Ο ρόλος των κυττάρων του ανθρώπινου σώματος: Το μέλλον της ιατρικής βρίσκεται μέσα μας

Καθώς οι επιστήμονες αποκωδικοποιούν τα 37 τρισεκατομμύρια κύτταρα του ανθρώπινου σώματος, η κατανόηση της λειτουργίας τους υπόσχεται να αλλάξει ριζικά την ιατρική και τη φροντίδα της υγείας. Ο ρόλος των αλγορίθμων, τα άλματα της ιατρικής,  πώς άλλαξε ριζικά η κατανόηση και η θεραπεία της κυστικής ίνωσης, η αποκωδικωποίηση των μυστικών της εγκυμοσύνης και ο Ανθρώπινος Κυτταρικός Άτλαντας. Τι σημαίνουν όλα αυτά για εμάς;

Γράφει ο  Daniel M Davis, Professor of Immunology, University of Manchester
Επιμέλεια: Σοφία Κροκιδά

Παλαιότερα, ένας απλός μικροσκοπικός φακός ήταν αρκετός για να αποκαλύψει νέες μορφές ζωής. Με αυτόν τον τρόπο, ο Άντονι φαν Λέβενχουκ ανακάλυψε τα σπερματοζωάρια το 1677. Σήμερα, οι αποκαλύψεις αυτές δεν προκύπτουν μέσα από τον φακό, αλλά μέσα από την ανάλυση δεδομένων σε έναν υπολογιστή.

Η έρευνα αυτή είναι εξαιρετικά απαιτητική, τόσο επιστημονικά όσο και κοινωνικά, καθώς μεγάλα ερευνητικά δίκτυα συνεργάζονται στενά. Ωστόσο, η ανταμοιβή μπορεί να είναι τεράστια.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ομάδα 29 επιστημόνων που επιχείρησε να κατανοήσει ποιοι τύποι κυττάρων αποτελούν την επένδυση της τραχείας. Κατά τη διάρκεια της μελέτης, ανακάλυψαν ένα εντελώς νέο είδος κυττάρου, μια ανακάλυψη που ενδέχεται να αλλάξει ριζικά την κατανόηση και τη θεραπεία της κυστικής ίνωσης.

Η ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση της Aviv Regev από το Ινστιτούτο Broad του MIT και του Harvard, ανέλυσε 300 κύτταρα από την τραχεία ποντικιών. Τρία από αυτά δεν έμοιαζαν με κανένα γνωστό κύτταρο. Αν ήταν μόνο δύο, πιθανότατα θα τα αγνοούσαν ως στατιστικό «θόρυβο». Όμως τρία αποτελούσαν πλέον αντικείμενο άξιο προσοχής.

Οι επιστήμονες τα αποκάλεσαν «hot cells». Επανέλαβαν το πείραμα πολλές φορές και επιβεβαίωσαν ότι πράγματι επρόκειτο για έναν νέο τύπο κυττάρου. Την ίδια περίοδο, μια άλλη ομάδα στις ΗΠΑ και την Ελβετία βρήκε ανεξάρτητα τα ίδια κύτταρα. Οι δύο ομάδες γνωρίστηκαν τυχαία σε ένα επιστημονικό συνέδριο το 2017 και επιβεβαίωσαν ότι αυτά τα κύτταρα υπάρχουν και στις αναπνευστικές οδούς και συμφώνησαν να δημοσιεύσουν τις μελέτες τους παράλληλα.

Παρότι αποτελούν μόλις το 1% των κυττάρων των αναπνευστικών οδών, η σημασία τους είναι τεράστια. Ένα από τα γονίδια που ενεργοποιούνται σε αυτά τα νέα κύτταρα είναι το CFTR: το ίδιο γονίδιο που, όταν μεταλλάσσεται, προκαλεί κυστική ίνωση.

Η ασθένεια αυτή, γνωστή για τα χρόνια αναπνευστικά προβλήματα που προκαλεί, συνδέεται με το CFTR από το 1989, αλλά το πώς ακριβώς προκαλείται παρέμενε μυστήριο. Τώρα, φαίνεται πως το κλειδί ίσως βρίσκεται στη λειτουργία αυτών των νέων κυττάρων και στο τι συμβαίνει όταν το CFTR δεν λειτουργεί σωστά.

Η ποικιλία των ανθρώπινων κυττάρων

Κάθε ένα από τα περίπου 37 τρισεκατομμύρια κύτταρα του σώματός μας είναι μοναδικό. Ο τύπος κάθε κυττάρου καθορίζεται από τις πρωτεΐνες που περιέχει. Για παράδειγμα, μόνο τα ερυθρά αιμοσφαίρια διαθέτουν αιμοσφαιρίνη, ενώ τα νευρικά κύτταρα έχουν εντελώς διαφορετικές πρωτεΐνες από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού. Κανένα κύτταρο δεν είναι απολύτως ίδιο με ένα άλλο.

Το ανοσοποιητικό σύστημα είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο. Περιλαμβάνει πολλές κατηγορίες κυττάρων, όπως τα Τ-κύτταρα και τα Β-κύτταρα, αλλά υπάρχουν αμέτρητες παραλλαγές αυτών.

Αν κατανοούσαμε πλήρως τη λειτουργία των κυττάρων του ανοσοποιητικού, θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε πιο στοχευμένα φάρμακα, όπως για παράδειγμα, θεραπείες που βοηθούν το ανοσοποιητικό να καταπολεμά καλύτερα τον καρκίνο.

Ένα παράδειγμα είναι τα λεγόμενα κύτταρα φυσικοί δολοφόνοι (natural killer cells), που εντοπίζουν και καταστρέφουν κύτταρα με καρκινικές ή ιικές μεταλλάξεις. Στο αίμα κάθε ανθρώπου υπάρχουν περίπου χίλια τέτοια κύτταρα σε κάθε σταγόνα.

Κι όμως, ακόμη κι αυτά διαφέρουν μεταξύ τους. Μια μελέτη του 2020 έδειξε ότι οι παραλλαγές τους μπορούν να ταξινομηθούν σε οκτώ κατηγορίες, καθεμία με διαφορετική εξειδίκευση, άλλες πιο αποτελεσματικές απέναντι σε ιούς, άλλες απέναντι σε καρκινικά κύτταρα.

Χρησιμοποιώντας τη γλώσσα των αλγορίθμων

Ας φανταστούμε ότι ένα κύτταρο περιέχει μόνο δύο τύπους πρωτεϊνών, τις Χ και Υ. Κάθε κύτταρο έχει συγκεκριμένες ποσότητες από αυτές τις δύο πρωτεΐνες, οπότε μπορούμε να το τοποθετήσουμε ως σημείο πάνω σε ένα γράφημα: η ποσότητα της πρωτεΐνης Χ αντιστοιχεί στη θέση του στον οριζόντιο άξονα και η ποσότητα της Υ στον κάθετο.

Για να κατανοηθεί η απέραντη πολυπλοκότητα των κυττάρων του ανθρώπινου σώματος, η επιστήμη πρέπει να μεταφράσει αυτή τη βιολογική ποικιλία στη γλώσσα των αλγορίθμων.

Ένα κύτταρο μπορεί να έχει υψηλό επίπεδο της πρωτεΐνης Χ αλλά χαμηλό της Υ και αυτό αποτυπώνεται ως σημείο μακριά στον άξονα Χ και χαμηλά στον Υ. Όταν χαρτογραφηθούν χιλιάδες ή και εκατομμύρια τέτοια κύτταρα, όσα έχουν παρόμοιες αναλογίες πρωτεϊνών σχηματίζουν συστάδες σημείων.

Κάθε συστάδα αντιστοιχεί σε έναν τύπο κυττάρου. Έτσι, μπορούμε να γνωρίζουμε πόσοι τύποι κυττάρων υπάρχουν και πόσα κύτταρα ανήκουν σε κάθε τύπο.

Το εντυπωσιακό είναι ότι αυτή η μέθοδος ανάλυσης μπορεί να αποκαλύψει άγνωστους τύπους κυττάρων, χωρίς να γνωρίζουμε εκ των προτέρων τι αναζητούμε. Αν εμφανιστεί μια συστάδα σημείων με απροσδόκητα χαρακτηριστικά, αυτό ίσως σημαίνει ότι έχουμε μπροστά μας έναν νέο, άγνωστο τύπο κυττάρου.

Φυσικά, τα κύτταρα δεν περιγράφονται μόνο από δύο παραμέτρους. Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί η τεχνική του single-cell sequencing, η οποία μετρά σε ποιο βαθμό κάθε κύτταρο χρησιμοποιεί το καθένα από τα 20.000 ανθρώπινα γονίδια που περιέχει.

Το σύνολο των γονιδίων που χρησιμοποιεί ένα κύτταρο (το λεγόμενο «μεταγράφωμα»), μπορεί να αναλυθεί και να αποτυπωθεί σε έναν χάρτη κυττάρων. Δεν μπορούμε να φανταστούμε έναν χάρτη με 20.000 άξονες, αλλά ένας υπολογιστικός αλγόριθμος μπορεί να τον διαχειριστεί. Τα κύτταρα που μοιάζουν μεταξύ τους τοποθετούνται κοντά, ενώ εκείνα που χρησιμοποιούν διαφορετικά σύνολα γονιδίων βρίσκονται μακριά.

Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται προέρχονται από διάφορους επιστημονικούς τομείς, όπως η ανάλυση κοινωνικών δικτύων. Έπειτα, οι ερευνητές αφιερώνουν μήνες ή και χρόνια για να αποκωδικοποιήσουν τι σημαίνει αυτός ο «χάρτης»: πόσοι τύποι κυττάρων υπάρχουν, τι τα διαφοροποιεί και ποιος είναι ο ρόλος τους μέσα στο σώμα.

Αυτή η προσπάθεια πραγματοποιείται σήμερα σε πρωτοφανή κλίμακα, μέσα από το έργο του Ανθρώπινου Κυτταρικού Άτλαντα (Human Cell Atlas).

Ο Ανθρώπινος Κυτταρικός Άτλαντας

Τον Οκτώβριο του 2016, η Aviv Regev και η Sarah Teichmann από το Wellcome Sanger Institute οργάνωσαν στο Λονδίνο μια συνάντηση περίπου 100 κορυφαίων επιστημόνων, με σκοπό να συζητήσουν πώς θα μπορούσαν να χαρτογραφήσουν κάθε κύτταρο του ανθρώπινου σώματος.

Η ιδέα τους περιγράφηκε σαν ένα «Google Maps για το σώμα»: «Γνωρίζουμε ήδη τις χώρες και τις πόλεις, τώρα πρέπει να χαρτογραφήσουμε τους δρόμους και τα κτίρια».

Ένα χρόνο αργότερα, είχαν ήδη σχέδιο δράσης: στόχος ήταν να καταγραφούν 100 εκατομμύρια κύτταρα από διάφορα όργανα και συστήματα του σώματος, συλλεγμένα από ανθρώπους σε όλο τον κόσμο.

Ο Ανθρώπινος Κυτταρικός Άτλαντας γεφυρώνει αυτό το χάσμα ανάμεσα στον αφηρημένο κόσμο των γονιδίων και τη φυσική πραγματικότητα του σώματος.

Από τότε, χιλιάδες επιστήμονες από περισσότερες από 70 χώρες συμμετέχουν στο εγχείρημα, δημιουργώντας μια πραγματικά παγκόσμια και πολυπολιτισμική ερευνητική κοινότητα.

Ήδη έχουμε δει τη σημασία του μέσα από την ανακάλυψη των νέων κυττάρων που σχετίζονται με την κυστική ίνωση. Ένα άλλο εντυπωσιακό παράδειγμα προέρχεται από την έρευνα γύρω από την εγκυμοσύνη.

Αποκωδικοποιώντας τα μυστικά της εγκυμοσύνης

Εδώ και δεκαετίες γνωρίζουμε ότι το ανοσοποιητικό σύστημα διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην εγκυμοσύνη. Για να ερευνηθεί αυτό, μια ομάδα επιστημόνων υπό την καθοδήγηση της Sarah Teichmann (στο πλαίσιο του Human Cell Atlas) ανέλυσε περίπου 70.000 κύτταρα από τον πλακούντα και το εσωτερικό τοίχωμα της μήτρας γυναικών που διέκοψαν την εγκυμοσύνη τους μεταξύ της 6ης και της 14ης εβδομάδας.

Ορισμένοι συνδυασμοί γονιδίων του ανοσοποιητικού είναι πιο συχνοί από το αναμενόμενο σε ζευγάρια που έχουν βιώσει επανειλημμένες αποβολές, γεγονός που δείχνει ότι ίσως υπάρχει βιολογική σύνδεση.

Ο πλακούντας είναι το όργανο που επιτρέπει την ανταλλαγή θρεπτικών συστατικών και αερίων ανάμεσα στη μητέρα και το έμβρυο. Παλαιότερα θεωρούσαμε ότι το ανοσοποιητικό της μητέρας «απενεργοποιείται» τοπικά, ώστε να μην επιτεθεί στο έμβρυο ως κάτι «ξένο». Όμως, η σύγχρονη έρευνα δείχνει ότι αυτό δεν ισχύει.

Στην πραγματικότητα, τα κύτταρα φυσικοί δολοφόνοι αναλαμβάνουν μέσα στη μήτρα έναν εντελώς διαφορετικό ρόλο: Βοηθούν στη δημιουργία και ανάπτυξη του πλακούντα. Η ανάλυση των 70.000 κυττάρων έδειξε επίσης ότι και άλλοι τύποι ανοσοκυττάρων συμμετέχουν ενεργά σε αυτή τη διαδικασία, αν και οι λεπτομέρειες της λειτουργίας τους παραμένουν ακόμη άγνωστες.

Μία από τις επικεφαλής της έρευνας, η Muzlifah “Muzz” Haniffa, προβλέπει ότι τα ιατρικά εργαλεία του μέλλοντος, όπως το στηθοσκόπιο ή η απλή αιματολογική εξέταση, θα αντικατασταθούν από τεχνολογίες ανάλυσης κυττάρων.

Οι αλγόριθμοι θα αναγνωρίζουν αμέσως το πρόβλημα και θα υποδεικνύουν την καταλληλότερη θεραπεία. Πολλοί γιατροί συμφωνούν: αυτή είναι η επόμενη εποχή της ιατρικής.

Τι σημαίνουν όλα αυτά για εμάς;

Σήμερα θεωρούμε αυτονόητο ότι τα μωρά μπορούν να γεννηθούν με εξωσωματική γονιμοποίηση, ότι οι μεταμοσχεύσεις οργάνων είναι εφικτές και ότι η επιβίωση από τον καρκίνο έχει σχεδόν διπλασιαστεί. Όμως, όλα αυτά ίσως μοιάζουν μικρά μπροστά σε όσα έρχονται.

Η πρόοδος στη βιολογία του ανθρώπου επιταχύνεται με πρωτοφανή ρυθμό. Οι αναλύσεις των γονιδίων μάς βοηθούν να κατανοήσουμε τι μας κάνει διαφορετικούς, οι μελέτες των εγκεφαλικών κυττάρων ρίχνουν φως στον τρόπο που λειτουργεί ο νους μας, ενώ οι νέες ανακαλύψεις για τις πρωτεΐνες και τα μόρια του αίματος αλλάζουν την αντίληψή μας για τη σωματική και ψυχική υγεία.

Οι ασθένειες του μέλλοντος θα εντοπίζονται πριν καν εμφανιστούν συμπτώματα. Αυτό είναι άλλωστε και το ύψιστο όραμα της ιατρικής: να προλαμβάνει, όχι απλώς να θεραπεύει

Στο άμεσο μέλλον, η ανάλυση των κυττάρων μας θα είναι εξίσου σημαντική με τα γενετικά τεστ. Μια απλή φορητή συσκευή δεν θα μετρά μόνο τους καρδιακούς παλμούς ή τα βήματα. Θα μπορεί να δημιουργεί ένα cloud πληροφοριών για τα κύτταρα του σώματός μας, επιτρέποντάς μας να γνωρίζουμε σε βάθος τη φυσιολογία μας.

Οι ασθένειες του μέλλοντος θα εντοπίζονται πριν καν εμφανιστούν συμπτώματα. Αυτό είναι άλλωστε και το ύψιστο όραμα της ιατρικής: να προλαμβάνει, όχι απλώς να θεραπεύει. Το έχουμε ήδη επιτύχει με τα εμβόλια, το καθαρό νερό και την υγιεινή. Τώρα ανοίγονται νέοι δρόμοι μέσα από την υπολογιστική ανάλυση κυττάρων και γονιδίων.

Οι δύσκολες αποφάσεις

Καθώς η επιστήμη μάς προσφέρει όλο και περισσότερα δεδομένα για το σώμα μας, θα χρειαστεί να παίρνουμε δύσκολες αποφάσεις για την υγεία μας.

Τι θα κάνατε, αν μαθαίνατε ότι έχετε 50% πιθανότητα να εμφανίσετε μια ασθένεια μέσα στα επόμενα δέκα χρόνια αλλά η θεραπεία που θα μπορούσε να το αποτρέψει ενέχει δικό της κίνδυνο;

Η περίπτωση της Angelina Jolie, η οποία αποφάσισε προληπτικά να αφαιρέσει τους μαστούς και τις ωοθήκες της μετά από γενετικό τεστ που έδειξε 87% πιθανότητα εμφάνισης καρκίνου, δείχνει πόσο δύσκολες και προσωπικές είναι αυτές οι επιλογές.

Στο μέλλον, θα κληθούμε να αποφασίσουμε πόσα θέλουμε να γνωρίζουμε για τον εαυτό μας. Η νέα επιστήμη μας εξοπλίζει με πρωτοφανή γνώση και δύναμη, αλλά η τελική απόφαση για το πώς θα τη χρησιμοποιήσουμε, θα ανήκει αποκλειστικά σε εμάς.

ΠΗΓΗ: www.theconversation.com