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我们正在绘制100万亿个人类细胞(以及它们所有的基因)

大约有100万亿个细胞组成了人体。一项新的megascience项目将对来自80个已知器官的200种或更多类型的细胞进行分类和成像,并识别这些细胞中活跃的基因。

这项新研究是在上世纪90年代和本世纪初吞没生物学的人类基因组计划之后进行的。现在,科学家们设想了一个新的令人兴奋的挑战:创建整个人体的细胞图,这个项目被称为人类生物分子图谱程序或HuBMAP。佛罗里达大学是五个参与组织测绘中心之一。在UF中心,我们负责绘制胸腺、淋巴结和脾脏的图谱,这些都是免疫系统的关键组成部分。

我已经研究了将近35年的1型糖尿病,也就是青少年糖尿病佛罗里达大学糖尿病研究所一直在努力寻找预防和治疗这种疾病的方法。直到最近,这一直是一个挑战,因为我们不知道是什么导致了1型糖尿病。

作为组织映射中心,我们的目标是识别独特的细胞类型,它们产生哪些蛋白质,哪些基因被激活,并为每个器官建立一个虚拟的三维模型。这张地图将为许多疾病的研究提供信息,包括1型糖尿病。

为什么了解1型糖尿病的病因很重要?

我们知道1型糖尿病是一种所谓的“自身免疫性疾病”。在1型糖尿病中,被称为“T淋巴细胞”的免疫细胞被认为会破坏负责产生胰岛素的胰腺β细胞,而胰岛素可以调节血液中的血糖水平。

就在十多年前,由于无法预防和治愈这种疾病,我开始了一项从器官捐赠者那里收集1型糖尿病患者和非1型糖尿病患者胰脏的计划。收集后一组以了解“正常”健康胰腺。到目前为止,我们已经收集了500多个人的胰腺。我们已将这些组织分发给全世界21个国家的约230个项目。这项研究的结果带来了新的发现,这些发现改写了我们对这种疾病如何发展的理解。

有些是1型糖尿病患者25000年每年仅在美国,就面临着终身依赖每日胰岛素注射以生存的风险,并且有很高的发展风险长期的并发症包括失明、肾病、脚麻、截肢和心血管疾病。今天,估计差不多了125万人在美国患有这种疾病。

尽管这些并发症对患者来说令人不安,但更令人生畏的可能是许多必须控制或考虑的日常生活因素,以控制疾病:监测碳水化合物,估计运动,评估血糖水平,注射胰岛素以避免高血糖和低血糖水平。这些只是日常疾病相关挑战中的一小部分。

由于这些原因,UF糖尿病研究所的集体研究的目标一直是了解导致这种疾病的原因。了解这一点将使我们能够预测谁处于危险之中,确定预防疾病发展的方法,并开发出一种治疗方法。

为什么要研究这些器官?

1型糖尿病只是80多种已知的自身免疫性疾病中的一种,由于未知的原因,免疫系统会自我攻击。除了自身免疫,免疫反应也是对抗癌症和传染病的一个关键组成部分。从我们研究胰腺和1型糖尿病的经验来看,我们通过绘制地图,在了解免疫在这两种情况下的作用方面取得了巨大的进展。它可以让我们深入研究免疫系统是如何工作的。

在健康个体中,T细胞只有在对感染或癌细胞做出反应时才会变得活跃。但在那些易患自身免疫性疾病的人群中,某些T细胞会被“自我”蛋白错误地激活,导致它们破坏健康组织。

在其他情况下,如癌症或传染病,免疫系统无法提供足够强大的反应来发挥作用。或者免疫系统的细胞不受控制地增殖,导致血液和淋巴癌,如淋巴瘤和白血病。这就是为什么胸腺、脾脏和淋巴结是那些研究健康人体免疫系统的人感兴趣的组织。研究人员需要了解所有这些器官的健康基线,以便我们能够识别出何时开始出现故障和变化,从而导致自身免疫性疾病、癌症和传染病。换句话说,我们首先需要了解人类一生中正常的淋巴系统是由什么组成的。

为什么定义正常很重要?

你可能想知道我们从哪里得到这些正常的细胞。正如我们在过去11年所做的那样,我们将通过以下途径获取已故器官捐赠者的移植级人体组织器官组织,在家庭成员或法定遗嘱执行人提供知情同意后。这些珍贵的解剖礼物(脾脏、胸腺和淋巴结)是在一个悲痛的时刻赠予的,它们不能用于挽救生命的移植手术,但却为科学研究和发现提供了一种独一无二的资源。

只有被认为“正常”的组织——不受已知或可见病理影响的组织——将被纳入这些初步研究。我们将收集从婴儿到成人到70岁的捐赠者的组织。我们希望这将有助于我们了解年龄是如何改变每个器官中所有细胞的类型和健康的。

UF糖尿病研究所的一个多学科团队,包括细胞和分子生物学家、研究临床淋巴样本的血液病理学家、生物医学工程师、免疫学家等,将为HuBMAP项目进行合作。事实上,佛罗里达大学组织测绘中心将与尖端显微技术和数据收集方面的全球专家网络广泛合作。

我们正在建立一个成像管道来检测几十种蛋白质和RNA分子,这些分子表征了神经、血管、基质支持组织和组织切片中的免疫细胞,使用了八种不同的显微镜形式。

在HuBMAP的头两年里,我们计划绘制11个器官捐赠者的脾脏、胸腺和淋巴结。

我们期望得到的数据将揭示新的细胞类型、分子和细胞结构、细胞与细胞之间的相互作用及其在人体解剖学和生理学中的功能含义。因此,高分辨率的、三维的人类生物分子图谱计划有望促进发现。

在我快50岁的时候,受疾病影响的同事、朋友和家人的数量每年都在增加。我最近也做了爷爷。我认为,我们提议做的事情将对今世后代的人类健康产生重大影响。那将是一份遗产。谈话

马克·阿特金森是佛罗里达大学的医学教授。这篇文章首先出现在谈话

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