Los primeros borradores de los mapas de células del cuerpo humano de la iniciativa internacional Atlas de Células Humanas (Human Cell Atlas, HCA) fueron presentados en una colección de artículos científicos de las revistas Spriger Nature, las de mayor impacto en el mundo como Nature, Nature Medicine, Nature Genetics y Nature Communications, entre otras.
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El HCA se fundó en 2016 con el objetivo de construir un atlas biológico de cada tipo de célula del cuerpo humano y analizar todos los aspectos de la diversidad humana, incluidos los referentes a la genética, la geografía, la edad y el sexo.
En plena tercera década del siglo XXI, todavía no se comprende la complejidad del cuerpo humano a nivel celular, ha sido un desafío complejo que no se ha conseguido en décadas y que es crucial para el avance de la ciencia médica.
Se estima que el cuerpo humano está compuesto por 37.2 billones de células y cada tipo de célula tiene una función única, y hasta la fecha se conocen alrededor de 200 diferentes tipos, pero no se descarta el descubrimiento de otros.
“El Atlas de Células Humanas es una iniciativa global que ya está transformando nuestra comprensión de la salud humana”, dice Sarah Teichmann, copresidenta fundadora del HCA e investigadora del Instituto de Células Madre de Cambridge. “Al crear un mapa de referencia integral del cuerpo humano sano, una especie de ‘Google Maps’ para la biología celular, establece un punto de referencia para detectar y comprender los cambios que subyacen a la salud y la enfermedad”.
Este proyecto está conformado por un consorcio de más de 3 mil 600 científicos de 102 países, que integran datos relacionados con 18 redes biológicas, cada una de las cuales se centra en un órgano, tejido o sistema en particular.
“El Atlas de Células Humanas es una iniciativa global que ya está transformando nuestra comprensión de la salud humana”: Sarah Teichmann, copresidenta fundadora del HCA e investigadora del Instituto de Células Madre de Cambridge.
Ahora, se publican los primeros resultados de las investigaciones en más de 40 artículos científicos que aprovechan los nuevos datos a gran escala y herramientas analíticas, algunas basadas en algoritmos de inteligencia artificial, y descubrimientos biomédicos que ayudan a comprender las células del cuerpo humano en la salud y la enfermedad, y que ya están transformando nuestra comprensión del organismo humano.
“Este nuevo nivel de conocimiento sobre los genes, mecanismos celulares y tipos de células específicas dentro de los tejidos está sentando las bases para diagnósticos más precisos, descubrimientos de fármacos innovadores y enfoques avanzados de medicina regenerativa”, indica Teichmann.
El primer borrador del Atlas de células humanas (https://www.humancellatlas.org) perfila el análisis de más de 100 millones de células de más de 10 mil personas y, eventualmente, crecerá para incluir hasta miles de millones de células de todos los órganos y tejidos.
HCA está desarrollando y utilizando enfoques experimentales y computacionales en genómica unicelular y espacial para crear mapas de referencia completos de todas las células humanas como base para comprender la salud humana así como diagnosticar, monitorear y tratar enfermedades.
Esta colección de estudios muestra avances importantes en tres aspectos fundamentales: mapear tejidos u órganos adultos individuales, mapear tejidos humanos en desarrollo y obtener nuevos métodos analíticos innovadores.
“La comunidad internacional del Atlas de células humanas subraya el tremendo progreso hacia el mapeo de cada tipo de célula humana y cómo cambian a medida que crecemos y envejecemos”, dijo Jeremy Farrar, científico jefe de la Organización Mundial de la Salud. “Los conocimientos que surgen de estos descubrimientos ya están reconfigurando nuestra comprensión de la salud y la enfermedad, allanando el camino para beneficios de salud transformadores que afectarán las vidas en todo el mundo”.
Células del desarrollo de los huesos y piel
Entre los hallazgos en el campo de desarrollo humano se encuentra la investigación encabezada por la propia Sarah Teichmann y sus colegas (doi.org/10.1038/s41586-024-07571-1) que proporciona el primer mapa del desarrollo esquelético humano y que revela cómo se forman los huesos con nuevos datos sobre el cráneo, las articulaciones de la cadera, la rodilla y el hombro, que arrojan luz sobre los orígenes de la artritis e identifica las células implicadas en las enfermedades esqueléticas.
Varios de estos estudios estudios proporcionan un análisis detallado de tejidos y órganos específicos y revelan nuevos descubrimientos biológicos importantes para comprender las enfermedades.
Por ejemplo, Amanda J. Oliver, del Wellcome Sanger Institute, Reino Unido, y sus colegas (doi.org/10.1038/s41586-024-07571-1) presentan el atlas del tracto gastrointestinal, que abarca desde los tejidos de la boca hasta el esófago, el estómago, los intestinos y el colon, a partir de tejido sano y enfermo, que identificó un tipo de célula intestinal que puede estar involucrado en la inflamación intestinal, lo que proporciona un recurso valioso para investigar y, en última instancia, tratar afecciones inflamatorias como la colitis ulcerosa y la enfermedad de Crohn.
También se presenta un atlas celular integral del desarrollo de la piel que abarca de 7 a 17 semanas después de la concepción. Nusayhah Hudaa Gopee, de la Universidad Newcastle, Reino Unido, y su equipo utilizaron una combinación de tecnologías de transcriptómica unicelular y espacial para mapear los cambios dinámicos de las células de la piel y la manera en cómo se organizan para formar las estructuras de los tejidos clave del desarrollo de la piel.
Sus hallazgos resaltan el papel inesperadamente diverso del sistema inmunológico, entre ellos los macrófagos en la formación de vasos sanguíneos por parte de las células endoteliales.
Por otro lado, el estudio encabezado por Jian Shu, del Instituto Broad del MIT y Harvard, (doi.org/10.1038/s41591-024-03073-9) describe un atlas multiómico de la placenta del primer trimestre, que incluye información sobre los programas genéticos que controlan cómo se desarrolla la placenta y cómo funciona para proporcionar nutrientes y protección al embrión.
Estos y otros estudios de biología del desarrollo aumentan la comprensión fundamental del desarrollo saludable en el tiempo y el espacio, y proporcionan modelos y recursos para crear terapias, ya que muchas enfermedades tienen su origen en el desarrollo humano.
“Este es un momento crucial ya que avanzamos hacia la consecución del primer borrador del Atlas de células humanas”: Aviv Regev, investigador de Genentech.
Nuevas herramientas y cerebro
También se informan nuevas herramientas analíticas, como lo es un método basado en el aprendizaje automático de la inteligencia artificial que busca células similares en función de sus perfiles de expresión.
“La llegada de tecnologías que permiten el mapeo sistemático de características moleculares en células y tejidos individuales, incluidos sus estados genómicos, transcriptómicos y epigenómicos (modificaciones del ADN y las proteínas histonas que regulan la expresión genética), ha avanzado drásticamente la comprensión de los investigadores de los sistemas celulares complejos”, dice Simon Haas, del Instituto de Salud de Berlín.
Afirma que, con estos esfuerzos multidisciplinarios, equipos de todo el mundo han comenzado a decodificar identidades celulares y los principios arquitectónicos de tejidos y órganos con un nivel de detalle y una resolución sin precedentes.
Barbara Treutlein, del Instituto Federal de Tecnología, Suiza, y sus colegas presentan el avance de un atlas integrado de células organoides cerebrales (doi.org/10.1038/s41586-024-08172-8), que proporciona información sobre la eficacia con la que los organoides capturan aspectos del cerebro en desarrollo.
Los organoides se han convertido en un modelo para el análisis funcional de las neuronas, por ello, el atlas celular de organoides neuronales humanos está construido sobre el estudio de un millón 700 mil células mediante la integración de 36 conjuntos de datos de secuenciación de ARN de células individuales. El atlas ya está arrojando luz sobre la cuestión crucial de cuán fielmente los organoides capturan aspectos del cerebro en desarrollo. Encontraron una correspondencia entre el tiempo que estuvieron en cultivo y las etapas de desarrollo a las que se asemejan en el cerebro humano.
Asimismo, crearon un mapa del timo, un órgano linfoide que produce células inmunes, en su desarrollo fetal temprano y etapas postnatales tempranas. Usando la dimensión espacial, los autores concibieron un marco de coordenadas común para mapear matemáticamente el tejido. Este modelo permite una comprensión más profunda de la organización del tejido y la comparación del órgano tanto en individuos como entre individuos y podrá estudiarse en las diversas etapas de la vida, como la vejez.
En conjunto, todos estos hallazgos representan avances importantes en la construcción del primer borrador del mapa celular de HCA, que tendrá diversas implicaciones potenciales futuras. Por ejemplo, mejorará nuestra comprensión de cómo la diversidad celular influye en las respuestas individuales a los tratamientos médicos y ayudará a investigar las bases genéticas de las enfermedades a nivel celular.
“Este es un momento crucial ya que avanzamos hacia la consecución del primer borrador del Atlas de células humanas. Esta colección de estudios muestra los principales avances desde la biología hasta la IA logrados desde la publicación del Libro Blanco del HCA en 2017 y que ahora ofrecen numerosos conocimientos biológicos y clínicos”, menciona Aviv Regev, investigador de Genentech. “Este atlas a gran escala, impulsado por la comunidad, representativo a nivel mundial y rigurosamente curado evolucionará continuamente y seguirá siendo accesible para todos”.
Con el uso de algoritmos y otras técnicas de inteligencia artificial se ha mejorado la capacidad de los humanos para procesar datos rápidamente y a los científicos a comprender y clasificar mejor los tipos de células y buscar células en este vasto mapa del cuerpo humano. Como el caso del proyecto Scimilarity, que permite a los investigadores comparar conjuntos de datos de células individuales para identificar tipos de células similares en diferentes tejidos y contextos, de forma análoga a cómo la búsqueda de imágenes inversa puede buscar fotos, o tambien clasificación de células en grupos jerárquicos en función de sus propiedades, conocida como anotación celular
“La comunidad internacional del Atlas de células humanas subraya el tremendo progreso hacia el mapeo de cada tipo de célula humana y cómo cambian a medida que crecemos y envejecemos”: Jeremy Farrar, científico jefe de la Organización Mundial de la Salud.
Inclusión de la diversidad humana
Uno de los elementos fundamentales de este proyecto es la inclusión de muestras de poblaciones humanas que históricamente han sido subrepresentadas y describe acciones y principios destinados a promover una ciencia equitativa.
“Una característica clave del HCA es asegurar una representación de la amplia gama de la diversidad humana; genética, cultural y geográfica”, afirma Partha Majumder, del Centro John C. Martin para la Investigación e Innovación del Hígado, en India. “Los estudios del HCA como el Atlas de Diversidad Inmunológica Asiática y el análisis de diferencias histopatológicas distintivas en muestras de COVID-19 de Malawi demuestran el notable poder de la colaboración científica internacional a gran escala”.
En conjunto, los atlas tienen el potencial de constituir un recurso que otros podrían inspirarse para explorar y comparar con otros contextos biológicos, como diferentes especies y enfermedades raras. Los investigadores podrán descubrir aspectos del cuerpo humano que aún no se pueden imaginar, de la misma manera que el trabajo de la próxima generación de naturalistas condujo a una visión radicalmente nueva y evolutiva de la naturaleza.
Aunque aún quedan desafíos para capturar completamente la naturaleza dinámica de las células y extender estos conocimientos a diversas poblaciones, el HCA en el que participan científicos de todo el mundo ayudará a que la medicina personalizada sea más alcanzable y mejore la capacidad para tratar enfermedades.
Este proyecto internacional también analiza el desarrollo de nuevas directrices éticas sobre una amplia gama de cuestiones de la ciencia genómica y en poner este asesoramiento a disposición de los científicos de todo el mundo.
