla posizione delle cellule e delle molecole. I biologi dello sviluppo potranno utilizzarlo per tracciare il destino cellulare e la stirpe. I fisiologi potrebbero caratterizzare stati dinamici, come il ciclo cellulare, e le risposte transitorie come la reazione di una cellula T ad un agente patogeno.
L’ atlante potrebbe anche facilitare la ricerca sui meccanismi molecolari di comunicazione all’ interno delle cellule e tra le cellule. E dovrebbe permettere ai biologi di confrontare i tipi di cellule tra le varie specie per comprendere meglio l’ evoluzione umana e determinare in che misura i sistemi di modelli animali riflettono la biologia umana.
Fondamentalmente, l’ atlante delle cellule umane dovrebbe aiutare i ricercatori a confrontare le cellule di riferimento sane con quelle malate nei tessuti in questione, facilitando così lo sviluppo di farmaci migliori e previsioni più accurate della tossicità involontaria. L’ atlante potrebbe anche aiutare la medicina rigenerativa – il processo di sostituzione, ingegneria o rigenerazione di cellule umane, tessuti o organi per stabilire la normale funzione. Test diagnostici chiave, come il conteggio completo del sangue – uno schermo di routine del sangue che fornisce conteggi grezzi di globuli bianchi, globuli rossi e così via – diventerebbe molto più informativo se i tipi di cellule e gli stati potessero essere identificati con granularità molto più fine. Tali informazioni potrebbero, ad esempio, aiutare a diagnosticare il cancro del sangue, l’ autoimmunità o l’ infezione prima che compaiano sintomi clinici.
Il primo progetto dell’ atlante evidenzierà le caratteristiche molecolari e spaziali delle cellule, catturando solo quei tipi di cellule che si presentano al di sopra di una rarità predefinita – quelli che costituiscono più dell’ 1% di un campione, per esempio. Queste cellule saranno ottenute da tessuti importanti provenienti da donatori sani, tenendo conto della diversità genetica, della posizione geografica e dell’ età della persona. Anche se la malattia non sarà al centro della prima bozza dell’ atlante, abbiamo in programma di esaminare alcuni campioni di malattia per confrontarli con tipi di cellule sane.
Il primo progetto si concentrerà sui tessuti, non sugli organi interi. Le cellule estremamente rare possono mancare e le dimensioni dei campioni possono essere troppo piccole per rivelare completamente i legami tra le caratteristiche cellulari e la diversità umana. In fasi successive, l’ atlante delle cellule umane potrebbe comprendere interi organi, includere piccole coorti di persone (ad esempio, 50-60) con malattie di interesse, raccogliere dimensioni del campione più grandi e fornire un maggiore potere di associare la variazione molecolare con la diversità genetica sottostante. Una strategia simile è stata implementata nel Progetto Genoma Umano; anche un genoma parzialmente assemblato si è rivelato immediatamente utile ai ricercatori, e la variazione genetica umana nella salute e nella malattia è stata affrontata nel corso di diversi anni dopo che l’ intero genoma è stato sequenziato.
L’ atlante costituirà un importante punto di partenza per gli studi funzionali, ad esempio quelli volti a stabilire i legami meccanicistici tra gli stati cellulari e la malattia. Tuttavia, tali studi esulano dalla loro portata. Anche in questo caso, ciò è in parallelo con quanto accaduto con il Progetto Genoma Umano: gli studi sugli elementi funzionali del genoma, che sono in corso, si sono basati sulla sequenza di riferimento ottenuta attraverso il progetto.
Per avere il massimo impatto, l’ Atlante delle cellule umane deve essere una risorsa aperta, su più livelli .
L’ atlante mirerà a fornire una rappresentazione dettagliata di molecole, cellule, tessuti, organi e sistemi, consentendo ai ricercatori di ingrandire e rimpicciolire per identificare modelli e interazioni a vari livelli di risoluzione. A tal fine, coloro che compilano l’ atlante devono stabilire il numero di cellule da campionare, i tipi di caratteristiche molecolari da analizzare, come assegnare le cellule a diverse categorie e come suddividere tali categorie. A livello spaziale, devono decidere come campionare anatomie complesse e istologie. Infine, essi devono stabilire dei modi per collegare i vari strati di informazioni cellulari e spaziali provenienti da campioni diversi ad un unico riferimento anatomico, sviluppando quello che viene definito un quadro comune di coordinate.
Per garantire un uso ottimale delle risorse, i partecipanti all’ iniziativa devono concordare la risoluzione desiderata per ogni fase dell’ atlante. I ricercatori potrebbero, naturalmente, cercare di perseguire tipi di cellule sempre più rari, ma potenzialmente a spese sempre maggiori. A questo proposito, l’ Atlante delle cellule umane seguirà approcci simili a quelli utilizzati negli studi genetici sull’ uomo che si concentrano sulle varianti presenti a una certa frequenza. Qui i genetisti hanno iniziato ad affrontare varianti sempre più rare man mano che le tecnologie avanzano.
I dati Atlas e i prodotti di analisi saranno disponibili in più cloud pubblici (attualmente ospitati da Google, Amazon e Microsoft) per garantire l’ accesso a persone con diversi ambienti cloud preferiti. Poiché il calcolo avverrà nel cloud, i singoli ricercatori non avranno bisogno di scaricare e memorizzare tutti i dati o avere accesso alla propria potenza di calcolo ad alte prestazioni. Infine, oltre al rilascio continuo di dati e a periodici comunicati formali, le pubblicazioni che interpretano i dati contribuiranno a stabilire approcci standardizzati e a diffondere le intuizioni e il valore che ne possono derivare.
[the_ad id=”2295″]Per quanto possibile, l’ atlante deve riflettere la diversità degli esseri umani e dell’ esperienza umana. L’ ampia diffusione dei ricercatori, delle istituzioni e dei paesi partecipanti all’ iniziativa contribuirà di per sé a garantire la diversità dei tessuti. L’ iniziativa comprende attualmente membri provenienti da 5 continenti e da più di 18 paesi, tra cui Giappone, Israele, Sudafrica, Cina, India, Singapore, Canada e Australia.
Ottenere accordi di consenso adeguati e promuovere fin dall’ inizio la fiducia del pubblico contribuirà inoltre ad ottenere un numero sufficiente di diversità geografica, di genere, di età e genetica nel campionamento. Nell’ ambito dell’ iniziativa globale, un gruppo di lavoro sull’ etica stabilirà il modo migliore per ottenere il consenso informato dei donatori campione, il modo in cui i termini di tale consenso possono essere rispettati e come proteggere adeguatamente la privacy dei partecipanti e dei donatori. Vari progetti esistenti che coinvolgono campioni umani, come il progetto di ricerca pubblica ENCODE (Enciclopedia of DNA Elements), che mira a identificare tutti gli elementi funzionali del genoma umano, possono fornire una guida in materia.
Acquistare i campioni in modo appropriato. Ottenere campioni di tessuto utilizzando procedure standardizzate, con il consenso appropriato e in modo tale da consentire ad altri ricercatori di sapere esattamente da dove proviene il campione è un’ impresa complessa. Per accedere alla diversità dei tessuti umani necessari, i ricercatori lavoreranno sia con tessuti freschi provenienti da donatori vivi che con campioni ottenuti dopo la morte o da donatori di organi trapiantati.
Un esempio quelli utilizzati nel Genotype-Tissue Expression Project (GTEx, un database e banca dati dei tessuti progettato per aiutare i ricercatori ad acquisire informazioni sui meccanismi di regolazione genica nell’ uomo) e Cambridge Biorepository for Translational Medicine.
Un forum tecnico che coinvolge esperti di genomica, specialisti dell’ imaging e biotecnologi sta sviluppando nuove tecnologie e sperimentando, confrontando e diffondendo quelle esistenti. Una piattaforma di coordinamento dei dati è stata progettata per portare i ricercatori ai dati sviluppando il software per caricare, memorizzare, elaborare e servire i dati. La piattaforma fornisce inoltre un ambiente aperto in cui possono essere condivisi metodi di calcolo e algoritmi sviluppati da qualsiasi gruppo interessato.