Почему одни люди во время экзамена или собеседования вдруг комкают речь и убегают в туалет с острым приступом диареи? А почему другие едят только привычную еду, потому что каждая дегустация нового блюда заканчивается острой резью? А почему у третьих прием практически любого лекарства вызывает болезненный спазм в животе?
Впервые в истории медики составили подробную карту человеческого кишечника с разрешением до одной клетки.
Ученые Школы медицины Университета Северной Каролины под руководством Скотта Мэгнесса надеются, что она поможет найти индивидуальный план медикаментозной поддержки для каждого, кто не страдает заболеванием кишечника, но в прямом смысле «реагирует нутром» на стрессы, переживания, безобиднейшие блюда и напитки. Иначе говоря, чей организм «отвечает» на мозговые импульсы спазмами и болями в кишечнике.
Команда ученых секвенировали гены, которые экспрессируются в отдельных клетках пищеварительного тракта человека, задавшись целью обнаружить новые характеристики клеток и получить представление об их индивидуальных функциях. Карта уже позволила получить новые сведения об особенностях поглощения питательных веществ, обусловленных иммунной защитой.
Исследователи использовали целые желудочно-кишечные тракты человека от трех доноров органов. Это позволило выявить особенности клеточных функций и различия в экспрессии генов — как между клетками, так и между организмами людей.
«Наша лаборатория показала, что можно узнать о функции каждого типа клеток в важных процессах, таких как поглощение питательных веществ, защита от паразитов и выработка слизи и гормонов, которые регулируют пищевое поведение и перистальтику кишечника. Мы также узнали, как слизистая оболочка кишечника может взаимодействовать с окружающей средой через рецепторы и датчики, и как лекарства могут взаимодействовать с различными типами клеток», — рассказал Скотт Мэгнесс, ведущий автор исследования.
Что исследовали медики в донорских кишечниках?
В исследовании ученые сосредоточилась на эпителии. Это одноклеточный толстый слой, который отделяет внутреннюю часть кишечника и толстой кишки от остального организма.
Прежде ученые годами исследовали эпителий, но до сих пор могли брать только крошечные биоптаты размером с рисовое зерно из нескольких частей пищеварительного тракта. Такой подход Мэгнесс сравнил с попыткой изучать США на основе данных о трех штатах.
Раньше исследователи изучали биоптаты, пытаясь идентифицировать все типы эпителиальных клеток и изучить их общие характеристики. Новый подход заключается в том, чтобы взять образцы тысяч отдельных клеток из каждой части нижнего отдела пищеварительного тракта (тонкой и толстой кишки) для создания атласа человеческого кишечника.
Что даст науке и обычным людям новая «карта кишечника»?
Ученые планируют изучить потенциальную роль клеток кишечника с помощью генов, которые экспрессирует каждая клетка. Такое знание поможет подобрать индивидуальные препараты, купирующие «нервные» спазмы в кишечнике и расширить понимание фармацевтами побочных эффектов лекарств.
Используя технологию секвенирования для характеристики экспрессии генов, группа Мэгнесса сначала извлекала РНК из каждой клетки эпителия донорского пищеварительного тракта. Каждая клетка сохранялась отдельно.
«Картина, которую мы получаем от каждой клетки, представляет собой мозаику всех различных типов генов, которые производят клетки. Этот набор генов создает своеобразную подпись, подсказывающую нам, что это за клетка и что она делает. Стволовая ли это клетка, или слизистая, или гормон-продуцирующая, или сигнальная иммунная?», — пояснил Скотт Мэгнесс.
Как проходило исследование 12 тысяч клеток кишечника?
Секвенирование одной только клетки позволяет получить около 11 тысяч «прочтений» или отдельных образцов генных продуктов. В общей сложности это создает почти 140 миллионов точек данных для всех 12 590 клеток, затронутых в исследовании.
Команде удалось разработать вычислительные методы для фильтрации данных, чтобы создать их управляемый набор, включающий популяции клеток из всех частей желудочно-кишечного тракта.
«Мы не только описали каждый отдельный тип клеток и каждый отдельный ген, который они экспрессируют по отдельности, но также рассмотрели их потенциальные функции. Взгляните на кишечную слизь, которая представляет собой сложную смесь, защищающую клетки. Мы показали, какие клетки экспрессируют различные белки муцина, сколько их и в каких областях пищеварительного тракта они находятся», — рассказал соавтор исследования Джозеф Берклафф.
