Immaginate di avere un insieme di 37.000 miliardi (37 trilioni) di cellule diverse, connesse in architetture complessissime e in continua evoluzione dinamica dal punto di vista delle loro attività e della loro morfologia funzionale. Ora immaginate anche di voler ottenere una mappa dei tipi e dei rapporti tra tutte le cellule in questione, una per una, e di voler per sovrapprezzo caratterizzare come ciascuna cellula evolve nel tempo, modificando la sua biochimica in risposta a stimoli diversi e al passare del tempo.
Quello che state immaginando è di studiare a livello di singola cellula il corpo di una persona, e non siete i soli ad immaginarlo, perché si tratta precisamente di uno dei più ambiziosi programmi di ricerca che la comunità scientifica mondiale abbia mai concepito. Lanciato nel 2018, il programma Human Biomolecular Atlas (HuBMAP) mira a mappare il modo in cui tutti i tipi di cellule sono disposti nel corpo umano, utilizzando tecnologie di diverso tipo per creare mappe di organi a risoluzione di singola cellula (e, in realtà, guardando persino all’interno delle singole cellule).
60 diverse istituzioni ed oltre 400 scienziati, una volta terminata la messa a punto delle tecniche necessarie (spesso inventate ex-novo), hanno cominciato a produrre risultati e le prime pubblicazioni sull’ultimo numero di Nature dimostrano la stupefacente qualità dell’informazione ottenuta. Si tratta di tre articoli, ciascuno dei quali illustra una tecnica diversa di caratterizzazione del nostro corpo a livello di singola cellula, con un dettaglio e ad una scala dimensionale prima impensabili.
In un primo articolo, si usa una tecnica che conosco bene, per averla usata io stesso ai suoi esordi, ovvero la spettrometria di massa MALDI direttamente su tessuto, per ottenere, cellula per cellula, la caratterizzazione delle proteine al lavoro in ogni cellula in un dato istante di tempo. È un po’ come se potessimo dare uno sguardo diretto alle macchine che stanno operando all’interno di ogni fabbrica in un distretto che riunisce molte fabbriche per ottenere una serie di lavorazioni precisamente coordinate fra loro; ma le fabbriche, ovvero le cellule, sono grandi solo poche decine di micron, e sono circa 500.000 cellule e 588 arterie all’interno della decidua intatta (la membrana materna a contatto con il corion fetale), ottenuta da 66 individui tra le 6 e le 20 settimane di gestazione. Seguendo nel tempo l’evoluzione del tipo e della quantità delle varie proteine impegnate a lavorare, si è potuto osservare il processo attraverso il quale il feto rimodella i tessuti materni, attivando in precisi momenti, in precisi distretti e con una sequenza specifica una serie di passaggi molecolari che portano alla progressiva costruzione dell’interfaccia fra il nascituro e la madre. Questo primo atlante dello sviluppo spazio-temporale della decidua durante la gravidanza non ha solo una utilità nel comprendere i meccanismi attraverso cui funziona la gestazione, con un dettaglio mai visto; costituisce anche uno standard, grazie al quale sarà possibile studiare le anomalie nella formazione dell’interfaccia madre-feto e chiarire perturbazioni eziologiche nella tolleranza materno-fetale e in alcune complicanze della gravidanza.
In un secondo articolo, i ricercatori dello HuBMAP si sono focalizzati su un altro tipo di interfaccia del nostro organismo, quella cioè fra noi, il nostro microbioma ed i nostri alimenti: l’intestino. In questo caso, si è dimostrata la potenza di una seconda tecnica, ovvero la versione più avanzata del sequenziamento di RNA su singola cellula, valutando l’organizzazione delle singole cellule in otto diversi siti intestinali a partire dal tessuto di nove donatori. La composizione cellulare dell’intestino è risultata estremamente sito-specifica e molto varia fra distretti diversi, con una notevole complessità dei sottotipi epiteliali e con architetture cellulari diverse corrispondenti ai diversi “quartieri” del distretto di fabbriche della nostra metafora. Inoltre, si evidenziano bene nicchie immunologiche distinte che sono presenti nell’intestino, a provvedere ulteriore varietà nel modo in cui interagiamo con il nostro microbioma ed i nostri alimenti lungo il tubo digerente. Questi risultati descrivono la complessità della composizione cellulare, della regolazione e dell’organizzazione dell’intestino e fungono da importante mappa di riferimento per comprendere la biologia umana e le malattie, particolarmente per futuri confronti volti a dimostrare il disturbo dell’organizzazione tissutale in specifici distretti (pensiamo, per esempio, al caso delle malattie infiammatorie dell’intestino).
In un terzo articolo, si dà dimostrazione della potenza della mappatura a singola cellula paragonando lo stato dello stesso tessuto in donatori sani o malati. Analizzando oltre 400.000 nuclei e cellule intere su 45 campioni da reni sani di riferimento e su 48 da pazienti, si è ottenuto un atlante cellulare ad alta risoluzione di 51 tipi di cellule principali, che includono popolazioni di cellule rare e precedentemente non descritte. Anche in questo caso, per ciascuna cellula sono stati ottenuti sia i profili di RNA, che i fattori regolatori attivi, così che la loro distribuzione spaziale è stata mappata sul rene intero. Nei soggetti malati, i nefroni (cioè le unità funzionali del rene costituite da corpuscoli di Malpighi e tubuli renali, devolute alla filtrazione del plasma sanguigno e alla formazione della preurina) sono risultati alterati a livello cellulare in almeno 28 modi e localizzazioni diversi, in corrispondenza di alterazioni del ciclo renale, dell’adattamento e della riparazione del danno e degli stati degenerativi (legati per esempio all’infiammazione). Una volta ottenute le “firme molecolari” di questi stati patologici, è stato possibile ricostruire la mappa dettagliata di ogni lesione, sia a livello anatomico che funzionale, mentre l’analisi di imaging 3D su larga scala (circa 1,2 milioni di comunità cellulari esaminate) ha fornito i correlati molecolari delle risposte immunitarie attive. Queste analisi hanno definito percorsi biologici rilevanti per il decorso temporale e le nicchie della lesione, comprese le firme alla base della riparazione epiteliale che, quando alterate, corrispondono a un declino della funzione renale.
Tre tecniche, tre indagini e tre tessuti diversi: questo è il primo assaggio di ciò che deve ancora arrivare, e che ci permetterà di ottenere la prima mappa fisica e funzionale, cellula per cellula, di una persona sana, ma anche le sue alterazioni in stati diversi (fisiologici o patologici), permettendo una comprensione senza precedenti di salute e malattia del nostro organismo.
Il numero di cellule di un corpo umano è di ordini di grandezza al di sopra di quello delle galassie visibili nel nostro universo; mappare le loro posizioni, connessioni e i loro stati nel tempo rappresenta il più ambizioso fra i traguardi che il programma di ricerca della biomedicina moderna abbia mai immaginato, per stabilire la connessione di scala che esiste fra quella moltitudine immensa di macchine molecolari che costituiscono la nostra chimica, le cellule all’interno delle quali funzionano, e finalmente i tessuti e gli organi di cui ci parlano gli atlanti di anatomia.