Modelos de expresión centrados en los nodos (NCEM): Las redes grafo-neurales revelan la comunicación entre células

01.11.2022 - Alemania

¿Cómo se comunican las células individuales en un tejido? ¿Cómo se pueden modelar estas interacciones, conservando la información del contexto espacial? Investigadores en torno a Fabian Theis, del Centro de Salud Computacional Helmholtz de Múnich y la Universidad Técnica de Múnich (TUM), han generado un nuevo método para representar la comunicación celular, publicado en Nature Biotechnology: los modelos de expresión centrados en nodos (NCEM). Estos modelos se basan en redes neuronales gráficas y ayudan a descubrir los efectos de la composición del nicho del tejido celular en la expresión de los genes sin pérdida de información espacial.

Las células interactúan de diferentes maneras y en múltiples escalas de longitud. La interacción de una célula con su nicho tisular puede describirse mediante eventos de comunicación celular. Para entender estos eventos, investigadores de todo el mundo crean modelos, basados en diferentes estrategias. Estos conocimientos son cruciales para comprender e identificar fenómenos emergentes en los microambientes tisulares, como los cambios genéticos en un tumor. El problema: muchos de los modelos se basan en células disociadas, lo que significa que las células se separan en células individuales cuando se analizan y ya no están integradas en su entorno natural. Otros modelos se limitan a la señalización receptor-ligando, un determinado tipo de comunicación entre células. Por tanto, estos modelos ignoran la proximidad espacial de un grupo de células (un nicho) en su entorno tisular natural. Investigadores del entorno de Fabian Theis, del Centro de Salud Computacional de Helmholtz Múnich y de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), han desarrollado ahora un nuevo método que define la complejidad y mejora la comprensión de la comunicación celular: los modelos de expresión centrados en nodos (NCEM).

Un marco flexible

La particularidad del nuevo modelo generado: NCEM es un método computacional basado en redes neuronales gráficas, que combina la atribución de varianza transcriptómica y el modelado de la comunicación celular en un único modelo de nichos de tejido. Por tanto, el modelo es capaz de predecir el perfil de expresión génica de una célula en función de la presencia de los tipos de células circundantes. Además, estima el efecto de la composición de un nicho tisular sobre la expresión génica de forma insesgada a partir de datos de perfiles moleculares espaciales.

En su modelo, los investigadores desarrollaron un marco flexible para explicar las variaciones de expresión génica observables en la transcriptómica espacial, una tecnología que proporciona información de expresión génica resuelta espacialmente. Las variaciones de la expresión génica pueden entonces asociarse a procesos moleculares conocidos relacionados con eventos de comunicación celular. Demostraron que los NCEMs identifican de forma robusta las dependencias célula-célula a través de diferentes tecnologías de transcriptómica espacial y a escalas de longitud que son características para los mecanismos de comunicación conocidos. Con este método, los primeros autores, David Fischer y Anna Schaar, pudieron recuperar firmas de procesos moleculares que se sabe que subyacen a la comunicación celular.

Una nueva forma de identificar la comunicación celular

El marco restringe los eventos de comunicación a las células que están próximas en el espacio. Las dependencias identificadas no se limitan a la comunicación basada en ligandos y receptores, sino que también pueden explicar, por ejemplo, las interacciones físicas o el intercambio de metabolitos.

NCEM es un método computacional flexible que puede extenderse a conjuntos de datos más complejos, como por ejemplo datos transcriptómicos espaciales en 3D y datos de mayor rendimiento. Por lo tanto, proporciona un conjunto de herramientas flexibles para el análisis de la comunicación célula-célula en el espacio. La nueva metodología complementa los esfuerzos recientes de caracterización de la expresión génica en células individuales en proyectos de "atlas" unicelulares, teniendo en cuenta en este caso particular el nicho tisular.

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