L’Atlante delle cellule umane: un progetto che sta diventando realtà

Avere a disposizione un catalogo di geni grazie allo Human Genome Project ha trasformato la ricerca nell’ambito della biologia umana e delle malattie. Allo stesso modo, i ricercatori impegnati nel progetto credono che l'atlante delle cellule umane catalizzerà i progressi nella biologia e nella medicina. Human Cell Atlas, questo è il nome del progetto, ha come obiettivo la creazione di mappe di riferimento complete di tutte le cellule del corpo umano che serviranno da base per la ricerca, la diagnosi, il monitoraggio e il trattamento terapeutico.
Laura Mosca, 03 Novembre 2017
Micron
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Biologia Molecolare

Le nostre conoscenze delle cellule che compongono il corpo umano, come variano da persona a persona, quali modificazioni intervengono durante lo sviluppo, quali differenze distinguono le cellule in salute da quelle malate, sono ancora molto limitate. A un anno dalla pianificazione del progetto, più di 130 biologi, scienziati computazionali, tecnici e clinici si sono riuniti a Rehovot, Israele, per rilanciare l’iniziativa Human Cell Atlas.
Si tratta di un progetto ambizioso ufficialmente in corso, una collaborazione internazionale tra centinaia di scienziati provenienti da decine di università e istituti prestigiosi in tutto il mondo – tra cui il Wellcome Trust Sanger Institute nel Regno Unito, RIKEN in Giappone, l’Istituto Karolinska di Stoccolma e il Broad Institute di MIT e Harvard a Cambridge, Massachusetts – il cui scopo è quello di creare mappe di riferimento complete di tutte le cellule del corpo umano che serviranno da base per la ricerca, la diagnosi, il monitoraggio e il trattamento terapeutico.
Da quando Robert Hooke le identificò per la prima volta al microscopio nel XVII secolo, le cellule sono state caratterizzate e classificate con maggiore precisione; ma finora non sono stati ancora determinati tutti i costituenti molecolari delle cellule, né si è stabilito come tali costituenti si associno nei tessuti, nei sistemi e negli organi.
Non sappiamo come le cellule del nostro organismo cambiano da uno stato all’altro, quali cellule interagiscono tra loro o come vengono alterate durante lo sviluppo. Le nuove tecnologie offrono l’opportunità di costruire un atlante sistematico con una risoluzione senza precedenti utilizzando metodiche quali il sequenziamento del RNA di singole cellule fino alle tecniche per valutare le molecole proteiche all’interno di una cellula e per profilare l’accessibilità della cromatina.
L’atlante aiuterà i ricercatori a rispondere a molteplici quesiti fondamentali in diversi campi della biologia: nella tassonomia cellulare potrebbe consentire la scoperta e l’identificazione di tipi di cellule e marcatori o firme molecolari; nell’istologia permetterebbe ai ricercatori di mettere in relazione la struttura tissutale alla posizione delle cellule e delle molecole; i biologi dello sviluppo potrebbero utilizzarlo per tenere traccia del destino cellulare e del lignaggio; i fisiologi potrebbero caratterizzare stati dinamici, come il ciclo cellulare, e risposte transitorie, come la reazione di una cellula T ad un agente patogeno.
L’atlante potrebbe inoltre facilitare la ricerca sui meccanismi molecolari della comunicazione all’interno e tra le cellule e permetterebbe ai biologi di confrontare i tipi di cellule tra le specie per comprendere meglio l’evoluzione umana e per determinare in che misura i modelli e gli organoidi dei modelli animali riflettono la biologia umana. Ultimo ma non meno importante, nella ricerca clinica l’atlante permetterebbe ai ricercatori di confrontare le cellule di riferimento sane con quelle malate nei tessuti pertinenti e facilitare lo sviluppo di farmaci e previsioni più accurate sulla tossicità non intenzionale.
Gli studi iniziali stanno già mostrando enormi potenzialità in tutte queste aree. Nuovi tipi di cellule sono stati trovati nel cervello, nell’intestino, nella retina e nel sistema immunitario, e queste scoperte hanno aperto nuovi scenari, ad esempio sul modo in cui il sistema immunitario funziona e sulle dinamiche degli ecosistemi tumorali.

LE SFIDE DEL PROGETTO HUMAN CELL ATLAS
Costruire un atlante delle cellule umane veramente utile necessita di una visione di ampio respiro e richiederà di affrontare diverse sfide sistemiche e organizzative, nonché tecniche e scientifiche. In primo luogo i ricercatori coinvolti dovranno concordare sugli obiettivi da porsi; inoltre per poter essere condivisibile e fruibile da parte di tutta la comunità scientifica l’atlante delle cellule umane dovrà essere una risorsa aperta su molti livelli. Il progetto dovrà avvalersi di una organizzazione efficace che possa garantire che i campioni vengano ottenuti in modo appropriato.
Considerata l’enorme complessità del corpo umano e la rapida evoluzione delle tecniche sperimentali per l’osservazione di cellule e tessuti e per l’analisi dei dati, gli scienziati intendono costruire l’atlante per gradi e generare mappe di riferimento a una risoluzione crescente man mano che il progetto procede.
Prendendo spunto dall’esperienza maturata dal Human Genome Project (il progetto genoma umano che ha portato all’identificazione e mappatura del genoma umano), la prima bozza dell’atlante riguarderà le caratteristiche molecolari e spaziali delle cellule e si concentrerà esclusivamente sulle tipologie di cellule che è possibile riscontrare in percentuale superiore all’1% del campione. Queste cellule saranno ottenute dai principali tessuti prelevati da donatori sani, tenendo conto della diversità genetica, della posizione geografica e dell’età dell’individuo. Benché in questa prima fase della creazione dell’atlante la malattia non rappresenti il focus, i ricercatori intendono esaminare anche alcuni campioni patologici per compararli alle cellule sane. La prima stesura si concentrerà sui tessuti, non sugli organi interi che verranno presi in considerazione nelle fasi successive.
L’atlante ha lo scopo di ricreare una rappresentazione dettagliata delle molecole, delle cellule, dei tessuti, degli organi e dei sistemi, consentendo ai ricercatori di ingrandire e ridurre il campo di indagine nell’osservazione dei dati dell’atlante per identificare strutture ed interazioni a vari livelli di risoluzione.
È perciò fondamentale che chi compila l’atlante stabilisca con precisione quante cellule esaminare, quali caratteristiche molecolari analizzare, come assegnare le cellule a categorie differenti e come suddividere queste categorie, stabilendo come collegare i diversi livelli di informazioni cellulari e spaziali derivate da campioni differenti riconducendole ad un singolo riferimento anatomico e sviluppando quello che viene definito un quadro comune di coordinate.
Il progetto è già aperto a tutti i partecipanti interessati e impegnati nella sua creazione. Discussioni su particolari organi, tessuti, tecnologie o approcci computazionali sono già attive su oltre una dozzina di canali Slack (una piattaforma di messaggistica per team di lavoro che integra insieme diversi canali di comunicazione in un unico servizio) ai quali tutti possono accedere.
Ove possibile, i dati dell’atlante saranno resi disponibili pubblicamente in una piattaforma di coordinamento dei dati open-source, immediatamente dopo essere stati raccolti e aver superato il controllo di qualità. Saranno condivisi anche tutti gli standard stabiliti per garantire la produzione di dati di alta qualità così come le nuove tecnologie e i metodi computazionali derivanti dal progetto. I dati dell’atlante e i risultati delle analisi saranno condivisi anche in cluod pubbliche (Google, Amazon e Microsoft) per garantire l’accesso a chiunque.
Per quanto possibile, l’atlante dovrà riflettere la diversità dell’uomo e dell’esperienza umana. L’ampia distribuzione dei ricercatori, delle istituzioni e dei paesi coinvolti nell’iniziativa, di per sé, contribuirà a garantire la diversità dei tessuti. L’iniziativa attualmente comprende membri provenienti da 5 continenti e più di 18 paesi, tra cui Giappone, Israele, Sudafrica, Cina, India, Singapore, Canada e Australia. Ottenere consensi e conquistare la fiducia pubblica fin dall’inizio contribuirà anche a ottenere una sufficiente diversità geografica, di genere, di età e di genetica nel campionamento. Nell’ambito dell’iniziativa globale, un gruppo di lavoro etico stabilirà come meglio ottenere il consenso informato dai donatori di campioni, come rispettare i termini del consenso e come proteggere in modo adeguato la riservatezza dei partecipanti e dei donatori.
L’ottenimento di campioni di tessuto utilizzando procedure standardizzate, permetterà ad altri ricercatori di sapere esattamente da dove proveniva il campione. I ricercatori lavoreranno sia con tessuti freschi da donatori vivi sia con campioni postmortem o provenienti da donatori di organi trapiantati.
Il consorzio Human Cell Atlas è costruito su quattro pilastri distinti e interconnessi. Le reti biologiche collaborano coinvolgendo esperti in sistemi o organi biologici, in genomica, calcolo e ingegneria. Unforum tecnico che coinvolge esperti di genomica, specialisti di imaging e biotecnologi sta sviluppando nuove tecnologie e testando, confrontando e diffondendo quelle esistenti. È stata creata una piattaforma di coordinamento dei dati attraverso la quale anche metodi e algoritmi computazionali sviluppati da qualsiasi gruppo interessato possono essere condivisi. Le attività in tutti i settori sono attualmente governate da un gruppo scientifico direttivo, il comitato organizzatore di Human Cell Atlas, co-presieduto da Aviv Regev e Sarah A. Teichmann, che include 27 scienziati provenienti da 10 paesi e da diverse aree di competenza. Il comitato istituisce gruppi di lavoro (circa 5 finora, composti da 5 a 15 membri ciascuno) che affrontano aree specifiche. Il comitato governa la piattaforma di coordinamento dei dati, comprese tutte le decisioni politiche e l’approvazione del suo piano generale.
Avere a disposizione un catalogo di geni grazie allo Human Genome Project ha trasformato la ricerca nell’ambito della biologia umana e delle malattie. Allo stesso modo, i ricercatori impegnati nel progetto credono che l’atlante delle cellule umane catalizzerà i progressi nella biologia e nella medicina. Definizioni come “tipo di cella” e “stato cellulare” possono essere difficili da identificare al momento. Uno sforzo integrativo e sistematico da parte di numerose squadre di scienziati che lavorano insieme e che portano diverse esperienze al problema può decisamente affinare la nostra terminologia e rivoluzionare il modo in cui vediamo le nostre cellule, tessuti e organi. Tutti gli scienziati sono invitati ad aderire allo sforzo.

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