Organoidi & Bioingegneria: Un atlante multi-tessuto per le malattie sistemiche complesse

La nuova mappa cross-tissutale è la prima a integrare i dati sull’espressione di geni associati a malattie complesse - come il cancro o la fibrillazione atriale - in 8 tessuti diversi.

Lo stesso spirito di esplorazione che ci ha portato ad attraversare gli oceani e scalare le montagne per disegnare mappe sempre più accurate del nostro pianeta, ha anche spinto i ricercatori a compilare una mappa di tutti i 37 trilioni di cellule nel corpo umano. Un’avventura che è iniziata nel 2016, quando è stato istituito il consorzio internazionale Human Cell Atlas (HCA), e prosegue ancora oggi, con obiettivi sempre più ambiziosi. I ricercatori del Broad Institute del MIT e di Harvard hanno da poco descritto sulle pagine di Science un nuovo atlante incrociando i dati sull’espressione genica di tutti i tipi di cellule in 8 tessuti diversi. Un nuovo sforzo di mappatura che contribuirà a fare luce sulle malattie complesse che, come il cancro, hanno effetti su più organi.

UNA MAPPA DELLE CELLULE UMANE

Il progetto nasce all’interno dell’HCA, che dal 2016 crea mappe di riferimento complete di tutte le cellule umane. Una collaborazione internazionale di circa 2300 membri provenienti da oltre 1000 istituti, per un totale di 83 Paesi diversi. Il programma è ambizioso ma realizzabile, grazie ai nuovi metodi di biologia molecolare, come la genomica a singola cellula o la trascrittomica spaziale. In altre parole, i ricercatori sono ora in grado di stabilire quali tra i circa 20.000 geni umani sono espressi in ciascuna cellula e come variano a seconda della sua posizione nel tessuto. 

L’HCA è un progetto di ampio respiro, che negli anni ha dato anche vita a programmi secondari come lo Human Cell Development Atlas (sulle cellule dello sviluppo prenatale), lo Human BioMolecular Atlas Program (sulle connessioni di ciascuna cellule del corpo umano con quelle circostanti) e l’Organoid Cell Atlas (un catalogo open access degli organoidi umani). Le sue mappe contribuiscono alla comprensione della biologia umana e alla creazione di nuovi strumenti per la diagnosi e per la messa a punto di terapie per malattie che hanno una base genetica.

LA SFIDA DELLE MALATTIE COMPLESSE

Come è ben noto, il rischio di sviluppare alcune malattie è associato ad una o più mutazioni genetiche. In questo panorama, le malattie monogeniche, ossia quelle causate dalla mutazione in un singolo gene, sono solo una piccola parte. Spesso le varianti genetiche associate a una malattia sono più di una e possono interessare tipi cellulari, tessuti e organi diversi – in una rete intricata di relazioni e influenze ancora tutta da dipanare.

Sono un esempio alcune malattie vascolari o del muscolo scheletrico, il diabete e il cancro. La comprensione dei meccanismi alla base di queste malattie complesse e multifattoriali rappresenta una grossa sfida per i “mappatori di cellule”. Quindi non basta, come è stato fino ad ora, realizzare mappe di riferimento di singoli tessuti, sani o patologici. Il passo successivo è quello di integrare i dati dei diversi atlanti, generati a partire da tessuti diversi e da un campione numeroso, per rappresentare l’eterogeneità della popolazione. Ma un potenziale ostacolo è la raccolta dei tessuti freschi da così tante persone e l’isolamento delle singole cellule, soprattutto nel caso di cervello, muscolo o grasso.

UN NUOVO ATLANTE MULTI-TESSUTO

I ricercatori del Broad Institute del MIT e Harvard hanno usato un nuovo metodo che funziona anche sui campioni congelati e conservati per altri scopi. Hanno prima estratto i nuclei cellulari dai tessuti e poi isolato e sequenziato l’RNA. Quando un gene è attivo viene trascritto in RNA messaggero (mRNA), molecola che poi trasporta l’informazione fino ai ribosomi, considerate le fabbriche delle proteine. L’mRNA, quindi, indica in ogni momento quali geni sono espressi da una cellula e in che misura. Grazie a questa tecnica e a metodi computazionali per l’integrazione dei dati, i ricercatori hanno realizzato un nuovo atlante multi-tessuto primo nel suo genere. 

Il materiale era composto da 25 campioni di tessuto congelati e archiviati per il progetto Genotype-Tissue Expression (GTEx), nato con l’obiettivo di studiare l’espressione e la regolazione dei geni in tessuti specifici. Più in particolare in un totale di 8 tessuti diversi: esofago, mucosa dell’esofago, cuore, polmone, pelle, mammella e muscolo scheletrico. I ricercatori hanno testato quattro protocolli di estrazione dei nuclei e dell’RNA, diversi a seconda del tipo di tessuto. I numeri sono da capogiro: 200.000 nuclei estratti, con in media 900 geni e 1500 molecole di RNA sequenziate per ogni nucleo.

I ricercatori hanno quindi censito i tipi cellulari presenti negli otto tessuti e mappato l’espressione di varianti genetiche associate a malattie complesse, estrapolate da studi di associazione condotti su popolazioni molto grandi. Hanno poi incrociato i dati con un sistema computazionale (il software è open-access) per verificare se questi erano espressi in maniera specifica in determinati tipi cellulari o tessuti. Sono circa 20 le malattie e i tratti complessi presi in esame, tra cui la fibrillazione atriale, la malattia coronarica, il cancro al seno, il cancro alla prostata, i tumori della pelle (melanoma e non melanoma) e le malattie autoimmuni.

I RISULTATI

L’analisi dei tessuti ha confermato alcune associazioni già note, ma ne ha anche suggerite di nuove o meno consolidate. Ad esempio, dai risultati è emerso un legame tra i periciti, cellule che formano la parete di venule e capillari, e le malattie coronariche e i disturbi del ritmo cardiaco. Ma anche tra le cellule endoteliali linfatiche presenti in vari tessuti e il diabete di tipo II, che potrebbe spiegare l’aumento del tasso di malattie cardiovascolari nei pazienti con diabete.

Una novità rispetto al passato è che l’espressione dei geni associati a una determinata patologia è stata vista non solo nel tessuto principale, ma anche in altri tessuti. I geni associati alla fibrillazione atriale, ad esempio, erano espressi non solo nel cuore, ma anche nel muscolo scheletrico, nell’esofago e nella prostata; quelli del cancro alla prostata anche nella mammella.

I ricercatori stanno già testando questo approccio per lo studio del glaucoma e sperano di poterlo estendere anche alla degenerazione maculare legata all’età e ad altre malattie dell’occhio. Scoprire quali cellule sono associate a una certa patologia e con quale ruolo, anche al di fuori dell’organo direttamente interessato, aiuterà a comprendere meglio le basi della malattia e a studiare nuove strategie per la prevenzione e la cura.

Di: Erika Salvatori , 01 Giugno 2022