دانشمندان از کل روده انسان با وضوح تک سلولی نقشه برداری می کنند —

برای اولین بار، آزمایشگاه Magness از کل دستگاه گوارش انسان از سه اهداکننده عضو استفاده کرد تا نشان دهد که چگونه انواع سلول ها در تمام مناطق روده متفاوت است، تا عملکرد سلولی را روشن کند، و تفاوت های بیان ژن را بین این سلول ها و بین افراد نشان دهد.

این اثر، منتشر شده در گوارش سلولی و مولکولی و کبد، دری را برای کاوش در بسیاری از جنبه های سلامت روده به روشی بسیار دقیق تر با وضوح بیشتر از همیشه باز می کند.

مگنس، دانشیار در Joint گفت: “آزمایشگاه ما نشان داد که می توان در مورد عملکرد هر نوع سلول در فرآیندهای مهمی مانند جذب مواد مغذی، محافظت در برابر انگل ها، و تولید مخاط و هورمون هایی که رفتار غذا خوردن و حرکت روده را تنظیم می کنند، یاد گرفت.” UNC-NC وزارت مهندسی زیست پزشکی و نویسنده ارشد مقاله. ما همچنین یاد گرفتیم که چگونه پوشش روده ممکن است از طریق گیرنده ها و حسگرها با محیط تعامل داشته باشد و چگونه داروها می توانند با انواع مختلف سلول ها تعامل داشته باشند.

روده حساس

زمانی که صداپیشه عوارض جانبی احتمالی مانند اسهال، استفراغ، خونریزی روده‌ای و سایر آسیب‌های جانبی ناخوشایند را به خوبی بازگو می‌کند، به یک صداپیشگی تجاری دارویی معمولی فکر کنید. خب، آزمایشگاه Magness در تلاش است تا بفهمد که چرا این عوارض جانبی اتفاق می‌افتد، تا سطح سلول‌های فردی، عملکرد آنها، مکان و ژن‌هایشان.

برای این تحقیق، آزمایشگاه Magness بر روی اپیتلیوم متمرکز شد: لایه ضخیم تک سلولی که داخل روده و روده بزرگ را از هر چیز دیگری جدا می کند. مانند سایر جمعیت‌های سلولی و میکروبیوتا، اپیتلیوم برای سلامت انسان بسیار مهم است و سال‌هاست که دانشمندان در حال بررسی آن هستند. اما تاکنون، محققان فقط می‌توانستند نمونه‌برداری‌های کوچکی به اندازه دانه‌های برنج از چند قسمت از دستگاه گوارش، معمولاً از روده بزرگ یا مناطق محدودی از روده کوچک بگیرند.

مگنس گفت: “چنین اکتشاف مانند نگاه کردن به ایالات متحده از فضا است، اما فقط بررسی آنچه در ماساچوست، اوکلاهما و کالیفرنیا در حال وقوع است.” “به واقعا درباره کشور بیاموزیم، ما می خواهیم همه چیز را ببینیم.”

مگنس به نویسندگان همکار، جوزف بورکلاف، دکترای دکترا، و دانشجوی فارغ التحصیل، جرت بلیتون، که هر دو در آزمایشگاه مگنس کارآموز بودند، تکیه کرد.

بورکلاف گفت: ما نه تنها می‌خواهیم محل قرارگیری سلول‌ها را شناسایی کنیم، بلکه می‌خواهیم دقیقاً بدانیم کدام نوع سلول چه کاری را انجام می‌دهند و چرا. بنابراین، با قیاس نقشه، ما نمی‌خواهیم فقط بگوییم، “اوه، کارولینای شمالی وجود دارد”. “

در گذشته، محققان بیوپسی‌هایی به اندازه برنج را با هم ترکیب می‌کردند تا همه انواع سلول‌های اپیتلیال را شناسایی کنند و برخی ویژگی‌های کلی این سلول‌ها را بیاموزند. رویکرد Magness این بود که از هزاران سلول منفرد از هر قسمت از دستگاه گوارش تحتانی (روده کوچک و روده بزرگ) نمونه برداری کند تا یک اطلس ایجاد کند و سپس نقش بالقوه این سلول ها را از طریق ژن هایی که هر سلول بیان می کند، مطالعه کند. دانستن همه اینها دانش علمی در مورد اپیتلیوم روده را عمیق تر می کند و امیدواریم دانشمندان دیگر را تشویق کند تا عملکرد هر سلول را در زیست شناسی، بیماری و در سناریوی ناگوار عوارض جانبی دارویی بررسی کنند.

برای انجام چنین غواصی عمیق سلولی، Magness به دو چیز نیاز داشت: فناوری بهتر و کل دستگاه گوارش انسان.

زیست شناسی داده ها

یو. ، فوق دکترا و دانشجویان — برای استفاده از تجهیزات پیشرفته.

گروه Magness دستگاه گوارش انسان را از طریق توافقنامه تحقیقاتی با خدمات اهداکنندگان عضو در HonorBridge به دست آورد. هنگامی که روده‌ها برای پیوند برداشت می‌شوند و اگر گروه‌های دارای اولویت بالاتر ادعا نمی‌کنند، کارکنان HonorBridge با گروه Magness هماهنگ می‌کنند تا اعضای درجه پیوند را برای تحقیقات اهدا کنند.

شش تا هشت ساعت پس از برداشت، آزمایشگاه Magness دستگاه‌های روده‌ای دست نخورده را دریافت می‌کند که طول هر کدام حدود 15 تا 30 فوت است. آنها لایه اپیتلیال را که یک تکه بافت متصل طولانی است، علیرغم ضخامت تنها یک سلول، برمی دارند. سپس محققان از آنزیم هایی برای تجزیه اپیتلیوم به سلول های منفرد استفاده می کنند. برای این مطالعه، آنها این کار را برای اعضای سه اهداکننده جداگانه تکرار کردند.

با استفاده از فناوری توالی‌یابی برای مشخص کردن بیان ژن، گروه Magness ابتدا RNA را از هر سلول استخراج می‌کند در حالی که هر سلول را جدا نگه می‌دارد، و سپس توالی‌یابی تک سلولی را اجرا می‌کند، که یک عکس فوری از اینکه هر سلول روده کدام ژن و چه مقدار را بیان می‌کند، می‌گیرد.

مگنس می‌گوید: «تصویری که از هر سلول می‌گیریم موزاییکی از انواع مختلف ژن‌هایی است که سلول‌ها می‌سازند و این مکمل از ژن‌ها یک «امضا» ایجاد می‌کند تا به ما بگوید چه نوع سلولی است و احتمالاً چه می‌کند. . آیا این یک سلول بنیادی است یا یک سلول مخاطی یا یک سلول تولید کننده هورمون یا یک سلول سیگنال دهنده ایمنی؟

بورکلاف افزود: “ما توانستیم تفاوت‌ها را در انواع سلول‌ها در کل دستگاه گوارش ببینیم، و می‌توانیم سطوح مختلف بیان ژن را در انواع سلولی مشابه از سه فرد مختلف ببینیم. می‌توانیم مجموعه‌های مختلف ژن‌ها را روشن یا خاموش کنیم. به عنوان مثال، به این صورت است که ما ممکن است شروع به درک کنیم که چرا برخی افراد نسبت به غذاها یا داروها مسمومیت ایجاد می کنند و برخی افراد اینگونه نیستند.

مشکل اصلی این نوع تحقیقات، حجم انبوه داده های تولید شده است. توالی یابی تک سلولی حدود 11000 “خوانده” یا نمونه های منفرد از محصولات ژنی را فقط در یک سلول و در هزاران سلول جداگانه انتخاب می کند که هر کدام دارای ترکیبات متفاوتی از بیش از 20000 ژن انسانی هستند که روشن یا خاموش می شوند. این تقریباً 140,000,000 نقطه داده برای تمام 12,590 سلول در این مطالعه ایجاد می کند که باید در قالبی قابل مشاهده قرار گیرند تا دانشمندان بتوانند حجم وسیعی از اطلاعات را درک کنند.

Magness گفت: “مغز انسان فقط می تواند دو بعد را درک کند، سه بعد چالش برانگیز است.” “زمان را اضافه کنید، و حتی دشوارتر است که بفهمید یک سلول منفرد چیست. میزان داده هایی که آزمایش های ما تولید کردند اساساً میلیون ها بعد بود.”

بلیتون تکنیک‌های محاسباتی را برای فیلتر کردن داده‌ها ابداع کرد تا مجموعه‌ای از داده‌های قابل مدیریت تولید کند که شامل جمعیت‌های سلولی از تمام بخش‌های دستگاه گوارش است. سپس، بر اساس آنچه Magness و سایر محققان قبلاً از هر نوع سلول یاد گرفته بودند، Bliton می‌توانست هر نوع سلول را از هر منطقه به صورت محاسباتی شناسایی کند. او سپس این داده ها را به گونه ای ترسیم کرد که انسان بتواند آن را درک و تفسیر کند.

مهار داده های عظیم به دانشمندان این امکان را داد که اطلاعات زیادی در مورد هر نوع سلول بیاموزند. سلول تافت را در نظر بگیرید که 40 سال پیش کشف شد و به این دلیل به این نام خوانده شد که گویی دسته های مو روی سطح خود دارند. مشخص شد که این سلول‌های توفت ژن‌هایی مشابه ژن‌های موجود در جوانه‌های چشایی زبان را بیان می‌کنند. محققان دیگر کشف کردند که این سلول‌های توفت عفونت‌های کرمی را حس می‌کنند و سیگنال‌هایی را برای شروع جنگ به سیستم ایمنی ارسال می‌کنند. آزمایشگاه Magness نشان داد که سلول‌های توفت مجموعه‌ای از ژن‌ها را نشان می‌دهند که تصور می‌شود برای حس کردن و “چشیدن” انواع دیگر محتوای روده مهم هستند، بنابراین در صورت نیاز می‌توانند به سیستم ایمنی سیگنال دهند. این یک عملکرد بسیار گسترده تر از تشخیص وجود انگل در روده شما است یا خیر.

بورکلاف گفت: «ما نه تنها هر نوع سلول و هر ژن را که آنها به صورت جداگانه بیان می‌کنند، توصیف کردیم، بلکه عملکردهای بالقوه را نیز بررسی کردیم. “اگر به مخاط روده نگاه کنید، که مخلوط پیچیده ای است که از سلول ها محافظت می کند، ما نشان می دهیم که کدام سلول ها پروتئین های مختلف موسین را بیان می کنند، چقدر و در کدام ناحیه از دستگاه گوارش. ما به آنزیم های خاصی که هضم غذا را هضم می کنند، بررسی کردیم. ما سلول‌های دارای بیان ژن ضدالتهابی و ژن‌های سیناپس را بررسی کردیم، جایی که روده احتمالاً به اعصاب متصل است تا بتواند با بقیه بدن صحبت کند. ما به آکواپورین‌ها، پروتئین‌هایی که در انتقال آب از طریق غشای روده نقش دارند، نگاه کردیم.

آنچه که گروه Magness یافت، سطح کاملاً جدیدی از تنوع در عملکردهای بالقوه بود که قبلاً از طریق مخلوط کردن نمونه‌های بیوپسی قدردانی نشده بود.

محققان تمام گیرنده‌های اپیتلیال – پروتئین‌های سطح سلولی که برای ارتباط با سلول‌ها و مولکول‌های دیگر و با محیط روده استفاده می‌شوند را بررسی کردند. Magness و همکارانش می‌توانند ببینند که کدام گیرنده‌ها بیشتر و در کدام نوع سلول‌ها بیان می‌شوند، و تصویر جدیدی از نحوه تعامل سلول‌ها با محتویات روده مانند مواد مغذی، میکروب‌ها، سموم و داروها ترسیم کردند.

بلیتون گفت: «تا آنجا که می دانیم، ما اولین کسی هستیم که این نوع تجزیه و تحلیل را در طول روده انسان از سه اهداکننده کامل انجام می دهیم. ما می‌توانیم به هر نوع سلول نگاهی بیندازیم و پیش‌بینی کنیم که کدام داروها ممکن است بر روی هر نوع سلولی تأثیر بگذارند.»

برای مثال، دسته ای از داروها برای درمان بیماری التهابی روده وجود دارد. آنها برای ضربه زدن به اهداف خاص، سلول های ایمنی خاصی که باعث التهاب می شوند، طراحی شده اند. اما آزمایشگاه Magness دریافت که برخی از سلول‌های اپیتلیال همان ژن‌هایی را بیان می‌کنند که در سلول‌های ایمنی هدف قرار می‌گیرند. این یافته نشان می دهد که ممکن است اثرات “خارج از هدف” در سلول های اپیتلیال وجود داشته باشد که در نظر گرفته نشده است و می تواند منجر به عوارض جانبی شود.

بورکلاف گفت: «این معلوم نبود. “بسیاری از داروها عوارض جانبی بد گوارشی دارند. و این می تواند به این دلیل باشد که داروها روی سلول های منفرد در تمام طول دستگاه گوارش تاثیر می گذارند. ما نشان می دهیم که این گیرنده ها در کجا بیشتر بیان می شوند و در کدام نوع سلول.”

این نوع دانش تنها یک نتیجه از مطالعه اولیه آزمایشگاه Magness است.

مگنس گفت: “ما از جامعه علمی، پزشکی و دارویی می خواهیم که از آنچه که ما پیدا کرده ایم استفاده کنند.” ما یک رویکرد تحلیلی را برای پرداختن روشمند به هر نوع سلول اتخاذ کردیم، صفحه‌گسترده‌های آسان خوانا و در دسترس را برای اکثر دانشمندان تولید کردیم، و چندین نمونه از آنچه را که می‌توانیم با این نوع رویکرد دقیق و وضوح بالا کشف کنیم، نشان دادیم.»

بودجه این تحقیق از سوی مؤسسه ملی بهداشت، مؤسسه خیریه کاترین ای. بولارد، بنیاد کرون و کولیت، و صندوق تحقیقات سرطان دانشگاه در UNC-Chapel Hill تأمین شد.

به غیر از محققان فوق الذکر، نویسندگان دیگر کیت برو، مریم اوک، اسماعیل گومز-مارتینز، جولین رانک، آدرا بات، جرمی پورویس و جان ووسلی هستند که همگی در UNC-Chapel Hill هستند.