Des scientifiques cartographient l’ensemble de l’intestin humain à une résolution de cellule unique

Pour la première fois, le laboratoire Magness a utilisé des voies digestives humaines entières provenant de trois donneurs d’organes pour montrer comment les types de cellules diffèrent dans toutes les régions de l’intestin, pour faire la lumière sur les fonctions cellulaires et pour montrer les différences d’expression génique entre ces cellules et entre les individus.

Cet ouvrage, publié en Gastro-entérologie cellulaire et moléculaire et hépatologieouvre la porte à l’exploration des nombreuses facettes de la santé intestinale d’une manière beaucoup plus précise à une résolution plus élevée que jamais.

“Notre laboratoire a montré qu’il est possible d’en savoir plus sur la fonction de chaque type de cellule dans des processus importants, tels que l’absorption des nutriments, la protection contre les parasites et la production de mucus et d’hormones qui régulent le comportement alimentaire et la motilité intestinale”, a déclaré Magness, professeur agrégé au Joint UNC-NC State Department of Biomedical Engineering et auteur principal de l’article. “Nous avons également appris comment la muqueuse intestinale pourrait interagir avec l’environnement par le biais de récepteurs et de capteurs, et comment les médicaments pourraient interagir avec différents types de cellules.”

L’intestin sensible

Pensez à une voix off commerciale pharmaceutique typique lorsque le doubleur récite agréablement les effets secondaires possibles, tels que la diarrhée, les vomissements, les saignements intestinaux et d’autres dommages collatéraux désagréables. Eh bien, le laboratoire Magness tente de comprendre pourquoi ces effets secondaires se produisent, jusqu’au niveau des cellules individuelles, de leurs fonctions, de leurs emplacements et de leurs gènes.

Pour cette recherche, le laboratoire Magness s’est concentré sur l’épithélium : la couche épaisse unicellulaire séparant l’intérieur des intestins et du côlon de tout le reste. Comme d’autres populations cellulaires et le microbiote, l’épithélium est extrêmement important pour la santé humaine, et depuis des années, les scientifiques l’explorent. Mais jusqu’à présent, les chercheurs ne pouvaient prélever que de minuscules biopsies de la taille de grains de riz sur quelques parties du tube digestif, généralement du côlon ou de régions limitées de l’intestin grêle.

“Une telle exploration reviendrait à regarder les États-Unis depuis l’espace mais à enquêter uniquement sur ce qui se passe dans le Massachusetts, l’Oklahoma et la Californie”, a déclaré Magness. “Pour vraiment connaître le pays, on voudrait tout voir. »

Magness s’est appuyé sur les co-premiers auteurs, le boursier postdoctoral Joseph Burclaff, PhD, et l’étudiant diplômé, Jarrett Bliton, tous deux stagiaires au laboratoire Magness.

“Non seulement nous voulons identifier où se trouvent les cellules, mais nous voulons savoir exactement quels types de cellules font quoi et pourquoi”, a déclaré Burclaff. “Donc, en restant avec l’analogie de la carte, nous ne voulons pas simplement dire” oh, il y a la Caroline du Nord “. Nous voulons savoir où trouver le meilleur barbecue. Nous voulons une vue au niveau du sol pour en savoir autant que possible. “

Dans le passé, les chercheurs mélangeaient ces biopsies de la taille d’un riz pour identifier tous les types de cellules épithéliales et apprendre certaines caractéristiques générales de ces cellules. L’approche de Magness consistait à échantillonner des milliers de cellules individuelles de chaque partie du tube digestif inférieur (intestin grêle et côlon) pour créer un atlas, puis à étudier les rôles potentiels de ces cellules à travers les gènes que chaque cellule exprime. Savoir tout cela permettrait d’approfondir les connaissances scientifiques sur l’épithélium intestinal et, espérons-le, d’encourager d’autres scientifiques à explorer la fonction de chaque cellule en biologie, dans la maladie et dans le scénario malheureux des effets secondaires pharmaceutiques.

Pour faire une plongée aussi profonde dans les cellules individuelles, Magness avait besoin de deux choses : une meilleure technologie et l’ensemble du tube digestif humain.

La biologie des données

L’UNC-Chapel Hill a acquis une technologie de pointe de séquençage d’ARN il y a plusieurs années pour la création de l’Advanced Analytics Core Facility par le biais du Centre UNC pour les maladies gastro-intestinales et la biologie, qui a développé le poids scientifique et intellectuel — faculté de recherche, personnel , postdoctorants et étudiants — d’utiliser des équipements de pointe.

Le groupe Magness a acquis des voies digestives humaines grâce à un accord de recherche avec les services de donneurs d’organes d’HonorBridge. Lorsque les intestins sont prélevés pour la transplantation et s’ils ne sont pas réclamés par des groupes hautement prioritaires, le personnel d’HonorBridge se coordonne avec le groupe Magness pour faire don des organes de qualité pour la transplantation à des fins de recherche.

Six à huit heures après la récolte, le laboratoire Magness reçoit des voies intestinales intactes, chacune d’environ 15 à 30 pieds de long. Ils enlèvent la couche épithéliale, qui est un long morceau de tissu connecté bien qu’il n’ait qu’une seule cellule d’épaisseur. Ensuite, les chercheurs utilisent des enzymes pour décomposer l’épithélium en cellules individuelles. Pour cette étude, ils ont répété cela pour les organes de trois donneurs distincts.

En utilisant la technologie de séquençage pour caractériser l’expression des gènes, le groupe Magness extrait d’abord l’ARN de chaque cellule tout en gardant chaque cellule séparée, puis ils exécutent un séquençage unicellulaire, qui prend un instantané des gènes que chaque cellule intestinale exprime et en quelle quantité.

“L’image que nous obtenons de chaque cellule est une mosaïque de tous les différents types de gènes que les cellules fabriquent et ce complément de gènes crée une” signature “pour nous dire de quel type de cellule il s’agit et potentiellement ce qu’elle fait”, a déclaré Magness. . « Est-ce une cellule souche ou une cellule muqueuse ou une cellule productrice d’hormones ou une cellule de signalisation immunitaire ?

Burclaff a ajouté: “Nous avons pu voir les différences de types de cellules dans l’ensemble du tube digestif, et nous pouvons voir différents niveaux d’expression génique dans les mêmes types de cellules chez trois personnes différentes. Nous pouvons voir les différents ensembles de gènes activés ou désactivés. dans des cellules individuelles. C’est ainsi, par exemple, que nous pourrions commencer à comprendre pourquoi certaines personnes développent une toxicité à certains aliments ou médicaments et d’autres non.

Un problème majeur avec ce type de recherche est la quantité de données produites. Le séquençage unicellulaire capte environ 11 000 « lectures », ou échantillons individuels de produits géniques dans une seule cellule, et dans plusieurs milliers de cellules individuelles, chacune avec différentes combinaisons des plus de 20 000 gènes humains qui sont activés ou désactivés. Cela crée près de 140 000 000 de points de données pour les 12 590 cellules de l’étude qui doivent être mises dans un format visualisable afin que les scientifiques puissent donner un sens à la grande quantité d’informations.

“Le cerveau humain ne peut comprendre que deux dimensions, trois est un défi”, a déclaré Magness. “Ajoutez du temps, et il est encore plus difficile de comprendre ce que fait une seule cellule. La quantité de données produites par nos expériences était essentiellement de millions de dimensions à la fois.”

Bliton a conçu des techniques de calcul pour filtrer les données afin de produire un ensemble de données gérable qui comprenait des populations de cellules de toutes les parties du tractus gastro-intestinal. Ensuite, sur la base de ce que Magness et d’autres chercheurs avaient déjà appris sur chaque type de cellule, Bliton a pu identifier par ordinateur chaque type de cellule de chaque région. Il a ensuite tracé ces données d’une manière que les humains peuvent comprendre et interpréter.

Maîtriser les immenses données a permis aux scientifiques d’en apprendre beaucoup sur chaque type de cellule. Considérez la cellule de touffe, découverte il y a 40 ans et ainsi nommée parce qu’elle a l’air d’avoir des touffes de poils à sa surface. Il s’avère que ces cellules en touffe expriment des gènes similaires à ceux des papilles gustatives de la langue. D’autres chercheurs ont découvert que ces cellules de touffe détectaient les infections par les vers et envoyaient des signaux au système immunitaire pour commencer à faire la guerre. Le laboratoire Magness a montré que les cellules de la touffe présentent un ensemble de gènes jugés importants pour détecter et “goûter” d’autres types de contenu intestinal afin qu’ils puissent signaler le système immunitaire si nécessaire. Cela représenterait une fonction beaucoup plus large que de détecter s’il y a ou non un parasite dans votre intestin.

“Non seulement avons-nous décrit chaque type de cellule et chaque gène qu’ils expriment individuellement, mais nous avons également examiné les fonctions potentielles”, a déclaré Burclaff. “Si vous regardez le mucus intestinal, qui est un mélange complexe qui protège les cellules, nous montrons quelles cellules expriment diverses protéines de mucine, combien et dans quelles régions du tube digestif. Nous avons examiné où des enzymes spécifiques qui digèrent les aliments sont exprimées. Nous avons examiné des cellules avec une expression de gène anti-inflammatoire et des gènes de synapse où l’intestin est probablement connecté aux nerfs afin qu’il puisse parler au reste du corps. Nous avons examiné les aquaporines, des protéines impliquées dans le transfert de l’eau à travers la membrane intestinale.

Ce que le groupe Magness a trouvé était un tout nouveau niveau de variation dans les fonctions potentielles qui n’avait pas été apprécié auparavant en mélangeant des échantillons de biopsie.

Les chercheurs ont exploré tous les récepteurs épithéliaux – les protéines de surface cellulaire utilisées pour communiquer avec d’autres cellules et molécules et avec l’environnement de l’intestin. Magness et ses collègues ont pu voir quels récepteurs étaient le plus exprimés et dans quels types de cellules, brossant une nouvelle image de la façon dont les cellules pourraient interagir avec le contenu intestinal tel que les nutriments, les microbes, les toxines et les médicaments.

“Pour autant que nous le sachions, nous sommes les premiers à effectuer ce type d’analyse sur toute la longueur de l’intestin humain à partir de trois donneurs complets”, a déclaré Bliton. “Nous pouvons examiner chaque type de cellule et prédire quels produits pharmaceutiques pourraient affecter quel type de cellule individuellement.”

Par exemple, il existe une classe de médicaments pour traiter les maladies inflammatoires de l’intestin ; ils sont conçus pour atteindre des cibles spécifiques, certaines cellules immunitaires qui déclenchent l’inflammation. Mais le laboratoire Magness a appris que certaines cellules épithéliales expriment les mêmes gènes que ceux des cellules immunitaires destinées à être la cible. Cette découverte indique qu’il pourrait y avoir des effets “hors cible” dans les cellules épithéliales qui ne sont pas intentionnels et pourraient entraîner des effets secondaires.

“Ce n’était pas connu”, a déclaré Burclaff. “Beaucoup de médicaments ont de mauvais effets secondaires gastro-intestinaux. Et cela pourrait être dû au fait que les médicaments affectent des cellules individuelles sur toute la longueur du tractus gastro-intestinal. Nous montrons où ces récepteurs sont le plus exprimés et dans quels types de cellules.”

Ce type de connaissances n’est qu’un des résultats de l’étude initiale du laboratoire Magness.

“Nous voulons que la communauté scientifique, médicale et pharmaceutique utilise ce que nous avons trouvé”, a déclaré Magness. “Nous avons adopté une approche analytique pour traiter méthodiquement chaque type de cellule, produire des feuilles de calcul faciles à lire et accessibles pour la plupart des scientifiques, et montrer plusieurs exemples de ce que nous pouvons découvrir avec ce type d’approche de haute résolution et de précision.”

Le financement de cette recherche provenait des National Institutes of Health, du Katherine E. Bullard Charitable Trust, de la Crohn’s and Colitis Foundation et du University Cancer Research Fund de l’UNC-Chapel Hill.

Outre les chercheurs susmentionnés, les autres auteurs sont Keith Breau, Meryem Ok, Ismael Gomez-Martinez, Jolene Ranek, Aadra Bhatt, Jeremy Purvis et John Woosley, tous à UNC-Chapel Hill.