Quanti tipi di cellule esistono all’interno del corpo umano? I libri di testo dicono qualche centinaio, ma il numero reale è senza dubbio molto più grande.
Pezzo dopo pezzo, un nuovo e più dettagliato catalogo dei tipi di cellule sta emergendo da laboratori come quello di Aviv Regev presso il Broad Institute di Cambridge, nel Massachusetts, che sta applicando recenti sviluppi nella genomica delle singole cellule per studiare cellule individuali a una velocità e una portata precedentemente impensabili.
«Non sappiamo veramente di cosa siamo fatti»
La tecnologia applicata nel laboratorio usa sistemi fluidici con cui separare le cellule sopra microscopici nastri trasportatori per poi sottoporle a una dettagliata analisi genetica a un ritmo di un migliaio di cellule al giorno. Gli scienziati prevedono che tecnologie simili troveranno posto all’interno di applicazioni mediche in cui piccole differenze fra le cellule hanno grandi conseguenze, come gli screen farmacologici sulle cellule, la ricerca nelle cellule staminali e gli studi di base sullo sviluppo dei tessuti.
La Regev racconta di aver utilizzato questi nuovi metodi per classificare le cellule nella retina dei topi e nei tumori cerebrali umani, dove ha trovato tipologie di cellule mai viste prima. «Non sappiamo veramente di cosa siamo fatti», dice.
Un primo passo verso un atlante comprensivo sulle cellule del cervello umano
Altri laboratori sono in gara per produrre i propri esami e migliorare la tecnologia alla base. Questa settimana, un team guidato da Stephen Quake dell’Università di Stanford ha pubblicato la propria indagine su 466 cellule cerebrali individuali, definendola «un primo passo» verso un atlante comprensivo sulle cellule del cervello umano.
Indagini simili sono diventate possibili solo negli ultimi tempi, spiegano gli scienziati.
«Qualche anno fa, la sfida era quella di ottenere qualunque dato utile dalle singole cellule», dice Sten Linnarsson, un biologo delle singole cellule presso il Karolinska Institute di Stoccolma, in Svezia. A marzo, il gruppo di Linnarsson ha utilizzato le nuove tecniche per mappare diverse migliaia di cellule nel cervello di un topo riuscendo a identificare 47 tipologie, fra cui alcuni sottogeneri mai visti prima.
Storicamente, il modo migliore per studiare una singola cellula consisteva nell’osservarla al microscopio. Negli ospedali specializzati nel cancro, questo metodo viene tutt’ora utilizzato dai patologi per decidere se le cellule sono cancerose o meno: le cellule vengono colorate con degli inchiostri, alcuni dei quali introdotti all’inizio del ’900, per essere valutate in base a posizionamento ed aspetto. I metodi attuali permettono di distinguere all’incirca 300 tipologie differenti, spiega Richard Conroy, un ufficiale di ricerca del National Institutes of Health.
Il nuovo metodo assegna un “codice a barre” molecolare unico a ciascuna molecola di RNA
La nuova tecnologia funziona invece catalogando molecole di RNA messaggero all’interno di una cellula. I messaggi sono il materiale genetico che il nucleo invia per produrre proteine. Il metodo di Linnarsson consiste nell’assegnare un “codice a barre” molecolare unico a ciascuna molecola di RNA di ogni cellula. Il risultato è un profilo di espressione genica che corrisponde a un’impronta digitale per le cellule e ne riflette l’attività molecolare piuttosto che l’aspetto.
«In precedenza, le cellule venivano definite con uno o due indicatori», spiega Linnarsson. «Ora possiamo descrivere per intero i geni espressi in quelle cellule».
Nonostante i ricercatori abbiano stabilito già da qualche anno come sequenziare accuratamente l’RNA di una singola cellula, solo le ultime innovazioni nella chimica e nella microfluidica hanno permesso di raccoglierli. Una società californiana, la Cellular Research, ha mostrato quest’anno di poter ordinare le cellule in micro-pozzi e misurare l’RNA di 3.000 cellule separate alla volta, e pochi centesimi la cellula.
Gli scienziati ritengono che nuovi metodi di analisi delle singole cellule potrebbero stravolgere le precedenti scoperte scientifiche. I precedenti studi di espressione genica erano basati su campioni di tessuto o sangue contenenti migliaia o addirittura milioni di cellule. Lo studio di miscele così ricche portava a misurazioni imprecise, spiega Eric Lander, capo del Broad Institute.
Quando ci si rende conto di essere pronti ad analizzare le singole cellule, come ci si potrebbe accontentare di un frullato?
«La genomica delle singole cellule ha preso piede in maniera incredibile negli ultimi 18 mesi», ha detto Lander a un pubblico di esperti invitati al National Institutes of Health. «Quando ci si rende conto di essere pronti ad analizzare le singole cellule, come ci si potrebbe accontentare di un frullato? Esaminare la genomica di un frullato è pura follia».
Lander, uno dei leader dello Human Genome Project, sostiene che potrebbe essere giunto il momento di convertire progetti pilota come quello della Regev in uno sforzo più ampio verso la creazione di un atlante definitivo – che cataloghi tutte le tipologie di cellule in base all’attività dei geni e al loro monitoraggio dall’embrione alla maggiore età.
«È un po’ presto per dichiarare un progetto nazionale o internazionale, ma credo che l’idea stia già girando», ha detto Lander in un’intervista telefonica. «Penso che nel giro di due anni arriveremo al punto da non poter fare a meno di queste informazioni. Con una tavola periodica delle cellule potremmo comprendere, per così dire, la composizione atomica di qualunque esempio dato».
Eventualmente, i profili genetici potrebbero essere combinati con altri sforzi per studiare le singole cellule. Lo scorso dicembre, Paul Allen, cofondatore di Microsoft, ha detto che avrebbe investito $100 milioni per creare un nuovo istituto scientifico, l’Allen Institute for Cell Science. Questo istituto studierà le cellule staminali e ne riprenderà al microscopio il comportamento mentre si sviluppano in varie tipologie di cellule per portare alla creazione di un enorme modello animato. Rick Horwitz, che è a capo di questo sforzo, dice che servirà come una sorta di Google Earth per l’esplorazione del ciclo di vita delle cellule.
Il risultato di questa raccolta di dati, secondo Garry Nolan, un immunologo della Stanford University, non sarà solamente un catalogo delle tipologie di cellule, ma una comprensione migliore del funzionamento celle cellule. «L’approccio della cellula singola è una piattaforma che fungerà da base per la comprensione di sistemi più grandi», dice. «Fra 50 anni, probabilmente misureremo dinamicamente ciascuna molecola presente in una cellula».
(Traduzione di Matteo Ovi)
