La maternitate, nou-născuţilor li se plasează în mod obişnuit la încheietura mâinii benzi care conţin informaţii importante de identificare, cum ar fi numele, sexul, mama şi data naşterii. Cercetătorii de la Universitatea Rockefeller din New York au adoptat aceeaşi abordare cu celulele cerebrale nou-născute, care însă îşi vor păstra etichetele de identificare pe viaţă, astfel încât oamenii de ştiinţă să poată urmări modul în care acestea cresc şi se maturizează, ca mijloc de a înţelege mai bine procesul de îmbătrânire a creierului.
Aşa cum este descrisă într-o nouă lucrare publicată recent în revista Cell, noua metodă dezvoltată de geneticianul american Junyue Cao, de la Rockefeller, şi de colegii săi, se numeşte TrackerSci (pronunţat sky).
Această abordare low-cost şi de mare randament a dezvăluit deja că, deşi celulele nou-născute continuă să fie produse pe tot parcursul vieţii, tipurile de celule produse variază foarte mult la vârste diferite.
Această lucrare revoluţionară promite să influenţeze nu numai studiul creierului, ci şi aspecte mai largi ale îmbătrânirii şi bolilor corpului uman.
Celula este unitatea funcţională de bază a corpului uman, astfel încât modificările la nivelul celulei stau, practic, la baza a tuturor bolilor şi a procesului de îmbătrânire, explică Cao, şeful laboratorului de genomică unicelulară şi dinamică a populaţiei.
„Dacă putem caracteriza sistematic diferitele celule şi dinamica lor cu ajutorul acestei tehnici noi, am putea obţine o imagine panoramică a mecanismelor multor boli şi a enigmei îmbătrânirii", a declarat el.
Celule rare dar puternice
În creierul mamiferelor adulte se produc continuu celule noi, un proces critic asociat cu memoria, învăţarea şi stresul.
Acestea se dezvoltă din celule progenitoare - descendenţii celulelor stem adulte care se diferenţiază în tipuri de celule specializate.
Cu toate acestea, modul în care se desfăşoară acest proces a fost în mare parte necunoscut, atât din cauza limitărilor tehnologice, cât şi a rarităţii celulelor.
Găsirea de celule progenitoare în creier este ca şi cum ai căuta un ac în carul cu fân, spune Cao, întrucât la mamifere, acestea reprezintă doar 0,5 % din toate celulele creierului.
Acest număr scade la 0,1 la sută în etapele ulterioare ale vieţii, o schimbare descendentă datorată instabilităţii celulare, o caracteristică esenţială a bolilor şi a îmbătrânirii.
Echipa geneticianului studiază modul în care ţesuturile şi organele menţin populaţii stabile de celule, un semn distinctiv al sănătăţi.
Echipa de cercetători americani şi-a propus să investigheze modul în care se dezvoltă diferite populaţii celulare şi dacă aceste celule neuronale variate scad în acelaşi mod sau urmează drumuri diferite.
Urmărirea duratei de viaţă a celulelor de la naştere până la maturitate ar dezvălui nu doar diferenţele, ci şi momentul în care acestea au apărut.
Laboratorul este specializat în optimizarea metodelor de secvenţiere monocelulară, o abordare din ce în ce mai populară a analizei care se concentrează asupra expresiei genetice şi a dinamicii moleculare a celulelor individuale.
Grupul lui Cao utilizează indexarea combinatorie, o tehnică sofisticată, dar rentabilă, care permite analiza simultană a milioane de celule.
Această metodă marchează în mod unic moleculele celulare cu coduri de bare distincte care se corelează cu ansamblul molecular unic al fiecărei celule.
Cu ajutorul TrackerSci, Cao şi colegii săi au perfecţionat şi mai mult această tehnică.
Îmbunătăţirile permit etichetarea şi urmărirea meticuloasă a dinamicii celulelor progenitoare rare din organele mamiferelor.
„Este ca o combinaţie într-o carte de identitate şi un dispozitiv de urmărire GPS", spune Cao.
Tânăr versus bătrân
Pentru studiul actual, cercetătorii au analizat mai mult de 10.000 de celule progenitoare nou-născute din creiere întregi de şoareci care acoperă trei vârste (tineri, maturi şi vârstnici) cu o moleculă sintetică cunoscută sub numele de 5-ethinil-2-deoxiuridină (EdU).
Pe măsură ce aceste celule nou-născute s-au diferenţiat, au proliferat şi s-au dispersat, EdU a continuat să le marcheze ADN-ul, funcţionând ca un dispozitiv de urmărire GPS.
Această tehnică inovatoare le-a permis cercetătorilor să analizeze zeci de mii de expresii genetice şi peisajele de cromatină ale acestor celule nou-născute, pe măsură ce acestea se transformau în familii de tipuri de celule cu funcţii moleculare diferite.
„Am reuşit să cuantificăm ratele de proliferare celulară şi de diferenţiere a multor tipuri de celule din întregul creier într-un singur experiment, ceea ce nu a fost posibil cu ajutorul abordărilor convenţionale", spune Cao.
Potrivit acestuia, abordările existente captează doar informaţii statice, referitoare la starea moleculară curentă a unei celule la un singur moment dat.
Noua metodă, TrackerSci captează informaţii dinamice de-a lungul timpului.
„Este ca şi cum alte metode ar face instantanee, iar noi înregistrăm un film", a menţionat cercetătorul american.
Unele personaje clare, dar şi surprinzătoare, au apărut din aceste filme, spune Cao. Cel mai izbitor pentru cercetători a fost să observe că, au existat schimbări radicale în tipul de celule generate, în funcţie de vârsta şoarecelui.
De exemplu, numărul de celule progenitoare care devin neuroni, celulele de comunicare esenţiale ale creierului, este mai mare în creierele tinere.
Acelaşi lucru este valabil şi pentru o serie de celule gliale, care creează un mediu stabil pentru neuroni, învelindu-i, furnizând nutrienţi şi apărându-i împotriva agenţilor patogeni, toate acestea fiind importante pentru un organ tânăr, aflat încă în dezvoltare.
Opusul este adevărat în cazul creierului vârstnic.
Celulele progenitoare rareori devin fie neuroni, fie celule gliale; de fapt, practic fiecare tip de celulă cerebrală se deteriorează, explică studiul.
Celulele care se pierd cel mai mult sunt neuroblastele din girusul dentat, care sunt esenţiale pentru crearea neuronilor în hipocampus, o regiune legată de memorie şi de boli precum Alzheimer.
În comparaţie cu creierul adult, numărul acestor celule scade de 16 ori în creierul vârstnic.
În schimb, în creierul îmbătrânit proliferează celulele imune şi microglia, un fel de macrofage. Dar, în loc să protejeze creierul, acestea se transformă într-o stare celulară inflamatorie specifică îmbătrânirii - iar aceste celule sunt produse într-un ritm mai ridicat.
Pe scurt, creierul îmbătrânit produce mai multe celule care creează mai multe probleme pentru creierul îmbătrânit.
Cao spune că TrackerSci ar putea fi folosit pentru a urmări capacitatea de regenerare a multor organe, întrucât echipa a testat protocolul pentru profilarea celulelor progenitoare din plămâni, colon, pancreas şi multe organe diferite.
Alte organe au proporţii mult mai mari de celule progenitoare decât creierul; progenitoarele nou-născute reprezintă mai mult de 20 la sută din celulele din colon, de exemplu.
Cu câţiva ani în urmă, Cao a demonstrat potenţialul de analiză a dinamicii populaţiei de celule în dezvoltarea fetală umană prin crearea unui atlas celular folosind o metodă similară de indexare combinatorie.
[ot-video][/ot-video]
TrackerSci este una dintre cele câteva tehnici de secvenţiere unică care au apărut recent în laboratorul lui Cao.
O alta, numită PerturbSci-Kinetics decodifică reţeaua de reglare la nivelul întregului genom care stă la baza dinamicii temporale a ARN-ului prin cuplarea genomicii scalabile a unei singure celule cu perturbaţii genetice de mare capacitate, sau manipulări care pot influenţa funcţia genetică.
Această metoda a fost descrisă recent într-un articol publicat în Nature Biotechnology.
