Kan vi identificere alle slags celler i kroppen?

Hvor mange typer celler er der i menneskekroppen? Lærebøger siger et par hundrede. Men det sande tal er uden tvivl langt større.

En mikrofluidisk enhed (i midten) kan udføre eksperimenter på individuelle celler.

Stykke for stykke dukker et nyt, mere detaljeret katalog over celletyper op fra laboratorier som Aviv Regevs ved Broad Institute i Cambridge, Massachusetts, som anvender de seneste fremskridt inden for enkeltcellet genomik til at studere individuelle celler med en hastighed og omfang tidligere utænkeligt.

Teknologien, der anvendes på Broad, bruger fluidiske systemer til at adskille celler på mikroskopiske transportbånd og derefter underkaste dem detaljeret genetisk analyse med en hastighed på tusindvis pr. dag. Forskere forventer, at sådanne teknologier kan finde anvendelse i medicinske applikationer, hvor små forskelle mellem celler har store konsekvenser, herunder cellebaserede lægemiddelscreeninger, stamcelleforskning, kræftbehandling og grundlæggende undersøgelser af, hvordan væv udvikler sig.

Regev fortæller, at hun har arbejdet med de nye metoder til at klassificere celler i musens nethinder og menneskelige hjernetumorer, og hun er ved at finde celletyper, der aldrig er set før. Vi ved ikke rigtig, hvad vi er lavet af, siger hun.

Andre laboratorier er i gang med at lave deres egne undersøgelser og forbedre den underliggende teknologi. I dag offentliggjorde et hold ledet af Stephen Quake fra Stanford University sin egen undersøgelse af 466 individuelle hjerneceller, der kalder det et første skridt mod et omfattende cellulært atlas over den menneskelige hjerne.

Sådanne undersøgelser er først for nylig blevet mulige, siger videnskabsmænd. For et par år siden var udfordringen at få brugbare data fra enkeltceller, siger Sten Linnarsson, encellebiolog ved Karolinska Institutet i Stockholm, Sverige. I marts brugte Linnarssons gruppe de nye teknikker til at kortlægge flere tusinde celler fra en muses hjerne, og identificerede 47 slags, inklusive nogle undertyper, der aldrig er set før.

Historisk set var den bedste måde at studere en enkelt celle på at se på den gennem et mikroskop. På kræfthospitaler er det sådan, patologer beslutter, om celler er kræftfremkaldende eller ej: de farver dem med farvestoffer, nogle først introduceret i begyndelsen af ​​1900-tallet, og overvejer deres placering og udseende. Nuværende metoder skelner omkring 300 forskellige typer, siger Richard Conroy, en forskningsmedarbejder ved National Institutes of Health.

Individuelle celler fanges og adskilles i væskebobler, der gør dem klar til analyse.

Den nye teknologi fungerer i stedet ved at katalogisere messenger-RNA-molekyler inde i en celle. Disse beskeder er det genetiske materiale kernen sender ud for at lave proteiner. Linnarssons metode knytter en unik molekylær stregkode til hvert RNA-molekyle i hver celle. Resultatet er en genekspressionsprofil, der svarer til et fingeraftryk af en celle, der afspejler dens molekylære aktivitet snarere end, hvordan den ser ud.

Tidligere blev celler defineret af en eller to markører, siger Linnarsson. Nu kan vi sige, hvad der er det fulde komplement af gener udtrykt i disse celler.

Selvom forskere bestemte, hvordan man nøjagtigt sekvenserede RNA fra en enkelt celle for et par år siden, er det først for nylig, at smarte innovationer inden for kemi og mikrofluidik har ført til en eksplosion af data. Et californisk firma, Cellular Research, viste i år, at det kunne sortere celler i mikrobrønde og derefter måle RNA'et fra 3.000 separate celler på én gang til en pris af få øre pr. celle.

Forskere mener, at de nye enkeltcellemetoder kan vælte tidligere forskningsresultater. Det skyldes, at tidligere genekspressionsundersøgelser var baseret på vævsprøver eller blodprøver, der indeholdt tusinder, endda millioner, af celler. At studere sådanne blandede blandinger betød, at forskere så gennemsnit, siger Eric Lander, leder af Broad Institute.

Enkeltcellet genomik er blevet voksen på en utrolig måde på bare de sidste 18 måneder, fortalte Lander et publikum på National Institutes of Health i år. Og når du først indser, at vi er ved at lave individuelle celler, hvordan kunne du så nogensinde holde ud med en frugtsmoothie? Det er bare vanvittigt at lave genomics på smoothies.

Lander, en af ​​lederne af Human Genome Project, siger, at det kan være på tide at omdanne pilotprojekter som dem, Regev fører til en bredere indsats for at skabe et endegyldigt atlas – et, der katalogiserer alle menneskelige celletyper efter genaktivitet og sporer dem fra embryo hele vejen til voksenalderen.

Det er lidt for tidligt at erklære et nationalt eller internationalt projekt, indtil der har været mere pilotering, men jeg tror, ​​det er en idé, der ligger meget i luften, sagde Lander i et telefoninterview. Jeg tror, ​​at vi [om to år] vil være i den position, hvor det ville være vanvittigt ikke at have disse oplysninger. Hvis vi havde et periodisk system over cellerne, ville vi så at sige være i stand til at finde ud af atomsammensætningen af ​​en given prøve.

Genprofiler kan i sidste ende kombineres med andre bestræbelser på at studere enkeltceller. Paul Allen, Microsofts medstifter, sagde i december sidste år, at han ville bruge 100 millioner dollars på at skabe et nyt videnskabeligt institut, Allen Institute for Cell Science. Det vil studere stamceller og videoer deres adfærd under mikroskoper, mens de udvikler sig til forskellige celletyper, med det ultimative mål at skabe en massiv animeret model. Rick Horwitz, der leder denne indsats, siger, at den vil fungere som en slags Google Earth til at udforske en celles livscyklus.

Den endelige gevinst ved at indsamle alle disse data, siger Garry Nolan, en immunolog ved Stanford University, vil ikke kun være et katalog over celletyper, men en dybere forståelse af, hvordan celler arbejder sammen. Enkeltcelletilgangen er en mellemstation, der skal forstås på vejen til at forstå det større system, siger han. Om 50 år vil vi sandsynligvis måle hvert molekyle i cellen dynamisk.

skjule