Imunologia, uma célula por vez!

Por mais de um século, os cientistas tentaram caracterizar as diferentes funções das 10/50 trilhões de células do corpo humano – dos neurônios, que podem atingir 1 metro de comprimento, aos glóbulos vermelhos, com cerca de 8 micrômetros de largura. Esses esforços ajudaram a identificar importantes tipos de células e caminhos envolvidos na fisiologia e patologia humana.

Mas tornou-se evidente que as ferramentas de pesquisa das últimas décadas não conseguiram capturar toda a complexidade da diversidade e função celular.  Parte disso se deve ao fato de que muitas células com funções completamente diferentes têm formas semelhantes ou produzem os mesmos marcadores. Esse marcadores fluorescentes ligados à anticorpos se ligam a proteínas específicas nas superfícies das células, e auxiliam a identificar células diferentes, mesmo que eles pareçam idênticas.

A genômica de célula individual está transformando a capacidade dos biólogos em caracterizar as células. As novas técnicas que surgiram visam capturar células individuais e determinar as sequências das moléculas de RNA e DNA que elas contêm. A mudança de abordagem é semelhante à mudança na forma como as células e as moléculas podem ser vistas durante a década de 1980, seguindo avanços em microscopia, marcação e triagem de células.

Nos últimos cinco anos, vários grupos de biólogos deixaram de medir a expressão de alguns genes em algumas células para examinar milhares de genes em centenas de milhares de células de tecidos intactos. Como resultado disso, novos tipos celulares, estados celulares e caminhos estão sendo descobertos.

Explorar completamente a genômica de uma única célula exigirá que cientistas e clínicos façam ajustes experimentais e analíticos. Em particular, devemos estar prontos para descartar pressupostos sobre tipos celulares e estados celulares e para reconstruir representações de redes celulares.


Instrumento contundente

As células do sistema imunológico, que patrulham o sangue e habitam nos tecidos, têm muitas funções. Elas protegem o corpo de patógenos e do câncer, além de orquestrar o metabolismo e a formação de órgãos. Elas estão envolvidas em quase todas as atividades que regulam o ambiente interno do corpo, desde o desenvolvimento e remodelação de tecidos até a depuração de células e detritos moribundos. Portanto, sua disfunção pode causar muitos problemas. Por exemplo, as células imunes desreguladas podem atacar células saudáveis ​​e causar doenças auto-imunes como lúpus, diabetes tipo 1 ou esclerose múltipla.

Um primeiro passo para o aproveitamento do sistema imunológico para uso terapêutico é caracterizar os tipos de células que ocupam uma área específica (como os arredores de um tumor). Outro é mapear os processos e caminhos únicos nas quais as células estão envolvidas, os genes que expressam e as interações e respostas das células aos estímulos ambientais. Ao longo dos últimos 40 anos, abordagens meticulosas baseadas na rotulagem genética permitiram aos pesquisadores identificar dezenas de tipos e funções de células imunes. Por exemplo, o uso de anticorpos fundidos a marcadores fluorescentes que se ligam e marcam superfícies celulares específicas estabeleceram a taxonomia básica das células imunes – incluindo vários tipos de células T, células B, monócitos e granulócitos. Tais estudos também iniciaram a busca por tratamentos conhecidos como imunoterapias, que utilizam as defesas naturais do corpo para combater a doença.

Cada vez mais essas técnicas sugerem que o mundo das células imunes é mais complexo do que se admite atualmente. As células imunes parecem mudar suas funções dependendo do ambiente. Por exemplo, macrófagos (identificados por seus marcadores de superfície celular) podem ter uma função no intestino que é completamente diferente de quando estão no cérebro. Além disso, os marcadores moleculares não podem descrever completamente a diversidade funcional das células em diferentes contextos imunes. Por exemplo, demonstrou-se que um grupo de células imunes que suprime a resposta imune em torno de tumores (células supressoras de origem mieloide) expressam ambos marcadores de monócitos e granulócitos.

Nos últimos cinco anos, as tecnologias para capturar células individuais melhoraram drasticamente. Algumas abordagens dependem de colocar células dentro de recipientes em miniatura, uma de cada vez, outras capturam células individuais dentro de gotículas de óleo. Enquanto isso, os bioinformatas criaram algoritmos para representar dados multidimensionais, identificando estados celulares distintos e modelando as transições entre esses estados.

Graças a esses desenvolvimentos, os pesquisadores agora podem capturar centenas de milhares (ou mesmo milhões) de células e medir com precisão o conteúdo do DNA, RNA ou de proteína em cada um. As ferramentas de edição de genes, como o sistema CRISPR-Cas9, podem ser usadas para introduzir uma mutação específica no genoma de uma célula e, em seguida, uma alteração diferente nos próximos. Assim, a função de dezenas de genes pode ser inferida a partir de apenas um experimento, lendo o RNA resultante, em paralelo com a informação genética de uma célula individual.

Com essas medidas, os pesquisadores podem registrar potencialmente os estados funcionais de muitas células ao mesmo tempo. Eles também podem sondar a ascendência de células individuais ou identificar mutações no DNA de uma célula individual, bem como acompanhar a comunicação entre as células. Em outras palavras, a genômica de uma única célula permite aos pesquisadores construir uma representação precisa de toda a composição de um tecido, como um órgão específico ou um tumor, ou de um processo multicelular, como a resposta do sistema imune a uma infecção.

Cerca de 20 laboratórios em todo o mundo abraçaram completamente o estudo sobre a genômica de uma única célula, e cada vez mais estão tentando essa abordagem. Nos últimos anos, foram publicados numerosos artigos que descrevem novos tipos de células imunes e caminhos anteriormente desconhecidos envolvidos em várias condições.

Por exemplo, 15 subtipos de células linfoides inatas, que são semelhantes às células T, mas não expressam seus receptores, foram identificados no intestino. Diferentes progenitores de linhagens de células imunes foram descobertos na medula óssea. Tipos específicos de células imunes foram associados a estágios particulares do crescimento tumoral. E vários tipos de células microgliais foram identificadas no cérebro durante o desenvolvimento.


Lições Básicas

Ainda estamos nos primórdios dos estudos de genômica de uma célula única. Mas já há uma série de lições importantes que podem ser aprendidas com as experiências dos laboratórios.

Primeiro, é claro que muitas das categorias atuais de células imunes, como células T ou monócitos, abrangem populações heterogêneas. Para sondar a complexidade celular, os pesquisadores devem, portanto, lançar suas redes e tentar coletar todas as células imunes dentro de um tecido ou região de interesse. Esta é uma abordagem muito diferente da utilizada com métodos baseados em marcadores de superfície celular, que visam obter uma amostra o mais pura possível.

Em segundo lugar, o sucesso dependerá, em parte, da medida com que os pesquisadores preservam os estados das células e a composição original de um tecido. O estresse celular ou a morte devem ser minimizados para garantir que a preparação dos tecidos não favoreça tipos específicos de células (algumas são mais sensíveis ao estresse térmico, por exemplo, do que outras).

Em terceiro lugar, os bioinformatas precisarão desenvolver algoritmos escaláveis ​​e robustos para lidar com um maior número de células, programas conflitantes ou sobrepostos de expressão gênica e estágios de desenvolvimento passageiros.

Em quarto lugar, depois que os pesquisadores caracterizarem todas as células imunes de uma amostra, precisarão encontrar marcadores moleculares que possam ser utilizados para enriquecer ou esgotar determinados tipos de células em outras amostras.

Uma quinta lição considera uma desvantagem considerável das atuais tecnologias de células individuais. Elas capturam sistemas dinâmicos e instantâneos, nos quais as células são desprovidas de um contexto importante – espacial, temporal, clonal e epigenético. Sem saber de onde veio uma célula estudada, quem eram seus vizinhos ou de quem desenvolveu, é difícil modelar processos complexos, como a formação de tecido ou a interação de um tumor com células imunes próximas.

Uma maneira de contornar esse problema pode ser combinar várias camadas de informações da mesma célula. A marcação fluorescente genética, por exemplo, pode ser usada para rastrear mudanças no estado de uma célula ao longo do tempo ou para encontrar exatamente onde está em um tecido.

Por último, as definições dos livros didáticos e as crenças prolongadas sobre identidades celulares, como a distinção entre o tipo de célula e o estado celular, certamente precisam ser repensados. Algumas classificações de subgrupos com base em marcadores extras podem ser úteis à curto prazo, mas podem tornar-se rapidamente difíceis de manejar. Por exemplo, ao invés de se referir às células T-helper (TH) de forma geral, os pesquisadores agora devem se referir a uma dúzia de subcategorias, como células TH1 e células TH2. E essa abordagem pode continuar a ignorar a verdadeira complexidade funcional do ecossistema imune.

Uma solução mais viável para os pesquisadores pode ser a substituição de classificações rígidas por montagens de programas de expressão de genes.  Estes elaborados mapas de genes podem representar todos os tipos e estados de células, incluindo aqueles de diferentes contextos fisiológicos e patológicos. Tais mapas permitiriam que os biólogos definissem células não apenas por um destino, linhagem ou função, mas pela combinação de todos estes. Também permitiria que elas fossem comparadas entre organismos.


Transformação rápida

A genômica de células individuais em breve será comum na pesquisa de imunologia básica e aplicada. Graças aos esforços que vem sendo feitos para tornar as ferramentas padronizadas e acessíveis à academia, à indústria biotecnológica e à clínica. Prevemos que, dentro de uma década, amostras de sangue ou biópsias serão rotineiramente enviadas para análise genômica de célula individual e a composição imune total dos pacientes analisados ​sejam comparados com todos os estados saudáveis ​​e doentes conhecidos.

Quase todas as descobertas científicas se originaram de uma nova medida ou observação que permitiu que os cientistas apresentassem novas hipóteses e as juntasse em teorias unificadoras. A observação de Robert Hooke das células como unidades de organismos multicelulares, a descoberta de James Watson e Francis Crick da estrutura 3D do DNA e a detecção das galáxias além da Via Láctea, de Edwin Hubble, não poderiam ter sido alcançadas sem novas formas de ver.

O microscópio molecular da genômica de célula individual já está aumentando nosso conhecimento sobre os tipos de células e os caminhos dos genes. Mas, para que a genômica de células individuais nos diga algo realmente novo sobre o plano dos seres humanos, teremos que abordar como as células individuais se comunicam para alcançar objetivos compartilhados.

Matéria originalmente traduzida da revista Nature.

Sanderson Calixto

Sanderson Calixto

Biólogo com ênfase em Biologia Celular e Saúde e mestrando em Biociências e Biotecnologia pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF. Possui experiência na área de Imunofarmacologia de Produtos Naturais com ênfase na avaliação da atividade anti-inflamatória e antimicobacteriana.
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Biólogo com ênfase em Biologia Celular e Saúde e mestrando em Biociências e Biotecnologia pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF. Possui experiência na área de Imunofarmacologia de Produtos Naturais com ênfase na avaliação da atividade anti-inflamatória e antimicobacteriana.

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