Mapa życia: jak Human Cell Atlas rewolucjonizuje medycynę

Potrzebujesz wsparcia w swoich badaniach naukowych, analizie danych lub przygotowaniu publikacji? Zmagasz się z wyzwaniami metodologicznymi lub statystycznymi w swoim doktoracie? Skontaktuj się z nami! Oferujemy profesjonalne doradztwo i pomoc na każdym etapie pracy naukowej – od koncepcji, przez analizę, po finalny raport czy artykuł. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej i uzyskać indywidualną konsultację!

Wyobraźmy sobie mapę tak szczegółową, że ukazuje nie tylko kontynenty i miasta, ale każdy pojedynczy budynek, a nawet pokój w tym budynku. A teraz przenieśmy tę analogię na ludzkie ciało. Co by było, gdybyśmy mogli stworzyć mapę każdej, absolutnie każdej komórki w naszym organizmie? To nie jest już science fiction. To cel jednego z najbardziej ambitnych projektów w historii biologii – Human Cell Atlas (HCA). Zaledwie niecałą dekadę od jego rozpoczęcia, jesteśmy świadkami publikacji pierwszych, zdumiewających rezultatów, które na zawsze zmienią nasze postrzeganie medycyny.

Czym jest Atlas Komórek Człowieka?

W 2016 roku biolodzy Aviv Regev i Sarah Teichmann, wraz z grupą około 100 innych naukowców, postawili sobie monumentalny cel: skatalogować i opisać każdy typ komórki w ludzkim ciele, od etapu rozwoju płodowego aż po starość. Mówimy tu o zadaniu zmapowania niewyobrażalnej liczby 37,2 biliona komórek. Co więcej, komórki nie są statycznymi elementami. Zmieniają się pod wpływem naszego pochodzenia, geografii, płci, wieku – jednym słowem, pod wpływem życia.

Projekt HCA jest często opisywany za pomocą barwnych metafor, które doskonale oddają jego istotę:

• „Mapy Google ludzkiego ciała”: Pozwalają zlokalizować każdą komórkę i zrozumieć jej otoczenie.

• „Układ okresowy pierwiastków dla komórek”: Systematyzują i kategoryzują podstawowe jednostki budulcowe życia.

• „Wikipedia dla komórek”: Stanowią otwarte, dynamicznie rozwijane i dostępne dla wszystkich źródło wiedzy, tworzone przez globalną społeczność naukową.

Skala dotychczasowego osiągnięcia

To, co wydawało się celem na dziesięciolecia, już teraz przynosi wymierne efekty. Najnowsza kolekcja badań opublikowanych w ramach HCA to kamień milowy, stanowiący pierwszy szkic tej niezwykłej mapy. Skala tego przedsięwzięcia jest imponująca i najlepiej obrazują ją liczby.

Tabela 1: Projekt Human Cell Atlas w liczbach (stan na listopad 2024)

Co niezwykle istotne, projekt HCA od samego początku kładł ogromny nacisk na odzwierciedlenie ludzkiej różnorodności. W konsorcjum aktywnie działają naukowcy z Afryki, Azji, Ameryki Łacińskiej i Bliskiego Wschodu, którzy nie tylko uczestniczą w badaniach, ale także współprowadzą je, ustalając priorytety istotne dla lokalnych populacji.

Dlaczego ta mapa jest rewolucją w medycynie?

Odpowiedź jest prosta: komórki to podstawowe cegiełki, z których jesteśmy zbudowani. Zrozumienie ich działania to klucz do zrozumienia zdrowia i, co ważniejsze, chorób.

Przez lata genetyka zidentyfikowała ponad 100 000 wariantów genetycznych powiązanych z różnymi schorzeniami. Problem? W większości przypadków nie wiedzieliśmy, w których konkretnie komórkach te „wadliwe” geny są aktywne. To tak, jakbyśmy wiedzieli, że w mieście jest usterka, ale nie znali jej dokładnego adresu. HCA rozwiązuje ten problem. Łącząc wiedzę o lokalizacji komórki z informacjami o genach, które ulegają w niej ekspresji, oraz o jej markerach epigenetycznych, naukowcy zyskują bezprecedensowy wgląd w mechanizmy chorób.

Przykłady? Badacze analizujący atlas komórek płuc mogli precyzyjnie wskazać różnice między płucami osób z Malawi, które zmarły na COVID-19, a płucami osób zmarłych na inne choroby płuc. Inne zespoły śledzą rozwój organów w okresie płodowym, analizując komórki skóry, stawów czy czaszki, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia wad wrodzonych.

Jak piszą sami badacze HCA: „Bez tej wiedzy nie możemy w pełni zrozumieć biologii, badać bardziej zaawansowanych modeli chorób, wdrażać lepszej diagnostyki i rozwijać skuteczniejszych terapii”.

Droga przed nami: ultramaraton, nie sprint

Stworzenie pierwszego szkicu mapy 62 milionów komórek to gigantyczny krok, ale wciąż daleka droga do zmapowania bilionów. Projekt Human Cell Atlas to nie jest typowy grant badawczy o kilkuletnim horyzoncie czasowym. To ultramaraton, który wymaga stałego, długoterminowego wsparcia.

Aby HCA mógł w pełni zrealizować swój potencjał, musi być traktowany nie jak zwykły projekt, ale jak niezbędna infrastruktura naukowa – fundamentalne narzędzie, z którego będą czerpać kolejne pokolenia naukowców i lekarzy. Instytucje finansujące, takie jak Komisja Europejska, amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) czy filantropijne fundacje jak Chan Zuckerberg Initiative i Wellcome, muszą pozostać zaangażowane na długie lata.

Jesteśmy świadkami cichej rewolucji. Atlas Komórek Człowieka to jedno z tych osiągnięć, które definiują epokę w nauce. To fundament, na którym zostanie zbudowana medycyna przyszłości – bardziej precyzyjna, spersonalizowana i skuteczna niż kiedykolwiek wcześniej.

Pomysł na doktorat:

Tytuł roboczy: „Wykorzystanie danych z projektu Human Cell Atlas do identyfikacji komórkowych mechanizmów i potencjalnych celów terapeutycznych w reumatoidalnym zapaleniu stawów.”

Cel główny: Zintegrowanie i analiza publicznie dostępnych danych z Human Cell Atlas (w szczególności dotyczących komórek układu odpornościowego i tkanki stawowej) w celu zidentyfikowania specyficznych subpopulacji komórek kluczowych dla patogenezy reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS) oraz wskazania nowych, potencjalnych celów dla terapii celowanych.

Pytania badawcze:

1. Które konkretne typy i stany komórek (np. subpopulacje limfocytów T, fibroblastów maziowych) wykazują unikalne profile ekspresji genów u pacjentów z RZS w porównaniu do zdrowych tkanek zmapowanych w HCA?

2. Czy analiza danych z HCA pozwala zidentyfikować nieznane dotąd ścieżki sygnałowe lub interakcje międzykomórkowe leżące u podstaw procesów zapalnych i destrukcji stawów w RZS?

3. Czy na podstawie zidentyfikowanych profili komórkowych można wytypować białka lub receptory, które mogłyby stać się nowymi celami dla leków biologicznych lub małocząsteczkowych w terapii RZS?

4. Jak można wykorzystać HCA do stworzenia bardziej precyzyjnego, „komórkowego” modelu progresji RZS, który mógłby posłużyć do wczesnej diagnostyki i stratyfikacji pacjentów?

Metodologia: Praca miałaby charakter bioinformatyczny. Obejmowałaby:

• Pozyskanie i harmonizację danych z baz HCA oraz repozytoriów danych scRNA-seq (sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek) od pacjentów z RZS.

• Zaawansowaną analizę statystyczną i klastrowanie w celu identyfikacji subpopulacji komórek.

• Analizę różnicowej ekspresji genów i analizę wzbogacania ścieżek sygnałowych (pathway analysis).

• Modelowanie sieci interakcji międzykomórkowych.

• Walidację in silico potencjalnych celów terapeutycznych poprzez analizę ich ekspresji w szerokim spektrum zdrowych tkanek z HCA w celu oceny potencjalnych działań niepożądanych.