最近、英国ケンブリッジの非営利ゲノミクスおよび遺伝学の研究機関であるウェルカム・サンガー研究所の英国の研究者らが、これまでで最も詳細なヒトの消化管（GI）管の細胞マップの作成を発表したとき、興奮が一気に高まりました。 160万個の細胞（271人のドナーから）からの空間データと単一細胞データを使用した科学者の研究は、 自然腸の健康状態や病気の状態に関する貴重な情報が得られます。
「私たちは現在、腸内でどのような細胞の種類を見つけることができるかについて、良いアイデアを持っています」と共著者であり、Ensocell の共同創設者でゲノミクスおよびデータ サイエンスの責任者であるラサ・エルメンタイト博士は述べています。
小さな疑問ではありません。人間の腸の地図を正確にどのように作成するのでしょうか?
建設の裏話 腸細胞アトラス大きい方の腕 ヒト細胞アトラス プロジェクト — 最近 40 以上の研究を発表しました。 自然 2024 年 11 月に — 大陸を超えた世界的な協力と科学的精度の 1 つです。
エルメンタイト氏は、何よりも、関与した科学者たちが予期せぬ道を歩むことになったと語った。
始まりの経緯
過去5～7年にわたり、研究機関が腸内の細胞の様子の断片を作成した個別の出版物が各機関で数多く出版されてきたとエルメンタイト教授は述べ、この場合は口や喉を含む消化管について言及した。 、食道、胃、小腸、大腸、直腸、肛門。
腸細胞を研究している研究室は、クローン病の研究に取り組んでいる場合、小腸や大腸などの特定の領域に焦点を当てることがよくあります。 「それは理にかなっています。消化管は本当に地域化されています」と彼女は言いました。
2019年と 2021年Elmentaite とその同僚は、人間の腸内のいくつかの細胞をマッピングした論文を発表し、彼らの研究は世界中の他の科学者の注目を集めました。こうして彼らは、健康な腸と病気が存在する消化管の両方の細胞のより包括的なマップを作成するという課題に取り組むことを決意したのです。
「腸管を総合的に理解することに興味を持っている研究室が他にもたくさんあることに気づきました」と彼女は言う。 「私たちは、胃腸系全体の文脈で細胞を観察するのは非常に興味深いだろうと考えました。」
悪くない「ロックダウンプロジェクト」
パンデミックの間、社会の他の人々がサワードウスターターで遊んでいた一方で、エルメンタイトの研究室は、何が起こったのかを確認するために、データセットを他の研究室のデータとプールすることにしました。当時、彼らは 20 以上のデータセットを持っており、利用可能な情報 (胃内の細胞のデータなど) が少ない部分を埋めるためにさらに多くのデータセットを生成したいと考えていました。
「外科医からサンプルを入手し、研究室に入ってそれらのサンプルを単一細胞に処理し、そのデータを生物情報学的に処理する必要がありました」とエルメンタイト氏は述べた。
彼女は、より多くのデータセットを生成するのは一人の仕事ではなく、がん生物学者や粘膜免疫学者を含む「多くの科学者に価値があると説得する必要がある」と説明した。彼らはまた、より技術的なバイオインフォマティクスの専門知識を導入し、データの処理と消去のみを担当する数人のITチームを採用した。「そのため、データは研究全体にわたって非常に具体的に調整され、非常に均一に処理された」とエルメンタイト氏は述べた。
最終的に、オーストラリア、ドイツ、ノルウェー、スペイン、および英国中の多くの場所から多くの Zoom 通話に研究者が集まり、開発中の健康な消化管全体を網羅する 25 の単細胞 RNA 配列データセットを統合することができました。そして成人では、約110万個の細胞と136個の細胞サブグループを含む健康な腸参照アトラスが得られます。
腸の二次元 (2D) マップを作成する方法
ここで雑草が大きくなるのです。研究者がサンプル内でどのような種類の遺伝子が発現しているかを理解できるように、生のシーケンスリード（研究者が個々の生体サンプルから配列したさまざまな RNA のビット）を遺伝子にマッピングし直す必要がありました。
「トランスクリプトームのバージョンが異なるため、多くのキュレーションが必要です。 [a complete set of RNA molecules in a single cell or tissue]そしてゲノムがどのようなものであるかは常に進化しています。したがって、同じトランスクリプトーム参照にマッピングし直す必要があります」とエルメンタイト氏は述べた。
細胞内で活動するさまざまな遺伝子をすべて把握すると、研究者らはバイオインフォマティクスを使用して、すべてのデータセットをまとめて 2D 空間で視覚化することができました。つまり、基本的にはマップの表現です。
「転写的に互いに類似している細胞は、一緒にクラスター化します。そして、転写的により明確なものは、互いに遠く離れたものになるでしょう」とエルメンタイト氏は語った。
何十年にもわたって、胃腸管の研究者たちは、上皮細胞、T細胞、B細胞の中でどのタイプの遺伝子が活性化されているかを個別に研究してきたが、「それから突然、それが同時に画面上に表示されるようになったのです」と彼女は語った。見てみるとすごいですね。」
残忍な詳細で
データを解釈する際の最大の課題の 1 つは、サンプル間に技術的な差異がないことを確認するために多くの人が関与することだったとエルメンタイト氏は述べました。
たとえば、異なる研究室で処理されたサンプルには、それらの間で配列の違いがある可能性があります。あるいは、組織の処理に使用される酵素の種類が研究室ごとに異なっていた可能性もあります。情報が入手可能な場合は、サンプルが収集された時刻を詳細に記録することもあります。
「計算上、私たちはこれらすべての変数を考慮し、可能な限り回帰しようとしました。そして、一部の細胞型と一致していることがわかっている遺伝子発現に似たクラスターが見られれば、すべてのバッチ効果が退行したことがわかります」とエルメンタイト氏は述べた。
「エウレカ」の前に「なるほど」の瞬間がいくつかある
「なるほど」と思う瞬間もたくさんあったが、不可解な瞬間もいくつかあった、と彼女は語った。最大の驚きの 1 つは、発生時に設定されると考えられていた細胞の正体が、人が強い刺激や炎症を経験した場合に実際に変化する可能性があることを観察したことでした。 炎症性腸疾患。上皮細胞化生は驚きの 1 つでした。
「化生とは、ある分化した細胞型が別の分化した細胞型に活性化または分化することを指します。そして、それが上部消化管疾患の一部に存在することは知っていましたが、同じ種類のメカニズムが小腸にも存在するとは知りませんでした」とエルメンタイト氏は語った。
上皮細胞は、体内で最も豊富な細胞の 1 つです。研究者らは、確立された研究から、これらの細胞がファーストレスポンダーのような働きをし、腸に治癒をもたらすことを知っていました。 「炎症を引き起こしている微生物を潜在的に洗い流すのに役立つ粘液を大量に生成していることがわかりました。しかし、私たちにとって「なるほど」と思ったのは、これらの細胞には実際には二重の機能があるということでした」と彼女は語った。
研究者らは、転写プロファイルでケモカイン (体の免疫応答に役割を果たすタンパク質ファミリー) と主要組織適合性複合体クラス II 分子 (体の免疫応答に関与する細胞表面タンパク質) の顕著な産生、および上皮細胞を観察することができました。好中球や単球を引き寄せ、特定の T 細胞と相互作用するようで、慢性炎症のサイクルをさらに悪化させます。
「私たちの多くにとって、これは驚きだったと思います。なぜなら、私たちは上皮細胞をバリアのようなもの、たとえば炎症性腸疾患などにおいて単なる受動的な役割を果たすものだと考えているからです」とエルメンタイト氏は言う。
人々のための腸細胞アトラス (科学者の皆さん)
「 腸細胞アトラス 誰でも利用でき、誰もが貢献するチャンスがあります」とエルメンタイト氏は語った。しかし、160万個の細胞は単なる始まりにすぎず、さらに多くのデータが必要であり、より広範な分野での取り組みが先頭に立っていると彼女は述べた。 ヒト細胞アトラス それを集めるプロジェクト。また、すべての研究者が同じセル アノテーションを使用するようにする取り組みも行われています。これは、アトラスを誰もが真に利用できるようにする研究全体の標準です。
シカゴのノースウェスタン大学ファインバーグ医科大学の消化器病学および肝臓病学部門の助教授、キース・スマ医学博士は、炎症性腸疾患および腸と脳の相互作用の障害に研究の多くを焦点を当てています。彼は、腸炎症の実験モデルを使用した基礎研究と橋渡し研究を行っています。
ノースウェスタン大学には組織バイオリポジトリがあります。これには、健康な個人だけでなく、さまざまな疾患状態にある個人からの結腸および腸の組織サンプルも含まれます。 「これが私たちにとって便利なツールであると考えられる潜在的な領域の 1 つは、 腸細胞アトラス 組織サンプルの分析で、アトラスに記載されている内容と、私たちが観察している内容の間に共通点が見つかるかどうかを確認しています」と、英国を拠点とするプロジェクトには関与していないスマ氏は語った。
同氏は、ノースウェスタン大学のバイオリポジトリには、人々がどのような薬を服用していたのか、病気の範囲と重症度についての詳細が保存されていると述べた。
「活用できるかもしれない」 腸細胞アトラス これは、人々がさまざまな治療法にどのように反応しているか、さまざまな細胞タイプがさまざまな治療法によってどのように影響を受けるか、さまざまな疾患の重症度で細胞がどのように活性化するか、または活性化されないかといった特定の要因を調べるのに役立ちます。これは、これらのさまざまな状況をより正確に理解するのに役立つかもしれません」とスマ氏は言いました。
同氏はまた、消化器専門医が「クローン病」を単一の診断としてどのように使用しているかについても言及し、「それはかなり広範囲の表現型と行動を包含している」と述べた。 「このような細胞特異的なレベルで観察することは、活動しているさまざまな経路の一部や、この病気のさまざまな表現型や挙動をよりよく特定するのに役立つのではないかと思います。」
次のステップ: 3 次元 (3D) 空間で視覚化する
Elmentaite とその同僚の次の段階は、2D マップを 3D マップに進化させて、どの細胞がどこにあり、空間内でどのように組織されているかを視覚化できるようにすることです。
「次のステップは、非常にエキサイティングなことだと思いますが、これらの細胞がどのように相互に依存しているかを理解することです」と彼女は言いました。 「それらのうちのいくつかが不可欠であり、他のものはそうではないのかを実際に機能的に理解します。そして、AI モデリングを行って、私たちが生成しているこの膨大な量のデータから何が学べるかを理解しています。そしてもちろん、これには、この知識を利用して精密な治療を生み出す方法も含まれます。」
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#人間の腸をどのように正確にマッピングするのでしょうか
2024-12-17 12:29:00