Lze lidský orgán zmapovat až do úrovně jediné buňky a dozvědět se více o každé z nich? A můžeme zjistit, jak se tyto buňky u jednotlivých lidí liší? Výzkumníci z centra Helmholtz v Mnichově a jejich spolupracovníci se této výzvy chopili a vyvinuli Atlas lidských plicních buněk pomocí technik založených na umělé inteligenci (AI).
Tento atlas objasňuje rozmanitost typů jednotlivých plicních buněk a umožňuje dozvědět se víc o zdraví i nemocech plic.
Technologie vyvinuté v minulém desetiletí umožňují výzkumníkům studovat tkáně při rozlišení jednotlivých buněk a nahlédnout do jejich různých funkcí, díky nimž plní svůj úkol celý orgán. Vytvoření datového souboru na úroveň jednotlivých buněk je však časově náročné a nákladné a obvykle lze do každé studie zahrnout jen několik jednotlivců. Mezinárodní tým výzkumníků nyní vytvořil atlas lidských plic pro jednotlivé buňky kombinací 49 různých již publikovaných a nově vytvořených datových souborů. To poskytlo vhled do široké škály a typů buněk v našich plicích.
Prof. Fabian Theis, vedoucí Centra komputačního výzkumu zdraví (Computational Health Center), ředitel Institutu komputační biologie v centru Helmholtz Mnichov a profesor Technické univerzity v Mnichově (TUM), popisuje projekt: „Vytvořili jsme první souborný referenční atlas lidských plic, který zahrnuje údaje od více než stovky zdravých lidí a odhaluje, jak se buňky liší v závislosti na věku, pohlaví a historii kouření. Prostý počet zkoumaných buněk a jednotlivců nám dává možnost pozorovat vzácné typy buněk a identifikovat nové buněčné stavy, které nebyly dříve popsány.“
Profesor Martijn Nawijn, hlavní autor práce a profesor Univerzitního lékařského centra v nizozemském Groningenu, řekl: „Je to první snaha o souborné porovnání zdravých a nemocných plic v jedné studii. Naše studie nejen poukazuje na výskyt plicní fibrózy u onemocnění covid-19, ale umožňuje nám identifikovat a definovat společný buněčný stav mezi pacienty s plicní fibrózou, covidem-19 a rakovinou plic. Nalezení těchto společných buněk spojených s onemocněním je strhující a odkrývá naprosto odlišný pohled na plicní onemocnění, otevírá možnosti pro nové léčebné zásahy a poskytuje biomarkery pro léčebnou odpověď. Naše zjištění také naznačují, že terapie fungující u jedné nemoci mohou pomoci zmírnit nemoci jiné.“
Zatímco jádrem Atlasu lidských plicních buněk (HLCA) jsou údaje ze zdravých plic, výzkumníci vzali rovněž datové soubory z více než 10 různých plicních onemocnění a využili strojové učení, aby je promítli do zdravých dat a porozuměli onemocnění. Nabízí se tak jedinečně bohatý obraz toho, jak se nemocné plíce liší od zdravých.
Seskupením všech zlomků dřívějších poznatků a dat vytvořili výzkumníci první souborný Atlas lidských plicních buněk. U každé ze 2,4 milionu buněk v něm vědí, které geny byly aktivní, díky čemuž mohou porozumět funkcím těchto buněk. To umožňuje dále studovat, jak se buňky liší v závislosti na věku, pohlaví nebo onemocnění. Například jedna z autorek Lisa Sikkema z Ústavu komputační biologie a vědecký tým zaznamenali, že makrofágy odvozené od monocytů (specifický typ imunitní buňky) vykazují aktivitu podobných genů u rakoviny, covidu-19 a plicní fibrózy, což pravděpodobně hraje roli při tvorbě jizev v plicích u všech tří nemocí. Terapie účinné u jedné nemoci proto mohou být efektivní také u ostatních. Sikkema poznamenává: „Jedním z velkých problémů při vytváření tohoto souborného atlasu byla anotace typu buňky. Různé výzkumné skupiny používaly různá jména pro stejný typ buněk nebo stejný název pro různé buňky, takže jsme pracovali na jejich standardizaci pomocí dat v atlasu. Ten je prvním krokem ke konsensuálnímu popisu lidských plic, což pomůže sjednotit jejich výzkum.“
Projekt Souborného plicního atlasu (The Lung Atlas Integration Project) byl společným úsilím s téměř stovkou partnerů z více než 60 mezinárodně zapojených oddělení, včetně klíčových výzkumníků z Univerzitního lékařského centra v Groningenu nebo Severozápadní univerzity v USA (Northwestern University). Tým je součástí mezinárodní sítě pro výzkum plic „Human Cell Atlas Lung Biological Network“, která má kořeny v Chan Zuckerberg Initiative Seed Networks pro HCA (Human Cell Atlas), a sítě pro výzkum plic DiscovAIR, financované Evropskou unií.
Výzkumníci atlas plně zpřístupnili veřejnosti a očekává se, že bude sloužit jako ústřední zdroj pro lékaře a vědce, kteří chtějí lépe porozumět plicní biologii v oblasti zdraví a nemocí a rozvíjet další studie.
Studie byla v originále publikována v časopise Nature Medicine. DOI:10.1038/s41591-023-02327-2
Zdroj: First Integrated Single-Cell Atlas of the Human Lung, Helmholtz Munich
Foto: Pixabay
