Kunnen we elk soort cel in het lichaam identificeren?

Hoeveel soorten cellen zijn er in het menselijk lichaam? Leerboeken zeggen een paar honderd. Maar het werkelijke aantal is ongetwijfeld veel groter.

Een microfluïdisch apparaat (in het midden) kan experimenten uitvoeren op individuele cellen.

Stukje bij beetje komt er een nieuwe, meer gedetailleerde catalogus van celtypes tevoorschijn uit laboratoria zoals die van Aviv Regev van het Broad Institute in Cambridge, Massachusetts, die recente ontwikkelingen op het gebied van eencellige genomica toepassen om individuele cellen met een snelheid en schaal voorheen ondenkbaar.

De technologie die bij de Broad wordt toegepast, maakt gebruik van fluïdische systemen om cellen op microscopische transportbanden te scheiden en onderwerpt ze vervolgens aan gedetailleerde genetische analyse, met een snelheid van duizenden per dag. Wetenschappers verwachten dat dergelijke technologieën zullen worden gebruikt in medische toepassingen waar kleine verschillen tussen cellen grote gevolgen hebben, waaronder celgebaseerde medicijnscreening, stamcelonderzoek, kankerbehandeling en basisonderzoek naar hoe weefsels zich ontwikkelen.

Regev zegt dat ze heeft gewerkt met de nieuwe methoden om cellen in het netvlies van muizen en menselijke hersentumoren te classificeren, en ze vindt celtypen die nog nooit eerder zijn gezien. We weten niet echt waar we van gemaakt zijn, zegt ze.

Andere laboratoria racen om hun eigen onderzoeken te produceren en de onderliggende technologie te verbeteren. Vandaag publiceerde een team onder leiding van Stephen Quake van Stanford University zijn eigen onderzoek van 466 individuele hersencellen, en noemde het een eerste stap naar een uitgebreide cellulaire atlas van het menselijk brein.

Dergelijke onderzoeken zijn pas sinds kort mogelijk, zeggen wetenschappers. Een paar jaar geleden was de uitdaging om bruikbare gegevens uit afzonderlijke cellen te halen, zegt Sten Linnarsson, eencellige bioloog aan het Karolinska-instituut in Stockholm, Zweden. In maart gebruikte de groep van Linnarsson de nieuwe technieken om enkele duizenden cellen uit de hersenen van een muis in kaart te brengen, waarbij 47 soorten werden geïdentificeerd, waaronder enkele nog nooit eerder geziene subtypes.

Historisch gezien was de beste manier om een ​​enkele cel te bestuderen, ernaar te kijken door een microscoop. In kankerziekenhuizen beslissen pathologen op die manier of cellen kankerachtig zijn of niet: ze bevlekken ze met kleurstoffen, waarvan sommige voor het eerst werden geïntroduceerd in de vroege jaren 1900, en houden rekening met hun locatie en uiterlijk. De huidige methoden onderscheiden ongeveer 300 verschillende soorten, zegt Richard Conroy, een onderzoeksfunctionaris bij de National Institutes of Health.

Individuele cellen worden opgevangen en gescheiden in vloeistofbellen, zodat ze klaar zijn voor analyse.

De nieuwe technologie werkt in plaats daarvan door boodschapper-RNA-moleculen in een cel te catalogiseren. Deze berichten zijn het genetische materiaal dat de kern uitzendt om eiwitten te maken. De methode van Linnarsson hecht een unieke moleculaire streepjescode aan elk RNA-molecuul in elke cel. Het resultaat is een genexpressieprofiel, dat neerkomt op een vingerafdruk van een cel die zijn moleculaire activiteit weerspiegelt in plaats van hoe hij eruitziet.

Voorheen werden cellen gedefinieerd door een of twee markers, zegt Linnarsson. Nu kunnen we zeggen wat het volledige complement van genen is die in die cellen tot expressie worden gebracht.

Hoewel onderzoekers een paar jaar geleden hebben bepaald hoe ze RNA van een enkele cel nauwkeurig kunnen sequencen, is het pas recenter dat slimme innovaties in de chemie en microfluïdica hebben geleid tot een explosie van gegevens. Een Californisch bedrijf, Cellular Research, toonde dit jaar aan dat het cellen in microputjes kon sorteren en vervolgens het RNA van 3000 afzonderlijke cellen tegelijk kon meten, voor een paar centen per cel.

Wetenschappers denken dat de nieuwe eencellige methoden eerdere onderzoeksresultaten teniet kunnen doen. Dat komt omdat eerdere onderzoeken naar genexpressie waren gebaseerd op weefselmonsters of bloedmonsters die duizenden, zelfs miljoenen cellen bevatten. Het bestuderen van dergelijke gemengde mengsels betekende dat onderzoekers gemiddelden zagen, zegt Eric Lander, hoofd van het Broad Institute.

Eencellige genomica is in de afgelopen 18 maanden op een ongelooflijke manier volwassen geworden, vertelde Lander dit jaar aan een publiek van de National Institutes of Health. En als je je eenmaal realiseert dat we op het punt staan ​​om individuele cellen aan te maken, hoe zou je dan ooit een fruitsmoothie kunnen verdragen? Het is gewoon gek om genomics op smoothies te doen.

Lander, een van de leiders van het Human Genome Project, zegt dat het misschien tijd is om proefprojecten zoals die Regev leidt om te zetten in een bredere inspanning om een ​​definitieve atlas te maken - een die alle menselijke celtypen catalogiseert op genactiviteit en ze volgt vanaf de embryo tot aan de volwassenheid.

Het is een beetje voorbarig om een ​​nationaal of internationaal project aan te kondigen totdat er meer pilots zijn geweest, maar ik denk dat het een idee is dat erg in de lucht is, zei Lander in een telefonisch interview. Ik denk dat we [over twee jaar] in de positie zullen zijn waarin het gek zou zijn om deze informatie niet te hebben. Als we een periodiek systeem van de cellen hadden, zouden we als het ware de atomaire samenstelling van een bepaald monster kunnen achterhalen.

Genprofielen kunnen uiteindelijk worden gecombineerd met andere inspanningen om afzonderlijke cellen te bestuderen. Paul Allen, medeoprichter van Microsoft, zei afgelopen december dat hij 100 miljoen dollar zou uitgeven om een ​​nieuw wetenschappelijk instituut op te richten, het Allen Institute for Cell Science. Het zal stamcellen bestuderen en hun gedrag onder microscopen filmen terwijl ze zich ontwikkelen tot verschillende celtypes, met als uiteindelijk doel het creëren van een enorm geanimeerd model. Rick Horwitz, die die inspanning leidt, zegt dat het zal dienen als een soort Google Earth om de levenscyclus van een cel te verkennen.

Het uiteindelijke resultaat van het verzamelen van al deze gegevens, zegt Garry Nolan, een immunoloog aan de Stanford University, zal niet alleen een catalogus van celtypen zijn, maar een dieper begrip van hoe cellen samenwerken. De eencellige benadering is een tussenstation dat moet worden begrepen op weg naar het grotere systeem, zegt hij. Over 50 jaar zullen we waarschijnlijk elk molecuul in de cel dynamisch meten.

zich verstoppen