Possiamo identificare ogni tipo di cellula nel corpo?

Quanti tipi di cellule ci sono nel corpo umano? I libri di testo dicono un paio di centinaia. Ma il numero vero è senza dubbio molto più grande.

Un dispositivo microfluidico (al centro) può effettuare esperimenti su singole cellule.

Pezzo dopo pezzo, un nuovo catalogo più dettagliato dei tipi cellulari sta emergendo da laboratori come quello di Aviv Regev presso il Broad Institute di Cambridge, Massachusetts, che stanno applicando i recenti progressi nella genomica unicellulare per studiare le singole cellule a una velocità e scala prima impensabile.

La tecnologia applicata al Broad utilizza sistemi fluidici per separare le cellule su nastri trasportatori microscopici e quindi sottoporle ad analisi genetiche dettagliate, al ritmo di migliaia al giorno. Gli scienziati si aspettano che tali tecnologie trovino impiego in applicazioni mediche in cui piccole differenze tra le cellule hanno grandi conseguenze, inclusi screening dei farmaci basati sulle cellule, ricerca sulle cellule staminali, trattamento del cancro e studi di base sullo sviluppo dei tessuti.

Regev afferma di aver lavorato con i nuovi metodi per classificare le cellule nelle retine di topo e nei tumori del cervello umano e sta trovando tipi cellulari mai visti prima. Non sappiamo davvero di cosa siamo fatti, dice.

Altri laboratori stanno gareggiando per produrre i propri sondaggi e migliorare la tecnologia sottostante. Oggi un team guidato da Stephen Quake della Stanford University ha pubblicato la propria indagine su 466 singole cellule cerebrali, definendola un primo passo verso un atlante cellulare completo del cervello umano.

Tali sondaggi sono diventati possibili solo di recente, affermano gli scienziati. Un paio di anni fa, la sfida era ottenere tutti i dati utili da singole cellule, afferma Sten Linnarsson, un biologo unicellulare al Karolinska Institute di Stoccolma, in Svezia. A marzo, il gruppo di Linnarsson ha utilizzato le nuove tecniche per mappare diverse migliaia di cellule del cervello di un topo, identificandone 47 tipi, inclusi alcuni sottotipi mai visti prima.

Storicamente, il modo migliore per studiare una singola cellula era osservarla attraverso un microscopio. Negli ospedali oncologici, è così che i patologi decidono se le cellule sono cancerose o meno: le colorano con coloranti, alcuni introdotti per la prima volta all'inizio del 1900, e ne considerano la posizione e l'aspetto. I metodi attuali distinguono circa 300 tipi diversi, afferma Richard Conroy, un funzionario della ricerca presso il National Institutes of Health.

Le singole cellule vengono catturate e separate in bolle di liquido, preparandole per l'analisi.

La nuova tecnologia funziona invece catalogando le molecole di RNA messaggero all'interno di una cellula. Questi messaggi sono il materiale genetico che il nucleo invia per produrre le proteine. Il metodo di Linnarsson associa un codice a barre molecolare univoco a ogni molecola di RNA in ogni cellula. Il risultato è un profilo di espressione genica, che equivale a un'impronta digitale di una cellula che riflette la sua attività molecolare piuttosto che come appare.

In precedenza, le cellule erano definite da uno o due marcatori, afferma Linnarsson. Ora possiamo dire qual è il complemento completo dei geni espressi in quelle cellule.

Sebbene alcuni anni fa i ricercatori abbiano determinato come sequenziare accuratamente l'RNA da una singola cellula, è solo più recentemente che innovazioni intelligenti nella chimica e nella microfluidica hanno portato a un'esplosione di dati. Una società californiana, Cellular Research, ha dimostrato quest'anno che potrebbe ordinare le cellule in micro-pozzetti e quindi misurare l'RNA di 3.000 cellule separate contemporaneamente, al costo di pochi centesimi a cellula.

Gli scienziati ritengono che i nuovi metodi unicellulari potrebbero ribaltare i risultati della ricerca precedente. Questo perché i precedenti studi sull'espressione genica erano basati su campioni di tessuto o campioni di sangue contenenti migliaia, persino milioni, di cellule. Lo studio di tali miscele miste significava che i ricercatori vedevano delle medie, afferma Eric Lander, capo del Broad Institute.

La genomica unicellulare è diventata maggiorenne in un modo incredibile solo negli ultimi 18 mesi, ha detto Lander a un pubblico del National Institutes of Health quest'anno. E una volta che ti rendi conto che siamo al punto di creare singole cellule, come potresti mai sopportare un frullato di frutta? È solo da pazzi fare genomica sui frullati.

Lander, uno dei leader del Progetto Genoma Umano, afferma che potrebbe essere il momento di trasformare progetti pilota come quelli che Regev sta portando a uno sforzo più ampio per creare un atlante definitivo, uno che cataloghi tutti i tipi di cellule umane in base all'attività genica e li tenga traccia dal embrione fino all'età adulta.

È un po' prematuro dichiarare un progetto nazionale o internazionale fino a quando non ci sarà più pilotaggio, ma penso che sia un'idea che è molto nell'aria, ha detto Lander in un'intervista telefonica. Penso che [tra due anni] saremo nella posizione in cui sarebbe pazzesco non avere queste informazioni. Se avessimo una tavola periodica delle cellule, saremmo in grado di capire, per così dire, la composizione atomica di un dato campione.

I profili genici potrebbero eventualmente essere combinati con altri sforzi per studiare le singole cellule. Paul Allen, cofondatore di Microsoft, ha dichiarato lo scorso dicembre che avrebbe speso 100 milioni di dollari per creare un nuovo istituto scientifico, l'Allen Institute for Cell Science. Studierà le cellule staminali e filmerà il loro comportamento al microscopio mentre si sviluppano in vari tipi di cellule, con l'obiettivo finale di creare un enorme modello animato. Rick Horwitz, che guida questo sforzo, afferma che servirà come una sorta di Google Earth per esplorare il ciclo di vita di una cellula.

Il risultato finale della raccolta di tutti questi dati, afferma Garry Nolan, immunologo della Stanford University, non sarà solo un catalogo di tipi cellulari, ma una comprensione più profonda di come le cellule lavorano insieme. L'approccio a cellula singola è una stazione di passaggio che deve essere compresa sulla strada per comprendere il sistema più ampio, afferma. Tra 50 anni, probabilmente misureremo ogni molecola nella cellula in modo dinamico.

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