Если вы нервничаете, вы можете почувствовать это нутром. Если вы едите чили, ваш кишечник может взбунтоваться, но ваш друг может есть что угодно и чувствовать себя прекрасно. Вы можете глотать ибупрофен, как леденец, без каких-либо побочных эффектов, но живот вашего друга может кровоточить, и обезболивание может не получиться. Почему это? Быстрый ответ: потому что мы все разные. Следующие вопросы заключаются в том, насколько точно различаются, и что эти различия означают для здоровья и болезни? Ответить на них гораздо сложнее, но лаборатория Скотта Мэгнесса, доктора философии Школы медицины Университета Северной Каролины, раскрывает некоторые интересные научные ответы.
Впервые лаборатория Magness использовала целые желудочно-кишечные тракты человека от трех доноров органов, чтобы показать, как различаются типы клеток во всех областях кишечника, пролить свет на клеточные функции и показать различия в экспрессии генов между этими клетками и между людьми.
Эта работа, опубликованная в журнале Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology , открывает двери для более точного изучения многих аспектов здоровья кишечника с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде.
«Наша лаборатория показала, что можно узнать о функции каждого типа клеток в важных процессах, таких как поглощение питательных веществ, защита от паразитов и выработка слизи и гормонов, которые регулируют пищевое поведение и перистальтику кишечника», — сказал Магнесс, доцент Совместного Государственный департамент биомедицинской инженерии UNC-NC и старший автор статьи. «Мы также узнали, как слизистая оболочка кишечника может взаимодействовать с окружающей средой через рецепторы и датчики, и как лекарства могут взаимодействовать с различными типами клеток».
Чувствительный кишечник
Подумайте о типичном озвучивании фармацевтической рекламы, когда актер озвучивает возможные побочные эффекты, такие как диарея, рвота, кишечное кровотечение и другие неприятные побочные эффекты. Ну, лаборатория Magness пытается понять, почему возникают эти побочные эффекты, вплоть до уровня отдельных клеток, их функций, их местоположения и их генов.
Для этого исследования лаборатория Магнесса сосредоточилась на эпителии: одноклеточном толстом слое, отделяющем внутреннюю часть кишечника и толстой кишки от всего остального. Как и другие клеточные популяции и микробиота, эпителий невероятно важен для здоровья человека, и ученые годами исследуют его. Но до сих пор исследователи могли брать крошечные биоптаты размером с рисовое зерно только из нескольких частей пищеварительного тракта, обычно из толстой кишки или ограниченных областей тонкой кишки.
«Такое исследование было бы похоже на взгляд на Соединенные Штаты из космоса, но только на изучение того, что происходит в Массачусетсе, Оклахоме и Калифорнии», — сказал Мэгнесс. «Чтобы действительно узнать о стране, мы хотели бы увидеть все».
Мэгнесс опиралась на соавторов, научного сотрудника Джозефа Берклаффа, доктора философии, и аспиранта Джарретта Блитона, стажеров в лаборатории Магнесса.
«Мы не только хотим определить, где расположены клетки, но мы хотим точно знать, какие типы клеток что делают и почему», — сказал Берклафф. «Итак, продолжая аналогию с картой, мы не хотим просто сказать: «О, это Северная Каролина». Мы хотим знать, где взять лучшее барбекю. Мы хотим, чтобы вид с уровня земли знал как можно больше. »
В прошлом исследователи смешивали эти биоптаты размером с рис, чтобы идентифицировать все типы эпителиальных клеток и изучить некоторые общие характеристики этих клеток. Подход Мэгнесс заключался в том, чтобы взять образцы тысяч отдельных клеток из каждой части нижнего отдела пищеварительного тракта (тонкая кишка и толстая кишка) для создания атласа, а затем изучить потенциальную роль этих клеток с помощью генов, которые экспрессирует каждая клетка. Знание всего этого углубит научные знания об эпителии кишечника и, надеюсь, побудит других ученых исследовать функцию каждой клетки в биологии, при болезнях и при неудачном сценарии побочных эффектов фармацевтических препаратов.
Чтобы совершить такое глубокое погружение в отдельные клетки, Мэгнесс нуждались в двух вещах: лучшей технологии и полном пищеварительном тракте человека.
Биология данных
Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл приобрел современную технологию секвенирования РНК несколько лет назад для создания Основного центра расширенной аналитики через Центр желудочно-кишечных заболеваний и биологии Университета Северной Каролины, который создал научный и интеллектуальный потенциал — исследовательский факультет, персонал, постдоков и студентов — использовать самое современное оборудование.
Magness Group приобрела пищеварительный тракт человека в рамках исследовательского соглашения со службой донорства органов в HonorBridge. Когда берутся кишки для трансплантации и если на них не претендуют группы с более высоким приоритетом, сотрудники HonorBridge координируют свои действия с Magness Group, чтобы пожертвовать органы для трансплантации для исследований.
Через шесть-восемь часов после сбора урожая лаборатория Magness получает неповрежденные кишечные тракты, каждый длиной от 15 до 30 футов. Они удаляют эпителиальный слой, который представляет собой один длинный соединенный кусок ткани, несмотря на то, что он толщиной всего в одну клетку. Затем исследователи используют ферменты для расщепления эпителия на отдельные клетки. Для этого исследования они повторили это для органов от трех разных доноров.
Используя технологию секвенирования для характеристики экспрессии генов, группа Магнесс сначала извлекает РНК из каждой клетки, сохраняя при этом каждую клетку отдельно, а затем они проводят секвенирование отдельных клеток, которое делает снимок того, какие гены экспрессирует каждая кишечная клетка и в каком количестве.
«Картина, которую мы получаем от каждой клетки, представляет собой мозаику всех различных типов генов, которые производят клетки, и этот набор генов создает «подпись», чтобы сказать нам, что это за клетка и, возможно, что она делает», — сказал Мэгнесс. . «Это стволовая клетка, или слизистая клетка, или гормон-продуцирующая клетка, или иммунная сигнальная клетка?
Барклафф добавил: «Мы смогли увидеть различия в типах клеток по всему пищеварительному тракту, и мы можем увидеть разные уровни экспрессии генов в одних и тех же типах клеток у трех разных людей. Мы можем увидеть, как разные наборы генов включаются или выключаются. в отдельных клетках. Вот как, например, мы могли бы начать понимать, почему у некоторых людей возникает токсичность к определенным продуктам питания или лекарствам, а у других нет».
Основная проблема такого рода исследований — огромное количество получаемых данных. Секвенирование одной клетки позволяет получить около 11 000 «прочтений» или отдельных образцов генных продуктов только в одной клетке и во многих тысячах отдельных клеток , каждая из которых имеет различные комбинации из более чем 20 000 генов человека, которые включаются или выключаются. Это создает почти 140 000 000 точек данных для всех 12 590 клеток в исследовании, которые необходимо привести в визуализируемый формат, чтобы ученые могли разобраться в огромном объеме информации.
«Человеческий мозг может воспринимать только два измерения, три — это сложно», — сказал Мэгнесс. «Добавьте время, и станет еще сложнее понять, чем занимается отдельная клетка. Количество данных, полученных в результате наших экспериментов, составляло, по сути, миллионы измерений одновременно».
Блитон разработал вычислительные методы для фильтрации данных, чтобы создать управляемый набор данных, включающий популяции клеток из всех частей желудочно-кишечного тракта. Затем, основываясь на том, что Мэгнесс и другие исследователи уже узнали о каждом типе клеток, Блитон мог вычислить каждый тип клеток в каждой области. Затем он изобразил эти данные таким образом, чтобы люди могли их понять и интерпретировать.
Обуздание огромных данных позволило ученым многое узнать о каждом типе клеток. Рассмотрим пучковую клетку, открытую 40 лет назад и названную так потому, что она выглядит так, как будто на ее поверхности есть пучки волос. Оказывается, эти пучковые клетки экспрессируют те же гены, что и вкусовые сосочки на языке. Другие исследователи обнаружили, что эти пучковые клетки ощущали заражение червями и посылали сигналы иммунной системе, чтобы начать войну. Лаборатория Магнесса показала, что пучковые клетки обладают набором генов, которые, как считается, важны для восприятия и «вкуса» других видов кишечного содержимого, поэтому при необходимости они могут сигнализировать иммунной системе. Это будет представлять собой гораздо более широкую функцию, чем определение того, есть ли паразит в вашем кишечнике или нет.
«Мы не только описали каждый отдельный тип клеток и каждый отдельный ген, который они экспрессируют по отдельности, но также рассмотрели потенциальные функции», — сказал Берклафф. «Если вы посмотрите на кишечную слизь, которая представляет собой сложную смесь, защищающую клетки, мы покажем, какие клетки экспрессируют различные белки муцина, сколько и в каких областях пищеварительного тракта. Мы посмотрели, где экспрессируются специфические ферменты, которые переваривают пищу. , Мы рассмотрели клетки с экспрессией противовоспалительных генов и генами синапсов, где кишечник, вероятно, связан с нервами, чтобы он мог общаться с остальным телом. Мы рассмотрели аквапорины, белки, участвующие в переносе воды через кишечную мембрану».
То, что обнаружила группа Магнесса, было совершенно новым уровнем вариации потенциальных функций, который ранее не был оценен при смешивании образцов биопсии.
Исследователи исследовали все эпителиальные рецепторы — белки клеточной поверхности, используемые для связи с другими клетками и молекулами, а также с окружающей средой кишечника. Мэгнесс и его коллеги смогли увидеть, какие рецепторы были экспрессированы больше всего и в каких типах клеток, нарисовав новую картину того, как клетки могут взаимодействовать с содержимым кишечника, таким как питательные вещества, микробы, токсины и лекарства.
«Насколько нам известно, мы первыми провели такой анализ по всей длине кишечника человека от трех полных доноров», — сказал Блитон. «Мы можем посмотреть на каждый тип клеток и предсказать, какие лекарства могут повлиять на какой тип клеток в отдельности».
Например, есть класс лекарств для лечения воспалительных заболеваний кишечника; они предназначены для поражения конкретных целей, определенных иммунных клеток, которые вызывают воспаление. Но лаборатория Магнесса выяснила, что некоторые эпителиальные клетки экспрессируют те же гены, что и иммунные клетки, которые должны быть мишенью. Это открытие указывает на то, что в эпителиальных клетках могут быть «нецелевые» эффекты, которые не предназначены и могут привести к побочным эффектам.
«Это не было известно», сказал Бурклафф. «У многих лекарств есть побочные эффекты со стороны желудочно-кишечного тракта. И это может быть связано с тем, что лекарства воздействуют на отдельные клетки по всей длине желудочно-кишечного тракта. Мы показываем, где эти рецепторы наиболее выражены и в каких типах клеток ».
Такого рода знания — лишь один из результатов первоначального исследования лаборатории Магнесса.
«Мы хотим, чтобы научное, медицинское и фармацевтическое сообщество использовало то, что мы нашли», — сказал Мэгнесс. «Мы приняли аналитический подход, чтобы методично изучить каждый тип клеток, создать легко читаемые и доступные электронные таблицы для большинства ученых и показать несколько примеров того, что мы можем обнаружить с помощью такого подхода с высоким разрешением и точностью».
Помимо вышеупомянутых исследователей, другими авторами являются Кейт Бро, Мерьем Ок, Исмаэль Гомес-Мартинес, Джолин Ранек, Аадра Бхатт, Джереми Первис и Джон Вусли, все из UNC-Chapel Hill.
