Avance del atlas de las células humanas con una resolución comparable a Google Maps

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La segunda mitad del siglo XV se caracterizó por una expansión sin precedentes en el conocimiento del mundo, gracias a instrumentos como la brújula, y a los rudimentarios mapas existentes y cartas de navegación. Seis siglos después, en el primer cuarto del XXI, una corporación internacional y multidisciplinar de investigadores se afanan en redescubrir con todo detalle nuestro ‘mundo interior’, compuesto por 37 200 millones de células con una precisión sin precedentes.

Para ello cuentan también con nuevas técnicas, como la genómica y la inteligencia artificial. Su combinación supone un paso de gigante que permite alcanzar una enorme resolución capaz de identificar células individuales a partir de sus firmas genéticas, con el objetivo de comprender la salud y la enfermedad humanas a nivel celular. Un desafío crucial para el avance de la ciencia médica.

Esta revolución en la resolución alcanza a revelar al detalle cómo se forman la placenta y el esqueleto, los cambios que tienen lugar durante la maduración del cerebro, y permite descubrir ‘nuevos estados’ de las células intestinales y vasculares, las respuestas de los pulmones a la covid-19 o cómo la variación genética afecta a las distintas patologías.

Estos y otros progresos en la comprensión de las células del cuerpo humano se publican hoy en Nature y otras revistas del grupo en una colección de más de 40 artículos, liderados por investigadores del consorcio global Human Cell Atlas (HCA), que cuenta con participación española.

La era de la alta resolución

Para rastrear la magnitud de este paso adelante, basta con echar la vista unos ocho años atrás, a 2016, cuando se inició el proyecto HCA, como explicó en la rueda de prensa organizada por Nature para presentar estos avances, Sarah Teichmann, copresidenta fundadora y responsable de genética celular en el Instituto Wellcome Sanger de Cambridge (Reino Unido).

En términos de comparación con este atlas, basta pensar que antes los científicos solo contaban con el equivalente a los mapas de los siglos XV y XVI, que “tenían alguna información, pero no alta resolución. Reflejaban algunas rutas, algo de la geografía, pero había porciones de terra incógnita [tierra que no había sido explorada]”, apunta Teichmann.

Una década después, señala esta experta, la resolución es mucho mayor. Ahora pueden verse las calles en detalle [tejidos humanos], lo que está sucediendo en ellas y los cambios dinámicos en el flujo de vehículos [células]. “Ese es el salto que hemos dado, pasar de mapas que parecen tan rudos como los del siglo XV al atlas actual, que tienen la resolución de Google Maps para la biología celular”.

El consorcio HCA se fundó en 2016 con el objetivo de construir un atlas biológico de cada tipo de célula del cuerpo humano. Más de 3 600 miembros en 102 países aportan datos relacionados con 18 redes biológicas del organismo. Se espera que esté listo en 2026. Algunos de los trabajos ya han sido publicados con anterioridad, como el que permitió determinar las vías de entrada de la covid al organismo.

Atlas del tracto gastrointestinal

Ahora, esta última colección destaca los hallazgos recientes en tres áreas clave. En primer lugar, se han generado nuevos datos a partir de tejidos durante el desarrollo humano, como los liderados por Teichmann, sobre los huesos del cráneo y las articulaciones de la cadera, la rodilla y el hombro. Además, da pistas sobre el origen de la artritis y también identifica las células involucradas en las afecciones esqueléticas.

También se presentan análisis integrados de datos disponibles para órganos o sistemas biológicos específicos. Así, otro trabajo del grupo de Teichmann, cuya primera autora es Amanda Oliver, publica el atlas del tracto gastrointestinal, desde los tejidos de la boca hasta el colon, creado a partir de tejido sano y enfermo. Este identifica un tipo de célula que puede estar involucrada en la inflamación intestinal, como ocurre en la enfermedad de Crohn.

“Este estudio muestra que las células que ya están en una etapa metaplásica, es decir, en el camino hacia el cáncer, actúan como inflamatorias y atraen linfocitos”, señala Ángela Nieto, investigadora del Instituto de Neurociencias de Alicante, que analiza para SINC este grupo de nuevos estudios.

Arquitectura molecular de la placenta

En otro de los trabajos se ha determinado la arquitectura molecular de la placenta humana a partir de unas 70 000 células individuales extraídas de mujeres durante el primer trimestre del embarazo.

Se trata de un abordaje muy relevante, puesto que el éxito del embarazo depende directamente de las complejas y dinámicas redes reguladoras de genes de la placenta, el primer órgano fetal, cuyo fallo provoca enfermedades como la hipertensión y la diabetes gestacional, el parto prematuro, la restricción del crecimiento fetal, la preeclampsia y el aborto.

De hecho, la interrupción de la vasta colección de programas intercelulares e intracelulares conduce a complicaciones del embarazo y defectos en el desarrollo.

Organoides cerebrales

No podía faltar un atlas integrado de células de organoides cerebrales, liderado por Barbara Treutlein, que proporciona información sobre la eficacia con la que los estos miniórganos capturan aspectos del cerebro en desarrollo.

Para Nieto, “esta investigación va a permitir además tener una especie de control de calidad, para que quienes trabajen con organoides de células humanas, en este caso de cerebro, puedan tener una idea de cómo lo están haciendo, porque proporciona unos criterios de calidad bastante bien establecidos”.

Teichmann señala que el cerebro, como era de esperar, es el órgano del cuerpo que probablemente tiene el mayor número de tipos de células distintos. Y todavía se están haciendo descubrimientos, porque está apenas en las primeras etapas de su mapeo.

“En Neurociencias ya existen iniciativas como el Allen Brain Atlas, pero están focalizados solamente en el cerebro. El Human Cell Project propone una descripción sin precedentes de los tipos celulares en diferentes tejidos y órganos”, apunta a SINC Mara Dierssen, presidenta del Consejo Español del Cerebro e investigadora en el Centro de Regulación Genómica (CRG).

“Es más, en enfermedades como el alzhéimer, el párkinson o la esquizofrenia, el HCA puede ayudar a identificar qué células se ven afectadas, cómo cambia su perfil molecular y cuáles podrían ser las mejores dianas terapéuticas”, añade.

Integración computacional

El proceso de recopilación de datos previsto para el primer borrador está prácticamente terminado, como puntualizó en la rueda de prensa Aviv Regev, bióloga computacional y vicepresidenta ejecutiva de la empresa Genentech. Queda en la actualidad un trabajo de integración computacional. También se han desarrollado herramientas analíticas, incluido un método basado en el aprendizaje automático que busca células similares en función de sus perfiles de expresión.

Por ejemplo, SCimilarity permite a los investigadores comparar conjuntos de datos de una sola célula para identificar tipos de células similares en diferentes tejidos y contextos, de manera análoga a cómo la ‘búsqueda inversa de imágenes’ puede buscar fotos.

Esto tendrá muchas implicaciones potenciales en el futuro: “Mejorará nuestra comprensión de cómo la diversidad celular influye en las respuestas individuales a los tratamientos médicos y ayudará a investigar las bases genéticas de las enfermedades a nivel celular”, concluye Regev.