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Human Cell Atlas: el google maps celular

5/25/2017

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Por Lorena López-Galvis
PictureTomado de: Broad Institute, Research highlights: Human Cell Atlas. https://www.broadinstitute.org/research-highlights-human-cell-atlas

El cuerpo humano está formado por un numero enorme de células, se estima que poseemos 3.72 × 1013 células (37.2 millones de millones de células) de las cuales una persona promedio puede tener 50 mil millones de células adiposas y 2000 millones de células musculares en el corazón [1]. La organización celular es la que permite la formación de tejidos y órganos como el cerebro, los pulmones, el hígado. Sin embargo cuando se inspecciona más de cerca cualquier órgano el tipo celular que lo forma no es solo uno, cada órgano posee células epiteliales, neuronales, hematopoyéticas, adiposas, etc que al conectarse como una red le imprimen el rol funcional a cada órgano. Cambios en cualquiera de estas células desencadenan diferentes reacciones en el tejido y posteriormente en los órganos, y por ende, muchas de las enfermedades inician así, solo con una falla en una célula que posteriormente puede propagarse a células vecinas o ir más allá a órganos vecinos, como lo es el cáncer en etapas iniciales y en condiciones de metástasis. Investigar el estado inicial de dicha célula alterada abriría nuevas perspectivas para el entendimiento de la enfermedad y como las distintas etapas de desarrollo de dicho fenotipo desencadenan masivamente una condición no deseable en el organismo.

La era genómica (estudio de genes y genomas completos) y el desarrollo continuo de tecnologías que mejoran tanto en resolución como en precisión, ha permitido encontrar, a nivel de cambios en la estructura molecular y celular, muchos agentes causantes de enfermedades. Sin embargo este enfoque sistemático ha analizado las células en masa, ya que se toman partes de tejidos formados por poblaciones de células de distinto origen o en diferentes momentos celulares (estadios) lo cual, al tiempo que reduce la posibilidad de identificar diferencias entre las células del tejido y también aísla a dichas células de su entorno impidiendo la comunicación celular. Es en esta comunicación donde hay información muy valiosa en cuanto a cómo progresan los estadios celulares o cómo se lleva a cabo el progreso hacia el desarrollo de enfermedades [2, 3]. En los últimos cinco años, el desarrollo de tecnologías enfocadas a decodificar genomas (secuencia de ADN) y transcriptomas (expresión de genes) de única célula (single-cell ‘omics’) ha permitido entender cómo aunque un tejido tenga el mismo tipo celular, todas las células que lo forman no se comportan de manera igual, es decir, su huella digital a nivel de genoma o de transcriptoma varia. De esta variación se puede interpretar el desarrollo de una enfermedad como el cáncer, la cual solo requiere de una célula que cambie su estadío hacia un estado de proliferación celular descontrolado y a partir de esto se desarrolla un tumor. Codificar y entender esa base de la diferenciación celular es lo que persigue la iniciativa Human Cell Atlas (HCA-Atlas Celular Humano).

La iniciativa fundada por el Wellcome Trust Sanger Institute del Reino Unido y Broad Institute (MIT and Harvard University) de Estados Unidos y apoyada por el Chan Zuckerberg Biohub, tuvo su inicio el pasado Octubre donde se presentó el proyecto y se buscó el apoyo internacional de científicos, biólogos, físicos, bioinformáticos, médicos, matemáticos, ingenieros de software y computación. A la iniciativa se asociaron el Weizmann Institute of Science (Israel), Stanford University (EEUU), Memorial Sloan Kettering Cancer Institute (EEUU), University of Toronto (Canadá), RIKEN (Japón), German Cancer Research Center (Alemania), Hubrecht Institute (Países Bajos),  Karolinska Institutet (Suecia), entre otros [4].

Bajo esta perspectiva, el atlas celular humano busca catalogar y definir las bases moleculares de los diferentes arquetipos celulares teniendo en cuenta los numerosos tipos y localizaciones de dichas células en el ser humano. Esto va a permitir la generación de una identidad para cada tipo celular y adicionalmente la definición de las conexiones de las diferentes células en un mapa tridimensional de comunicación celular. El establecimiento de la red de comunicación entre los diferentes sistemas que conforman el cuerpo humano permitirá entender como los cambios en dicha red están asociados con la presencia o ausencia de enfermedades, con el fin último de mejorar las herramientas para el diagnóstico, monitoreo y tratamiento de dichas condiciones [5].
​
La base para la investigación en esta iniciativa parte de elementos tecnológicos avanzados que requieren seguir progresando en precisión y resolución. Las tecnologías recientes para secuenciación tanto de DNA como RNA en célula-única (scDNA seq – single cell DNA sequencing - y scRNA seq – single cell RNA sequencing) han permitido estudiar sistemáticamente células particulares de un tejido. Estas técnicas que iniciaron siendo muy costosas para una única célula, ahora resultan en avances hacia la secuenciación de RNA en paralelo (muchas células únicas en un mismo plato de reacción) como lo es Drop-Seq [6] e InDrop [7] las cuales han reducido los costos sustancialmente. Asi mismo la integración de estas metodologías con el poder computacional, microscopios y tecnologías conocidas, han permitido incluir información sobre sublocalización a nivel tisular y celular, permitiendo la generación de nuevas técnicas de visualización de información celular por imagenología como MERFISH [8], secuenciación directa in situ e.g. FIS-SEQ [9], reconstrucción tisular por medios computacionales e.g. Tomo-Seq [10], Seurat [11], entre otros.

Dentro de las aplicaciones del HCA está la recolección de información acerca del sistema inmune y de cómo las células encargadas de la defensa del organismo reaccionan contra patógenos. El caso de las células inmunitarias es muy especial pues éstas se originan en el timo y la medula ósea, posteriormente inician las respuestas en los ganglios linfáticos y el bazo pero su accionar puede estar en lugares como la piel, mucosas intestinales, etc. El reto es entender como el sistema inmune reacciona al ser estimulado ya que su potencial solo se puede identificar bajo un ataque de un patógeno infeccioso o de respuesta inflamatoria. Parte de este camino ya se ha facilitado con el immgenH (Immunological Genome Project) basado en estudios en ratón y que permitirá ampliar la información en investigaciones de células únicas del hombre [5]. Asociado con esta propuesta están los estudios en tejido epitelial, ya que este tejido cumple funciones de protección, sensado, secreción, absorción, transporte y conexión. De esta manera resulta muy importante definir las características de cada tipo de célula epitelial tanto para el desarrollo de los diferentes órganos, como para definir el mecanismo molecular por el cual el cuerpo siente el ambiente y reacciona a él sobre todo en el caso de patologías.

Otro ejemplo, está constituido por los esfuerzos para entender al cerebro como unidad estructural formado por al menos 86 billones de neuronas. Este proyecto se ha compilado en el Allen Brain Atlas (iniciativa del NIH – National Institute of Health en EEUU) [12] usando ratones como objeto de estudio. Más información y datos de otros proyectos relacionados con scDNA y scRNA seq en desarrollo cerebral y redes neuronales se alojaran en este atlas.  De igual manera los avances en el entendimiento celular del desarrollo fetal como parte del Human Fetal Cell Atlas (HFCA-Atlas celular del feto humano) que ha usado embriones y fetos de hasta 22 semanas de gestación, mostrará la colección de tipos celulares y estados celulares que llevan a que una célula fecundada se divida y se diferencie en un feto. Esta información es crucial para entender enfermedades como el cáncer, en las cuales una célula maligna usa la programación de desarrollo celular para su crecimiento y sobrevivencia [5].

En la misma línea de investigación, el HCA busca definir los patrones genéticos y de expresión de genes de las células malignas que derivan en cáncer, teniendo en cuenta la gran variación a nivel de tipos de tumor, tipos de células en el tumor y tipos de tumores en cada paciente lo cual iluminaría el camino a terapias más eficientes y dirigidas que permitan entender el desarrollo de resistencia a fármacos y por ende la recurrencia de tumores cancerosos [5].

El HCA se muestra como una propuesta con un alto potencial a nivel de desarrollo de tecnologías pero principalmente a nivel de aplicaciones médicas esperando que el avance en diagnóstico y tratamiento de enfermedades se mueva a pasos agigantados bajo un esfuerzo internacional, apalancado con fondos del fundador de Facebook y de su esposa quienes por medio del Chan Zuckerberg biohub buscan “ayudar a curar, prevenir o manejar todas las enfermedades en los niños, su misión es inventar el futuro de la investigación en ciencias de la vida” [13]. 


​Referencias

[1] Bianconi E, Piovesan A, Facchin F, Beraudi A, Casadei R, Frabetti F, Vitale L, Pelleri MC, Tassani S, Piva F, Perez-Amodio S, Strippoli P, Canaider S. (2013). An estimation of the number of cells in the human body. Ann Hum Biol. 2013 40(6):463-71.
[2] Gawad C, Koh W & Stephen R. Quake (2016). Single-cell genome sequencing: current state of the science. Nature Reviews Genetics 17, 175–188
[3] Kanter I & T Kalisky (2015). Single Cell Transcriptomics: Methods and Applications. Front Oncol. 5: 53.
[4] https://www.humancellatlas.org/members
[5] https://www.humancellatlas.org/
[6] Macosko, EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M, Tirosh I, Bialas AR, Kamitaki N4, Martersteck EM, Trombetta JJ, Weitz DA, Sanes JR, Shalek AK, Regev A, McCarroll SA. (2015). Highly Parallel Genome-wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets. Cell 161(5):1202-14
[7] Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, Peshkin L, Weitz DA, Kirschner MW. (2015). Droplet barcoding for single-cell transcriptomics applied to embryonic stem cells. Cell 161(5):1187-201.
[8] Chen F, Tillberg PW, Boyden ES. (2015a). Optical imaging. Expansion microscopy. Science 347, 543-548.
[9] Lee JH, Daugharthy ER, Scheiman J, Kalhor R, Yang JL, Ferrante TC, Terry R, Jeanty SS, Li C, Amamoto R, et al. (2014). Highly multiplexed subcellular RNA sequencing in situ. Science 343, 1360-1363.
[10] Junker JP, Noel ES, Guryev V, Peterson KA, Shah G, Huisken J, McMahon AP, Berezikov E, Bakkers J, van Oudenaarden A. (2014). Genome-wide RNA Tomography in the zebrafish embryo. Cell159, 662-675.
[11] Satija R, Farrell JA, Gennert D, Schier AF, Regev A. (2015). Spatial reconstruction of single-cell gene expression data. Nature biotechnology 33, 495-502.
[12] http://www.brain-map.org/
[13] https://czbiohub.org/vision/
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TEMPORADA: NUEVAS TECNOLOGÍAS Y DESCUBRIMIENTOS

5/4/2017

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¿QUÉ ES EL MICROSCOPIO SUBMARINO BENTÓNICO
Por: Andia Chaves Fonnegra

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​El Microscopio Submarino Bentónico o MSB
​(En Inglés “Benthic Underwater Microscope o BUM”) es un instrumento que permite tomar imágenes y videos microscópicos de diversos organismos del bentos (aquellos que habitan el fondo de los ecosistemas acuáticos) a una resolución cercana al micrómetro (que equivale a una milésima parte de un milímetro). Es el primer instrumento capaz de obtener imágenes microscópicas bajo el agua sin necesidad de colectar muestras, por esto se le considera un método no invasivo (1).
Imagen del MSB por Mullen y colaboradores (2016).


Este microscopio fue desarrollado por Mullen y colaboradores en el 2016, y este artículo de divulgación se basa en el artículo publicado por estos autores en Nature Communications (1). Imágenes y videos son presentados con permiso de los autores.

​Con este art
ículo comenzamos la temporada de BIOGENIC sobre nuevas tecnologí
as y descubrimientos.

¿CÓMO PERMITE EL MSB HACER NUEVOS DESCUBRIMIENTOS?
  • El MSB permite a los investigadores hacer observaciones sub-acuáticas in situ (= en el lugar donde los organismos se encuentran)
 
  • EL MSB permite estudiar procesos a micro-escala (nivel celular) de actividades biológicas, cómo por ejemplo la muerte de los pólipos de corales. Igualmente se puede estudiar la competencia entre organismos bentónicos como lo son corales, esponjas, ascidias y algas, y así entender cómo la competencia puede estructurar patrones a escalas mayores, como, por ejemplo, la diversidad en arrecifes de coral
 
  • EL MSB obtiene imágenes en series de tiempo que permiten revelar actividades y procesos que ocurren en lapsos muy largos y a una velocidad muy lenta. Lo que significa que por primera vez se puede estudiar el comportamiento animal de organismos que no se desplazan, pero que tienen movimiento, como los pólipos de un coral. Permitiendo así visualizar y estudiar procesos nunca antes vistos

¿CUÁLES SON LAS PARTES DEL MSB?
EL MSB está formado por tres componentes ópticos (Figura 1):
  1. lentes objetivos de trabajo de larga distancia.
  2. lentes enfocables eléctricos (ETL).
  3. luz enfocable que emite diodos (LEDs) y que provee iluminación por reflexión.
Éstos tres elementos están integrados dentro un sistema compacto que es usado por buzos y que incluye una cámara, un sistema eléctrico y una interface. El instrumento está dividido en dos “housings (= carcasas)”: la unidad de imagen que contiene todos los componentes ópticos, y la unidad de control que contiene un computador y una interface de buceo en vivo (Figura 1a, b).
Picture
Figura 1. Diseño y funcionamiento del MSB. a) componentes internos del MSB b) componentes internos de la unidad de control, c) Un buzo demostrando como opera el MSB bajo el agua usando una distancia mínima de 465 mm de cercanía al organismo, d) Imagen cercana del MSB frente a una colonia de coral. Barra de escala = 50 mm (a,b,d). Imagen tomada y traducida de Mullen y colaboradores (1).

Los lentes objetivos de trabajo de larga distancia proveen la magnificación y la apertura numérica necesaria para resolver los detalles finos, así como la distancia de trabajo necesaria para obtener imágenes por medio de un puerto óptico mientras el objeto a observar no es tocado.
 
El microscopio está equipado con objetivos de magnificación de 3X o 5X. El objetivo de 5X puede obtener una resolución bajo el agua de 2.2 μm con un 1.62x1.36 mm de campo de vista, mientras que el objetivo de 3X obtiene una resolución de 3.1 μm con 2.65x2.22 mm de campo de vista. Cada objetivo provee una distancia de trabajo mayor a 65 mm desde el puerto óptico, lo que permite posicionar el instrumento y tomar imágenes sin tocar al objeto a fotografiar y el ambiente que lo rodea.
 
Para obtener un enfoque rápido, un ETL (= echo train lenght) deformable ha sido incorporado dentro del sistema óptico. Este lente consiste en una membrana de polímero flexible que contiene un fluido óptico. Un accionador integrado produce presión en el fluido óptico para rápidamente cambiar la curvatura de los lentes y la longitud focal con ajustes de tiempo de menos de 2.5 mili-segundos (1). 
Estos componentes permiten obtener imágenes a micro-escala bajo el agua y superar varios retos como son:
  • La obtención de imágenes con enfoque preciso bajo el agua
  • La obtención de imágenes de manera no invasiva, es decir sin cortar el tejido ni lastimar los organismos 
  • Permite obtener imágenes de organismos vivos con una estructura tridimensional

¿QUÉ TIPO DE INFORMACIÓN SE OBTIENE CON EL MICROSCOPIO?
El microscopio MSB ha permitido recientemente observar detalles anatómicos de organismos vivos. Inicialmente se ha usado para tomar imágenes de pólipos de coral y de sus algas simbióticas unicelulares o dinoflagelados, comúnmente llamadas zooxantelas, permitiendo visualizar el blanqueamiento coralino en vivo (Figura 2).
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​Figura 2. Imágenes obtenidas con el MSB por Mullen et al 1. a-b) imágenes de dos áreas en una colonia de coral de Porites compressa en proceso de blanqueamiento, Maui, Hawaii. En a) se muestra un blanqueamiento parcial, en b) un blanqueamiento casi completo, y en c) colonia de coral completamente blanqueada (sin zooxantelas), como resultado el coral tiene una apariencia translúcida, aunque los pólipos están aún vivos. Barras de escala grandes =500 μm, escalas pequeñas= 50 μm.

Así mismo, el microscopio permite obtener videos en series de tiempo que permiten registrar procesos a micro-escala y revelar fenómenos nuevos. Por ejemplo, del comportamiento de los corales, que nunca antes se había visto a este nivel de detalle, como son los procesos de alimentación y competencia entre pólipos. 
Video de competencia entre corales. Los filaméntos mesentéricos son liberados y usados como mecanismo de defensa.

En este proceso los investigadores han capturado un comportamiento nunca antes visto, llamado “besos de coral” en el que los pólipos conectan sus aperturas gastrovasculares periódicamente y probablemente intercambian contenidos. Esta actividad tiende a ocurrir después de capturar plancton para alimentarse (Ver videos de los besos de coral a continuación). Otros videos los puedes encontrar en la información suplementaria del artículo www.nature.com/articles/ncomms12093#s1
Pólipos de coral conectando sus aperturas gastrovasculares "Besos de Coral"

¿CÓMO PUEDE AYUDAR EL MSB A AVANZAR LA INVESTIGACIÓN?
El MSB ofrece una plataforma para el desarrollo tecnológico, ya que se pueden incorporar diseños a futuro que permitan obtener más información de fenómenos físicos y biológicos a micro-escala. Por ejemplo, se podría incorporar detectores de fluorescencia para medir niveles de clorofila y eficiencia de la fotosíntesis. Igualmente, se podrían incorporar un velocímetro en el MSB para medir dinámica de fluidos a pequeña escala; indicadores ópticos para medir variables químicas; y la posibilidad de usar las imágenes para modelamientos en tercera dimensión. De esta manera el microscopio permitirá llevar análisis de laboratorio directamente bajo el agua y así conectar estudios teóricos y de laboratorio directamente con procesos en el hábitat natural (1).

GLOSARIO
 
Ascidia:  Clase de animales pertenecientes al subfilo Urochordata, en estadio larval presentan un tubo neural (notocorda), tubo nervioso dorsal y hendiduras faríngeas, caracteres que definen a los cordados (filo Chrodata).
Alga: Plantas acuáticas que viven en los fondos marinos.
Bentos: Comunidad formada por los organismos que habitan el fondo de los ecosistemas acuáticos.
Carcasa: conjunto de piezas duras y resistentes, que dan soporte (si son internas) o protegen (si son externas) a otras partes de un equipo.
Coral: son animales coloniales, salvo excepciones, pertenecientes al filo Cnidaria, que presentan dos capas de tejido.
Esponja: son animales invertebrados acuáticos pertenecientes al filo Porifera. Son mayoritariamente marinos y filtradores, sésiles y carecen de auténticos tejidos.
Cavidad Gastrovascular: cavidad digestiva con una sola abertura, característica de los cnidarios (medusas, hidras, corales) y ctenóforos (peines de mar, nueces de mar).
Plancton: conjunto de organismos, principalmente microscópicos, que flotan en aguas saladas o dulces.
Pólipo de Coral: tejido del coral formado por tentáculos, que tiene una cavidad gastrovascular y células especializadas para extraer carbonato de calcio disuelto en el mar y depositarlo bajo el pólipo.
Zooxantela: organismos simbióticos de varios animales marinos y de protistas. Por lo general son algas dinoflageladas.


Referencia
 (1)   Mullen, A. D.; Treibitz, T.; Roberts, P. L.; Kelly, E. L.; Horwitz, R.; Smith, J. E.; Jaffe, J. S. Underwater microscopy for in situ studies of benthic ecosystems. Nature communications 2016, 7.
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