Human Cell Atlas: Un ‘Google Maps’ del cuerpo humano que revoluciona la investigación biomédica

(Ref observatoriobietica.org)

El HCA es una especie de “Google Maps” del cuerpo humano. Su interés radica en que el atlas ofrece a los investigadores una mejor comprensión no solo de cómo es, sino de cómo funciona el cuerpo en la salud y en la enfermedad.

En las últimas décadas, la ciencia ha conquistado un nuevo modo de avanzar en el conocimiento de grandes retos, como los que por su amplitud y coste económico serían inabordables para un solo equipo de investigación por muy bien equipado y dotado de recursos humanos y materiales que estuviera. Se trata de emprender grandes proyectos entre diversos grupos, mediante el reparto de tareas y objetivos. Grandes plataformas que, entre diferentes grupos de investigación bien pertrechados y organizados, reúnen la capacidad para abordar el trabajo de forma coordinada, haciendo válido el slogan de que “la unión hace la fuerza”.

Así lo fue para emprender el estudio del genoma humano mediante el consorcio internacional que hizo posible el Proyecto Genoma Humano (PGH). Un ingente trabajo que permitiera conocer todas las secuencias del ADN de extremo a extremo de los 23 cromosomas del juego básico del ser humano. Los 3.175 millones de pares de bases de nuestro ADN, que encierran la información de unos 21.000 genes. El PGH se desarrolló entre 1990 y 2013, y su culminación se consiguió mucho antes de lo previsto gracias a la colaboración de decenas de laboratorios, de cinco países, con la iniciativa de los EE.UU. La idea era muy ambiciosa y atractiva desde el punto de vista básico y sobre todo aplicado para la Medicina. En 2006, Francis Collins (n.1950), director del consorcio internacional que lo hizo posible, dijo lo siguiente: «Pronto llegará el momento en que las alteraciones genéticas que colocan a cada uno de nosotros en riesgo de una cierta enfermedad futura serán descubiertas, y podremos cada uno tener la oportunidad de desvelar qué hay oculto en el ADN de nuestro propio libro de instrucciones».[1] Tras la culminación del Proyecto se abrió un campo lleno de posibilidades y esperanzas, del que han surgido grandes aplicaciones en las vertientes diagnóstica, terapéutica y farmacológica, y aún más allá para el mejor conocimiento de los genomas de muchas otras especies y su aplicación en estudios filogenéticos y evolutivos.

Desde un principio se consideró que el estudio del genoma humano habría de reportar importantes beneficios para la humanidad, pero al mismo tiempo se pensó que traería consigo implicaciones éticas importantes. Por ello, desde el inicio del PGH, el NHGRI –National Human Genome Research Institute- de los EE.UU.-, creó un Programa paralelo que se encargaría de estudiar los aspectos beneficiosos y los riesgos potenciales de la información que se derivase del mismo. Por ello, se creó el programa E.L.S.I. –Ethical, Legal and Social Implications-. Otra iniciativa sin precedentes en las investigaciones biomédicas para analizar, valorar y utilizar de forma efectiva y ética el conocimiento adquirido sobre nuestro genoma[2]. Otra de las características del PGH fue el de establecer grandes bases de datos de libre acceso a todos los investigadores tanto participantes como interesados en el conocimiento de las secuencias del ADN humano para múltiples aplicaciones. De este modo, destaca el GenBank®, la base de datos de secuencia genética que ofrece el NIH (instituto Nacional de la Salud) de los EE.UU., donde están anotadas de todas las secuencias de ADN disponibles públicamente[3]. GenBank es parte de la colaboración de la base de datos de las secuencias de nucleótidos que se completa con el banco de datos de ADN de Japón (DDBJ) y el archivo de nucleótidos europeo (ENA) Tres organizaciones que intercambian datos a diario

Tras la gran conquista del genoma humano, la investigación de grandes proyectos se mira en el espejo del PGH. De este modo, surgió el proyecto BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies®), calificado como el proyecto APOLO de la neurociencia, que tuvo su inicio en 2013 para su desarrollo en 15 años y con una organización y financiación parecida o incluso superior a la del PGH. Su impulsor fue el neurobiólogo español Rafael Yuste (n. 1963), profesor de Biología en la Universidad de Columbia, New York, que recibió el respaldo de la administración de los EE.UU. en la etapa del Presidente Barak Obama, y cuyo  objetivo era mapear la actividad del cerebro humano. Un proyecto a gran escala, con la idea de desarrollar neurotecnologías innovadoras y generar una imagen dinámica del cerebro, y así contribuir a desvelar las causas de los trastornos cerebrales como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, la depresión y las lesiones cerebrales traumáticas. En principio se implicaron 10 Institutos Nacionales de la Salud de los EE.UU. que aglutinaban de forma coordinada numerosos proyectos que se están desarrollando en muchos centros de investigación. Además, BRAIN tiene como objetivo avanzar en el conocimiento de la “conectividad” entre las neuronas y áreas del cerebro humano e investigar su “actividad”, bajo diferentes circunstancias. Todos los datos adquiridos están contribuyendo a conocer el “conectoma”, la matriz estructural altamente organizada de las conexiones neuronales del cerebro humano.

Tras el proyecto BRAIN surgieron proyectos similares en muchos otros países como el Human Brain Project (HBP), desarrollado entre 2013 y 2023 por investigadores y tecnólogos de Alemania, Austria, España, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Reino Unido, Suecia y Suiza y otros no europeos, que trabajan en neurociencia, supercomputación, medicina y tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC).

En 2018 se establecería una red mundial, la International Brain Initiative (IBI), para obtener un mapa del cerebro humano mediante la coordinación de todos los proyectos indicados, habiéndose desarrollado plataformas informáticas como EBRAINS, que ofrecen una infraestructura de investigación, reúne datos, herramientas e instalaciones para avanzar en el conocimiento en neurociencia y que, siguiendo el modelo del PGH, es de libre acceso.

Casi al tiempo que se terminaba el PGH, surgió el consorcio ENCODE ENCyclopedia of DNA Elements– una continuación del PGH destinada a desvelar las funciones de todas las regiones, genes y secuencias del genoma humano. Tuvo su inicio hacia el 2012 y para ello se aunaron  los esfuerzos de muchos investigadores empeñados en conocer el funcionamiento de la información que encierra el genoma humano[4]. Tras varios años de trabajo de cientos de investigadores en decenas de laboratorios, se va conociendo cómo interaccionan los genes entre sí y cómo se coordinan y regulan sus funciones. Se ha demostrado que muchas de las regiones no codificantes, las consideradas como “ADN basura”, son realmente regiones de gran importancia para la recepción de factores de transcripción, proteínas o ARN de interferencia al servicio de la expresión de los genes. Algunas regiones del genoma afectan al modo en cómo se curva y se empaqueta el ADN. En suma, los resultados de este proyecto demuestran que el 80% del genoma humano tiene alguna función específica.

Y así, llegamos a otra iniciativa que sigue los derroteros de los grandes proyectos mencionados. La revista Nature ha dedicado un número especial en noviembre de 2024 al consorcio Human Cell Atlas (HCA). Se trata de una plataforma creada en 2016 por iniciativa de dos biólogas celulares, la israelita Aviv Regev (n. 1971) y la alemana Sarah Teichmann (n. 1975) junto a cientos de científicos y múltiples laboratorios unidos en torno al objetivo de construir un atlas biológico de las células del cuerpo humano. El portal de la HCA alberga datos de aproximadamente 62 millones de células obtenidas de alrededor de 9.100 donantes. A partir de ahí, el consorcio está construyendo 18 Atlas de Redes Biológicas del HCA. El mapa de las células humanas es al cuerpo humano como las distintas regiones del ADN humano lo son al genoma humano.

Se trata de crear un atlas abierto, ético, equitativo y representativo para la humanidad que represente y beneficie a todos. El consorcio ha llegado a reunir una red global de más de 3.600 miembros de 102 países y se encuentra en una fase de integración de datos de órganos embrionarios, fetales, pediátricos, de adultos y el desarrollo de herramientas informáticas para la elaboración del primer borrador. Siguiendo el ejemplo del PGH, el portal del HCA es de libre acceso para todo el mundo.

El objetivo inicial es muy ambicioso, ya que se trata de catalogar todos los tipos de células del cuerpo humano, desde el desarrollo hasta la vejez, lo que equivale a localizar en el mapa los aproximadamente 37,2 billones de células del cuerpo, con la dificultad especial del dinamismo que hace que las células cambien como la vida misma y se dividan, renueven o pierdan a lo largo de la vida. También se trata de conocer cómo se establecen los ejes de los distintos órganos corporales durante el desarrollo embrio-fetal y la gestación. El consorcio cuenta con la financiación de grandes instituciones, tanto de carácter público como de la Comisión Europea y los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos y algunas organizaciones filantrópicas, como la Iniciativa Chan Zuckerberg y el Wellcome Trust.

El HCA es una especie de “Google Maps” del cuerpo humano. Su interés radica en que el atlas ofrece a los investigadores una mejor comprensión no solo de cómo es, sino de cómo funciona el cuerpo en la salud y en la enfermedad. Por ejemplo, interesa conocer cómo cambiaron las células pulmonares en enfermos que murieron de la COVID-19 en comparación con los que murieron por otro tipo de infecciones, o cómo se organizan las células en espacio y tiempo durante el desarrollo embrionario y fetal, cómo se generan los tejidos y sistemas humanos a lo largo de la vida, o de qué modo se reflejan en la organización celular las diferencias étnicas o raciales, si es que lo hacen.

El HCA se va enriqueciendo con los estudios de las funciones de cada célula gracias a las nuevas tecnologías que permiten estudiar el “transcriptoma” (ARN presente en cada célula), el “proteoma” (proteínas propias de cada célula) y el “metaboloma” (las moléculas propias de cada célula que determinan su función). En este aspecto, es interesante la introducción en los estudios de la biología molecular, celular, genética y embriología, de una serie de nuevas tecnologías como la secuenciación del ARN de una sola célula -scRNA-seq-; y la “microscopía confocal”, que incluye la utilización del marcado con proteínas fluorescentes para la interpretación de las imágenes por computación. De entre ellas, la scRNA-seq facilita el conocimiento del transcriptoma, el ARN extraído de las células de las diferentes partes del organismo en diferentes momentos del desarrollo, lo que ha contribuido notablemente al Atlas del Desarrollo Celular Humano –HDCA [5]. La técnica permite conocer cómo se generan paso a paso los diferentes tipos de órganos en la fase fetal o en la base de los tejidos adultos. Este tipo de técnicas permitirá cancelar cualquier especulación sobre la naturaleza biológica y el valor de la vida humana desde la fecundación, al desvelar como crece de forma regular, gradual y continua el ser humano constituido al formarse la primera célula, el cigoto.

En uno de los artículos recopilados en el número especial de Nature se señala que, en conjunto, los atlas tienen el potencial de constituir un recurso en que otros podrían inspirarse para explorar sobre otros contextos biológicos, como las comparaciones entre diferentes especies o las causas de las enfermedades raras. Los investigadores podrían entonces descubrir aspectos del cuerpo humano que aún no se pueden imaginar, de la misma manera que los trabajos de los naturalistas del siglo XIX condujeron a una visión evolutiva radicalmente nueva de la naturaleza [6].

Nicolás Jouve
Catedrático Emérito de Genética de la Universidad de Alcalá
Ex miembro del Comité de Bioética de España
Miembro del Observatorio de Bioética
Universidad Católica de Valencia

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