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Gli atlanti cellulari multi-tessuto portano a un salto di comprensione dell’immunità e della malattia

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Un passo fondamentale verso l’obiettivo dell’Atlante delle cellule umane di mappare ogni tipo di cellula umana

L’obiettivo dell’Atlante delle cellule umane di mappare ogni tipo di cellula nel corpo umano per trasformare la nostra conoscenza della biologia, delle infezioni e delle malattie è un passo avanti fondamentale con quattro studi pubblicati su Science oggi (13 maggio).

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I ricercatori del consorzio internazionale Human Cell Atlas (HCA) hanno creato mappe altamente dettagliate di oltre un milione di singole cellule in 33 organi e sistemi in tutto il corpo umano, fornendo nuove informazioni biologiche sulla salute e sulle malattie umane, compreso il sistema immunitario.

Questi atlanti cellulari multi-tessutali complementari contribuiranno alla creazione di un unico atlante cellulare umano e avranno molte implicazioni terapeutiche, tra cui l’informazione sulla nostra comprensione delle malattie comuni e rare, lo sviluppo di vaccini, l’immunologia antitumorale e la medicina rigenerativa.

Finora, l’HCA si è concentrato principalmente sull’acquisizione di una profonda comprensione cellulare di singoli organi, tessuti o piccoli sottoinsiemi di tessuti. Ora, quattro importanti studi collaborativi di ricercatori del Wellcome Sanger Institute, Regno Unito; il Broad Institute del MIT e Harvard, USA; Il biohub Chan Zuckerberg, USA; e i loro collaboratori internazionali, hanno sviluppato metodi e creato gli atlanti cross-tissue più completi fino ad oggi.

Apertamente disponibili, gli atlanti consentono ai ricercatori di confrontare tipi cellulari specifici in tutto il corpo in dettaglio, rivelando nuove funzioni cellulari e facendo luce su salute e malattia. 

Biological and science background

Immergiti nel sistema immunitario attraverso i tessuti

Storicamente la nostra comprensione del sistema immunitario umano è stata principalmente limitata al ruolo delle cellule che circolano nel sangue, tuttavia le cellule immunitarie all’interno dei tessuti svolgono un ruolo chiave nel mantenimento della salute e nella lotta alle infezioni. In uno degli articoli scientifici § , i ricercatori del Wellcome Sanger Institute, dell’Università di Cambridge e i loro collaboratori hanno sequenziato l’RNA da 330.000 singole cellule immunitarie di tutto il corpo adulto per comprendere la funzione delle cellule immunitarie in diversi tessuti.

Dopo aver creato un catalogo curato di cellule immunitarie all’interno del corpo umano, il team ha sviluppato uno strumento di apprendimento automatico, CellTypist, per automatizzare l’identificazione del tipo cellulare. Utilizzando questo strumento, hanno identificato un centinaio di tipi distinti di cellule immunitarie, inclusi macrofagi, cellule T e cellule B specifici e la loro distribuzione nei diversi tessuti.

La dott.ssa Sarah Teichmann, copresidente del comitato organizzatore dell’Atlante delle cellule umane, responsabile della genetica cellulare presso il Wellcome Sanger Institute e autrice senior del documento, ha affermato: “Una comprensione dettagliata delle cellule attraverso l’Atlante delle cellule umane aiuterà a spiegare molti aspetti della salute e della malattia umana. Confrontando particolari cellule immunitarie in più tessuti degli stessi donatori, abbiamo identificato diversi gusti di cellule T della memoria in diverse aree del corpo, che potrebbero avere grandi implicazioni nella gestione delle infezioni. I nostri dati apertamente disponibili contribuiranno all’Atlante delle cellule umane e potrebbero fungere da struttura per la progettazione di vaccini o per migliorare la progettazione di terapie immunitarie per attaccare i tumori”.

Un secondo studio §§ del Sanger Institute, dell’Università di Cambridge e dei loro collaboratori appare online su Science Today, che ha creato un atlante completo dello sviluppo del sistema immunitario umano attraverso gli organi, rivelando i tessuti coinvolti nella formazione del sangue e delle cellule immunitarie e migliorando la nostra comprensione dei disturbi immunitari. Rivela anche i tipi di cellule che si perdono man mano che cresciamo, per informare l’ingegneria cellulare in vitro e la ricerca sulla medicina rigenerativa.

Un atlante di tessuti congelati fa luce sui geni delle malattie rare e comuni    

Una delle promesse degli atlanti unicellulari è di aiutare a mappare i tipi cellulari specifici in cui i geni delle malattie, da quelli che causano malattie rare come la distrofia muscolare o contribuiscono al rischio di malattie comuni come le malattie cardiache, agiscono in tutto il corpo umano. Ha bisogno di tutti i tipi di cellule da profilare, comprese le cellule del muscolo scheletrico, le cellule adipose e i neuroni che sono difficili da catturare. Anche le cellule di un numero maggiore di individui sono vitali, poiché richiedono agli scienziati di raccogliere e congelare i tessuti prima dell’analisi.

In uno dei nuovi articoli su Science *, i ricercatori del Broad Institute e i loro collaboratori rivelano come hanno ottimizzato il sequenziamento dell’RNA a nucleo singolo per superare la sfida dell’utilizzo di cellule congelate e quindi hanno creato un atlante tra tessuti per analizzare 200.000 cellule da più tessuti congelati depositati concentrandosi su geni di malattie rare e comuni. Utilizzando nuovi algoritmi di apprendimento automatico, il team ha quindi associato sistematicamente le cellule nell’atlante con 6.000 malattie a gene singolo e 2.000 malattie e tratti genetici complessi per identificare i tipi cellulari e i programmi genetici che potrebbero essere coinvolti nella malattia, rivelando molteplici nuovi punti di partenza per nuovi studi sulla salute e la malattia.

Il dottor Aviv Regev, copresidente dell’Atlante delle cellule umane e della facoltà in congedo del Broad Institute e del MIT, che ora è a capo della ricerca Genentech e dello sviluppo precoce e autore senior del documento, ha dichiarato: “Il nostro singolo nucleo umano Lo studio Cell Atlas dimostra un potente modo su larga scala per analizzare le cellule da campioni di tessuto congelato in tutto il corpo con progressi computazionali di apprendimento profondo e apre la strada agli studi sui tessuti di intere coorti di pazienti a livello di singola cellula. Siamo stati in grado di creare una nuova tabella di marcia per più malattie, collegando direttamente le cellule alla biologia delle malattie umane e ai geni a rischio di malattia attraverso i tessuti. Prevediamo che questo lavoro porterà a molti nuovi studi e consentirà agli sforzi in corso dell’atlante delle cellule umane di costruire una mappa di riferimento di tutte le cellule umane”.

La Tabula Sapiens: ampio atlante cellulare incrociato

Il documento finale di questo set descrive uno studio cross-tissutale molto ampio** condotto da ricercatori del Chan Zuckerberg Biohub e dai loro collaboratori. Il team ha utilizzato il sequenziamento dell’RNA a cellula singola di cellule vive per analizzare molti organi dello stesso donatore, il che ha consentito confronti tra tessuti controllati per il background genetico, l’età e gli effetti ambientali. La raccolta di quasi mezzo milione di cellule fornisce un atlante di tessuti incrociati straordinariamente ampio da cellule vive e ha creato un set di dati che i ricercatori chiamano “The Tabula Sapiens”.

I dati di Tabula Sapiens hanno consentito la caratterizzazione dettagliata di oltre 400 tipi cellulari specifici, la loro distribuzione e variazione nell’espressione genica attraverso i tessuti. Inoltre, analizzando le cellule vive, i loro dati hanno consentito anche la prima analisi su larga scala dello splicing genico alternativo in un atlante a cellula singola. Lo studio fornisce ai ricercatori un’enorme risorsa di ricerca sui tipi cellulari annotati da esperti umani che forniranno nuove e importanti informazioni sulla biologia e le malattie fondamentali.

Il professor Stephen Quake, presidente della CZ Biohub Network, e Lee Otterson professore di bioingegneria e professore di fisica applicata alla Stanford University, nonché autore senior dell’articolo, hanno dichiarato: “La Tabula Sapiens è un atlante di riferimento che fornisce una definizione molecolare di centinaia di tipi cellulari in 24 organi del corpo umano. Rappresenta gli sforzi di oltre 150 autori in diverse istituzioni; la comunità scientifica scoprirà nuove intuizioni sulla biologia umana da questa risorsa per molti anni a venire”.

I dati e gli strumenti trasversali dell’HCA sono pubblicamente disponibili

L’HCA è un consorzio collaborativo internazionale che traccia i tipi di cellule nel corpo sano, fornendo una risorsa senza precedenti per lo studio della salute e delle malattie. Un consorzio aperto, all’avanguardia e guidato da scienziati, HCA è uno sforzo collaborativo di ricercatori, istituti e finanziatori in tutto il mondo, con oltre 2.300 membri provenienti da 83 paesi in tutto il mondo. 

Con gli impegni per l’accesso aperto, l’etica e l’equità globale, i dati HCA sono apertamente disponibili a beneficio delle persone ovunque. I dati di questi e di altri studi sono disponibili gratuitamente sui portali di dati HCA, a cui i ricercatori di tutto il mondo possono accedere tramite la piattaforma di coordinamento dei dati HCA, nonché attraverso il Cambridge Cell Atlas, il Broad Single Cell Portal e l’UCSC Cell Browser.

Il professor Sten Linnarsson, del Karolinska Institutet in Svezia, e membro del Comitato Organizzatore dell’HCA, ha dichiarato: “L’Atlante delle cellule umane sta trasformando la nostra comprensione della biologia e delle malattie. Questi studi sui tessuti incrociati rappresentano una pietra miliare per l’HCA e la biologia unicellulare consentendo un confronto sistematico e approfondito degli stessi tipi di cellule durante lo sviluppo e l’età adulta. Sono un grande passo avanti verso la generazione di un atlante cellulare umano di tutti i tipi di cellule del corpo umano, gettando le basi per una nuova era di diagnosi, assistenza sanitaria e medicina di precisione”.


L’atlante delle cellule umane (HCA)

L’Atlante delle cellule umane (HCA) è un consorzio collaborativo internazionale che sta creando mappe di riferimento complete di tutte le cellule umane, le unità fondamentali della vita, come base per comprendere la salute umana e per diagnosticare, monitorare e curare le malattie. È probabile che l’HCA influisca su ogni aspetto della biologia e della medicina, promuovendo scoperte e applicazioni traslazionali e, in definitiva, portando a una nuova era della medicina di precisione.

L’HCA è stata co-fondata nel 2016 dalla dott.ssa Sarah Teichmann presso il Wellcome Sanger Institute (Regno Unito) e dalla dott.ssa Aviv Regev, poi presso il Broad Institute of MIT e Harvard (USA). Un’iniziativa davvero globale, ora ci sono più di 2.300 membri HCA, provenienti da 83 paesi in tutto il mondo. https://www.humancellatlas.org
Pubblicazioni:

§ C. Domínguez Conde, C Xu, LB Jarvis, DB Rainbow, SB Wells et al. “L’analisi delle cellule immunitarie trasversali rivela adattamenti tessuto-specifici e l’architettura clonale negli esseri umani”. (2022) Scienza . DOI: 10.1126/science.abl5197

§§ Chenqu Suo e Emma Dann et al. “Mappatura del sistema immunitario umano in via di sviluppo attraverso gli organi” (2022) Scienza . DOI: 10.1126/10.1126/science.abo0510

* Gokcen Eraslan e Eugene Drokhlyansky et al. “Mappe di riferimento molecolari di tessuto incrociato a nucleo singolo per comprendere la funzione del gene della malattia.” (2022) Scienza . DOI: 10.1126/science.abl4290

** Il Consorzio Tabula Sapiens. “La Tabula Sapiens: un atlante trascrittomico unicellulare multiorgano di esseri umani”. (2022) Scienza. DOI: 10.1126/science.abl4896
Finanziamento:
i finanziatori per i documenti includevano Chan Zuckerberg Initiative, Wellcome, US National Institutes of Health, European Research Council, Manton Foundation, Klarman Family Foundation e HHMI. Si prega di consultare i documenti per informazioni complete sul finanziamento.

Portali di dati: 
è possibile accedere e visualizzare i dati annotati di questi studi sui portali di dati HCA , inclusi Cambridge Cell Atlas, Broad Single Cell Portal, Tabula Sapiens , UCSC Portal, Developmental Cell Atlas e sul Genotype Tissue Expression Project Portal .

L’HCA ha anche creato una Data Coordination Platform (DCP), che è una piattaforma basata su cloud in cui scienziati di tutto il mondo possono condividere, organizzare e accedere ai dati unicellulari dell’HCA.

Strumenti:
CellTypist è disponibile pubblicamente, con documentazione di facile utilizzo per l’annotazione automatica delle cellule immunitarie nei set di dati di trascrittomica delle singole cellule.

cellxgene consente agli scienziati di annotare, pubblicare, trovare, scaricare, esplorare e analizzare set di dati a cella singola.

Siti web selezionati:

The Wellcome Sanger Institute
Il Wellcome Sanger Institute è un centro di ricerca genomica leader a livello mondiale. Svolgiamo ricerche su larga scala che costituiscono le basi della conoscenza in biologia e medicina. Siamo aperti e collaborativi; i nostri dati, risultati, strumenti e tecnologie sono condivisi in tutto il mondo per far progredire la scienza. La nostra ambizione è vasta: intraprendiamo progetti che non sono possibili da nessun’altra parte. Usiamo il potere del sequenziamento del genoma per comprendere e sfruttare le informazioni nel DNA. Finanziato da Wellcome, abbiamo la libertà e il supporto per spingere i confini della genomica. I nostri risultati vengono utilizzati per migliorare la salute e per comprendere la vita sulla Terra. Scopri di più su www.sanger.ac.uk o seguici su Twitter, Facebook, LinkedIn e sul nostro Blog.

Informazioni sul Broad Institute del MIT e di Harvard Il
Broad Institute del MIT e di Harvard è stato lanciato nel 2004 per consentire a questa generazione di scienziati creativi di trasformare la medicina. Il Broad Institute cerca di descrivere le componenti molecolari della vita e le loro connessioni; scoprire le basi molecolari delle principali malattie umane; sviluppare nuovi approcci efficaci alla diagnostica e alla terapia; e diffondere scoperte, strumenti, metodi e dati apertamente all’intera comunità scientifica.
Fondato dal MIT, da Harvard, dagli ospedali affiliati ad Harvard e dai visionari filantropi di Los Angeles Eli ed Edythe L. Broad, il Broad Institute comprende docenti, personale professionale e studenti provenienti da tutte le comunità di ricerca biomedica del MIT e di Harvard e oltre, con collaborazioni che abbracciano un centinaio di istituzioni private e pubbliche in più di 40 paesi nel mondo.

Informazioni su Chan Zuckerberg Biohub 
Il Chan Zuckerberg Biohub è un centro di ricerca senza scopo di lucro che riunisce medici, scienziati e ingegneri della Stanford University; l’Università della California, Berkeley; e l’Università della California, San Francisco. In CZ Biohub lavorano alcuni dei più brillanti e audaci ingegneri, data scientist e ricercatori biomedici, che insieme alle nostre università partner cercano di comprendere i meccanismi fondamentali alla base della malattia e sviluppare nuove tecnologie che porteranno a diagnostica attuabile e terapie efficaci. Per ulteriori informazioni, visitare czbiohub.org.

Informazioni sull’Iniziativa Chan Zuckerberg
L’Iniziativa Chan Zuckerberg è stata fondata nel 2015 per aiutare a risolvere alcune delle sfide più difficili della società: dall’eradicazione delle malattie e dal miglioramento dell’istruzione, all’affrontare i bisogni delle nostre comunità locali. La nostra missione è costruire un futuro più inclusivo, giusto e sano per tutti. Per ulteriori informazioni, visitare  chanzuckerberg.com .

Informazioni su Wellcome
Wellcome sostiene la scienza per risolvere le sfide urgenti per la salute che tutti devono affrontare. Supportiamo la ricerca sulla vita, la salute e il benessere e stiamo affrontando tre sfide sanitarie mondiali: salute mentale, riscaldamento globale e malattie infettive. https://wellcome.org/

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