Kan vi identifiera alla typer av celler i kroppen?

Hur många typer av celler finns det i människokroppen? Läroböcker säger ett par hundra. Men det verkliga antalet är utan tvekan mycket större.

En mikrofluidisk enhet (i mitten) kan utföra experiment på enskilda celler.

Bit för bit kommer en ny, mer detaljerad katalog över celltyper fram från laboratorier som Aviv Regevs vid Broad Institute i Cambridge, Massachusetts, som tillämpar de senaste framstegen inom encellig genomik för att studera individuella celler med en hastighet och omfattning som tidigare var otänkbar.

Tekniken som tillämpas på Broad använder fluidiska system för att separera celler på mikroskopiska transportband och sedan skickar dem till detaljerad genetisk analys, i en takt av tusentals per dag. Forskare förväntar sig att sådan teknik kommer att användas i medicinska tillämpningar där små skillnader mellan celler har stora konsekvenser, inklusive cellbaserad läkemedelsscreening, stamcellsforskning, cancerbehandling och grundläggande studier av hur vävnader utvecklas.

Regev säger att hon har arbetat med de nya metoderna för att klassificera celler i musnäthinnor och mänskliga hjärntumörer, och hon hittar celltyper som aldrig tidigare setts. Vi vet inte riktigt vad vi är gjorda av, säger hon.

Andra labb tävlar om att producera sina egna undersökningar och förbättra den underliggande tekniken. Idag publicerade ett team under ledning av Stephen Quake från Stanford University sin egen undersökning av 466 individuella hjärnceller, som kallar det ett första steg mot en omfattande cellulär atlas över den mänskliga hjärnan.

Sådana undersökningar har först nyligen blivit möjliga, säger forskare. För ett par år sedan var utmaningen att få användbar data från enstaka celler, säger Sten Linnarsson, encellig biolog vid Karolinska Institutet i Stockholm. I mars använde Linnarssons grupp de nya teknikerna för att kartlägga flera tusen celler från en muss hjärna, och identifierade 47 typer, inklusive några undertyper som aldrig tidigare setts.

Historiskt sett var det bästa sättet att studera en enskild cell att titta på den genom ett mikroskop. På cancersjukhus är det så patologer avgör om celler är cancerösa eller inte: de färgar dem med färgämnen, några som introducerades först i början av 1900-talet, och överväger deras plats och utseende. Nuvarande metoder särskiljer cirka 300 olika typer, säger Richard Conroy, en forskningstjänsteman vid National Institutes of Health.

Enskilda celler fångas upp och separeras i bubblor av vätska, vilket gör dem redo för analys.

Den nya tekniken fungerar istället genom att katalogisera budbärar-RNA-molekyler inuti en cell. Dessa meddelanden är det genetiska material som kärnan skickar ut för att göra proteiner. Linnarssons metod fäster en unik molekylär streckkod till varje RNA-molekyl i varje cell. Resultatet är en genuttrycksprofil, som motsvarar ett fingeravtryck av en cell som återspeglar dess molekylära aktivitet snarare än hur den ser ut.

Tidigare definierades celler av en eller två markörer, säger Linnarsson. Nu kan vi säga vad som är det fulla komplementet av gener som uttrycks i dessa celler.

Även om forskare bestämde hur man exakt sekvenserar RNA från en enda cell för några år sedan, är det först på senare tid som smarta innovationer inom kemi och mikrofluidik har lett till en explosion av data. Ett företag i Kalifornien, Cellular Research, visade i år att det kunde sortera celler i mikrobrunnar och sedan mäta RNA från 3 000 separata celler på en gång, till priset av några ören per cell.

Forskare tror att de nya encelliga metoderna kan kullkasta tidigare forskningsrön. Det beror på att tidigare genuttrycksstudier baserades på vävnadsprover eller blodprover innehållande tusentals, till och med miljontals, celler. Att studera sådana blandade blandningar innebar att forskare såg genomsnitt, säger Eric Lander, chef för Broad Institute.

Encellig genomik har blivit myndig på ett otroligt sätt på bara de senaste 18 månaderna, berättade Lander för en publik vid National Institutes of Health i år. Och när du väl inser att vi är på väg att göra individuella celler, hur skulle du någonsin kunna stå ut med en fruktsmoothie? Det är bara galet att göra genomics på smoothies.

Lander, en av ledarna för Human Genome Project, säger att det kan vara dags att omvandla pilotprojekt som de som Regev leder till ett bredare försök att skapa en definitiv atlas – en som katalogiserar alla mänskliga celltyper efter genaktivitet och spårar dem från embryo hela vägen till vuxen ålder.

Det är lite för tidigt att deklarera ett nationellt eller internationellt projekt tills det har skett mer pilotprojekt, men jag tror att det är en idé som ligger väldigt mycket i luften, sa Lander i en telefonintervju. Jag tror att vi [om två år] kommer att vara i en position där det skulle vara galet att inte ha den här informationen. Om vi ​​hade ett periodiskt system över cellerna skulle vi kunna räkna ut, så att säga, atomsammansättningen av ett givet prov.

Genprofiler kan så småningom kombineras med andra försök att studera enstaka celler. Paul Allen, Microsofts medgrundare, sa i december förra året att han skulle spendera 100 miljoner dollar för att skapa ett nytt vetenskapligt institut, Allen Institute for Cell Science. Den kommer att studera stamceller och filma deras beteende under mikroskop när de utvecklas till olika celltyper, med det slutliga målet att skapa en massiv animerad modell. Rick Horwitz, som leder det arbetet, säger att det kommer att fungera som ett slags Google Earth för att utforska en cells livscykel.

Den slutliga utdelningen av att samla in all denna data, säger Garry Nolan, en immunolog vid Stanford University, kommer inte bara att vara en katalog över celltyper, utan en djupare förståelse för hur celler fungerar tillsammans. Encellsansatsen är en mellanstation som måste förstås på vägen till att förstå det större systemet, säger han. Om 50 år kommer vi förmodligen att mäta varje molekyl i cellen dynamiskt.

Dölj