Các nhà khoa học lập bản đồ toàn bộ đường ruột của con người

Nếu bạn lo lắng, bạn có thể cảm thấy nó cồn cào trong ruột. Nếu bạn ăn ớt, ruột của bạn có thể nổi loạn, nhưng bạn của bạn có thể ăn bất cứ thứ gì và cảm thấy tuyệt vời. Bạn có thể bật ibuprofen như kẹo mà không có tác dụng xấu, nhưng bụng của bạn bạn có thể chảy máu và không giảm đau. Tại sao thế này? Câu trả lời nhanh chóng là bởi vì tất cả chúng ta đều khác nhau. Các câu hỏi tiếp theo là sự khác biệt chính xác như thế nào, và những khác biệt này có ý nghĩa gì đối với sức khỏe và bệnh tật? Trả lời những câu hỏi này khó hơn nhiều, nhưng phòng thí nghiệm của Trường Y khoa UNC của Tiến sĩ Scott Magness đang tiết lộ một số câu trả lời khoa học thú vị.

Lần đầu tiên, phòng thí nghiệm Magness đã sử dụng toàn bộ đặc điểm GI của con người từ ba người hiến tặng nội tạng để cho thấy các loại tế bào khác nhau như thế nào trên tất cả các vùng của ruột, làm sáng tỏ các chức năng của tế bào và cho thấy sự khác biệt về biểu hiện gen giữa các tế bào này và giữa các cá thể.

Công trình này, được xuất bản trên Tạp chí Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology , mở ra cánh cửa để khám phá nhiều khía cạnh của sức khỏe đường ruột một cách chính xác hơn nhiều với độ phân giải cao hơn bao giờ hết.

"Phòng thí nghiệm của chúng tôi cho thấy có thể tìm hiểu về chức năng của từng loại tế bào trong các quá trình quan trọng, chẳng hạn như hấp thụ chất dinh dưỡng, bảo vệ khỏi ký sinh trùng, sản xuất chất nhầy và hormone điều chỉnh hành vi ăn uống và nhu động ruột", Magness, phó giáo sư tại Joint cho biết. UNC-NC Bộ phận Kỹ thuật Y sinh và tác giả cấp cao của bài báo. "Chúng tôi cũng đã tìm hiểu cách niêm mạc ruột có thể tương tác với môi trường thông qua các thụ thể và cảm biến, cũng như cách thuốc có thể tương tác với các loại tế bào khác nhau."

Hãy nghĩ đến một đoạn lồng tiếng thương mại dược phẩm điển hình khi diễn viên lồng tiếng kể lại một cách hài lòng các tác dụng phụ có thể xảy ra, chẳng hạn như tiêu chảy, nôn mửa, chảy máu đường ruột và các tổn thương cơ thể khó chịu khác. Phòng thí nghiệm Magness đang cố gắng tìm hiểu lý do tại sao những tác dụng phụ đó lại xảy ra, ở cấp độ của các tế bào riêng lẻ, chức năng của chúng, vị trí của chúng và gen của chúng.

Đối với nghiên cứu này, phòng thí nghiệm Magness tập trung vào biểu mô: lớp dày đơn bào ngăn cách bên trong ruột và ruột kết với mọi thứ khác. Giống như các quần thể tế bào khác và hệ vi sinh vật, biểu mô cực kỳ quan trọng đối với sức khỏe con người, và trong nhiều năm các nhà khoa học đã khám phá nó. Nhưng cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ có thể lấy những mẫu sinh thiết nhỏ có kích thước bằng hạt gạo từ một số bộ phận của đường tiêu hóa, thường là từ ruột kết hoặc các vùng giới hạn của ruột non.

Magness nói: “Việc thăm dò như vậy sẽ giống như nhìn vào Hoa Kỳ từ không gian nhưng chỉ điều tra những gì đang diễn ra ở Massachusetts, Oklahoma và California. "Để thực sự tìm hiểu về đất nước, chúng tôi muốn xem mọi thứ."

Magness dựa vào các đồng tác giả đầu tiên, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Joseph Burclaff, Tiến sĩ và nghiên cứu sinh, Jarrett Bliton, cả hai đều là thực tập sinh trong phòng thí nghiệm Magness.

Burclaff nói: “Chúng tôi không chỉ muốn xác định vị trí của các tế bào mà còn muốn biết chính xác loại tế bào nào làm những gì và tại sao. "Vì vậy, với sự tương tự trên bản đồ, chúng tôi không muốn chỉ nói, 'ồ, có Bắc Carolina'. Chúng tôi muốn biết nơi để có món thịt nướng ngon nhất. Chúng tôi muốn có một cái nhìn trên mặt đất để biết càng nhiều càng tốt. "

Trước đây, các nhà nghiên cứu sẽ trộn các mẫu sinh thiết có kích thước bằng hạt gạo đó để xác định tất cả các loại tế bào biểu mô và tìm hiểu một số đặc điểm chung của các tế bào này. Cách tiếp cận của Magness là lấy mẫu hàng nghìn tế bào riêng lẻ từ mọi phần của đường tiêu hóa dưới (ruột non và ruột kết) để tạo tập bản đồ và sau đó nghiên cứu vai trò tiềm năng của những tế bào này thông qua các gen mà mỗi tế bào biểu hiện. Biết được tất cả những điều này sẽ giúp nâng cao kiến ​​thức khoa học về biểu mô ruột và hy vọng khuyến khích các nhà khoa học khác khám phá chức năng của từng tế bào trong sinh học, bệnh tật và trong trường hợp đáng tiếc là tác dụng phụ của dược phẩm.

Để thực hiện quá trình lặn sâu từng tế bào như vậy, Magness cần hai thứ: công nghệ tốt hơn và toàn bộ hệ tiêu hóa của con người.

(adv)

UNC-Chapel Hill đã mua lại công nghệ giải trình tự RNA hiện đại vài năm trước để tạo ra Cơ sở cốt lõi Phân tích nâng cao thông qua Trung tâm Sinh học và Bệnh đường tiêu hóa UNC, nơi đã phát triển năng lực khoa học và trí tuệ - đội ngũ giảng viên, nhân viên nghiên cứu. , postdocs và sinh viên - để sử dụng thiết bị hiện đại.

Tập đoàn Magness đã có được các đặc điểm tiêu hóa của con người thông qua một thỏa thuận nghiên cứu với các dịch vụ hiến tặng nội tạng tại HonorBridge. Khi ruột được lấy để cấy ghép và nếu chúng không được các nhóm ưu tiên cao hơn yêu cầu, nhân viên của HonorBridge sẽ phối hợp với Nhóm Magness để hiến tặng các cơ quan được cấy ghép cho nghiên cứu.

Sáu đến tám giờ sau khi thu hoạch, phòng thí nghiệm Magness nhận được các đoạn ruột còn nguyên vẹn, mỗi đoạn dài khoảng 15 đến 30 feet. Chúng loại bỏ lớp biểu mô, là một phần mô dài được nối với nhau mặc dù chỉ dày một tế bào. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng các enzym để phá vỡ biểu mô thành các tế bào riêng lẻ. Đối với nghiên cứu này, họ lặp lại điều này đối với nội tạng từ ba người hiến tặng riêng biệt.

Sử dụng công nghệ giải trình tự để xác định đặc điểm biểu hiện gen, nhóm Magness đầu tiên chiết xuất RNA từ mỗi tế bào trong khi giữ từng tế bào riêng biệt, sau đó họ chạy trình tự tế bào đơn, trong đó chụp nhanh loại gen nào mà mỗi tế bào ruột đang biểu hiện và số lượng.

Magness cho biết: “Hình ảnh mà chúng ta nhận được từ mỗi tế bào là một bức tranh khảm của tất cả các loại gen khác nhau mà tế bào tạo ra và sự bổ sung của các gen này tạo ra một 'chữ ký' để cho chúng ta biết nó là loại tế bào nào và có khả năng nó đang làm gì" . “Đó là tế bào gốc hay tế bào nhầy hay tế bào sản xuất hormone hay tế bào truyền tín hiệu miễn dịch?

Burclaff nói thêm, "Chúng tôi có thể thấy sự khác biệt về các loại tế bào trong toàn bộ hệ tiêu hóa và chúng tôi có thể thấy các mức độ biểu hiện gen khác nhau trong cùng một loại tế bào từ ba người khác nhau. Chúng tôi có thể thấy các bộ gen khác nhau được bật hoặc tắt trong các tế bào riêng lẻ. Đây là cách, ví dụ, chúng ta có thể bắt đầu hiểu tại sao một số người hình thành độc tính đối với một số loại thực phẩm hoặc thuốc nhất định và một số người thì không. "

Một vấn đề lớn đối với loại nghiên cứu này là lượng dữ liệu được tạo ra. Trình tự tế bào đơn thu nhận khoảng 11.000 'lần đọc', hoặc các mẫu riêng lẻ của các sản phẩm gen chỉ trong một tế bào và trong nhiều nghìn tế bào riêng lẻ, mỗi tế bào có các tổ hợp khác nhau của hơn 20.000 gen người được bật hoặc tắt. Điều này tạo ra gần 140.000.000 điểm dữ liệu cho tất cả 12.590 ô trong nghiên cứu phải được đưa vào định dạng có thể hình ảnh hóa để các nhà khoa học có thể hiểu được lượng thông tin khổng lồ.

“Bộ não con người chỉ có thể hiểu được hai chiều, ba chiều là một thách thức,” Magness nói. "Thêm thời gian và thậm chí còn phức tạp hơn để hiểu một ô đơn lẻ là gì. Lượng dữ liệu mà các thí nghiệm của chúng tôi tạo ra về cơ bản là hàng triệu kích thước cùng một lúc."

Bliton đã nghĩ ra các kỹ thuật tính toán để lọc dữ liệu nhằm tạo ra một tập dữ liệu có thể quản lý được bao gồm các quần thể tế bào từ tất cả các phần của đường GI. Sau đó, dựa trên những gì Magness và các nhà nghiên cứu khác đã biết về từng loại tế bào, Bliton có thể xác định một cách tính toán từng loại tế bào từ mỗi vùng. Sau đó, ông vẽ những dữ liệu này theo cách mà con người có thể hiểu và giải thích được.

Việc kiểm tra dữ liệu khổng lồ cho phép các nhà khoa học tìm hiểu rất nhiều về từng loại tế bào. Hãy xem xét tế bào búi, được phát hiện cách đây 40 năm và được đặt tên như vậy bởi vì chúng trông như thể có những búi tóc trên bề mặt. Hóa ra các tế bào chùm này biểu hiện các gen tương tự như các gen trên vị giác trên lưỡi. Các nhà nghiên cứu khác phát hiện ra rằng các tế bào búi này cảm nhận được sự nhiễm trùng của giun và gửi tín hiệu đến hệ thống miễn dịch để bắt đầu tiến hành chiến tranh. Phòng thí nghiệm Magness đã chỉ ra rằng các tế bào búi thể hiện một tập hợp các gen được cho là quan trọng để cảm nhận và "nếm" các loại nội dung khác trong ruột để nó có thể báo hiệu cho hệ thống miễn dịch nếu cần. Điều này sẽ đại diện cho một chức năng rộng hơn nhiều so với việc cảm nhận xem có ký sinh trùng trong ruột của bạn hay không.

Burclaff nói: “Chúng tôi không chỉ mô tả từng loại tế bào đơn lẻ và từng gen đơn lẻ mà chúng biểu hiện riêng lẻ mà còn xem xét các chức năng tiềm ẩn. "Nếu bạn nhìn vào chất nhầy trong ruột, là một hỗn hợp phức tạp bảo vệ các tế bào, chúng tôi sẽ thấy những tế bào nào biểu hiện các loại protein mucin khác nhau, số lượng và vùng nào của đường tiêu hóa. Chúng tôi đã xem xét nơi biểu hiện của các enzym cụ thể tiêu hóa thức ăn Chúng tôi đã xem xét các tế bào có biểu hiện gen chống viêm và gen khớp thần kinh, nơi ruột có thể được kết nối với các dây thần kinh để nó có thể nói chuyện với phần còn lại của cơ thể. Chúng tôi đã xem xét aquaporin, protein liên quan đến việc chuyển nước qua màng ruột. "

Những gì nhóm Magness tìm thấy là một mức độ biến đổi hoàn toàn mới trong các chức năng tiềm ẩn mà trước đây chưa được đánh giá cao thông qua việc nghiền nhỏ các mẫu sinh thiết.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá tất cả các thụ thể biểu mô - các protein bề mặt tế bào được sử dụng để giao tiếp với các tế bào và phân tử khác và với môi trường của ruột. Magness và các đồng nghiệp có thể biết được thụ thể nào được biểu hiện nhiều nhất và ở loại tế bào nào, vẽ nên một bức tranh mới về cách tế bào có thể tương tác với các chất trong ruột như chất dinh dưỡng, vi khuẩn, chất độc và thuốc.

Bliton cho biết: “Theo những gì chúng tôi được biết, chúng tôi là người đầu tiên thực hiện loại phân tích này về chiều dài của ruột người từ ba người hiến tặng đầy đủ,” Bliton nói. "Chúng tôi có thể xem xét từng loại tế bào và dự đoán dược phẩm nào có thể ảnh hưởng đến loại tế bào nào riêng lẻ."

Ví dụ, có một nhóm thuốc để điều trị bệnh viêm ruột; chúng được thiết kế để tấn công các mục tiêu cụ thể, một số tế bào miễn dịch nhất định gây viêm. Nhưng phòng thí nghiệm Magness đã biết được rằng một số tế bào biểu mô biểu hiện các gen giống như các gen trong tế bào miễn dịch được dự định là mục tiêu. Phát hiện này chỉ ra rằng có thể có những tác động "ngoài mục tiêu" trong các tế bào biểu mô không theo dự định và có thể dẫn đến các tác dụng phụ.

“Điều này không được biết đến,” Burclaff nói. "Rất nhiều loại thuốc có tác dụng phụ xấu về đường tiêu hóa. Và có thể là do thuốc đang ảnh hưởng đến các tế bào riêng lẻ dọc theo toàn bộ chiều dài của đường tiêu hóa. Chúng tôi chỉ ra nơi các thụ thể này được biểu hiện nhiều nhất và ở loại tế bào nào."

Loại kiến ​​thức này chỉ là một kết quả từ nghiên cứu ban đầu của phòng thí nghiệm Magness.

"Chúng tôi muốn cộng đồng khoa học, y tế và dược phẩm sử dụng những gì chúng tôi đã tìm thấy", Magness nói. "Chúng tôi đã áp dụng phương pháp phân tích để giải quyết từng loại tế bào một cách có phương pháp, tạo ra các bảng tính dễ đọc và dễ truy cập cho hầu hết các nhà khoa học, đồng thời đưa ra một số ví dụ về những gì chúng ta có thể khám phá với loại phương pháp tiếp cận chính xác, có độ phân giải cao này."

Nguồn Đại học North Carolina Health Care