Tumor cerebral, Cáncer de pulmón, Células Madre, linfoma, Sistema inmune, anemia de células falciformes

Default @ October 6, 2012

Mapa integral de desarrollo de células B humana creada

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En el 24 de abril 2014 edición de Cell, un equipo de investigadores dirigido por Dana Pe'er en la Universidad de Columbia y Garry Nolan en la Universidad de Stanford describe un poderoso método nuevo para el mapeo de desarrollo celular a nivel de células individuales. Mediante la combinación de las tecnologías emergentes para el estudio de células individuales con un nuevo algoritmo computacional avanzada, que han creado el mapa más completo que se haya hecho del desarrollo de las células B humanas. Su enfoque mejorará en gran medida la capacidad de los investigadores para investigar el desarrollo de las células de todo tipo, hacen posible identificar aberraciones raras en desarrollo que conducen a la enfermedad, y en última instancia, ayudar a guiar a la próxima generación de la investigación en medicina regenerativa.

Mapa integral de desarrollo de células B humana creada

En (A) las células individuales se perfilan utilizando citometría de masa, produciendo un conjunto en el que n propiedades de datos de alta dimensión se miden en cada célula. Wanderlust convierte estos datos en un gráfico en el que las células, representadas como puntos conectados a sus células más similares. Con este esquema gráfico, Wanderlust es capaz de colocar cada célula dentro de su cronología de desarrollo. Una vez que las células se han alineado en la cronología, la trama en (B) muestra cómo cuatro marcadores clave cambian gradualmente a medida que una célula se desarrolla a partir de una célula madre hematopoyética en una célula B ingenuo. En (C) la trayectoria recién inferido revela recableado previamente no reconocido de la señalización reglamentaria y cambios coordinados que ahora puede ser reconocido como señas de identidad de la progresión del desarrollo.

Crédito: Dana Pe'er, la Universidad de Columbia

Al comentar por qué tener este tipo de mapas es un avance importante, el Dr. Pe'er explica: "Hay tantas enfermedades que resultan de mal funcionamiento de los programas moleculares que controlan el desarrollo de nuestro repertorio de células y tantos raro, pero importante, reglamentario tipos de células que todavía tenemos que descubrir. Sólo podemos entender realmente lo que va mal en estas enfermedades si tenemos un mapa completo de la progresión en el desarrollo normal. Estos mapas también actuarán como una brújula para la medicina regenerativa, porque es muy difícil crecer algo si usted no sabe cómo se desarrolla en la naturaleza. Por primera vez, nuestro método permite construir un mapa de alta resolución, en el nivel de células individuales, que puede guiar este tipo de investigación ".

Aunque dogma convencional caracteriza desarrollo como una serie de pasos discretos, las células se desarrollan en realidad un proceso de transformación continua. Como una célula madura, los complejos e interconectados programas moleculares que regulan su cambio de actividad gradualmente. Estos programas también pueden diferir significativamente entre las células de tipo similar, y en muchos tipos importantes de células reguladoras, aberraciones raras en estos programas pueden tener efectos devastadores. Anteriormente, era difícil de observar estas diferencias sutiles en el detalle suficiente para distinguirlos, pero las nuevas tecnologías ofrecen ahora nuevas e importantes oportunidades.

Así como la secuenciación del genoma transformado cómo se estudió biología en la década anterior, las nuevas tecnologías para el análisis de las propiedades moleculares de las células individuales están revolucionando el tipo de preguntas que muchos biólogos están pidiendo. Dr. Pe'er ve enfoques unicelulares como un paso importante más allá de la genómica. "La secuenciación del ADN puede identificar genes y mutaciones, pero a menudo no se estudian en contexto", señala. "Con los enfoques de una sola célula, podemos mapear las celdas en las que la acción que realmente sucede y lo que los genes están haciendo dentro de ellos."

En la investigación descrita en el documento de la célula, los investigadores utilizaron una tecnología emergente llamada citología de masa, que en un solo experimento puede medir 44 marcadores moleculares simultáneamente en millones de células individuales. Esto proporciona una gran cantidad de datos que pueden ser utilizados para comparar, clasificar y ordenar cronológicamente las células y hace que sea posible iniciar la identificación de los sistemas moleculares responsables del desarrollo en mucho mayor detalle que nunca antes fue posible.

Aprovechando estos datos unicelular compleja también requiere a los investigadores a desarrollar nuevos métodos matemáticos y computacionales para interpretarlo. Al igual que uno puede representar un objeto físico en tres dimensiones - longitud, anchura y altura - enfoque de pensamiento involucrados del laboratorio Pe'er de las 44 mediciones como un objeto geométrico 44-dimensional. Luego desarrollaron un nuevo algoritmo computacional, llamado Wanderlust, que utiliza los conceptos matemáticos a partir de un campo llamado teoría de grafos para reducir estos datos de alta dimensión en una forma simple que es fácil de interpretar.

Una geometría tal alta dimensión es imposible para nosotros visualizamos, y así Wanderlust convierte la colección de medidas de marcadores de desarrollo importantes en cada célula en un solo valor de una dimensión que corresponde al lugar de la célula dentro de la cronología del desarrollo. Para poner correctamente cada célula en su lugar, Wanderlust convierte la geometría de alta dimensión en un gráfico, donde cada célula individual se representa como un punto que está conectado por una línea (también llamado un borde) a otras células que son más similares a la misma. Las células que están más dentro de la trayectoria de desarrollo aparecen juntos en el gráfico, mientras que los que se encuentran en diferentes etapas de desarrollo parecen más lejos. Con la inclusión de todos los cientos de miles de células que se perfila, este gráfico no obliga a las células en categorías, sino que representa una nueva geometría continua que captura toda la trayectoria de desarrollo.

Según el Dr. Pe'er, "Durante años, las matemáticas se ha utilizado en la física para demostrar que existen relaciones matemáticas muy elegantes que definen la forma en que el universo está estructurado. Cuando se mira desde el punto de vista de las matemáticas, vemos que la complejidad que se encuentra en la biología también está muy bien estructurado y con diseño. Nuestro cuerpo tiene billones de células de un sinnúmero de tipos diferentes, cada tipo teniendo diferentes características moleculares y comportamiento. Esta complejidad se expande de una sola célula en un proceso cuidadosamente regulado llamado desarrollo. Este reglamento crea patrones y formas en que los datos de alta dimensión medimos. Al usar Wanderlust para analizar estos datos podemos encontrar el patrón y trazar la trayectoria que sigue el desarrollo celular ".

Para probar su enfoque, los investigadores estudiaron el desarrollo en células B humanas, un tipo de célula que es importante en la respuesta inmune adaptativa y está involucrada en una variedad de enfermedades autoinmunes, así como ciertos tipos de cáncer. Dado que las células inmunes continúan desarrollándose durante la vida adulta, incluso una sola muestra de una médula ósea contiene células de todas las etapas de desarrollo de las células B. Los investigadores en la masa utilizada laboratorio Nolan citometría al perfil 44 marcadores en una cohorte de aproximadamente 200.000 células inmunes sanos que fueron recogidos de una de estas muestras. En cada celda se midieron marcadores de superficie celular que ayuda a identificar el tipo de célula que es, así como marcadores dentro de la célula que pueden revelar lo que está haciendo la célula, incluyendo marcadores de señalización, el ciclo celular, apoptosis y reordenación del genoma.

Usando Wanderlust para analizar los datos de alta dimensión proporcionados por citometría de masa, los investigadores ordenados con precisión toda la trayectoria de 200.000 células de acuerdo con su cronología del desarrollo. En una fuerte indicación de su exactitud, Wanderlust capturado y correctamente ordenó todos los puntos de referencia primarios moleculares conocidos por estar presentes en el desarrollo de células B humanas. Wanderlust también identificado un número de puntos de control de señalización previamente desconocidos clave reguladoras que son necesarios para el desarrollo de células B humana, así como subtipos no caracterizadas de células progenitoras de células B que corresponden a las etapas de desarrollo importantes. Esta trayectoria constituye el análisis más completo de desarrollo de células B humano que se ha llevado a cabo nunca.

En una señal del alto grado de precisión que ofrece Wanderlust para el estudio de células individuales, los investigadores también informan que se identificaron eventos de señalización raros, previamente desconocidos relacionados con la STAT5 proteína de señalización que se produjo en sólo 7 de cada 10.000 células. Este evento regulador está implicado en el proceso de recombinación VDJ, un tiempo volátil cuando la célula B se reorganizando su propio ADN. Otros experimentos de laboratorio mostraron que la interrupción estos eventos de señalización que utilizan inhibidores de la cinasa se detuvo completamente el desarrollo de las células B.

La identificación y la caracterización de los puntos de control reguladores que controlan y vigilar el destino celular puede tener muchas aplicaciones prácticas, ya que muchas enfermedades son el resultado de un desequilibrio en los tipos de células producidas por el sistema inmunológico. Así, el enfoque que los autores describen puede producir puntos de vista que se podrían utilizar para el desarrollo de nuevos diagnósticos y terapéuticos.

Este proceso para el mapeo de cómo se desarrollan las células sanas se puede aplicar no sólo a las células B, sino a cualquier tipo de célula. Como sugieren los autores, su método ofrece la posibilidad de proporcionar una base para el estudio del desarrollo normal, así como los procesos responsables de cualquier tipo de enfermedad del desarrollo. En el futuro, que anticipan que los modelos más sofisticados podrían ser construidas que sería capaz de representar aún más complejos sistemas, como todo el sistema inmunitario. El santo grial implicaría la creación de un mapa completo de cada tipo de célula en el cuerpo y cómo cada uno progresivamente desarrolla a partir de una sola célula madre, la localización de todas las decisiones del destino celular en el camino.

El logro de este objetivo se requiere mucho más trabajo, pero como el Dr. Pe'er señala: "Este proyecto actual es un punto de referencia tanto en el estudio del desarrollo y en la investigación de una sola célula, y ha cambiado por completo mi forma de pensar acerca de la ciencia . Un fuego se ha encendido, y estos resultados son sólo la punta del iceberg de lo que ahora es posible ".